WO2014202320A1 - Laminierte bipolare platte - Google Patents

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WO2014202320A1
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elastic support
bipolar plate
frame
elastic
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Markus Trampert
Herbert Bucsich
Martin Harrer
Adam Whitehead
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Cellstrom GmbH
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Cellstrom GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a non-elastic support frame with a central recess in which a bipolar plate is arranged.
  • Redox flow batteries are known to consist of cells through which electrolytes with different electrical charges flow.
  • the cells comprise two juxtaposed frames, in each of which an electrode is arranged, which are separated by a membrane, commonly referred to as an ion exchange membrane. Between individual cells of the redox flow battery, a bipolar plate is arranged.
  • the individual frames of the redox flow battery must be sealed against each other, on the one hand to prevent electrolyte from passing outside the cells, and on the other hand, in order to prevent mixing of different charged electrolytes, which would lead to a reduction of the efficiency.
  • the bipolar plate is disposed within a support frame, often the frame for the electrodes, using two types of support frames.
  • frames made of non-elastic plastics such as PVC, PE, etc. are also frames made of elastic plastics, so elastomers used.
  • WO 12/133747 A1 shows the structure of a redox flow battery in which the bipolar plate is disposed within a ring-shaped sealing frame, said sealing frame consists of elastic material. Since in this embodiment the elastic sealing frame does not have sufficient rigidity to be able to support the bipolar plate independently, said sealing frame is arranged within a further, rigid, two-part, outer frame. Due to the multi-part structure of the support frame increased complexity is not to be dismissed out of hand. A disadvantage is to be considered that the different parts must be matched exactly with each other in terms of their dimensions, since production-related errors in such
  • AT 501902 B1 shows the reception of the bipolar plate in a two-part elastomer frame, in which the electrodes are also arranged.
  • the production-related problems already mentioned above, with production costs remaining reasonable, would lead to a possible gap between the bipolar plate and the elastomer frame, which would subsequently lead to leakage.
  • individual sealing fingers or sealing finger groups are provided on the elastomer frame, in the region of the contact surface between the frame and the bipolar plate.
  • the Edge surface of the bipolar plate beveled from both sides. Due to the interaction of the inclined surfaces with the sealing fingers, the sealing effect is ensured to a sufficient extent.
  • JP 3386410 B2 shows a bipolar plate with a frame for redox flow batteries.
  • the bipolar plate is fitted in said frame.
  • the same frame contains channels through which the electrodes of the redox flow battery are supplied with the necessary electrolyte fluid.
  • a portion of the bipolar plate which directly contacts the electrolyte fluid is covered by a corresponding foil. Since the frame shown carries not only the bipolar plate but also the electrodes of the redox flow batteries and further includes the above-mentioned channels, its structure is correspondingly complex.
  • JP 2005228645 A2 shows a structure in which the bipolar plate is supported by a non-elastic plastic frame.
  • the plastic frame is made in two parts in the form of two half-shells, with a complete cell of the through-flow battery, ie a bipolar plate, electrodes and a separating membrane between the electrodes, located inside the two half shells.
  • the bipolar plate is already integrated in the course of production in the plastic frame.
  • the object of the present invention is to provide a simple and cost-effective receiving device for a bipolar plate, in particular of redox flow batteries, by which the necessary assembly work is reduced to a minimum.
  • the object is achieved according to the present invention in a non-elastic support frame of the type mentioned above in that the bipolar plate and the non-elastic support frame have the same thickness and the bipolar plate is attached by means of at least one film on non-elastic support frame, which the non-elastic support frame, the bipolar Plate and a parting line between non-elastic support frame and bipolar plate at least partially covered.
  • the film is applied to the bipolar plate and the non-elastic support frame, for example by gluing, welding or other suitable joining methods. Because the bipolar plate and the associated non-elastic support frame have approximately the same thickness, the two surfaces to be covered are as possible flush with each other, so that there is a flat as possible primer for the applied film. By this design, neither clamps nor exact fits are required between the support frame and bipolar plate whereby the production-technical preparation effort is reduced to a minimum and also the mounting of the support frame with the bipolar plate disposed therein can be done very easily.
  • the film is designed frame-shaped and completely covers the parting line between non-elastic support frame and bipolar plate.
  • This shape of the foil ensures that a sufficiently large area of the bipolar plate is in contact with the adjacent electrodes.
  • the outer dimensions of the film are smaller than the outer dimensions of the non-elastic support frame. This allows a simpler application and alignment of the film while avoiding a possible, undesirable supernatant over the outer edge of the non-elastic support frame.
  • the film can be applied to front and back of the non-elastic support frame and the bipolar plate.
  • the strength of the connection between non-elastic support frame and bipolar plate or the reliability with regard to the secure hold of the bipolar plate in the non-elastic support frame during handling is thereby increased.
  • an advantageous embodiment provides that the film is attached by means of adhesive to the non-elastic support frame and / or the bipolar plate.
  • the film can be fixed permanently in a simple manner.
  • the use of an adhesive connection allows cost-effective joining with low assembly costs, wherein there is no weakening of the parts to be joined, since no recess, holes or the like are necessary to connect the support frame and bipolar plate together.
  • adhesive bonds usually allow a greater tolerance range of the components to be joined to bridge, thereby eliminating a costly preparation of the joining components.
  • the space required for the connection of non-elastic support frame and bipolar plate is reduced to a minimum, and further allows the adhesive joint uniform distribution of mechanical stresses.
  • the film is precoated with an adhesive. This eliminates the additional handling with appropriate when applying the film Binders, adhesives and the like, whereby this step is greatly simplified. Furthermore, the application of the film can be automated or semi-automated by the pre-coating.
  • passage openings are arranged in the non-elastic support frame. Through these passage openings of the transport of the corresponding electrolyte liquid is made possible to adjacent elastic frame and subsequently to the electrodes.
  • centering elements are arranged on the non-elastic support frame.
  • corresponding centering elements can also be arranged in the adjacent components. The interaction of the centering allows a simple alignment of the individual components to each other and ensures the positioning in a defined position.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the film is designed so that the region of the passage openings and the centering in the non-elastic support frame, outside the film. As a result, a perforation of the film can be avoided, which in turn reduces the production cost for these.
  • non-elastic support frame in which a bipolar plate is arranged to use in a cell of a redox flow battery stack 's.
  • a bipolar plate is arranged to use in a cell of a redox flow battery stack 's.
  • porous electrodes are disposed within elastic frame whose thickness corresponds to the thickness of the porous electrodes and which the parting line completely cover.
  • the elastic frames are designed as flow frames, that is to say that the elastic frames have channels for electrolyte fluid which interact with the passage openings in the non-elastic carrier frame. ken.
  • the introduction of the electrolyte liquid in the porous electrodes can therefore be done directly on the supporting frame.
  • the elastic frames have centering elements that interact with the centering elements of the non-elastic support frame. As already mentioned, this ensures a simple alignment of the individual components to one another.
  • the outer dimensions of a membrane which is arranged between the porous electrodes and through which the ion exchange takes place, are smaller than the outer dimensions of the elastic frames and larger than the outer dimensions of the porous electrodes. This ensures that the edge region of the membrane comes to lie between the elastic frame, whereby a secure sealing can be ensured. Furthermore, a simpler alignment is made possible and avoiding over the outer edge of the elastic frame avoided.
  • a plurality of cells are arranged axially adjacent to each other and pressed together to form in this way the stack of a redox flow battery.
  • FIG. 1 shows the non-elastic support frame with its central recess, in which a bipolar plate is arranged, which is fixed by means of a foil,
  • FIG 3 shows the cross section through a cell of a redox flow battery with the non-elastic support frame according to the invention
  • Figure 4 shows an advantageous embodiment of the non-elastic support frame with its central recess, a bipolar plate disposed therein and an advantageous embodiment of the film.
  • FIG 1 the schematic structure of the non-elastic support frame 1 with its central recess 2, in which a bipolar plate 3 is arranged, shown in plan view.
  • the "non-elasticity" of the support frame 1 can be seen as an indication of a suitable choice of material in order to realize a substantially rigid frame. PP, PS or PVC are used. At the same time a chemical resistance to the electrolyte liquids is given by such a choice of materials and minimizes the risk of electrical flashover.
  • the recess 2 is larger than the inserted therein bipolar plate 3. This results between the peripheral surface of the recess 2 and the peripheral surface of the bipolar plate. 3 a parting line 4.
  • This parting line 4 is at least partially covered by a film 5.
  • the film 5 is attached to the non-elastic support frame 2 and the bipolar plate 3 by means of adhesive, which can also be applied to the film 5 in the course of a pre-coating, thereby covering the non-elastic support frame 1, the parting line 4 and the bipolar plate 3 at least partially.
  • the bipolar plate 3 is thus secured by means of the film 5 on the non-elastic support frame 1, wherein neither clamps nor exact fits are necessary.
  • the film 5 preferably does not extend to the outer edge of the non-elastic support frame 1, whereby a simpler application and alignment of the film 5, without a possible, undesirable projection over the outer edge of the non-elastic support frame 1, is made possible.
  • Figure 2 shows a cross section corresponding to the section II-II in Figure 1, through the non-elastic support frame 1 with its central recess 2 in which the bipolar plate 3 is arranged, wherein a variant is shown, in which the film 5 on both front as Also back of the non-elastic support frame 1 and the bipolar plate 3 is applied in the region of the parting line 4. Furthermore, it can be seen that the non-elastic support frame 1 and the bipolar plate 3 have the same thickness and thus results for the applied film 5 as flat as possible primer.
  • equal thickness is understood that the thickness of the non-elastic support frame 1 and the thickness of the bipolar plate 3 differ only by the usual manufacturing tolerance, for example by a maximum of 0.1 mm from each other.
  • FIG. 3 shows the cross section through the cell 10 in which the non-elastic support frame 1 according to the invention is used for accommodating the bipolar plate 3 of a redox flow battery stack 's.
  • the porous electrodes 8 are arranged, which are located within elastic frame 9.
  • flexible, compressible frames for example made of a polyolefinic thermoplastic elastomer (TPE or TPO), such as Santoprene®, or a thermoplastic vulcanate (TPV) are referred to as elastic frames 9.
  • the thickness of the elastic frame 9 corresponds to the thickness of the porous electrodes 8 with a deviation in the range of the usual manufacturing tolerances, for example, a deviation of the two thicknesses by a maximum of 0.1 mm, is possible. Furthermore, the parting line 4 is completely covered by the elastic frame 9. As a result, a corresponding seal to the non-elastic support frame 1 of the bipolar plate 3 is ensured. On the one hand, pressing the frames together prevents electrolyte liquid outside the cell 10 from entering its surroundings and, on the other hand, mixing the differently charged electrolyte liquids by exchanging them within and between individual cells 10. In order to be able to supply the electrolyte liquids to the porous electrodes 8, the elastic frames 9 have channels which are not shown. For this reason, as well as the non-elastic support frame 1, the elastic frames 9 are made of a material chemically resistant to the electrolyte liquids.
  • a membrane 1 1 is arranged, through which the ion exchange between the two porous electrodes 8, which have different charge takes place.
  • the membrane 11 is preferably kept smaller in its outer dimensions than the outer dimensions of the elastic frames 9 in order, as already described for the film 5, to allow a simpler alignment and to avoid overhanging over the outer edge of the elastic frame 9. Furthermore, the outer dimensions of the membrane 1 1 are larger than the outer dimensions of the adjacent, porous electrodes 8, so that it is ensured that the entire frontal surface of the porous electrodes is covered by the membrane 1 1.
  • a plurality of cells 10 are arranged axially adjacent to each other to form a corresponding stack of redox flow batteries. That the elastic frame 9 can build up a corresponding sealing effect and thus a leak-free operation of a stack is ensured, the individual cells 10 are pressed together.
  • FIG. 4 shows an advantageous embodiment of the non-elastic support frame 1 with its central recess 2, a bipolar plate 3 arranged therein and an advantageous embodiment of the film 5 in plan view.
  • the parting line 4 is here by at least one, applied on one side, frame-shaped foil 5 front and / or back, completely covered, whereby the outermost edge of the bipolar plate 3 and the non-elastic support frame 1 is covered.
  • the frame-shaped shape of the film 5 ensures that a sufficiently large area of the bipolar plate 3 is in contact with the adjacent electrodes 8.
  • the outer dimensions of the frame-shaped film 5 are smaller than the outer dimensions of the non-elastic support frame 1. This allows, as already described, a simpler application and alignment of the film while avoiding a possible, undesirable protrusion over the outer edge of the non-elastic support frame.
  • the non-elastic support frame 1 In the edge region, the non-elastic support frame 1, passage openings 6 are provided which allow the transport of the electrolyte liquids to the adjacent elastic frame 9 and subsequently to the electrodes 8. Therefore, since there is contact between non-elastic support frame 1 and the electrolytic liquids, the non-elastic support frame 1 is, as already mentioned, made of the electrolytic liquid, chemically resistant and electrically insulating material.
  • the foil 5 is also made of chemically resistant material compared to the electrolyte liquid, whereby the life in a positive sense is influenced.
  • the centering elements 7 are shown by way of example.
  • centering elements are also provided on the elastic frame 9, which cooperate with the centering elements 7 of the non-elastic support frame. This ensures that the components can be easily and quickly aligned with each other.
  • Both the passage openings 6 and the centering elements 7 are arranged so that they lie outside the frame-shaped sealing film 5.
  • a perforate for example by Punching matching holes, but is not necessary thereby reducing the manufacturing cost and the positioning of the frame-shaped sealing foil is facilitated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen nichtelastischen Trägerrahmen (1) mit einer zentralen Ausnehmung (2) in der eine bipolare Platte (3) angeordnet ist, wobeidie bipolare Platte (3) und der nichtelastische Trägerrahmen (2) gleiche Dicke aufweisen und die bipolare Platte (3) mittels zumindest einer Folie (5)am nichtelastischen Trägerrahmen (2) befestigt ist, welche den nichtelastischen Trägerrahmen (1), die bipolare Platte (3) und eine Trennfuge (4) zwischen nichtelastischen Trägerrahmen (1) und bipolarer Platte (3) zumindestteilweise überdeckt.

Description

Laminierte bipolare Platte
Die Erfindung betrifft einen nichtelastischen Trägerrahmen mit einer zentralen Ausnehmung, in der eine bipolare Platte angeordnet ist.
Redox-Durchflussbatterien bestehen bekanntermaßen aus Zellen, die von elektrisch unter- schiedlich geladenen Elektrolyten durchströmt werden. Die Zellen umfassen dabei zwei aneinander gereihte Rahmen, in denen jeweils eine Elektrode angeordnet ist, die durch eine Membran, üblicherweise als lonen-Austauschmembran bezeichnet, getrennt sind. Zwischen einzelnen Zellen der Redox-Durchflussbatterie ist eine bipolare Platte angeordnet. Die einzelnen Rahmen der Redox-Durchflussbatterie müssen gegeneinander abgedichtet sein, um einerseits zu verhindern, dass Elektrolyt außerhalb der Zellen gelangt, und andererseits, um eine Vermischung der unterschiedlich geladenen Elektrolyten, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führen würde, zu verhindern.
Üblicherweise ist die bipolare Platte innerhalb eines Trägerrahmens, oftmals der Rahmen für die Elektroden, angeordnet, wobei zwei Typen von Trägerrahmen zum Einsatz kommen. Neben Rahmen aus nicht elastischen Kunststoffen, wie beispielsweise PVC, PE, etc. kommen auch Rahmen aus elastischen Kunststoffen, also Elastomeren zur Anwendung.
Beispielsweise zeigt die WO 12/133747 A1 den Aufbau einer Redox-Durchflussbatterie, bei welchem die bipolare Platte innerhalb eines ringförmig aufgebauten Dichtrahmens angeordnet ist, wobei dieser Dichtrahmen aus elastischem Material besteht. Da bei dieser Ausfüh- rung der elastische Dichtrahmen keine ausreichende Steifigkeit besitzt, um die bipolare Platte selbstständig tragen zu können, ist besagter Dichtrahmen innerhalb eines weiteren, steifen, zweiteiligen, äußeren Rahmens angeordnet. Durch den mehrteiligen Aufbau des Trägerrahmens ist eine erhöhte Komplexität nicht von der Hand zu weisen. Als nachteilig ist dabei anzusehen, dass die unterschiedlichen Teile hinsichtlich ihrer Abmessungen genau aufei- nander abgestimmt sein müssen, da sich fertigungstoleranzbedingte Fehler bei solchen
„Rahmen im Rahmen"- Konstruktionen schnell summieren, wodurch die Dichtwirkung nachhaltig und im negativen Sinn beeinträchtigt wird.
Die AT 501902 B1 zeigt die Aufnahme der bipolare Platte in einem zweiteilig ausgeführten Elastomerrahmen, in dem auch die Elektroden angeordnet sind. Die bereits oben angespro- chenen fertigungstoleranzbedingte Problematik bei noch vertretbaren Fertigungsaufwand würden dazu führen, dass sich zwischen bipolarer Platte und Elastomerrahmen ein möglicher Spalt ergeben kann, welcher in weiterer Folge zu einer Leckage führen würde. Aus diesem Grund sind am Elastomerrahmen, im Bereich der Kontaktfläche zwischen Rahmen und bipolarer Platte, einzelne Dichtfinger bzw. Dichtfingergruppen vorgesehen. Weiters ist die Randfläche der bipolaren Platte von beiden Seiten abgeschrägt. Durch das Zusammenwirken der schrägen Flächen mit den Dichtfingern wird die Dichtwirkung in einem ausreichenden Maß sichergestellt. Nachteilig ist der zusätzliche Fertigungsaufwand beim Abschrägen der Randflächen der bipolaren Platte und der komplizierte Aufbau des Elastomerrahmens. Die JP 3386410 B2 zeigt eine bipolare Platte mit einem Rahmen für Redox Durchflussbatterien. Dabei ist die bipolare Platte in besagten Rahmen eingepasst. Selbiger Rahmen beinhaltet Kanäle durch welche den Elektroden der Redox Durchflussbatterie die notwendigen Elektrolytflüssigkeit zugeführt werden. Ein Bereich der bipolaren Platte, welcher direkt mit der Elektrolytflüssigkeit in Kontakt kommt, wird durch eine entsprechende Folie abgedeckt. Da der gezeigte Rahmen nicht nur die bipolare Platte sondern auch die Elektroden der Redox Durchflussbatterien trägt und des Weiteren die oben erwähnten Kanäle beinhaltet, ist dessen Aufbau entsprechend komplex.
Die JP 2005228645 A2 zeigt einen Aufbau bei dem die bipolare Platte von einem nicht elastischen Kunststoff rahmen getragen wird. Der Kunststoffrahmen ist in Form von zwei Halb- schalen zweiteilig ausgeführt, wobei sich innerhalb der beiden Halbschalen eine komplette Zelle der Durchflussbatterie, also bipolare Platte, Elektroden und eine abtrennende Membran zwischen den Elektroden, befindet. Die bipolare Platte wird dabei bereits im Zuge der Fertigung in den Kunststoffrahmen integriert. Zwar wird durch diese Bauweise das Problem der Montage der bipolaren Platte und eventuellen Leckageproblemen auf Seiten bipolare Plat- te/Rahmen bei deren Verwendung in einer Redox Durchflussbatterie eliminiert, jedoch ist der fertigungstechnische Aufwand erheblich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache und kostengünstige Aufnahmevorrichtung für eine bipolare Platte, insbesondere von Redox Durchflussbatterien, zu schaffen, durch welche der notwendige Montageaufwand auf ein Minimum reduziert wird. Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem nichtelastischem Trägerrahmen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die bipolare Platte und der nichtelastische Trägerrahmen gleiche Dicke aufweisen und die bipolare Platte mittels zumindest einer Folie am nichtelastischen Trägerrahmen befestigt ist, welche den nichtelastischen Trägerrahmen, die bipolare Platte und eine Trennfuge zwischen nichtelastischen Trägerrahmen und bipolarer Platte zumindest teilweise überdeckt.
Dabei wird die Folie beispielsweise durch Kleben, Schweißen oder anderen geeigneten Fügeverfahren auf die bipolare Platte und den nichtelastischen Trägerrahmen aufgebracht. Dadurch, dass die bipolare Platte und der dazugehörige nichtelastische Trägerrahmen annähernd gleiche Dicke besitzen, liegen die beiden abzudeckenden Oberflächen möglichst bündig zueinander, so dass sich für die aufgebrachte Folie ein möglichst ebener Haftgrund ergibt. Durch diese Bauweise sind zwischen Trägerrahmen und bipolare Platte weder Klemmungen noch genaue Passungen notwendig wodurch der fertigungstechnische Vorbereitungsaufwand auf ein Minimum reduziert wird und auch die Montage des Trägerrahmens mit der darin angeordneten bipolarer Platte sehr einfach erfolgen kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Folie rahmenförmig ausgeführt ist und die Trennfuge zwischen nichtelastischen Trägerrahmen und bipolarer Platte vollständig überdeckt. Durch diese Form der Folie wird sichergestellt, dass ein ausreichend großer Bereich der bipolaren Platte mit den angrenzenden Elektroden in Kontakt steht. Durch das vollstän- dige Abdecken der Trennfuge zwischen Trägerrahmen und bipolarer Platte mittels der Folie wird auch die Abdichtung gegenüber angrenzender Zellen verbessert und der mögliche Leckagepfad durch die Trennfuge wirkungsvoll abgedichtet.
In vorteilhafter Weise sind die Außenabmessungen der Folie kleiner als die Außenabmessungen des nichtelastischen Trägerrahmens. Dies erlaubt ein einfacheres Applizieren und Ausrichten der Folie unter Vermeidung eines möglichen, unerwünschten Überstands über den Außenrand des nichtelastischen Trägerrahmens.
Vorteilhaft kann die Folie auf Vorder- und Rückseite des nichtelastischen Trägerrahmens und der bipolaren Platte aufgebracht sein. Die Festigkeit der Verbindung zwischen nichtelastischen Trägerrahmen und bipolarer Platte beziehungsweise die Zuverlässigkeit bezüglich des sicheren Halts der bipolaren Platte im nichtelastischen Trägerrahmen bei der Handhabung wird dadurch erhöht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Folie mittels Klebemittel am nichtelastischen Trägerrahmen und/oder der bipolaren Platte befestigt wird. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die Folie dauerhaft fixiert werden. Die Anwendung einer Klebeverbindung er- laubt ein kostengünstiges Fügen bei geringem Montageaufwand, wobei es zu keiner Schwächung der zu fügenden Teile kommt, da keine Ausnehmung, Bohrungen oder ähnliches notwendig sind, um Trägerrahmen und bipolare Platte miteinander zu verbinden. Des Weiteren erlauben Klebeverbindungen üblicherweise einen größeren Toleranzbereich der zu fügenden Bauteile zu überbrücken, wodurch eine kostenintensive Vorbereitung der fügenden Bauteile entfällt. Der notwendige Platzbedarf für die Verbindung von nichtelastischen Trägerrahmen und bipolare Platte wird auf ein Minimum reduziert, wobei weiters die Klebeverbindung eine gleichmäßige Verteilung mechanischer Spannungen erlaubt.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Folie mit einem Klebemittel vorbeschichtet ist. Dadurch entfällt bei der Applikation der Folie das zusätzliche Hantieren mit entsprechenden Bindemitteln, Klebstoffen und dergleichen, wodurch dieser Arbeitsschritt wesentlich vereinfacht wird. Des Weiteren lässt sich durch die Vorbeschichtung die Applikation der Folie automatisieren beziehungsweise semi-automatisieren.
In weiterer vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass im nichtelastischen Trägerrahmen Durchlassöffnungen angeordnet sind. Durch diese Durchlassöffnungen wird der Transport der entsprechenden Elektrolytflüssigkeit zu angrenzenden elastischen Rahmen und in weiterer Folge zu den Elektroden ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass am nichtelastischen Trägerrahmen Zentrierelemente angeordnet sind. Passend dazu können in den angrenzenden Bauteilen ebenfalls entsprechende Zentrierelemente angeordnet sein. Das Zusammenwirken der Zentrierelemente erlaubt ein einfaches Ausrichten der einzelnen Bauteile zueinander und stellt die Positionierung in einer definierten Lage sicher.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Folie so ausgeführt ist, dass der Bereich der Durchlassöffnungen und der Zentrierelemente im nichtelastischen Trägerrahmen, außerhalb der Folie liegt. Dadurch kann eine Perforation der Folie vermieden werden, wodurch wiederum der Fertigungsaufwand für diese reduziert wird.
Vorteilhafter Weise findet ein beschriebener nichtelastischer Trägerrahmen, in welchem eine bipolare Platte angeordnet ist, Verwendung in einer Zelle eines Redox Durchflussbatterie Stack's. Bei der Verwendung des nichtelastischen Trägerrahmens der eingangs genannten Art innerhalb der Zelle eines Redox Durchflussbatterie Stack's ist vorteilhaft vorgesehen, dass an die bipolare Platte angrenzende, poröse Elektroden, innerhalb elastischer Rahmen angeordnet sind, deren Dicke der Dicke der porösen Elektroden entspricht und welche die Trennfuge vollständig überdecken. Diese erlauben eine entsprechende Abdichtung zum nichtelasti- sehen Trägerrahmen der bipolaren Platte ohne der Verwendung weiterer Dichtelemente wie O-Ringe und dergleichen. Einerseits wird verhindert, dass Elektrolytflüssigkeit außerhalb der Zellen, in die Umgebung gelangt, und andererseits, dass es zu einer Vermischung der unterschiedlich geladenen Elektrolytflüssigkeiten durch deren Austausch innerhalb und zwischen einzelner Zellen kommt. Als weiterer Vorteil ist zu sehen, dass infolge der Elastizität der Rahmen in welchen die Elektroden angeordnet sind, eine daran anliegende oder zwischen zwei elastischen Rahmen angeordnete Membran nicht beschädigt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die elastischen Rahmen als flow-frames ausgebildet sind, also dass die elastischen Rahmen über Kanäle für Elektrolytflüssigkeit verfügen, welche mit den Durchlassöffnungen im nichtelastischen Trägerrahmen zusammenwir- ken. Das Einbringen der Elektrolytflüssigkeit in die porösen Elektroden kann daher direkt über deren tragenden Rahmen erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die elastischen Rahmen Zentrierelemente aufweisen, die mit den Zentrierelementen des nichtelastischen Trägerrahmens zu- sammenwirken. Wie bereits erwähnt, wird dadurch ein einfaches Ausrichten der einzelnen Bauteile zueinander sichergestellt.
In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Außenabmessungen einer Membran, welche zwischen den porösen Elektroden angeordnet ist und durch welche der lonenaustausch erfolgt, kleiner als die Außenabmessungen der elastischen Rahmen und größer als die Au- ßenabmessungen der porösen Elektroden sind. Dadurch wird sichergestellt, dass der Randbereich der Membran zwischen den elastischen Rahmen zum Liegen kommt, wodurch ein sicheres Abdichten gewährleistet werden kann. Weiters wird ein einfacheres Ausrichten ermöglicht und das Überstehen über den Außenrand der elastischen Rahmen vermieden.
Vorteilhaft werden mehrere Zellen axial aneinander anliegend angeordnet und aneinander gepresst, um auf diese Weise den Stack einer Redox Durchflussbatterie zu bilden.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 den nichtelastischen Trägerrahmen mit dessen zentraler Ausnehmung, in der ei- ne bipolare Platte angeordnet ist, welche mithilfe einer Folie fixiert ist,
Fig.2 den Querschnitt des nichtelastischen Trägerrahmen inklusive der darin fixierten bipolaren Platte,
Fig.3 den Querschnitt durch eine Zelle einer Redox Durchflussbatterie mit dem erfindungsgemäßen nichtelastischen Trägerrahmen, Fig.4 eine vorteilhafte Ausgestaltung des nichtelastischen Trägerrahmen mit dessen zentraler Ausnehmung, einer darin angeordneten bipolaren Platte und einer vorteilhaften Ausgestaltung der Folie.
In Figur 1 ist der schematische Aufbau des nichtelastischen Trägerrahmens 1 mit dessen zentraler Ausnehmung 2, in der eine bipolare Platte 3 angeordnet ist, im Grundriss darge- stellt. Die„nicht"- Elastizität des Trägerrahmen 1 ist als Hinweis auf eine entsprechende Werkstoffwahl zu sehen, um einen im Wesentlichen starren Rahmen zu realisieren. Als Material für den nichtelastischen Trägerrahmen können beispielsweise Thermoplaste wie PE, PP, PS oder PVC zur Anwendung kommen. Gleichzeitig ist durch eine derartige Werkstoffwahl eine chemische Resistenz gegenüber den Elektrolytflüssigkeiten gegeben und die Gefahr eines elektrischen Überschlags minimiert.
Um die bipolare Platte 3 in den nichtelastischen Trägerrahmen 1 einlegen zu können und in weiterer Folge aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen, ist die Ausnehmung 2 größer als die darin eingelegte bipolare Platte 3. Dadurch ergibt sich zwischen der Umfangsfläche der Ausnehmung 2 und der Umfangsfläche der bipolaren Platte 3 eine Trennfuge 4.
Diese Trennfuge 4 wird durch eine Folie 5 zumindest teilweise überdeckt. Die Folie 5 ist mittels Klebemittel, welches auch durchaus im Zuge einer Vorbeschichtung an der Folie 5 auf- gebracht werden kann, am nichtelastischen Trägerrahmen 2 und der bipolaren Platte 3 befestigt und überdeckt dabei den nichtelastischen Trägerrahmen 1 , die Trennfuge 4 und die bipolare Platte 3 zumindest teilweise. Die bipolare Platte 3 ist somit mittels der Folie 5 am nichtelastischen Trägerrahmen 1 befestigt, wobei weder Klemmungen noch genaue Passungen notwendig sind. Die Folie 5 reicht bevorzugt nicht bis zur äußeren Kante des nichtelasti- sehen Trägerrahmens 1 , wodurch ein einfacheres Applizieren und Ausrichten der Folie 5, ohne einen möglichen, unerwünschten Überstand über den Außenrand des nichtelastischen Trägerrahmens 1 , ermöglicht wird.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt entsprechend dem Schnitt II-II in Figur 1 , durch den nichtelastische Trägerrahmen 1 mit dessen zentraler Ausnehmung 2 in der die bipolare Platte 3 angeordnet ist, wobei eine Variante dargestellt ist, bei der die Folie 5 sowohl auf Vorder- als auch Rückseite des nichtelastischer Trägerrahmens 1 und der bipolaren Platte 3 im Bereich der Trennfuge 4 aufgebracht ist. Weiters ist erkennbar, dass der nicht elastische Trägerrahmen 1 und die bipolare Platte 3 gleiche Dicke aufweisen und sich somit für die aufgebrachte Folie 5 ein möglichst ebener Haftgrund ergibt. Unter„gleicher Dicke" wird dabei verstanden, dass die Dicke des nichtelastischen Trägerrahmens 1 und die Dicke der bipolaren Platte 3 lediglich um die übliche Fertigungstoleranz, beispielsweise um maximal 0.1 mm, voneinander abweichen.
Figur 3 zeigt den Querschnitt durch die Zelle 10 eines Redox Durchflussbatterie Stack's, in welcher der erfindungsgemäße nicht elastische Trägerrahmen 1 zur Aufnahme der bipolaren Platte 3 genutzt wird. Direkt an Vorder-und Rückseite der bipolaren Platte 3 angrenzend, sind die porösen Elektroden 8 angeordnet, welche sich innerhalb elastischer Rahmen 9 befinden. Als elastische Rahmen 9 werden im Weiteren flexible, komprimierbare Rahmen, zum Beispiel aus einem polyolefinisch thermoplastischen Elastomer (TPE oder TPO), wie z.B. Santoprene®, oder einem thermoplastischen Vulkanat (TPV), bezeichnet. Die Dicke der elastischen Rahmen 9 entspricht der Dicke der porösen Elektroden 8 wobei eine Abweichung im Bereich der üblichen Fertigungstoleranzen, beispielsweise eine Abweichung der beiden Dicken um maximal 0.1 mm, möglich ist. Weiters wird die Trennfuge 4 durch die elastischen Rahmen 9 vollständig überdeckt. Dadurch ist eine entsprechende Ab- dichtung zum nichtelastischen Trägerrahmen 1 der bipolaren Platte 3 sichergestellt. Einerseits wird durch das Aneinanderpressen der Rahmen verhindert, dass Elektrolytflüssigkeit außerhalb der Zelle 10, in deren Umgebung gelangt, und andererseits, dass es zu einer Vermischung der unterschiedlich geladenen Elektrolytflüssigkeiten durch deren Austausch innerhalb und zwischen einzelner Zellen 10 kommt. Um die Elektrolytflüssigkeiten den porö- sen Elektroden 8 zuführen zu können, weisen die elastischen Rahmen 9 nicht dargestellte Kanäle auf. Aus diesem Grund sind die elastischen Rahmen 9, wie auch der nichtelastischen Trägerrahmen 1 , aus einem, gegenüber den Elektrolytflüssigkeiten, chemisch resistenten Material ausgeführt.
Zwischen den porösen Elektroden 8 einer Zelle 10 ist eine Membran 1 1 angeordnet, durch welche der lonenaustausch zwischen den beiden porösen Elektroden 8, welche unterschiedliche Ladung aufweisen, erfolgt. Die Membran 1 1 ist bevorzugt in ihren Außenabmessungen kleiner als die Außenabmessungen der elastischen Rahmen 9 gehalten, um, wie auch bereits für die Folie 5 beschrieben, ein einfacheres Ausrichten zu ermöglichen und das Überstehen über den Außenrand der elastischen Rahmen 9 zu vermeiden. Des Weiteren sind die Außenabmessungen der Membran 1 1 größer als die Außenabmessungen der angrenzenden, porösen Elektroden 8, so dass sichergestellt ist, dass die gesamte stirnseitige Oberfläche der porösen Elektroden durch die Membran 1 1 abgedeckt ist.
Weiters ist in Figur 3 angedeutet, dass mehrere Zellen 10 axial aneinander anliegend angeordnet werden, um einen entsprechenden Stack einer Redox Durchflussbatterien zu bilden. Dass die elastischen Rahmen 9 eine entsprechende Dichtwirkung aufbauen können und somit ein leckagefreier Betrieb eines Stack's gewährleistet ist, werden die einzelnen Zellen 10 aneinander gepresst.
Eine entsprechende Kraft wird beispielsweise unter Verwendung von Schraubverbindungen beziehungsweise durch die Anordnung der Zellen innerhalb eines Batterierahmens aufge- baut. Infolge dieser äußerlich aufgebrachten Kraft, werden die einzelnen aneinandergereihten Bauelemente, wie die bipolare Platte innerhalb des nicht elastischen Trägerrahmens, die Elektroden und die Membran durch die Verformung der elastischen Rahmen wirkungsvoll gegeneinander abgedichtet. Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des nichtelastischen Trägerrahmens 1 mit dessen zentraler Ausnehmung 2, einer darin angeordneten bipolaren Platte 3 und einer vorteilhaften Ausgestaltung der Folie 5 im Grundriss.
Die Trennfuge 4 wird hierbei durch zumindest eine, einseitig aufgebrachte, rahmenförmige Folie 5 vorder- und/oder rückseitig, vollständig überdeckt, wobei auch der äußerste Rand der bipolaren Platte 3 und des nichtelastischen Trägerrahmens 1 überdeckt wird. Durch die rahmenförmige Form der Folie 5 ist gewährleistet, dass ein ausreichend großer Bereich der bipolaren Platte 3 mit den angrenzenden Elektroden 8 in Kontakt steht.
Durch das vollständige Abdecken der Trennfuge 4 zwischen nichtelastischen Trägerrahmen 1 und bipolarer Platte 3 mittels der Folie 5 wird die Abdichtung gegenüber angrenzender Zellen 10, trotz Vorhandensein der elastischen Rahmen 9 nochmals verbessert und der mögliche Leckagepfad durch die Trennfuge 4 wirkungsvoll und vollständig abgedichtet.
Die Außenabmessungen der rahmenförmigen Folie 5 sind kleiner als die Außenabmessungen des nichtelastischen Trägerrahmen 1. Dies erlaubt, wie bereits beschrieben, ein einfa- cheres Applizieren und Ausrichten der Folie unter Vermeidung eines möglichen, unerwünschten Überstands über den Außenrand des nichtelastischen Trägerrahmens.
Im Randbereich, des nichtelastischen Trägerrahmens 1 , sind Durchlassöffnungen 6 vorgesehen welche den Transport der Elektrolytflüssigkeiten zu den angrenzenden elastischen Rahmen 9 und in weiterer Folge zu den Elektroden 8 ermöglichen. Da sich daher ein Kontakt zwischen nichtelastischen Trägerrahmen 1 und der Elektrolytflüssigkeiten ergibt, ist der nichtelastische Trägerrahmen 1 , wie bereits erwähnt, aus, gegenüber der Elektrolytflüssigkeit, chemisch resistenten und elektrisch isolierenden Material ausgeführt.
Auch die Folie 5 ist aus, gegenüber der Elektrolytflüssigkeit, chemisch resistenten Material ausgeführt, wodurch die Lebensdauer im positiven Sinn beeinflusst wird. Weiters sind im Randbereich des nichtelastischen Trägerrahmens 1 , die Zentrierelemente 7 beispielhaft dargestellt. Wie an den nichtelastischen Trägerrahmen 1 , sind auch an den elastischen Rahmen 9 entsprechende gegengleiche Zentrierelemente vorgesehen, welche mit den Zentrierelementen 7 des nichtelastischen Trägerrahmen zusammenwirken. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bauteile einfach und schnell zueinander ausgerichtet werden können.
Sowohl die Durchlassöffnungen 6 als auch die Zentrierelemente 7 sind so angeordnet, dass sie außerhalb der rahmenförmigen Dichtfolie 5 liegen. Zwar ist die äußere Kontur der rahmenförmige Dichtfolie 5 entsprechend angepasst, ein perforieren, beispielsweise durch Stanzen passender Löcher, ist jedoch nicht notwendig wodurch der Fertigungsaufwand reduziert und die Positionierung der rahmenformigen Dichtfolie erleichtert wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) mit einer zentralen Ausnehmung (2), in der eine bipolare Platte (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Platte (3) und der nichtelastische Trägerrahmen (2) gleiche Dicke aufweisen und die bipolare Platte (3) mittels zumindest einer Folie (5) am nichtelastischen Trägerrahmen (2) befestigt ist, welche den nichtelastischen Trägerrahmen (1 ), die bipolare Platte (3) und eine Trennfuge (4) zwischen nichtelastischen Trägerrahmen (1 ) und bipolarer Platte (3) zumindest teilweise überdeckt.
2. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) rahmenförmig ausgeführt ist und die Trennfuge (4) vollständig überdeckt.
3. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenabmessungen der Folie (5) kleiner als die Außenabmessungen des nichtelastischen Trägerrahmens (1 ) sind.
4. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) auf Vorder- und Rückseite des nichtelastischer Trägerrahmens (1 ) und der bipolaren Platte (3) aufgebracht ist.
5. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) mittels Klebemittel am nichtelastischen Trägerrahmen (1 ) und/oder der bipolaren Platte (3) befestigt wird.
6. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) mit einem Klebemittel vorbeschichtet ist.
7. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im nichtelastischen Trägerrahmen (2) Durchlassöffnungen (6) angeordnet sind.
8. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am nichtelastischen Trägerrahmen (1 ) Zentrierelemente (7) angeordnet sind.
9. Nichtelastischer Trägerrahmen (1 ) nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) so ausgeführt ist, dass der Bereich der Durchlassöffnungen (6) und der Zentrierelemente (7) im nichtelastischen Trägerrahmen (1 ), außerhalb der Folie (5) liegt.
10. Zelle (10) mit einem nichtelastischen Trägerrahmen (1 ) nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (10) eine Zelle eines Redox Durchflussbatterie Stack's ist.
1 1 . Zelle (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die bipolare Platte (3) angrenzende, poröse Elektroden (8) innerhalb elastischer Rahmen (9) angeordnet sind, deren Dicke der Dicke der porösen Elektroden (8) entspricht und welche die Trennfuge (4) vollständig überdecken.
12. Zelle (10) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rahmen (9) über Kanäle für Elektrolytflüssigkeit verfügen, welche mit den Durchlassöffnungen (6) im nichtelastischen Trägerrahmen (2) zusammenwirken.
13. Zelle (10) nach Anspruch 1 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rahmen (9) Zentrierelemente aufweisen, die mit den Zentrierelementen (7) des nichtelastischen Trägerrahmens (1 ) zusammenwirken.
14. Zelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenabmessungen einer Membran (1 1 ) welche zwischen den porösen Elektroden (8) angeordnet ist, kleiner als die Außenabmessungen der elastischen Rahmen (9) und größer als die Außenabmessungen der porösen Elektroden (8) sind.
15. Stack einer Redox Durchflussbatterie mit mehreren Zellen (10) nach den Ansprüchen
1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (10) axial aneinander anliegend angeordnet und aneinander gepresst sind.
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