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Die Erfindung betrifft eine Lade- bzw. Entladestation für eine Redox-Durchflussbatterie, mit einer Anzahl von Durchfluss-Zellen, die jeweils aus zwei von unterschiedlich geladenen Elektrolyt- flüssigkeiten durchströmbaren, mittels einer selektiv ionendurchlässigen Membran getrennten Halbzellen bestehen, in denen jeweils eine Elektrode angeordnet ist, welche elektrisch leitend mit der Elektrode einer anderen Zelle bzw. mit einem äusseren Anschluss verbunden ist.
Anordnungen der genannten Art sind beispielsweise aus DE 29 27 868 A1 oder auch WO 00/57507 A1 bekannt und nutzen zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie elektro-chemische Reduktions- und Oxidationsvorgänge, die im wesentlichen in flüssiger Phase unter Verwendung von löslichen Salzen von Metallen, die verschiedene Oxidationszustände auf- weisen, ablaufen. Bekannt sind beispielsweise Chrom-Redoxbatterien, Eisen-Titan-Redoxbatterien oder in letzter Zeit vermehrt auch Vanadium-Redoxbatterien (VRB), die mittlerweile technologisch und konstruktiv ausgereifte Stadien erreicht haben und im praktischen Einsatz beispielsweise zur Zwischenspeicherung bei Photovoltaikanlagen Verwendung finden.
Derartige Redoxbatterien haben den gravierenden Vorteil, dass die zugrundeliegenden elektro-chemischen Reaktionen vollständig in den Lösungen selbst ablaufen und sich damit während der Ladung bzw. Entladung keine chemischen Verbindungen auf bzw. in den Elektroden abscheiden oder von diesen abgelöst werden. Damit ist es beispielsweise möglich, ein Laden der Batterie durch einfachen und schnellen Austausch der anderweitig geladenen Elektrolytflüssigkeiten durchzuführen, was die Verwendung derartiger Batterien auch in Fahrzeugen erlaubt, die ähnlich den konventionellen Tankstellen auch an Elektrolyt-Tankstellen aufgeladen werden können.
Die Speicherkapazität derartiger Redoxbatte- rien kann auf einfachste Weise über das Volumen der verfügbaren Elektrolytlösungen beeinflusst werden, wobei die verfügbare Entladespannung und -leistung über die Zellengrösse und Anzahl der zusammengeschalteten Zellen leicht beeinflussbar ist.
Um die systembedingten Verluste zufolge des notwendigen Austausches an Ionen und Elektro- nen zwischen den Halbzellen bzw. zu den Stromableitern herabzusetzen, wurde gemäss der ein- gangs bereits erwähnten DE 29 27 868 vorgeschlagen, Anode und Kathode als elektrolytdurchläs- sige dünne Schicht unmittelbar auf gegenüberliegenden Oberflächen der die beiden Halbzellen trennenden, teildurchlässigen, ionenselektiven Membran aufzubringen und auf der der Membran abgewandten Oberfläche mittels eines elektrisch leitenden Gitterwerks an vielen Punkten zu kon- taktieren. Dieser gitterförmige Stromableiter wurde dann mittels leitender und Strömungskanäle für den Elektrolyten bildender Teile von Endplatten bzw. von bipolaren Trenneinsätzen nach aussen oder zur nächstgelegenen Elektrode einer benachbarten Zelle elektrisch leitend verbunden.
Es ergaben sich damit auf konstruktiv einfache Weise elektrisch seriell geschaltete Zellenverbände, die über Kanäle und Zu- bzw. Abströmöffnungen im wesentlichen parallel mit den Elektrolytflüssig- keiten durchströmbar waren.
Aus der eingangs an zweiter Stelle angesprochenen WO 00/57507 sind ähnliche Anordnungen bekannt, bei denen die den Halbzellen zugeordneten Elektroden nicht auf der mittigen, ionenselek- tiven Trennmembran sondern auf den äusseren Zellwänden angeordnet sind, wobei sogenannte bipolare Elektroden verwendet werden, bei denen zwischen den beiden, aneinander angrenzenden Durchfluss-Zellen zuzuordnenden Elektroden in der Trennwand selbst elektrisch leitfähige Verbin- dungen durch überlappend durchgehende elektrisch leitende Fasern geschaffen sind. Auch auf diese Weise ergibt sich eine elektrische Serienschaltung von in weiten Grenzen wählbar vielen Durchfluss-Zellen, was auf recht einfache Weise wählbare Entladespannungen ermöglicht.
Bei allen bekannten Anordnungen der eingangs genannten Art wurde zur Ermöglichung des beschriebenen einfachen Aufbaus des Zellenverbundes bzw. zur Sicherstellung von ohne weitere Verluste erhaltbaren gängigen Ausgangsspannungen stets die serielle Verbindung der einzelnen Durchfluss-Zellen angewandt, was aber (soferne der gleiche Zellenverbund wechselweise als Lade- und Entladestation verwendet wird) den Nachteil hat, dass damit auch das Laden der Batterie seriell erfolgen muss. Dem wurde beispielsweise gemäss WO 89/05528 dadurch zu begegnen versucht, dass in einem Batteriesystem je eine separate Lade- und Entladestation (zusammenar- beitend mit dem gleichen Elektrolytreservoir) vorgesehen sind, womit die einzelnen Stationen dann besser auf die Lade- bzw.
Entladefunktion abgestellt sein können, was beispielweise über unter- schiedliche Anzahl und Grösse der - nach wie vor seriell geschalteten - einzelnen Zellen erfolgt.
Zur Vermeidung der in den unterschiedlichen Anforderungen an Lade- und Entladestation gelegenen Nachteilen der genannten bekannten Anordnungen geht die vorliegende Erfindung nun
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einen anderen Weg. Sie geht aus von der Überlegung, dass die Anforderungen an eine Ladestati- on von Redox-Durchflussbatterien üblicherweise wesentlich besser und einfacher durch eine elektri- sche Parallelschaltung der einzelnen Durchfluss-Zellen erfüllbar sind, während es für die Entlade- station in den meisten Fällen einfacher und vorteilhafter ist bei der elektrischen Serienschaltung der Zellen zu verbleiben.
Um nun ein derartiges Konzept unter Beibehaltung eines konstruktiv einfachen Aufbaus des Zellenverbundes zu ermöglichen, wird gemäss der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die angesprochene elektrisch leitende Verbindung zumindest einzelner der Elektroden über zwischengeschaltete Schaltelemente, welche die wahlweise elektrische Parallel- oder Serienschaltung zumindest einzelner Gruppen der Zellen ermöglichen, verläuft, womit eine sehr vorteilhafte Einflussnahme auf die Charakteristik der Batterie bzw. die Anpassung an die jeweilige Verwendung des Zellenverbundes (zum Laden oder zum Entladen) ermöglicht ist. Damit kann sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung der Batterie auf einfachste Weise der Strom bzw. die Spannung an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.
Die Parallelschaltung aller einzelnen Zellen ergibt beispielsweise eine der einzelnen Zelle entsprechende Lade- bzw.
Entladespannung bei entsprechend vervielfachtem Lade- bzw. Entladestrom - durch die gruppen- weise mögliche Serien- bzw. Parallelschaltung können verschiedenste Abstufungen zwischen Maximalspannung und Maximalstrom vorgenommen werden. Einzelne Zellen oder auch Zellen- gruppen lassen sich in der Parallelschaltung sehr einfach überwachen, womit beispielsweise defekte einzelne Zellen oder Zellengruppen erkannt und berücksichtigt werden können. Eine lokale Überladung einzelner Zellen und damit gefährliche Gasentwicklung kann dadurch verhindert wer- den, was eine Erhöhung der Lebensdauer und der Sicherheit des Systems zur Folge hat.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltelemente eine Schalt- stellung aufweisen, in der zumindest einzelne Verbindungen der Elektroden offen sind. Mit diesen geöffneten Verbindungen können beispielsweise die sonst im Ruhezustand derartiger Redox- Durchflussbatterien unvermeidlichen Selbstentladungen über die Elektrolytflüssigkeiten unterbun- den werden, da nun keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden verschiedener Elektrolyträume mehr besteht. Bei den bisherigen Anordnungen wurde zur Vermeidung einer weitergehenden Selbstentladung der Elektrolytflüssigkeiten stets vorgesehen, dass beim Stillstand die Zellinhalte elektrisch isolierend vom übrigen Elektrolytvolumen abgesperrt wurden, womit sich diese Selbstentladung auf den Zelleninhalt beschränkte.
Bei Wiederinbetriebnahme der Batterie war dann allerdings stets vorerst ein Austausch der Elektrolytflüssigkeiten in den Zellen erforder- lich, bevor wieder die normale Funktion gegeben war. Durch das beschriebene, durch die Erfin- dung mögliche Auftrennung der Verbindungen der Elektroden ist das Problem auf einfachste Weise gänzlich behoben und die Batterie jederzeit ohne Selbstentladungsverluste einsetzbar.
Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei eine Redox-Durchflussbatterie nach dem bekann- ten Stande der Technik und die Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils nur die wesentlichsten Komponenten einer Lade- bzw. Entladestation für eine derartige Batterie in einer beispielhaften Ausführung nach der vorliegenden Erfindung.
Die Redox-Durchflussbatterie nach Fig. 1 (beispielsweise eine Vanadium-Redoxbatterie) weist vier Durchfluss-Zellen 1 auf, die jeweils aus zwei von unterschiedlich geladenen Elektrolytflüssigkei- ten durchströmbaren, mittels einer selektiv ionendurchlässigen Membran 2 getrennten Halbzellen 3,4 bestehen. In jeder der Halbzellen 3,4 ist jeweils eine Elektrode 5,6 angeordnet, welche auf untenstehend noch näher erläuterte Weise elektrisch leitend mit der Elektrode 6,5 einer anderen Zelle bzw. mit einem äusseren Anschluss (+ bzw. - oben in Fig. 1) verbunden ist.
Die Elektrolytflüssigkeiten (in Entsprechung zur Anode und Kathode auch als Anolyt und Katholyt bezeichnet) sind in Behältern 7,8 (über deren Volumen die Speicherkapazität der Batterie bestimmt ist) gespeichert und werden über Leitungen 9,10 und Pumpen 11 bedarfsweise über die jeweiligen Halbzellen 3,4 umgewälzt, wobei die die Speicherung bzw. Freisetzung der elektrischen Energie bewirkenden Elektro-chemischen Reduktions- bzw. Oxidationsvorgänge ablaufen (siehe dazu beispielsweise die Erläuterungen in der eingangs bereits erwähnten DE 29 27 868 A1).
Abgesehen von den äusseren Elektroden 5,6, die über Anschlussleitungen 12,13 mit den äusseren Anschlüssen + und - verbunden sind, sind die den Halbzellen jeweils zugeordneten weiteren Elektroden 5,6 auf bipolaren Trennwänden 14 angeordnet, wobei zwischen den beiden, aneinan- der angrenzenden Durchfluss-Zellen zuzuordnenden Elektroden über die Trennwand 14 selbst
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elektrisch leitfähige Verbindungen geschaffen sind. Auf diese Weise ergibt sich eine elektrische Serienschaltung aller (im Beispiel vier) Durchfluss-Zellen 1, wobei die Gesamtspannung zwischen den Anschlüssen + und - (Leitungen 12 und 13) der Summe der einzelnen Zellenspannungen entspricht, welche wiederum vom Redoxpotential der jeweiligen Redox-Partner abhängen.
Zur Berücksichtigung bzw. Ermöglichung unterschiedlicher Lade- bzw. Entladespannungen und-ströme ist bei derartigen Serienanordnungen von Durchfluss-Zellen bereits vorgeschlagen worden, einzelne Anzapfstellen an mittigen Elektroden 5 bzw. 6 vorzusehen, was die Nutzung auch nur eines Teilverbundes der gesamten Durchfluss-Zellen beispielsweise für die Aufladung der Elektrolytflüssigkeiten mit geringerer Spannung ermöglicht. Weiters ist auch bereits vorgeschlagen worden, derartige Anordnungen mit separat konfigurierbaren Lade- und Entladestationen auszu- führen, was ebenfalls unabhängig voneinander optimierbare Lade- und Entladevorgänge ermög- licht.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist nun wie in den Fig. 2 bis 4 schematisch dargestellt vor- gesehen, dass die elektrisch leitende Verbindung 15 zumindest einzelner der Elektroden 5,6 über zwischengeschaltete Schaltelemente 16 verläuft, welche die wahlweise elektrische Parallel- (Fig. 3) oder Serienschaltung (Fig. 2) zumindest einzelner Gruppen der Zellen 1 ermöglichen bzw. gemäss Fig. 4 auch eine Schaltstellung aufweisen können, in der zumindest einzelne Verbindungen 15 der Elektroden 5,6 überhaupt offen sind.
Gemäss Fig. 2 liegt nur die oberste äussere Elektrode 5 (entsprechend der linken äusseren Elek- trode 5 in Fig. 1) am Plusanschluss, während entsprechend auch nur die unterste äussere Elektrode 6 (entsprechend der rechten äusseren Elektrode 6 in Fig. 1) am Minusanschluss liegt. Die dazwi- schen liegenden (hier vier) Elektrodenpaare 5,6 sind über die Schaltelemente 15 verbunden, womit sich elektrisch betrachtet die gleiche Serienschaltung des Zellenverbundes wie in Fig. 1 ergibt. Die trennenden Membranen 2 sind hier als punktierte Linien angedeutet - die Durchströ- mung der Halbzellen durch die beiden unterschiedlichen Elektrolytflüssigkeiten ist mit den Pfeilen 17 bzw. 18 angedeutet.
Abweichend von Fig. 1 sind hier natürlich zwischen den aneinanderliegend dargestellten mittleren Elektroden 5,6 keine unmittelbaren elektrisch und ionisch (Elektrode 5 und 6 ist durch eine Isolationsschicht getrennt) leitenden Verbindungen vorgesehen - diese erfolgen wie beschrieben nur über die hier aussen liegend dargestellten Schaltelemente 16
Gemäss Fig. 3 sind die Schaltelemente 16 (die man sich in Fig. 2 als zwei parallel hinter- einander liegende und um jeweils einen Endpunkt drehbare Schaltbrücken vorstellen kann) nun so umgeschaltet, dass jede Elektrode 5 mit dem Plusanschluss und jede Elektrode 6 mit dem Minusan- schluss in Verbindung steht, womit eine elektrische Parallelschaltung realisiert ist und die Gesamt- spannung der einer einzelnen Durchfluss-Zelle entspricht.
Gemäss Fig. 4 sind die Schaltelemente 16 in Offenstellung, wobei die einzelnen Elektroden 6,7 potentiallos sind, was eine Selbstentladung der Elektrolytflüssigkeiten verhindert.
Abgesehen von der in Fig 2 bis 4 dargestellten Gleichschaltung aller Schaltelemente 16 könn- te diese aber auch so geschaltet werden, dass beispielsweise jeweils zwei Zellen in Serie und diese Gruppen dann parallel geschaltet werden - es sind damit vielfältigste Kombinationen im gesamten Zellenverbund möglich, was weitgehend freie Einflussnahme auf Lade- bzw. Entlade- spannung und -strom ermöglicht Auch könnten beispielsweise offene Schaltzustände gemäss Fig. 4 für einzelne Zellen im Verbund dann vorgesehen werden, wenn über angeschlossene Mess- geräte (hier nicht dargestellt) ein Fehlverhalten einzelner Zellen festgestellt wird, die sicherheits- halber abgeschaltet bleiben sollen. Insgesamt ergeben sich über die zwischengeschalteten Schalt- elemente 16 also vielfältigste Möglichkeiten.
Es ist für den Fachmann auch einsichtig, dass die Schaltelemente 16 bzw. deren Anbringung in den elektrischen Verbindungen 15 zwischen den Elektroden 5,6 in weiten Grenzen beliebig wähl- bar sind - insbesonders können beispielsweise Halbleiter-Schaltelemente, elektronische Schaltern, wie IGBTs, Mosfets, elektrische Relais oder Transistoren, eingesetzt und auch über ein elektroni- sches Feedback/Steuersystem kontrolliert werden. Davon abgesehen wären aber auch manuell betätigte Schalter (Zellen werden händisch auf parallelen oder seriellen Betrieb geschaltet) mog- lich.