(57)【要約】【解決手段】電極（１）とシール枠（２）とを含む、レドックスフローバッテリ用の電極モジュールは、電極とシール枠との連結を、それによって作られる電極モジュールを問題なくレドックスフローセルに嵌め込み可能であるように行うという課題に鑑みて、電極（１）がシール枠（２）と機械的に連結されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極（１）とシール枠（２）とを含む、レドックスフローバッテリ用の電極モジュールであって、
前記電極（１）が前記シール枠（２）と機械的に連結されていることを特徴とする電極モジュール。
【請求項２】
前記電極（１）が、前記シール枠（２）内において、非加圧状態での多孔率の２０％乃至９５％、好ましくは５０％乃至９５％の多孔率を示す不織布を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電極モジュール。
【請求項３】
前記シール枠（２）シール部材（３）が配置されていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項４】
前記シール枠（２）多リップシール部材が配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電極モジュール。
【請求項５】
前記シール枠（２）内に、環状の溝（５）が構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の電極モジュール。
【請求項６】
前記溝（５）が外部に向かって円錐状に先細に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の電極モジュール。
【請求項７】
前記溝（５）がアンダカット（８）を備えることを特徴とする、請求項５又は６に記載の電極モジュール。
【請求項８】
前記シール枠（２）に留め要素（６）が組み込まれていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の電極モジュール。
【請求項９】
前記シール枠（２）の内部又はそばに、電解液輸送のための少なくとも１つの通路（７）が構成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の電極モジュール。
【請求項１０】
前記通路（７）内に電解液のためのフィルタ要素（９）が配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の電極モジュール。
【請求項１１】
前記通路（７）が突起として前記電極内に突入していることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の電極モジュール。
【請求項１２】
前記シール枠（２）が耐酸性であり、あるいは少なくとも液体と接触する領域が耐酸性のプラスチックによって被覆されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電極モジュール。
【請求項１３】
前記シール枠（２）内に２つの電極（１）が収容されていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の電極モジュール。
【請求項１４】
２つのシール枠（２）が互いに一直線に並んで隣接する、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の電極モジュールを少なくとも２つ含む配置。
【請求項１５】
前記シール枠（２）の前記通路（７）が互いに一直線に並んで流体を導くよう連結されていることを特徴とする、請求項１４に記載の配置。
【請求項１６】
前記シール枠（２）の間に、前記シール枠（２）に接触するシール部材（３）が組み込まれた膜（４）が配置されていることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の電極モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
分散型エネルギー供給は新たな構想を必要とするものである。こうした背景のもと、既にレドックスフローバッテリ（Redox-Flussbatterie）あるいはレドックスフローセル（Redox-Flow-Zelle）が周知である。
【０００３】
レドックスフローバッテリあるいはレドックスフローセルは蓄電池であり、ここで“Ｒｅｄ”は還元すなわち電子の受容を、“Ｏｘ”は酸化すなわち電子の放出を表している。
【０００４】
このバッテリあるいはセルは、反応相手が溶媒中に溶解した形で存在することによって、電気的エネルギーを化合物の状態で蓄積する。
【０００５】
このとき、エネルギーを蓄える２種類の電解液が２つの別々のサイクルを循環し、両者の間でセル内において膜を用いたイオン交換が起こる。セル電圧はネルンストの式により与えられ、実際のシステムにおいては０．８〜２．２Ｖである。
【０００６】
エネルギーを蓄える電解液は、セルの外部で別々のタンクに貯蔵される。これによって、このセルはエネルギー量と電力とが互いに独立して評価可能である電気化学的エネルギー貯蔵の唯一の類型となる。
【０００７】
バッテリシステムの容量は、結局はタンクの大きさにより決まる。電力入力能力及び電力出力能力は、電極の面積及びその比電流消費／比電流供給により決まる。
【０００８】
電極の現在の表面電流は１００ｍＡ／ｃｍ２よりも小さい。このとき、原則的には、多数の比較的小型のモジュール又は少数の大型のモジュールを作り上げる可能性が生じる。
【０００９】
ここで、比較的小型のモジュールは、大きさが概ねＡ３よりも小さな電極表面から成る。そのようなモジュールは、「長時間エネルギー貯蔵」のためにバッテリシステムに導入される。
【００１０】
再生可能エネルギーの場合には、風力発電機が一晩で変換したエネルギーのエネルギー貯蔵が行われるべきであるが、その中間貯蔵のための容量すなわち電力入力は、次のように大まかに見積もることができる。
【００１１】
２ＭＷ／１０時間／充電効率＝９０％の性能を有する模範的な風力タービンでは、１８ＭＷｈの最大必要容量と、同時に１．８ＭＷの最大必要電力入力とが得られる。
【００１２】
大型のモジュールは、Ａ３の大きさよりも明らかに大きな電極表面を有する。そのようなモジュールは、５０ＭＷｈよりも非常に大きい容量を有する貯蔵場所、例えば都市の連続電力供給にとって、あるいは揚水発電所の化学的な代替案として、特に興味深い。
【００１３】
ガルバニセルは、膜によって２つのハーフセルに分割される。この膜の傍らを電解液が流れ過ぎる。ハーフセルは電極によって区切られ、そのそばで実際の化学反応、すなわち還元又は酸化が進行する。
【００１４】
膜は通常、選択的アニオン交換膜又は選択的カチオン交換膜、例えばデュポン社の「ナフィオン（登録商標）」である。
【００１５】
膜は、両電解液の混合を阻止しつつも、イオン交換を保障しなければならない。電子流の荷電平衡は使用者によって保障されなければならない。
【００１６】
電極は、その高い電気化学的電位窓ならびに水溶液における主に酸性の条件のゆえに、通常はグラファイト又は炭素から成る。可能な限り高い比出力のため、電極材料としては、高い比表面積を有するグラファイトフェルト又はグラファイト不織布あるいは炭化フェルト又は炭化不織布が導入される。
【００１７】
フェルトは通例、シール枠に組み込まれる。そして、これらのシール枠は両側から膜に押し付けられる。シール効果を得るため、シール枠は、周囲に沿って設けられたシール、特にビード塗布によって取り付けられたシールストリップ、あるいは穿孔された、溝のない平面シールを備える。
【００１８】
ここで問題となるのは、シールが、通常厚さが１ｍｍよりも小さい、比較的薄い膜に両側から押し付けられるという点である。
【００１９】
スタックの組み立てにあたっては製造公差によるシールのオフセットが発生し得るが、このために膜が意図せず張りつめる可能性があり、それによって膜は回復不能に損傷し得る。
【００２０】
さらに、局所的に異なる条件にシールを適応させることができない。その上、シールの溝もシール塗布も内側に向けることができない。
【００２１】
各電極溶液、特にバナジウム塩を含む電解液は、通例一平面に沿って電極層を貫流する。
【００２２】
ここで重要なのは、流れの均質性、すなわち、電極材料の中に流れに洗われない領域がないことである。また、可能な限り流量喪失もしくは圧力低下を小さくすることにも努めなければならない。なぜなら、これによってシステムの効率が改善されるからである。
【００２３】
それでもなお、溶解塩の酸化もしくは還元が問題なく且つ完全に進行し得るよう、十分に長い滞留時間が望ましい。
【００２４】
その結果、以下の技術的な挑戦が生じる。：
【００２５】
少なくとも１０年の寿命を有する連続生産に適したシール枠の需要がある。使用されている材料の化学分解が発生してはならない。
【００２６】
シール枠は、特に作動動作時、又は場合によっては遮断時の圧力不安定性に耐えるものでなくてはならない。
【００２７】
シール枠は、例えばポンプ動作に起因する振動に対して耐性でなければならない。
【００２８】
シール枠は、シール枠内の電極に関して、あるいはスタックに関して、容易に組み立て可能でなければならない。
【００２９】
多孔質電極の長期に亘って安定した設置が可能でなければならない。電極の傍らを通り過ぎる液体の流れが発生してはならない。
【００３０】
十分に洗われることが望ましい場合には、フェルト、グラファイト不織布、炭化不織布、又は炭化フェルトには、高い過剰圧力で液体が打ち寄せる。これによって、特に圧力サージが起こり得る場合に、スタック内で上方への圧迫が生じる可能性がある。すると、セルはもはや機能不能である。
【００３１】
もっとも、フェルト又は不織布地を、例えば強すぎる締め付けによってしっかりと固定すると、流れ抵抗が高められ、ひいてはセルの電力入力又は電力出力の低下につながる。
【００３２】
さらに保障されなければならないのは、不織布からなる電極の周囲に電解質溶液の流路が生じ得ないよう、不織布地が側面領域においてもぴったりとシール枠に密着することである。
【００３３】
電極の周囲の流れ抵抗は電極を貫流する流れ抵抗よりも明らかに小さいため、このことはますます重要となる。枠に密着する不織布からなる電極が適当でないと、それによってバッテリシステムの効率が明らかに低下する。
【００３４】
したがって、シール枠と電極との組み立てに際しては、電極がシール枠に遊びなく収まること、強すぎないよう加圧されること、けれどもその平面に流入する電解液によって移動されたり、折られたり、あるいは洗い流されたりしないことが保障されなければならない。
【００３５】
さらに、シール及びシール枠は、後でスタックする際に薄膜への機械的負荷が不均一な応力をもたらさないように形成されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
よって、本発明は、電極とシール枠との連結を、それによって作られる電極モジュールを問題なくレドックスフローセルに嵌め込み可能であるように行うという課題に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は上述の課題を請求項１の特徴によって解決する。
【００３８】
本発明によれば、まず、電極は、その機能を発揮することができるためには、高い開放性もしくは多孔性を有さなければならないことが認識された。さらに、電極は機械的にシール枠と連結され得ることが認識された。ここで驚くべきは、たとえ電極を機械的に固定しても、その多孔性は限定されないという点である。その限りでは、電極とシール枠との連結は、それによって作られる電極モジュールを問題なくレドックスフローセルに嵌め込み可能であるように行われている。
【００３９】
初めに述べた課題は以下のようにして解決される。
【００４０】
電極は、シール枠内において、非加圧状態での多孔率（気孔率）の２０％乃至９５％、好ましくは５０％乃至９５％の多孔性を示す不織布を備えてもよい。高い多孔性を示すためには、不織布は加圧されないのが理想的であるが、そうすると不織布がシール枠に対して移動するおそれが生じる。
【００４１】
よって、電極もしくは不織布は、機械的に固定される。もっとも、電極は、その多孔性がほとんど損なわれない程度に加圧される。最終的には、毎分１リットルよりも速くシール枠を通過する流速が実現されなければならない。
【００４２】
このような背景のもと、シール枠にはシール部材が配置されてもよい。この具体的な形態によれば、シール枠は膜又はまた別のシール枠に緊密に密着されることが可能である。シール部材は、周囲に沿って設けられたシールストリップ又は射出成形シールとして形成され得る。
【００４３】
シール枠のそばには多リップシール部材が配置されてもよい。これによって、密閉効果がさらに改良される。
【００４４】
シール枠内には、周囲に沿って設けられた溝が構成されてもよい。周囲に沿って設けられた溝は、不織布を軽く押圧された状態で受容することを可能にする。不織布は溝に押し込まれ得る。
【００４５】
溝は、外部に向かって円錐状に先細に形成されてもよい。この具体的な形態によれば、溝の内径は、電極もしくは不織布が枠の内側で広く圧縮されないままであるように、しかし辺縁領域においては軽く圧縮されるように、先細になる。
【００４６】
溝はアンダカットを備えていてもよい。アンダカットにより、電極は部分的にのみ圧縮され、それ以外では非常に高い多孔性を示す。アンダカットにより、領域によっては、電極もしくは不織布をシール枠内に固定するライン圧力が達成可能である。
【００４７】
シール枠には留め要素が組み込まれてもよい。留め要素は電極に係合して該電極を固定することができる。この留め要素は、鉤、面ファスナー、比較的大型の鉤、比較的小型の鉤、歯あるいは歯列として、溝の内側に形成されてもよい。１つもしくは複数の留め要素は、電極がシール枠から離脱するのを阻止する逆鉤を形成できる。
【００４８】
シール枠の内部又はそばには、電解液輸送のための少なくとも１つの通路（導管）が構成されてもよい。そのような通路（導管）によれば電解質液が導かれ得る。
【００４９】
通路（導管）内には電解液のためのフィルタ要素が配置されてもよい。フィルタ要素によって電解液から懸濁粒子及び不純物を除去できる。
【００５０】
通路（導管）は突起として電極内に突出してもよい。この具体的な形態によれば、電極に流体を直接供給可能である。流体は、全く意図的に電極の内部に提供され得る。
【００５１】
シール枠は耐酸性であってもよく、あるいは少なくとも液体と接触する領域が耐酸性の合成物質によって層を被せられていてもよい。シール枠はポリオレフィンであってもよく、あるいはまたポリエステル又はポリオキシメチレンも有していてもよい。シール枠は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）のような、酸に安定で且つ酸化に安定の別の熱可塑性プラスチックを有していてもよい。
【００５２】
シール枠内には２つの電極が収容されていてもよい。この具体的な形態によれば、２つの電極を１つのシール枠内にサンドイッチ状に配置することが可能である。
【００５３】
２つのシール枠は、互いに一直線に並んで隣接（互いに整合するように接触）してもよい。この具体的な形態によれば、スタック構造が可能である。
【００５４】
シール枠の通路（導管）は互いに一直線に並んで（整合しつつ）流体を導くよう連結されていてもよい。この具体的な形態によれば、流体は、ポンプ装置を用いて複数のシール枠を通って同時に送液される。このとき、連結部にはシールが不可欠である。
【００５５】
シール枠の間には、シール枠に密着するシール部材が組み込まれた膜が配置されてもよい。このような膜は、スタック構造を実現するために用いることができる。膜のそば及び／又はシール枠のそばのシール部材は、射出成形されるか、貼り付けられるか、又は注型されてもよい。
【００５６】
さらに、シール枠内には、各電解液の供給もしくは該シール枠からの排出を保障する流入要素及び流出要素が組み込まれていてもよい。ここでもやはり流入及び流出の均一性がセルの性能を保障する。
【００５７】
シール部材は、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体）又はＦＫＭ（フッ素ゴム）又は別の重合体を有していてもよい。シール部材は、例えばＴＰＥ（熱可塑性エラストマ）のようにポリオレフィンに基づく熱可塑性のエラストマも有し得る。
【００５８】
比較的小型のシール枠形状の場合、２構成要素式の枠、又は紛失しないようシール枠内に収容された、溝をつけられた平面シールが考えられる。
【００５９】
大型、すなわちＡ３の大きさよりも大きい枠形状の場合には、シール部材として、シール枠内及び／又はシール枠上に貼り付けられるシールストリップが考えられる。
【００６０】
黒化電極、すなわち炭素及び／又はグラファイト、不織布地、フェルト、紙、又は泡から成る多孔性の形成物が想定されてもよい。
【００６１】
電極は通過する流れを避けた状態で嵌め込まれることが想定されてもよい。
【００６２】
シール枠内には円錐状の刻み目が想定されてもよい。この領域には柔らかいシール部材が想定されてもよい。
【００６３】
組み立ての際に電極が容易にシール枠内に挿入され得るように、アンダカットが想定されてもよい。
【００６４】
電極の固定はシール枠内に組み込まれた鉤によって行われてもよい。少なくとも流入側で、より良好にはさらにその両側でも、電極は面ファスナー要素によって固定されていてもよい。
【００６５】
この固定は、流入及び／又は流出する電解質溶液が、上及び／又は下でも側方でも電極のそばを流れ過ぎることができないように行われてもよい。
【００６６】
シール枠のそばのシール部材は、加圧時に製造公差がある場合でも常に、２つの対向して配置されたシール枠の重なり合う領域が両者の間にある柔軟膜の上に存在するよう、可能な限り幅広く設計されてもよい。
【００６７】
多リップの設計が想定されてもよい。電解液の流入口及び流出口はシール枠内に組み込まれていてもよい。これについては、流入口及び／又は流出口において、シール部材を組み込まれた穿孔、幅広の竪穴、噴出口、及び／又は通路（導管）が想定されてもよい。
【００６８】
配置は、その平面の不織布に流れ（電解液）が打ち寄せるように選択されてもよい。不織布の断面の中央に流れ（電解液）が打ち寄せることを保障する静止機能が噴出口又は突起に一体化されてもよい。そのような要素は、貫流時に最も高い圧力が存在するまさにその箇所で、不織布が最適に保持されることを保障する。
【００６９】
流入口及び流出口は他の実施形態が考えられる。流入口は噴出口として、流出口は集合管として構成されていてもよい。
【００７０】
プラグがシール枠内に一体化されていてもよい。
【００７１】
隣接するシール枠との連結が行われてもよい。
【００７２】
電解質溶液が中を通って流れる土台及び／又は管との連結が行われてもよい。
【００７３】
一体化された、場合によっては容易に交換可能なフィルタ、すなわち織物の引き出し又は不織布網の引き出しが想定されてもよい。
【００７４】
温度、圧力、漏損及び／又は詰まりを例えば汚染微粒子によって把握する集積センサが想定されてもよい。
【００７５】
インテリジェント制御が想定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】電極モジュールの側面図及び平面図。ここで、図１の左の図面には、シール枠に載置された膜が示されている。
【図２】シール枠が溝を備えている３つの電極モジュール。
【図３】シール枠が逃げ溝を備えている２つの電極モジュール。
【図４】電極を固定する留め要素が想定されている電極モジュールの側面図及び平面図。
【図５】それぞれ異なる留め要素が組み込まれているシール枠の３つの断面図。
【図６】シール枠内に通路が構成されている電極モジュールの断面図及び平面図。
【図７】異なる電極モジュールの３つの斜視図。
【図８】電極が留め要素によってシールチャンネルと連結されている、シール枠内に通路が構成された電極モジュール。
【図９】上の図面は通路が互いに一直線に並んだ２つの電極モジュール、下の図面は隣り合って配置され通路内にフィルタ要素が配置されている２つの電極モジュール。
【図１０】電極のための固定面が概略的に図示されている２つの電極モジュール。
【図１１】左の図面は間に膜が配置されている２つの電極モジュールの配置、中央の図面は両側にオフセットされたシールが配置されている膜の部分図、右の図面は膜の別の部分図であって、両側に非常に平らなシールがややオフセットされて配置されている膜の部分図。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
図１は、左の図面に、電極１とシール枠２とを備えたレドックスフローバッテリ用の電極モジュールの断面図を示す。電極１はシール枠２と機械的に連結されている。
【００７８】
図１の右の図面は、この電極モジュールの平面図を示す。
【００７９】
電極１は、シール枠２内において、非加圧状態での多孔率（気孔率）の２０％乃至８０％、好ましくは４０％乃至７０％の多孔性を示す不織布を備える。
【００８０】
図１の左の図面には、シール枠２にシール部材３が配置されていることが示されている。シール部材３は、さらに膜４にも密着する。
【００８１】
図２は、上の図面において、両側にシール部材３が配置されたシール枠２を示している。シール枠２は溝５を備える。そのため、シール枠２には周囲に沿って設けられた溝５が構成されている。溝５は外部に向かって円錐状に先細に形成されている。
【００８２】
図２の中央の図面には、留め要素６を有するシール枠２が示されている。留め要素６は電極１に食い込む鉤として形成されている。
【００８３】
図２の一番下の図面には、複数の通路としての導管７が形成されたシール枠２が示されている。図２に記載のシール枠２は高さ約５ｍｍであり、導管７は約２ｍｍの直径を示す。
【００８４】
図３は、それぞれアンダカット８を備えた溝５を各々が有する２つのシール枠２を断面図で示す。
【００８５】
図４は、鉤として形成されており電極１の内部へ突出する留め要素６を有する電極モジュールを示す。
【００８６】
図５はそれぞれ溝５が形成されているシール枠２の３つの断面図を示し、各シール枠２には少なくとも１つの留め要素６が組み込まれている。
【００８７】
図５に記載の左の図面では、留め要素６として面ファスナー式の小さな鉤が配置されている。
【００８８】
図５に記載の中央の図面では、小さな鉤が逆鉤として形成されており、この逆鉤が留め要素６を構成している。
【００８９】
図５に記載の右の図面では、シール枠２の上縁から電極１の貫流面に突出する大型の鉤が留め要素６として想定されている。
【００９０】
図６は、左の図面に導管７が形成されたシール枠２を有する電極モジュールを示す。図６に記載の右の図面は、この電極モジュールの平面図を示す。
【００９１】
図７は異なる電極モジュールを斜視図で示す。図７に記載の一番上の図面には、シール枠２がポリオキシメチレン、熱可塑性エラストマ、ポリオレフィン又はポリエステルによって層を被せられている電極モジュールが示されている。これにより、シール枠２は、液体と接触する領域が耐酸性の合成物質によって層を被せられている。
【００９２】
図７に記載の中央の図面には、３つの導管７が形成されたシール枠２が示されている。
【００９３】
図７に記載の一番下の図面には、突起として電極１内に突出する導管７を有するシール枠２が図示されている。
【００９４】
図８はシール枠２に導管７が形成されている電極モジュールを示し、ここで電極１は留め要素６によって導管７と連結されている。導管７は、突起として電極１の内部に突出し、同時に電極１と留められている。
【００９５】
図９はここで説明したタイプの少なくとも２つの電極モジュールを含む配置を示すもので、２つのシール枠２は互いに一直線に並んで隣接する。
【００９６】
図９に記載の上側の図面には、シール枠２の導管７が互いに一直線に並んで流体を導くよう連結されていることが図示されている。導管７によって、シール枠２を互いに連結するだけでなく液体のための共通の導管をも構成する導管７Ａが引かれている。
【００９７】
図９に記載の下側の図面では、電極１の平面すなわち不織布平面に突出するとともにこれと平行に方向づけられた導管７が想定されている。導管７内には、それぞれ電解液のためのフィルタ要素９が任意で配置可能である。
【００９８】
導管７は、シールによって管にドッキング可能である。
【００９９】
図１０は、上側及び下側の図面において、電極１が結合面１０乃至１４によって各々シール枠２に機械的に固定されている電極モジュールをそれぞれ示している。結合面１０乃至１４は電極１の有効貫流面積１５を縮小する。
【０１００】
図１１は、左の図面に、間に膜４を収納する２つの電極モジュールを示す。膜４と両シール枠２との間には、それぞれシール部材３が配置されている。
【０１０１】
図１１に記載の中央の図面は、シール部材３が互いにオフセットされて配置されていることを示している。
【０１０２】
図１１に記載の右の図面は、平面シール部材３が互いに広くオフセットされて膜４の異なる面に配置されていることを示している。
【０１０３】
多リップのシール部材の使用もまた考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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