Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie, insbesondere eine Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie auf Vanadium Basis.

Zellanordnungen für eine Redox-Flow Batterie sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 10 2013 107 516 A1 eine solche Zellanordnung in den Figuren 4-7 und den zugehörigen Textpassagen.

Grundsätzlich umfasst die Zellanordnung einer Redox-Flow Batterie wenigstens eine elektrochemische Zelle, die zwei Reaktionsräume mit porösen Durchflusselektroden aufweist und von einer Membran fluidisch getrennt sind. Dabei ist je ein Reaktionsraum in einer sogenannten Halbzelle angeordnet. In der Regel umfasst die Zellanordnung einer Redox-Flow Batterie jedoch eine Vielzahl von solchen elektrochemischen Zellen, um eine hohe Batteriespannung zur Verfügung stellen zu können. Dazu werden die einzelnen Zellen elektrisch in Reihe geschaltet. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Redox-Flow Batterie, welche eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen umfasst.

Während des Betriebs werden die Halbzellen der Redox-Flow Batterie von Elektrolytflüssigkeit durchströmt. Das geschieht mit Hilfe von zwei Elektrolytkreisläufen, wobei ein erster Elektrolytkreislauf die negativen Halbzellen mit Elektrolytflüssigkeit versorgt, und ein zweiter Elektrolytkreislauf die positiven Halbzellen mit Elektrolytflüssigkeit versorgt. Jeder Elektrolytkreislauf umfasst dazu wenigstens einen Tank zum Speichern der Elektrolytflüssigkeit, eine Pumpe zum Umwälzen der Elektrolytflüssigkeit und Zuleitungs- und Ableitungsrohre, welche die Verbindung zwischen dem oder den Tanks und der Zellanordnung herstellen. Dabei bilden die negativen Halbzellen und die positiven Halbzellen fluidisch betrachtet jeweils eine Parallelschaltung. Innerhalb der Zellanordnung gibt es dazu pro Kreislauf zwei Arten von Kanälen. Erstens sogenannte Verteilkanäle, mit welchen die Elektrolytflüssigkeit über die gesamte Zellanordnung verteilt wird, und zweitens sogenannte Anströmkanäle, welche von den Verteilkanälen abzweigen, um Elektrolytflüssigkeit in die einzelnen Halbzellen ein- und abzuführen. Da die Elektrolytflüssigkeit elektrisch leitfähig ist, bilden sich schädliche elektrische Nebenschlussströme, sogenannte shunt currents aus, sobald die Zellanordnung mit geladener Elektrolytflüssigkeit geflutet ist. Der shunt current führt selbstverständlich zu einem elektrischen Verlust. Außerdem kann derselbe sogar dazu führen, dass durch Zersetzungsprozesse Sauerstoff freigesetzt wird, welcher zu einer Kohlenstoffkorrosion der Zellanordnung und so über die Zeit zum Ausfall der Batterie führen kann. Da die Stromdichte der Nebenschlussströme an den Zellen am höchsten ist, die in Stapelrichtung am vorderen und hinteren Ende angeordnet sind, sind dieselben am stärksten von diesen Zersetzungsprozessen und ihren Folgen betroffen.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die shunt currents dadurch begrenzt werden können, dass die Anströmkanäle möglichst lang und dünn ausgebildet werden. So sind beispielsweise in der DE 102013 107 516 A1 die Anströmkanäle in Form einer Schleife ausgebildet (siehe 14 in Fig. 6). Auch Anströmkanäle in Form von mehreren Schleifen, d.h. in Mäanderform bzw. Serpentinenform, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Allerdings wirkt sich ein dünner langer Kanal negativ auf den Druckabfall und damit auf die eingesetzte Pumpenenergie aus. Daher ist dieser Art von Abhilfe eine Grenze gesetzt.

In der EP 2 548 256 B1 wird vorgeschlagen, die Zellanordnung in zwei oder mehr als zwei Teilabschnitte zu unterteilen, wobei die bevorzugte Ausführungsform zwei Teilabschnitte umfasst. Auf diese bezieht sich die hier gegebene kurze Zusammenfassung. Jeder der beiden Teilabschnitte besitzt eine separate Einrichtung für die Zu- und Abführung von Elektrolytflüssigkeit. Dazu umfasst die Zellanordnung die doppelte Anzahl von Verteilkanälen (d.h. acht), wobei jeder Verteilkanal einen eigenen nach außen führenden Anschluss aufweist. Die Verteilkanäle bilden so zwei Gruppen, wobei eine Gruppe der Verteilkanäle mit den Zellen des einen Teilabschnitts der Zellanordnung und die andere Gruppe der Verteilkanäle mit den Zellen des anderen Teilabschnitts der Zellanordnung verbunden ist. Dadurch können shunt currents nur innerhalb der Teilabschnitte fließen, wobei nur die Spannungen der einzelnen Teilabschnitte wirken. Die WO 2009/025672 A1 schlägt zur Begrenzung der shunt currents eine Zellanordnung mit ebenfalls vervielfachten Verteilkanälen vor, wobei die Verteilkanäle Gruppen bilden und die Verteilkanäle der einzelnen Gruppen die Zellanordnung auf unterschiedlicher Länge durchdringen. Die Verteilung der Elektrolytflüssigkeit auf die einzelnen Gruppen von Verteilkanäle erfolgt dabei mittels eines in die Zellanordnung integrierten Verteilers. Der Verteiler besteht aus ein oder zwei Platten, welche serpentinenförmige Flusspfade umfassen. Die Zellen der Zellanordnung bilden eine der Gruppenanzahl der Verteilkanäle entsprechende Anzahl von Gruppen, wobei jeweils eine Gruppe von Zellen mit einer Gruppe von Verteilkanälen verbunden ist. Nach außen weist diese Zellanordnung die übliche Anzahl von Elektrolyt-Anschlüssen, nämlich vier, auf. Die unterschiedlichen Gruppen von Verteilkanälen bilden parallellaufende unterschiedlich lange Zweige, wobei die Verzweigung mit Hilfe des internen Verteilers realisiert wird. In der in der WO 2009/025672 A1 vorgeschlagenen Zellanordnung sind alle Zellen innerhalb der Zellanordnung elektrolytisch miteinander verbunden. Dabei ist allerdings die Weglänge zwischen den an den Enden angeordneten Zellen länger als bei herkömmlichen Zellanordnungen. Die Ursache hierfür sind die serpentinenförmigen Flusspfade im Verteiler, welcher dadurch einen verhältnismäßigen komplizierten Aufbau aufweist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Zellanordnung für eine Redox-Flow Batterie anzugeben, welche eine Begrenzung der shunt currents ermöglicht und welche einfach aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.1 Zellanordnung gemäß dem Stand der Technik; Fig.2 Rahmenelemente gemäß dem Stand der Technik;

Fig.3 Schnitte durch eine Zellanordnung gemäß dem Stand der Technik;

Fig.4 Erfindungsgemäße Rahmenelemente der ersten Gruppe;

Fig.5 Erfindungsgemäße Rahmenelemente der zweiten Gruppe;

Fig.6 Erfindungsgemäße Rahmenelemente der dritten Gruppe;

Fig.7 Schnitte durch eine erfindungsgemäße Zellanordnung;

Fig.8 Erfindungsgemäße Endplatten;

Fig.9 Erfindungsgemäßes Rahmenelement mit Verteilerplatte;

Fig.10 Erfindungsgemäße Endplatten in einer weiteren Ausführungsform;

Fig.11 Erfindungsgemäße Endplatten in einer weiteren Ausführungsform;

Fig.12 Erfindungsgemäße Zwischenplatte;

Fig.13 Zellanordnung mit Zwischenplatte;

Figur 1 zeigt eine Zellanordnung gemäß dem Stand der Technik in stark schematischer Darstellung. Die Zellanordnung wird dabei durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Zellelementen gebildet, die in einer bestimmten Reihenfolge aufeinandergestapelt sind. Man spricht daher auch von einem Zellstapel (engl. „cell stack“). Die Zellelemente sind plattenförmig ausgebildet. Ganz außen liegen zwei Elemente, welche gewöhnlich Endplatten (engl. „end plate“) genannt werden. Diese sind dicker als die übrigen Zellelemente ausgebildet und tragen gewöhnlich die Anschlüsse, durch die Elektrolyt der Zellanordnung zugeführt und von derselben abgeführt wird. In Figur 1 ist eine Endplatte mit 1 bezeichnet. Neben den Endplatten sind zwei Elemente angeordnet, welche gewöhnlich Stromabnehmer (engl. „current colector“) genannt werden, da dieselben elektrische Anschlüsse tragen, welche zur Ableitung bzw. Zuführung des Lade- oder Entladestroms dienen. In Figur 1 ist ein Stromabnehmer mit 2 bezeichnet. Zwischen diesen Elementen ist eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen angeordnet. Dabei umfasst je eine Zelle eine negative und eine positive Halbzelle. Die Begriffe „negativ“ und „positiv“ beziehen sich dabei auf die Polarität des Elektrolyten, welcher in die betreffenden Halbzellen eingebracht wird und nicht auf eine spezielle Ausprägung der Halbzellen selbst. Bei Batterien auf Vanadium Basis ergibt sich noch die Besonderheit, dass die Polarität des Elektrolyten allein von der Stromrichtung abhängt, mit der die Batterie betrieben wird. Die Halbzellen werden dabei durch sogenannten Rahmenelemente (engl. „flow frame“) gebildet. In Figur 1 ist ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle mit 4, und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle mit 5 bezeichnet. Die Halbzellen umfassen außerdem jeweils eine Elektrode, welche in Figur 1 nicht dargestellt ist. Zwei benachbarte Zellen werden durch jeweils eine sogenannte Bipolarplatte (engl. „bipolar plate“) elektrisch miteinander verbunden. In Figur 1 ist eine Bipolarplatte mit 3 bezeichnet. Zwischen den Halbzellen einer Zelle ist jeweils eine Membran angeordnet. Die Membranen sind in Figur 1 nicht gesondert dargestellt. Die Lage einer der Membranen ist mit dem mit 6 bezeichneten Pfeil angedeutet. Die in Figur 1 dargestellte Zellanordnung umfasst 5 Zellen. In realen Zellanordnungen ist die Anzahl der enthaltenen Zellen meist weit größer. Die Stapelrichtung, d.h. die Richtung senkrecht zu den Zellelementen, ist in Figur 1 als z- Richtung gekennzeichnet. Senkrecht zur z-Richtung spannt sich die x-y-Ebene auf und bildet ein kartesisches Koordinatensystem. D.h. in Figur 1 weist die x-Richtung in die Zeichenebene hinein. In Figur 1 haben alle dargestellten Elemente dieselbe Ausdehnung in y-Richtung. Das muss jedoch nicht in jedem Falls so sein. So können beispielsweise die Bipolarplatten 3 eine kleinere Ausdehnung in x- und/oder y-Richtung als die Rahmenelemente 4 und 5 haben. Dann können die Bipolarplatten in Aussparungen der Rahmenelemente angeordnet sein, so dass dieselben von außerhalb der Zellanordnung nicht sichtbar sind.

Es sei erwähnt, dass die Zellanordnung zur Vermeidung von Elektrolytleckage über entsprechende Mittel zu Dichtung verfügt. Dabei kann es sich um herkömmliche Dichtungen handeln, oder die Dichtfunktion wird durch Verschweißen oder Verkleben von Zellelementen erreicht.

Figur 2 zeigt im oberen Teil ein Rahmenelement 4 einer positiven Halbzelle und im unteren Teil ein Rahmenelement 5 einer negativen Halbzelle jeweils gemäß dem Stand der Technik. Der Kürze halber werden in den Ansprüchen die Rahmenelement einer positiven Halbzelle kurz als positive Rahmenelemente bezeichnet. Analoges gilt für die Rahmenelemente einer negativen Halbzelle. Dabei wird die generelle Plattenform durch eine zentrale Aussparung durchbrochen, wodurch sich eine Rahmenform ergibt. Dabei bildet diese Aussparung den Reaktionsraum der jeweiligen Halbzelle, in welcher eine nicht dargestellte Elektrode angeordnet ist. In Figur 2 ist ein Reaktionsraum mit 9 bezeichnet. Die Rahmenelemente 4 und 5 weisen jeweils vier weitere Durchbrüche auf, welche in den Ecken der Rahmen angeordnet sind. Die Durchbrüche könne auch anders angeordnet sein, z.B. an den Seiten der Rahmen. Diese Durchbrüche, von denen einer mit 7 bezeichnet ist, bilden die Verteilkanäle, welche sich in z-Richtung durch die Zellanordnung erstrecken. Von zwei Verteilkanälen 7 der vier Verteilkanäle 7 zweigen pro Rahmenelement zwei Anströmkanäle ab, welche jeweils einen Verteilkanal 7 mit dem Reaktionsraum 9 verbinden. In Figur 2 ist ein Anströmkanal mit 8 bezeichnet. Die Anströmkanäle 8 sind dabei in das zugehörige Rahmenelement eingesenkt, d.h. die Anströmkanäle 8 bilden keinen Durchbruch durch das Rahmenelement, sondern bilden eine Eintiefung im Rahmenelement. In Einbaulage werden die Anströmkanäle 8 in z-Richtung durch benachbarte elektrisch nichtleitende Elemente begrenzt. Dies können je nach Bauform benachbarte Rahmenelemente oder an diesen Stellen elektrisch passivierte Bipolarplatten sein. Gewöhnlich werden die Rahmenelemente, während des Betriebs, wie in Figur 2 gezeigt, diagonal durchströmt. Dabei wird die Strömungsrichtung gewöhnlich so gewählt, dass der Elektrolyt von unten nach oben durch den Reaktionsraum 9 gedrückt wird. D.h. in Figur 2 zeigt die y- Richtung vertikal nach oben. Wie bereits erwähnt können die Anströmkanäle 9 auch schleifenförmig oder meanderförmig bzw. serpentinenartig ausgebildet sein. Entgegen der schematischen Darstellung von Figur 2 werden die Anströmkanäle zur Vermeidung von Strömungsverlusten generell geschwungen und nicht eckig ausgebildet. Außerdem können die Anströmkanäle 9 auch Verzweigungen ausweisen und an mehreren Stellen in die Reaktionsräume 9 münden.

Die in Figur 2 gezeigten Rahmenelemente sind identisch ausgebildet und unterscheiden sich nur durch die Einbaulage, d.h. das Rahmenelement 4 kann durch eine Drehung um die x- oder um die y-Achse um jeweils 180° in das Rahmenelement 5 überführt werden.

Gewöhnlich sind die Rahmenelemente 4 und 5 einteilig ausgebildet. Aus dem Stand der Technik sind jedoch auch mehrteilig bzw. modular ausgebildete Rahmenelemente bekannt geworden. Wir verweisen dazu beispielhaft auf die WO 2022/128737 A1 . Im unteren Teil von Figur 2 ist der Verlauf von Schnittebenen A-A und B-B angedeutet. Die zugehörigen Schnitte durch Zellanordnungen gemäß dem Stand der Technik sind in Figur 3 dargestellt. Der Schnitt A-A liegt in den oben angeordneten Verteilkanälen und der Schnitt B-B liegt in den unten angeordneten Verteilkanälen. Die Flussrichtung der Elektrolytflüssigkeit ist jeweils durch die Pfeile angedeutet. In der Darstellung von Figur 3 wurden der Übersichtlichkeit halber die Bipolarplatten und die Stromabnehmer nicht dargestellt, d.h. es sind nur die Endplatten und die Rahmenelemente dargestellt. In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform befinden sich alle vier Elektrolyt- Anschlüsse in der links angeordneten Endplatte. Genauso gut können sich alle oder ein Teil der Elektrolyt-Anschlüsse in der rechts angeordneten Endplatte befinden. Die in Figur 3 dargestellte Zellanordnung umfasst insgesamt 9 Zellen und 18 Rahmenelemente.

Die Erfinder haben die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass sie eine Zellanordnung angeben, bei welcher die effektive Länge der Verteilkanäle im Vergleich zu bekannten Zellanordnungen vergrößert ist. Wie das in einer ersten beispielhaften Ausführungsform realisiert wird, wird anhand der Figuren 4 bis 8 näher erläutert.

Dazu werden wenigstens zwei Gruppen von unterschiedlichen Rahmenelementen vorgesehen. Die in den Figuren 4 bis 8 gezeigte Ausführungsform umfasst drei Gruppen von unterschiedlichen Rahmenelementen.

Figur 4 zeigt zwei Rahmenelemente der ersten Gruppe. Ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle ist mit 4.1 und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle ist mit 5.1 bezeichnet. Die Rahmenelemente in der gezeigten Ausführungsform zeichnen sich dadurch aus, dass die Verteilkanäle die Rahmenelemente in mehreren Zweigen durchdringen. In der gezeigten Ausführungsform durchdringen die Verteilkanäle jedes Rahmenelement in drei Zweigen. In Ausführungsformen, in denen die Verteilkanäle die Rahmenelemente durchdringen, durchdringen die Verteilkanäle jedes Rahmenelement in wenigstens zwei Zweigen. Es gibt auch Ausführungsformen, in denen die Verteilkanäle die Rahmenelemente nicht durchdringen. Bei diesen Ausführungsformen sind die Zweige der Verteilkanäle außen an der Zellanordnung in separaten Verteilerplatten angeordnet (siehe Figur 9). In jedem Fall erstrecken sich alle Zweige der Verteilkanäle in z-Richtung wenigstens soweit über die Zellanordnung, wie Rahmenelemente in der Zellanordnung angeordnet sind. Die Zweige der Verteilkanäle bilden also wenigstens zwei Gruppen. Alle Verteilkanäle haben dieselbe Anzahl von Verteilkanalzweigen. Im Folgenden werden die Gruppen der Verteilkanalzweige folgendermaßen bezeichnet: Die in x-Richtung ganz außen liegenden Verteilkanalzweige bilden die erste Gruppe. Die daran innen angrenzenden

Verteilkanalzweige bilden die zweite Gruppe. Die daran innen angrenzenden

Verteilkanalzweige bilden die dritte Gruppe. Das geht so weiter bis alle

Verteilkanalzweige einer Gruppe angehören. In der in den Figuren 4 bis 7 gezeigten Ausführungsform gibt es also insgesamt drei Gruppen von Verteilkanalzweigen.

Die Anströmkanäle der in Figur 4 gezeigten Rahmenelemente, d.h. die Anströmkanäle der Rahmenelemente der ersten Gruppe zweigen von den Verteilkanalzweigen der ersten Gruppe ab.

Figur 5 zeigt zwei Rahmenelemente der zweiten Gruppe. Ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle ist mit 4.2 und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle ist mit

5.2 bezeichnet. Die Anströmkanäle der in Figur 5 gezeigten Rahmenelemente, d.h. die Anströmkanäle der Rahmenelemente der zweiten Gruppe zweigen von den Verteilkanalzweigen der zweiten Gruppe ab.

Figur 6 zeigt zwei Rahmenelemente der dritten Gruppe. Ein Rahmenelement einer positiven Halbzelle ist mit 4.3 und ein Rahmenelement einer negativen Halbzelle ist mit

5.3 bezeichnet. Die Anströmkanäle der in Figur 6 gezeigten Rahmenelemente, d.h. die Anströmkanäle der Rahmenelemente der dritten Gruppe zweigen von den Verteilkanalzweigen der dritten Gruppe ab.

Auch gemäß der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Rahmenelemente einer Gruppe identisch aufgebaut sind, so dass sich die zu einer positiven und zu einer negativen Halbzelle gehörigen Rahmenelemente einer Gruppe nur durch die Einbaulage unterscheiden.

Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Zellanordnung mit Rahmenelementen gemäß den Figuren 4 bis 6. Dabei wird im oberen Teil der Figur 7 der Schnitt A-A und im unteren Teil der Schnitt B-B dargestellt. Die Darstellung von Figur 7 entspricht der Darstellungsform von Figur 3, d.h. es sind nur die Endplatten und die Rahmenelemente dargestellt.

Dabei ist die links angeordnete Endplatte mit 1 .1 und die rechts angeordnete Endplatte mit 1.2 bezeichnet. Die Endplatten 1.1 und 1.2 sind so ausgebildet, dass die Verteilkanalzweige der verschiedenen Gruppen so miteinander verbunden sind, dass dieselben einen durchgängigen Verteilkanal bilden. D.h. im Gegensatz zu der WO 2009/025672 A1 sind die Zweige nicht an einem Verzweigungspunkt, sondern seriell miteinander verbunden. Wie in der in Figur 3 gezeigten Zellanordnung ergeben sich so vier Verteilkanäle, wobei jedoch erfindungsgemäß jeder Verteilkanal wenigstens zwei seriell miteinander verbundene Verteilkanalzweige umfasst.

Die in Kreisen angeordneten x-Zeichen zeigen dabei die Abzweigstellen der Anströmkanäle der entsprechenden Rahmenelemente an. Die im oberen Teil der Figur 7 dargestellten Klammem samt Bezeichnungen beziehen sich auf die Art der jeweils dort angeordneten Rahmenelemente gemäß den Figuren 4 bis 6. Die Rahmenelemente einer Gruppe sind jeweils so angeordnet, dass sie einen Abschnitt der Zellanordnung bilden.

Aus Figur 7 geht klar hervor, dass die elektrische Weglänge des shunt currents zwischen der ersten und der letzten Zelle durch die Verteilkanäle mehr als dreimal so lang ist, wie in der in Figur 3 dargestellten Zellanordnung. Dadurch wird die gerade an diesen Stellen besonders schädliche Dichte des shunt currents entscheidend verringert. Entsprechendes gilt für die dazwischen liegenden Zellen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verteilkanäle die gesamte Zellanordnung in der dargestellten Ansicht meanderförmig bzw. serpentinenartig durchziehen. Im Gegensatz zu der EP 2 548256 B1 sind alle Zellen in der Zellanordnung wie üblich elektrolytisch über die Verteilkanäle miteinander verbunden, und es werden nur vier Anschlüsse benötigt.

Figur 8 zeigt den Aufbau der Endplatten 1.1 und 1.2, mit deren Hilfe die serielle Verbindung der Verteilkanalzweige bewerkstelligt wird. Die kreuzschraffierten Bereiche deuten dabei die einseitig in die Endplatten eingetieften Umlenkbereiche der Verteilkanäle an. Diese sind dabei jeweils an den innen liegenden Seiten der Endplatten angeordnet. Diese Umlenkbereiche stellen die Verbindung zwischen den Verteilkanalzweigen her.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Anzahl der Gruppen der Rahmenelemente keineswegs in jedem Fall mit der Anzahl der Gruppen der Verteilkanalzweige übereinstimmen muss. Allgemein gelten vielmehr die folgenden Beziehungen, wobei die Anzahl der Gruppen der Rahmenelemente M und die Anzahl der Gruppen der Verteilkanäle N sei: M > 2 und N > 2 und N > M. Dabei sind stets die Anströmkanäle der Rahmenelemente der in der Zellanordnung außen liegenden Zellen (und die zu den betreffenden Gruppen gehörigen übrigen Rahmenelemente) so mit den Verteilkanälen verbunden, dass die elektrische Weglänge durch die Verteilkanäle zwischen den beiden außen liegenden Zellen möglichst groß wird. Im Beispiel der Ausführungsform gemäß Figur 7 bedeutet diese letzte Bedingung, dass die links außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.1 und 5.1 , und die rechts außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.3 und 5.3 aufgebaut sein muss, da nur so die genannte elektrische Weglänge möglichst groß wird. Wenn die Art der Verbindung der Verteilkanalzweige in den Endplatten eine andere wäre, würde sich ein anderes Resultat ergeben. Diese Verbindung könnte beispielsweise gemäß den in Figur 10 dargestellten Endplatten erfolgen. In diesem Fall müsste die links außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.1 und 5.1 , und die rechts außen liegende Zelle aus Rahmenelementen 4.2 und 5.2 aufgebaut sein. Die Ausführungsform mit Endplatten gemäß Figur 10 ist sogar vorteilhafter als die Ausführungsform mit Endplatten gemäß Figur 8, da durch die Gestaltung der unteren Endplatte 1.2 gemäß Figur 10 die elektrische Weglänge größer ist als bei der Endplatte 1.2 gemäß Figur 8. Bei der Art der Verbindung gemäß Figur 10 verlaufen die Verteilkanäle nicht meanderförmig oder serpentinenartig durch die Zellanordnung, sondern sind eher schneckenförmig bzw. in Form einer langgezogenen Spirale ausgebildet. In jedem Fall sind die Anströmkanäle der Rahmenelemente der in der Zellanordnung außen liegenden Zellen so mit den Verteilkanälen verbunden, dass die elektrische Weglänge durch die Verteilkanäle zwischen den beiden Zellen größer ist als der geometrische Abstand in z-Richtung zwischen diesen beiden Zellen.

Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen mit M=2, weil dann nur zwei unterschiedlich aufgebaute Rahmenelemente benötigt werden. Ausgehend von der Ausführungsform von Figur 7 kann diese Konfiguration dadurch erhalten werden, dass die mittlere Gruppe von Rahmenelemente dadurch eliminiert wird, dass die betreffenden Rahmenelemente gemäß den beiden benachbarten Gruppen (d.h. als 4.1 , 5.1 , 4.3, 5.3) ausgeführt werden. Dass dabei die resultierenden beiden Gruppen eine unterschiedliche Anzahl von Rahmenelementen umfassen, ist unerheblich und lässt sich bei einer ungeraden Zeilenzahl nicht vermeiden. Im Resultat umfasst die Zellanordnung kein Rahmenelement des Typen 4.2 bzw. 5.2 mehr. Außerdem ist kein Rahmenelement mehr mit dem mittleren Verteilkanalzweig verbunden.

Besonders vorteilhaft sind außerdem Ausführungsformen mit ungeradzahligem N (d.h. N=3,5,7... ). Dies liegt daran, dass eine Ausführungsformen mit geradzahligem N im Vergleich mit der Ausführungsform mit N-1 nur eine geringfügig größere elektrische Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle aufweist. Zur beispielhaften Verdeutlichung kann man die Ausführungsform gemäß den Figuren 4 bis 7 heranziehen. Bei dieser ist N=3. Wenn man ausgehend davon eine Ausführungsform mit N=4 ausführen wollte, dann würde man eine weitere Verteilkanalzweiggruppe hinzufügen, so dass die neuen Zweige jeweils an den betreffenden dritten Zweig anschließen. Dazu würde die Endplatte 1.2 einen zusätzlichen Umlenkbereich umfassen. Um das Kriterium der möglichst großen elektrischen Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle zu erfüllen, müssten die Rahmenelemente 4.3 und 5.3 dahingehend modifiziert werden, dass die Anströmkanäle derselben nicht mehr im dritten, sondern im neuen vierten Zweig münden. Dadurch würde sich die elektrische Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle jedoch nur um den neuen Umlenkbereich in der Endplatte vergrößern. Beim Übergang von N=4 zu N=5 würde sich hingegen die Weglänge erheblich vergrößern, nämlich um den zusätzlichen Umlenkbereich und die gesamte Länge des Zellstapels.

Aus dem Gesagten ersieht man, das eine fiktive Ausführungsform mit N=1 (und damit M=1 ) dem in den Figuren 1 und 2 dargestelltem Stand der Technik entspräche. Davon ausgehend bringt bereits der Schritt zu einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit N=2 und M=2 eine signifikante, wenn auch relativ moderate, Vergrößerung der elektrischen Weglänge zwischen der ersten und der letzten Zelle im Vergleich mit dem Stand der Technik. Durch die Gestaltung des Umlenkbereichs in der Endplatte als Schleife gemäß Figur 11 (siehe unten) lässt sich die Weglänge erfindungsgemäß weiter vergrößern.

Figur 9 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Verteilkanalzweige die Rahmenelemente nicht durchdringen, sondern außen an den Rahmenelementen (und außen an den zwischen den Rahmenelementen angeordneten Elementen) angeordnet sind. Dazu umfasst die Zellanordnung zwei Verteilerplatten, von denen eine in Figur 9 mit 10 bezeichnet ist. Die Verteilerplatten erstrecken sich in x-z-Richtung entlang den in y-Richtung außen liegenden Kanten der Zellelemente. Die Verteilkanalzweige werden durch Eintiefungen in den Verteilerplatten gebildet. Die Verbindungsbereiche bzw. Umlenkbereiche der Verteilkanäle können dabei in den Verteilerplatten oder in den Endplatten angeordnet sein. Die Verteilerplatten könnten genauso gut außen entlang der in x-Richtung außen liegenden Kanten der Zellelemente angeordnet sein. Dann müssten die Anströmkanäle selbstverständlich auch anders ausgebildet sein als in Figur 9.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich, wenn die Länge der Umlenkbereiche der Verteilkanäle möglichst groß ausgeführt wird. Dies ist dann möglich, wenn die Umlenkbereiche in den Endplatten angeordnet sind. Ein Beispiel für so ausgeführte Endplatten zeigt Figur 11. Die Umlenkbereiche sind als sich in x-y- Richtung erstreckende Schleifen ausgeführt. Auf diese Weise wird die elektrische Weglänge für den shunt current zwischen den beiden außen liegenden Zellen entlang der Verteilkanäle weiter vergrößert.

Diese Weglänge kann weiter mit Hilfe von Elementen vergrößert werden, die in diesem Dokument in Folge als Zwischenplatten bezeichnet werden. Solche Zwischenplatten können im Prinzip an jedem beliebigen Ort zwischen zwei Zellen der Zellanordnung angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenplatten die Zellanordnung in etwa gleich große Abschnitte unterteilen, d.h. wenn sie beispielsweise zwischen den unterschiedlichen Gruppen von Rahmenelementen angeordnet werden.

Figur 12 zeigt eine solche Zwischenplatte. Die dargestellte Zwischenplatte ist dabei aus drei Teilen aufgebaut. Zwischenplatten können jedoch auch einteilig ausgeführt werden. Die drei Teile sind Platten die in der dargestellten Reihenfolge (d.h. von oben nach unten) in z-Richtung aufeinandergestapelt werden. Alle drei Platten enthalten Öffnungen für die beiden äußeren Verteilkanalzweige, so dass diese Verteilkanalzweige die Zwischenplatte geradlinig in z-Richtung passieren können. Dadurch ergibt sich für diese Zweige ein Weglängenvergrößerung von der Stärke der Zwischenplatte. Für den mittleren Verteilkanalzweig enthält die mittlere Platte keine entsprechende Öffnung, so dass die Elektrolytflüssigkeit in diesem Zweig gezwungen wird, die Schleifen in der oberen und unteren Platte zu passieren. Dadurch erhöht sich im mittleren Verteilkanalzweig die Weglänge erheblich. Je nach Größe der Platten und nach Durchmesser der Verteilkanalzweige können solche Schleifen auch für mehr als einen Verteilkanalzweig vorgesehen sein. Man kann im Allgemeinen den positiven Effekt einer erfindungsgemäßen Zwischenplatte also auch dadurch beschreiben, dass die Länge wenigstens eines Verteilkanalzweiges mittels einer solchen Zwischenplatte um mehr als die in z-Richtung gemessene Stärke der Zwischenplatte vergrößert wird.

Zwischenplatten können aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt sein. Dann müssen die Innenwände der Verteilkanalzweige in den Zwischenplatten elektrisch passiviert, d.h. mit einer elektrisch nichtleitenden Schicht versehen werden. Zwischenplatten können auch aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt werden. Dann muss dafür gesorgt werden, dass die in z-Richtung an die Zwischenplatte angrenzenden Zellen elektrisch miteinander verbunden sind. Dies kann durch die Zwischenplatten hindurch oder um dieselben herum geschehen.

Die einzelnen Elemente einer Zellanordnung werden mit Hilfe von Zugbolzen miteinander verspannt. Die Zugbolzen greifen dabei an den Endplatten an. Dabei wird an einem Ende der Zugbolzen ein elastisches Element angeordnet, welches für einen gleichmäßigen Zug sorgt, mit dem die Zellanordnung verspannt wird. Dazu werden gewöhnlich Spiral oder Tellerfedern verwendet. Bei Zellanordnungen mit sehr vielen Elementen werden einerseits die Zugbolzen sehr lang und andererseits reicht der Federweg von in Frage kommenden Federn nicht mehr aus, um in jeden Fall einen gleichmäßigen Zug zu gewährleisten.

Mit Hilfe von Zwischenplatten kann dieses Problem gelöst werden. Figur 13 zeigt beispielhaft eine entsprechende Zellanordnung in schematischer Darstellung. Eine Endplatte ist mit 1 und die Zwischenplatte ist mit 11 bezeichnet. Endplatten und Zwischenplatte ragen in x-Richtung über die übrigen Elemente der Zellanordnung hinaus. Die Zugbolzen, von denen einer mit 12 bezeichnet ist, greifen an diesen Überständen an und erstrecken sich zwischen den Endplatten und der Zwischenplatte. Im gezeigten Beispiel sind die oberen Zugbolzen in x-Richtung gegen die unteren Zugbolzen verschoben. Die Verschiebung könnte genauso gut in y-Richtung erfolgen. Außerdem könnten die Überstände auch in y-Richtung über die übrigen Elemente hinausragen. In Vergleich zu herkömmlichen Zellanordnungen ist die Anzahl der Zugbolzen verdoppelt, wodurch sich die Länge der Zugbolzen in etwa halbiert. Auch der benötigte Federweg der Federelemente kann so deutlich verkleinert werden. Das gezeigte Wirkprinzip kann leicht auf Zellanordnungen mit mehr als einer Zwischenplatte übertragen werden. Dabei kommen Zugbolzen zum Einsatz, welche an zwei benachbarten Zwischenplatten angreifen.

Abschließend sei erwähnt, dass aufgrund von Strömungsverlusten in den erfindungsgemäß sehr langen Verteilkanälen die Zellen, welche entlang der Verteilkanäle weit von den Elektrolyt-Anschlüssen entfernt sind, weniger gut mit Elektrolytflüssigkeit versorgt werden können. Dem kann dadurch entgegengewirkt werden, dass die Querschnitte der Anströmkanäle für die einzelnen Gruppen von Rahmenelementen unterschiedlich groß ausgebildet werden. D.h. die weiter von den Elektrolyt-Anschlüssen entfernten Rahmenelemente haben einen größeren Querschnitt der Anströmkanäle als die weniger weit entfernten. Da die Verteilkanäle in der Regel einen relativ großen Querschnitt aufweisen, ist der beschriebene negative

Effekt nicht sehr groß und kann daher meist vernachlässigt werden.

Bezugszeichenliste

1 Endplatte

1.1 Endplatte

1 .2 Endplatte

2 Stromabnehmer

3 Bipolarplatte

4 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

4.1 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

4.2 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

4.3 Rahmenelement einer positiven Halbzelle

5 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

5.1 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

5.2 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

5.3 Rahmenelement einer negativen Halbzelle

6 Membran

7 Verteilkanal

8 Anströmkanal

9 Reaktionsraum

10 Verteilerplatte

11 Zwischenplatte

12 Zugbolzen