AT528606A1 - Elektrolyttank einer Redox-Durchflussbatterie mit einer Rohranordnung - Google Patents

Abstract

Um in einer Redox-Durchflussbatterie Leckagen eines Elektrolyten frühzeitig und auch ohne entsprechende Leckagesensorik zu erkennen und um einen sich ausbildendenden Siphoneffekts zu unterbrechen, ist vorgesehen, dass im Elektrolyttank (13a, 13b) eine Rohranordnung (50) angeordnet ist, die zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) unterschiedlicher Länge umfasst, wobei jedes der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) ein erstes axiales Ende (51-1, 52-1, 61-1, 62-1) und ein zweites axiales Ende (51-2, 52-2, 61-2, 62-2) aufweist, die jeweils durch ein Strömungsvolumen (53, 54, 63, 64) miteinander verbunden sind, wobei die ersten axialen Enden (51-1, 52-1, 61-1, 62-1) offen sind und im Elektrolyttank (13a, 13b) in unterschiedlichen Tiefen (T1, T2, T3, T4) enden, wobei die den ersten axialen Enden (51-1, 52-1, 61-1, 62-1) gegenüberliegenden zweiten Enden (51-2, 52- 2, 61-2, 62-2) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) in ein Mischvolumen (56) in einem Anschlussrohr (55) münden, wobei die Strömungsvolumen (53, 54, 63, 64) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) über das Mischvolumen (56) miteinander verbunden sind und wobei das Mischvolumen (56) bei Verwendung des Elektrolyttanks (13a, 13b) oberhalb des Füllstands (LVa, LVb) des Elektrolyten (15a, 15b) liegt.

Description

Beschreibung

ELEKTROLYTTANK EINER REDOX-DURCHFLUSSBATTERIE MIT EINER ROHRANORDNUNG

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Elektrolyttank für einen Elektrolyten einer Redox-Durchflussbatterie, wobei am Elektrolyttank eine Rohranordnung zum Zuführen von Elektrolyten in den Elektrolyttank oder zum Abführen von Elektrolyten aus dem Elektrolyttank angeordnet ist, und wobei bei Verwendung des Elektrolyttanks im Elektrolyttank ein Elektrolyt der RedoxDurchflussbatterie mit einem bestimmten Füllstand enthalten ist.

[0002] Die vorliegende Erfindung ist im Bereich der Redox-Durchflussbatterien. Eine RedoxDurchflussbatterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher zur Energiespeicherung auf elektrochemischer Basis und besteht üblicherweise aus Elektrolyttanks zur Speicherung positiver und negativer Elektrolyten, sowie Pumpen und Leitungen zur Umwälzung der Elektrolyten durch einen oder mehrere Zellstacks, welche eine Anzahl von Einzelzellen aufweisen. Die Einzelzellen des Zellstacks werden jeweils durch eine positive Halbzelle und eine negative Halbzelle gebildet, die nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die positive und negative Halbzelle einer Einzelzelle durch eine semipermeable Membran, typischerweise eine lonenaustauschermembran, voneinander getrennt sind. Die semipermeable Membran ist beispielsweise eine Kation- und/oder AnionAustauschmembran, z.B. auf Basis von sulfoniertem Fluorpolymer, wie beispielsweise PoIytetrafluorethylen (PTFE). Die positive Halbzelle enthält eine in einem Rahmen befindliche positive Elektrode, die vom positiven Elektrolyten durchströmt wird. Die negative Halbzelle enthält eine in einem Rahmen befindliche negative Elektrode, die vom negativen Elektrolyten durchströmt wird. Der positive Elektrolyt und negative Elektrolyt werden getrennt voneinander durch die Halbzellen umgewälzt. Die positiven und negativen Elektroden sind meist als poröse Filze aus Graphit gefertigt, die vom Elektrolyten durchströmt werden können. Zwischen einzelnen benachbarten Einzelzellen des Zellstacks sind Elektrodenplatten, beispielsweise Bipolarplatten, als Stromsammler angeordnet, welche meist aus einem Verbundmaterial aus Kohlenstoff und Kunststoff gefertigt werden. Auf den axialen Außenseiten der axial außen liegenden Einzelzellen des Zellstacks befinden sich an den Elektrodenplatten Stromabnehmer, über die ein elektrischer Kontakt nach außen geführt wird, um eine elektrische Spannung über den gesamten Zellstack abgreifen zu können (Entladen der Redox-Durchflussbatterie) oder um eine elektrische Spannung an den Zellstack anlegen zu können (Laden der Redox-Durchflussbatterie). Der Zellstack wird auf den axialen Außenseiten jeweils von einer Endplatte abgeschlossen, durch welche der Zellstack zusammengehalten wird.

[0003] Ein Elektrolyt einer Redox-Durchflussbatterie ist eine Flüssigkeit und umfasst im Wesentlichen ein elektrochemisches Redoxpaar bestehend aus einem ersten Redoxelement und einem zweiten Redoxelement jeweils in Form eines redoxaktiven Elements oder lons bzw. Kombinationen von redoxaktiven Elementen und/oder lonen mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen (Oxidationszahlen). Es gibt eine Vielzahl an redoxaktiven Elementen oder lonen bzw. Kombinationen von redoxaktiven Elementen und/oder lonen, welche in einer Redox-Durchflussbatterie als Redoxpaare eingesetzt werden können. Die Redoxelemente eines Redoxpaares sind üblicherweise in der Elektrolytflüssigkeit gelöst. Die Elektrolytflüssigkeit ist üblicherweise eine wässrige Säure, wie beispielsweise wässrige Schwefelsäure. Es sind Redox-Durchflussbatterien mit unterschiedlichsten Kombinationen von Redoxpaaren bekannt. Einige nicht abschließende Beispiele von bekannten Kombinationen von Redoxpaaren sind V?/V°* vs. VO?'/VO-* (bei einer Vanadium Redox- Durchflussbatterie), V2'/VS* vs. Br/CIBr2, Brz/ Br: vs. S/S?, Br/Br2 vs. Zn?/Zn, Ce*/Ce®* vs. V?/VS, Fe*/Fe?* vs. Bra/Br, Fe*/Fe?* vs. Cr*/Cr?, Mn?/Mn* vs. Bra/Brr, Fe*/Fe?* vs. Ti?/TiO?* und andere. Die Redoxelemente können im Elektrolyten in unterschiedlichen chemischen Verbindungen enthalten sein, beispielsweise in Form von Sulfaten, wie Vanadiumsulfat, oder Chloriden, wie Vanadiumchlorid. Die vanadiumbasierte Redox- Durchflussbatterie hat hierbei die größte Verbreitung, weshalb die Erfindung im Weiteren, aber ohne Einschränkung der Allgemeinheit, anhand einer Vanadium Redox- Durchflussbatterie beschrieben wird.

[0004] Bei einer Vanadium-basierten Redox-Durchflussbatterie besteht der positive Elektrolyt im

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geladenen Zustand aus einem Redoxpaar in Form von Vanadium mit der Oxidationszahl +4 (auch als V'Y oder V* bezeichnet) und Vanadium mit der Oxidationszahl +5 (auch als VY oder V°* bezeichnet). Der negative Elektrolyt besteht im geladenen Zustand aus einem Redoxpaar in Form von Vanadium mit der Oxidationszahl +2 (auch als V'' oder V?* bezeichnet) und aus Vanadium mit der Oxidationszahl +3 (auch als V'! oder V°* bezeichnet) - womit der negative Elektrolyt ein negativeres elektrochemisches Potential als der positive Elektrolyt hat.

[0005] Beim Betrieb einer Redox-Durchflussbatterie wird elektrische Energie an einen Verbraucher abgegeben oder von einer Energiequelle aufgenommen. Im Beispiel einer auf Vanadium basierenden Redox-Durchflussbatterie läuft die bekannte chemische Reaktion (Redoxreaktion) 2H* + VO2* + V?* > VO? + V** + H,O während des Ladens / Entladens in einer Einzelzelle der Redox-Durchflussbatterie ab. Während des Ladevorgangs wird die ablaufende Reaktion mit Hilfe einer externen Stromquelle bzw. Spannungsquelle, durch die eine elektrische Spannung an eine Einzelzelle (oder den gesamten Zellstack) angelegt wird, bewirkt.

[0006] Dieser Aufbau und Funktion einer Redox-Durchflussbatterie ist hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der WO 2018/087270 A1 oder der WO 2014/1331702 A1.

[90007] Für den Betrieb der Redox-Durchflussbatterie müssen die Elektrolyten durch den Zellstack, konkret durch die Einzelzellen des Zellstacks, in einem Elektrolytkreislauf umgewälzt werden. Im Zusammenhang mit dem Elektrolytkreislauf treten bei Redox-Durchflussbatterie insbesondere die folgenden Problemstellungen auf.

[0008] Aufgrund fehlender oder nicht ausreichender Elektrolytdurchmischung im Elektrolyttank des jeweiligen Elektrolyten kann es zu einer Schichtung des Elektrolyten (Elektrolytschichten im Elektrolyttank mit unterschiedlichen Ladezuständen) kommen. Beispielsweise bildet oberflächennah in den Elektrolyttank zurückgeführter Elektrolyt oftmals eine Schichtung über dem schon im Elektrolyttank befindlichen Elektrolyten aus. Durch eine unzureichende Elektrolytdurchmischung, wird aufgrund der vorgegebenen Entnahmestelle des Elektrolyten aus dem Elektrolyttank ein gewisser Anteil des Elektrolyten nicht durch die Zellstacks gefördert und anschließend geladen bzw. entladen. Dieses Totvolumen an Elektrolyten reduziert die tatsächlich ausschöpfbare Batteriekapazität. Außerdem kann dieser Mangel an Elektrolytdurchmischung auch zu Fehlern bei der Überwachung des Lade- und Entladezustands des Elektrolyten führen, was den Betrieb der RedoxDurchflussbatterie stören kann.

[0009] Im Elektrolytkreislauf kann es zudem zu unerwünschten Leckagen kommen, wonach Elektrolyt aus dem Elektrolytkreislauf austritt und verloren geht. Das kann zu verschiedenen Problemen führen. Einerseits ist die Chemie des Elektrolyten oftmals problematisch (z.B. korrosiv, giftig usw.) und darf nicht in die Umgebung gelangen. Damit müssen Auffangwannen vorgesehen werden, in denen austretender Elektrolyt aufgefangen wird. Die Auffangwannen benötigen Platz, insbesondere, wenn diese für das gesamte Elektrolytvolumen ausgelegt werden müssten. Es können auch eigene Stackauffangwannen für die Zellstacks und Elektrolyttanks vorgesehen oder erforderlich sein.

[0010] Für den Fall, dass die Zellstacks in der Redox-Durchflussbatterie über dem Fluidniveau im Elektrolyttank positioniert werden, umfasst das Leckagevolumen jenes Volumen der Fluidverbindungen und der Zellstacks bis zur Höhe der Auslaufstelle am beschädigten Zellstack. Dies erfordert die adäquate Auslegung der Stackauffangwannen.

[0011] Wenn die Zellstacks hingegen teilweise unter dem Fluidniveau im Elektrolyttank positioniert werden, muss berücksichtigt werden, dass bei Elektrolytleckage eines Zellstacks unter dem Fluidniveau im Elektrolyttank der Siphoneffekt auftritt. Im Fall dieser bestehenden Fluidverbindung würde trotz Abschaltung der Elektrolytpumpe aufgrund des Syphoneffekts der Elektrolyttank bis auf die Höhe der Leckageposition geleert werden, was zu sehr großen Leckagemengen führen kann.

[0012] Bei kleiner (fortwährender) Leckage entlang des Fluidpfades des Elektrolyten kann kontinuierlich Luft angesaugt werden, wenn die Leckagestelle oberhalb des Elektrolytspiegels in den Elektrolyttanks liegt. Das Hauptproblem dabei ist die Reaktion des Sauerstoffs der Luft mit dem

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jeweiligen Elektrolyten, wodurch dieser oxidiert und an Kapazität verliert. Dies kann aber auch zur Folge haben, dass Membran- bzw. Elektrodenfläche durch sich in den Einzelzellen ansammelnde Gasblasen blockiert werden, wodurch die Stackeffizienz abnimmt, der Zellwiderstand steigt und/oder die Zellspannung sinkt. Bei gleichbleibenden Ladezyklen kann bei diesem Fehlerfall eine Überlastung oder Materialermüdung von den Stackkomponenten, wie Elektrodenplatte, Elektrodenmaterial und Membran, eintreten. Bei Überlastung der Elektrodenplatten zwischen den Halbzellen tritt zusätzliche interne Undichtheit auf, was eine erhöhte Selbstentladung und Effizienzverlust mit sich führt. Überbelastung der Membran kann ebenfalls eine erhöhte Selbstentladung und Effizienzverlust mit sich führen, da der Crossover (unerwünschte Strömung von einer Halbzelle in die andere Halbzelle einer Einzelzelle) zunimmt. Solche Leckagen können gegebenenfalls unterschiedliche Füllstande des positiven zu negativen Elektrolyttank verursachen, was wiederum die Batteriekapazität reduziert.

[0013] Wird hingegen eine Elektrodenplatte, welche direkt an den metallischen Stromabnehmer angrenzt, überbelastet, gelangt Elektrolyt außerhalb des Stacks. Diese Art der Leckage kann aufgrund der vorgegebenen Lage der Leckage von Sensorik erfasst werden und die Umwälzung der Elektrolyten unterbrochen werden.

[0014] Es ist damit schon bekannt in der Redox-Durchflussbatterie Leckagesensorik vorzusehen, um Leckagen zu erfassen. Die Leckageerfassung erfolgt in der Regel über Leckagedrähte als Leckagesensorik, welche bei Kontakt mit dem leitfähigen Elektrolyten ausschlagen und den Sicherheitskreis der Redox-Durchflussbatterie auslösen, wodurch beispielsweise die Umwälzung der Elektrolyten unterbrochen werden. Die Leckagesensorik zur Leckageerfassung ist in ihrer praktischen Anwendung aber räumlich eingeschränkt auf Pfade entlang vorab angenommenen Schwachpunkten des Fluidkreises. Treten aber Leckagen in Bereichen des Fluidpfades mit größBerem Abstand zur Leckagesensorik auf, wird die Leckage später oder gar nicht, insbesondere bei kleinen Leckagevolumen, erkannt, da der austretende Elektrolyt die Leckagesensorik unter Umständen gar nicht erreicht. Solche Leckagesensorik zur Leckageerfassung ist daher nur bedingt oder nur für bestimmte Fehlerfälle nützlich.

[0015] Es besteht damit Bedarf, in einer Redox-Durchflussbatterie Leckagen eines Elektrolyten frühzeitig und auch ohne entsprechende Leckagesensorik zu erkennen. Im Falle des Siphoneffekts, besteht zusätzlich der Bedarf, dass der entstehende Siphoneffekt nach Pumpenstopp sicher und schnellstmöglich unterbrochen wird, um im Schadensfall ein geringeres und nur ein definiertes Elektrolytvolumen zu verlieren, womit nur eine kleine Auffangwanne benötigt wird. AußBerdem wäre es besonders vorteilhaft nur ein beschränktes, vorzugsweise gleichbleibendes Volumen der Auffangwanne unabhängig vom Volumen des Elektrolyttanks zu benötigen, welches nicht für jede Anwendung neu skaliert werden muss. Ebenso besteht ein Bedarf, in den ElektroIyttanks eine gute Elektrolytdurchmischung zu erzielen.

[0016] Das wird dadurch erreicht, dass die Rohranordnung zumindest zwei Rohre unterschiedlicher Länge umfasst, wobei jedes der zumindest zwei Rohre ein erstes axiales Ende und ein zweites axiales Ende aufweisen, die jeweils durch ein Strömungsvolumen des jeweiligen Rohres miteinander verbunden sind, dass die ersten axialen Enden der zumindest zwei Rohre offen sind und im Elektrolyttank aufgrund der unterschiedlichen Längen in unterschiedlichen Tiefen enden, wobei die Tiefen bei Verwendung des Elektrolyttanks unterhalb des Füllstands des Elektrolyten liegen, dass die den ersten axialen Enden der zumindest zwei Rohre gegenüberliegenden zweiten Enden der zumindest zwei Rohre in ein Mischvolumen münden und das Mischvolumen in einem Anschlussrohr vorgesehen ist, dass die Strömungsvolumen der zumindest zwei Rohre über das Mischvolumen miteinander verbunden sind und dass das Mischvolumen bei Verwendung des Elektrolyttanks oberhalb des Füllstands des Elektrolyten liegt. Durch die unterschiedlichen axialen Längen der Rohre wird einerseits die Elektrolytdurchmischung im Elektrolyttank verbessert, weil Elektrolyt immer aus unterschiedlichen Tiefen entnommen oder in unterschiedliche Tiefen zugeführt wird. Andererseits sorgt das kürzere (kürzeste) der Rohre auch für eine Siphonunterbrechung, da bei Freilegen des ersten axialen Endes des kürzeren (kürzesten) der Rohren Gas aus dem Gasraum des Elektrolyttanks angesaugt wird, was den Siphoneffekt unterbricht. Damit ist aber auch die mögliche Menge an durch den Siphoneffekt verlorengehenden Elektroly-

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ten konstruktiv begrenzt und vorgegeben. Nichtzuletzt ermöglicht die Rohranordnung auch eine Leckageerkennung, weil sich durch Gas im Elektrolyten die Betriebsdaten der Redox-Durchflussbatterie ändern, was zur Leckageerkennung ohne zusätzliche Leckagesensorik ausgewertet werden kann.

[0017] Wenn im Mantel des kürzeren der zumindest zwei Rohre im Bereich des ersten axialen Endes zusätzlich eine schlitzförmige Ausnehmung vorgesehen ist, die sich zumindest teilweise in axialer Richtung des kürzeren Rohres erstreckt, wobei die schlitzförmige Ausnehmung bei Verwendung des Elektrolyttanks unterhalb des Füllstands des Elektrolyten liegt, kann auch eine Früherkennung einer Leckage vorgesehen werden. Durch die schlitzförmige Ausnehmung wird bereits frühzeitig geringe Menge an Gas in den Elektrolyten eingetragen, was durch sich verändernde Betriebsdaten der Redox-Durchflussbatterie erkannt werden kann. Damit kann bereits frühzeitig auf eine mögliche Leckage reagiert werden, bevor größere Schäden oder größere Leckagen auftreten.

[0018] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 11 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

[0019] Fig. 1 das grundlegende Funktionsprinzip einer Redox-Durchflussbatterie,

[0020] Fig.2 eine Redox-Durchflussbatterie mit einem Zellstack,

[0021] Fig.3 einen Aufbau eines Zellstacks einer Redox-Durchflussbatterie,

[0022] Fig.4 eine Ausführung einer Redox-Durchflussbatterie mit mehreren Zellstacks,

[0023] Fig.5 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Rohranordnung zum Zuführen oder zur Entnahme von Elektrolyten,

[0024] Fig.6 eine Detailansicht der Rohranordnung,

[0025] Fig. 7 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäß en Ausführung einer Rohranordnung zum Zuführen oder zur Entnahme von Elektrolyten,

[0026] Fig.8 eine Detailansicht der Rohranordnung,

[0027] Fig.9 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäß en Ausführung einer Rohranordnung zum Zuführen oder zur Entnahme von Elektrolyten,

[0028] Fig. 10 eine Rohranordnung mit einer schlitzförmigen Ausnehmung und

[0029] Fig.11 Beispiele von unterschiedlichen schlitzförmigen Ausnehmungen.

[9030] Im nachfolgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung der Aufbau und die Funktionsweise einer Redox-Durchflussbatterie 1 mit Bezugnahme auf die Fig.1 bis Fig.4 kurz erläutert.

[0031] Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Redox-Durchflussbatterie 1 anhand einer Einzelzelle 2 eines Zellstacks 10, um das hinlänglich bekannte Funktionsprinzip einer RedoxDurchflussbatterie 1 zu erläutern. Zur besseren Erklärung und Darstellung wird in Fig.1 nur eine Einzelzelle 2 eines Zellstacks 10 einer Redox-Durchflussbatterie 1 gezeigt, wobei ein Zellstack 10 in der Regel eine Vielzahl von Einzelzellen 2 aufweisen wird, die im Zellstack 10 nebeneinander angeordnet sind.

[0032] Eine Einzelzelle 2 besteht aus zwei Halbzellen 2a, 2b, die einen positiven Reaktionsraum 3a und einen negativen Reaktionsraum 3b ausbilden, wobei die beiden Halbzellen 2a, 2b bzw. der positive Reaktionsraum 3a und der negative Reaktionsraum 3b durch eine semipermeable, insbesondere ijonenselektive, Membran 4 getrennt sind. Die Reaktionsräume 3a, 3b werden beispielsweise in Ausnehmungen 6a, 6b von Rahmen 5a, 5b ausgebildet. In den Rahmen 6a, 6b bzw. in den Reaktionsräumen 3a, 3b bzw. in den Ausnehmungen 6a, 6b ist jeweils eine Zellelektrode 7a, 7b angeordnet, die in Kontakt mit dem jeweiligen in der Halbzelle 2a, 2b befindlichen Elektrolyten 15a, 15b ist. Die Ausnehmungen 6a, 6b und gegebenenfalls die darin angeordneten

Zellelektroden 7a, 7b einer Einzelzelle 2 werden von Elektrolyten 15a, 15b mit unterschiedlicher elektrischer Ladung oder unterschiedlichem Redoxpotential (positiver und negativer Elektrolyt) durchströmt. In jedem der Elektrolyten 15a, 15b ist ein Redoxpaar mit bestimmten, zeitlich veränderlichen Konzentrationen (abhängig vom Ladezustand) an Redoxelementen enthalten. Die semipermeable, insbesondere ijonenselektive, Membran 4 kann beispielsweise aus mit Sulfonaten modifizierten Polytetrafluorethen (PTFE), mit Handelsnamen Nafion'M, ausgestaltet sein und ermöglicht lonen einen Ladungsausgleich zwischen positivem Reaktionsraum 3a und negativem Reaktionsraum 3b (bzw. zwischen den darin enthaltenen Elektrolyten 15a, 15b). An einem Zellstack 10 einer Redox- Durchflussbatterie 1 sind auch Stromanschlüsse 11, 12 vorgesehen, um eine am Zellstack 10 anliegende elektrische Zellstackspannung Vz über einen Verbraucher 14 abzugreifen (Entladen der Redox-Durchflussbatterie 1) oder um an den Zellstack 10 eine elektrische Zellstackspannung Vz anzulegen (Laden der Redox-Durchflussbatterie 1).

[0033] Ein elektrischer Verbraucher 14 kann jegliche Form aufweisen. Auf Basis des Bedarfs an elektrischer Spannung, Strom oder Leistung des elektrischen Verbrauchers 14 kann ein Zellstack 10 in einer Redox-Durchflussbatterie 1 ausgebildet sein, um die nötige elektrische Spannung und/oder den nötigen elektrischen Strom bereitzustellen. Oftmals werden Redox- Durchflussbatterien 1 als stationäre Energiespeicher eingesetzt, um beispielsweise als Notstromsysteme für Industrieanlagen, Speichersysteme für erneuerbare Energie (Photovoltaik, Windkraft) und Ähnlichem zu dienen. Folglich kann der Fachmann je nach Anwendungsfall einen Zellstack 10, oder auch einen parallele und/oder serielle Verschaltung mehrerer Zellstacks 10 oder von Zellstrings bestehend aus mehreren Zellstacks 10, und Redoxpaare in einer Redox-Durchflussbatterie 1 auslegen oder auswählen.

[0034] Die Elektrolyten 15a, 15b sind in Elektrolyttanks 13a, 13b gelagert und werden von dort mittels Elektrolytpumpen 9a, 9b durch den Zellstack 10, konkret jeweils durch eine Halbzelle 2a, 2b einer Einzelzelle 2 des Zellstacks 10, umgewälzt. Hierfür sind auch pro Elektrolyt 15a, 15b eine Zuführleitung 16a, 16b und eine Abführleitung 17a, 17b vorgesehen, die über Elektrolytanschlüsse 22a, 22b, 23a, 23b mit zugehörigen Elektrolytkanälen 18a, 18b, 19a, 19b (siehe Fig.3) im Zellstack 10 verbunden sind.

[90035] In einem Zellstack 10 mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelzellen 2 ist zwischen zwei benachbarten Einzelzellen 2 jeweils eine Elektrodenplatte 8, wie eine Bipolarplatte, angeordnet (Fig.3). An den äußeren Enden des Zellstacks 10 kann jeweils ein Stromanschluss 11, 12 an den äußeren Elektrodenplatten 8 oder an den äußeren Halbzellen 2a, 2b (bzw. Zellelektroden 7a, 7b) des Zellstacks 10 anliegen, der von außen elektrisch kontaktiert werden kann.

[0036] Der typische Aufbau eines Zellstacks 10 einer Redox-Durchflussbatterie 1 wird mit Bezugnahme auf Figs.2 und Fig.3 näher erläutert.

[0037] Ein Zellstack 10 einer Redox-Durchflussbatterie 1 umfasst zumindest eine Einzelzelle 2, in der Regel eine Mehrzahl von Einzelzellen 2, die wiederum jeweils aus zwei Rahmen 5a, 5b von Halbzellen 2a, 2b gebildet werden. Ein Rahmen 5a, 5b ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, wie ein Elastomer, wie z.B. ein polyolefinisch thermoplastisches Elastomer (TPE oder TPO), wie z.B. Santoprene®, oder ein thermoplastisches Vulkanat (TPV), gefertigt, insbesondere in einem Spritzgieß verfahren. In Stackrichtung R (in Richtung in der die Einzelzellen 2a, 2b nebeneinander angeordnet sind) zwischen zwei Rahmen ba, 5b einer Einzelzelle 2 ist im Zellstack 10 jeweils eine semipermeable Membran 4, typischerweise eine lon-Austauschmembran (entweder Kation- oder Anion-Austauschmembran, z.B. Nafion®) angeordnet. Die Membran 4 trennt die Reaktionsräume 3a, 3b, Ausnehmungen 6a, 6b der Halbzellen 2a, 2b einer Einzelzelle 2, die darin angeordneten Zellelektroden 7a, 7b und die darin befindlichen Elektrolyten 15a, 15b. Zwischen zwei in Stackrichtung R benachbarten Einzelzellen 2 ist im Zellstack 10 jeweils eine Elektrodenplatte 8, z.B. eine bipolare Platte, angeordnet. Die Elektrodenplatte 8 ist, wie in Fig.3 dargestellt, in einander zugewandten Vertiefungen 32 in den Rahmen ba, 5b eingelegt. Die Rahmen 5a, 5b haben zentrale, in Stackrichtung R durchgehende Ausnehmungen 6a, 6b, die jeweils einen Reaktionsraum 3a, 3b ausbilden und in denen jeweils Zellelektroden 7a, 7b, z.B. Matten aus Karbonfasern, angeordnet sind, wie in Fig.3 dargestellt.

[90038] Durch die Ausnehmungen 6a, 6b in den Rahmen 5a, 5b werden die elektrisch unterschiedlich geladene Elektrolyten 15a,15b durch die jeweiligen Halbzellen 2a, 2b gepumpt, wobei die Zellelektrode 7a, 7b jeder Halbzelle 2a, 2b einer Einzelzelle 2 von einem Elektrolyt 15a,15b mit unterschiedlicher elektrischer Ladung durchströmt wird. Die Elektrolyten 15a, 15b werden von außen über Elektrolytanschlüsse 22a, 22b, 23a, 23b zugeführt und abgeführt und werden dann intern über ein in den Rahmen 5a, 5b vorgesehenes Elektrolytkanalsystem mit Elektrolytkanälen 18a, 18b, 19a, 19b verteilt. Die Elektrolytanschlüsse 22a, 22b, 23a, 23b sind beispielsweise an einer Endplatte 24 des Zellstacks 10 vorgesehen, wie in Fig.3 dargestellt, wobei auch andere Anordnungen der Elektrolytanschlüsse 22a, 22b, 23a, 23b, beispielsweise an einen Endrahmen 20, möglich sind.

[0039] Der Zellstack 10 kann in Stackrichtung R an den beiden axialen Enden durch jeweils einen Endrahmen 20 abgeschlossen sein. Im Endrahmen 20, z.B. in einer Ausnehmung an einer Stirnseite des Endrahmens 20, ist ein elektrisch leitender Stromabnehmer 21 angeordnet, der einem nach außen geführten elektrischen Stromanschluss 11, 12 verbunden ist. Der Stromabnehmer 21 liegt in der dargestellten Ausführung an der letzten Elektrodenplatte 8 der letzten Einzelzelle 2 an, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Der Stromabnehmer 21 oder ein Stromanschluss 11, 12 könnte aber auch anders ausgeführt sein. Ebenso könnte im Zellstack 10 der Endrahmen 20 entfallen.

[0040] Der Zellstack 10 wird in gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen zwei starren Endplatten 24 angeordnet und durch Spannmittel 25 zusammengepresst. Die Spannmittel 25 sind beispielsweise mit durchreichenden Bolzen 26, Muttern 27, Beilagscheiben 28 und Federn 29 ausgeführt, wie in Fig.2 dargestellt. Der Zellstack 10 kann aber auch auf andere Weise zusammengehalten sein, insbesondere kann das Spannmittel 25 anders ausgeführt sein. Die beiden Endplatten 24 können auch zwischen zwei Druckplatten 30 angeordnet sein, die durch das Spannmittel 25 zusammengedrückt werden, wie in Fig.2 dargestellt. Um ein Setzen der Rahmen 5a, 5b durch den Anpressdruck des Spannmittels 25 zu verhindern, kann zwischen den Endplatten 24 auch ein Abstandshalter 31 vorgesehen sein.

[0041] Die gegenständliche Erfindung ist aber nicht auf eine bestimmte Ausführung einer Halbzelle 2a, 2b, einer Einzelzelle 2, eines Zellstacks 10 oder der Redox-Durchflussbatterie 1 beschränkt. Ebenso wenig ist die Erfindung auf einen bestimmten Elektrolyten 15a, 15b oder auf bestimmte Redoxelemente in den Elektrolyten 15a, 15b beschränkt. Die obigen Ausführungen zu einer Redox-Durchflussbatterie 1 dienen lediglich dem Verständnis der Erfindung.

[0042] Aus der obigen Beschreibung und dem grundlegenden Funktionsprinzip ist auch offensichtlich, dass es einen positiven Elektrolyten 15a und einen negativen Elektrolyten 15b gibt, genauso damit zusammenhängend eine positive Halbzelle 2a und eine negative Halbzelle 2b einer Einzelzelle 2 und einen positiven Elektrolytkreislauf mit einer positiven Elektrolytpumpe 9a und einen negativen Elektrolytkreislauf mit einet negativen Elektrolytpumpe 9b.

[0043] Eine Redox-Durchflussbatterie 1 kann auch mehrere Zellstacks 10 umfassen, wie anhand von Fig.4 erläutert wird. In der Ausführung nach Fig.4 sind zwei Zellstrings 40 vorgesehen, wobei jeder Zellstring 40 eine Mehrzahl von Zellstacks 10, beispielsweise wie oben beschrieben, umfasst. In einer Redox-Durchflussbatterie 1 kann aber natürlich auch nur ein Zellstring 40 vorgesehen sein. Die Zellstacks 10 in einem Zellstring 40 können über die Stromanschlüsse 11, 12 der Zellstacks 10 elektrisch in Serie verschaltet sein (in Fig.4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Es ist aber auch eine andere elektrische Verschaltung der Zellstacks 10 in einem Zellstring 40, wie eine Parallelschaltung oder eine Mischung aus Serien- und Parallelschaltung, möglich. Die Zellstrings 40 sind in der Ausführung der Fig.4 elektrisch parallel geschaltet (in Fig.4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Es ist aber auch eine andere elektrische Verschaltung der Zellstrings 40, wie eine Serienschaltung oder eine Mischung aus Serien- und Parallelschaltung, möglich. Eine derartige elektrische Verschaltung von Zellstrings 40 kann auch als Einzelbatterie 41 bezeichnet werden. Eine Redox-Durchflussbatterie 1 kann mehrere solcher Einzelbatterien 41 umfassen, wobei die Einzelbatterien 41 wiederum durch eine Serien- oder Parallelschaltung oder eine Mischung aus einer Serien- und Parallelschaltung elektrisch miteinander

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verschaltet sein können. Damit kann eine Redox- Durchflussbatterie 1 mit der gewünschten elektrischen Ausgangsspannung und der gewünschten elektrischen Leistung realisiert werden.

[0044] Jeder Zellstack 10 wird mit einem positiven Elektrolyten 15a und einem negativen Elektrolyten 15b versorgt. Hierfür ist ein Elektrolyttank 13a für den positiven Elektrolyten 15a und ein Elektrolyttanks 13b für den negativen Elektrolyten 15b vorgesehen. Der positive Elektrolyt 15a wird im positiven Elektrolytkreislauf mit einer positiven Durchflussmenge durch eine positive Elektrolytpumpe 9a durch den Zellstack 10 umgewälzt und der negative Elektrolyt 15b im negativen Elektrolytkreislauf mit einer negativen Durchflussmenge durch eine negative Elektrolytpumpe 9b, wobei die positive Durchflussmenge und die negative Durchflussmenge vorzugsweise in etwa gleich sind.

[0045] Im Falle mehrerer Einzelbatterien 41 der Redox-Durchflussbatterie 1 kann für jede Einzelbatterie 41 ein Elektrolyttank 13a für den positiven Elektrolyten 15a und ein Elektrolyttanks 13b für den negativen Elektrolyten 15b, sowie eine positive Elektrolytpumpe 9a und eine negative Elektrolytpumpe 9b vorgesehen sein. Damit wären die Einzelbatterien 41 zwar elektrisch miteinander verbunden, wären aber mit getrennten Elektrolytkreisläufen ausgeführt.

[0046] In der Minimalkonfiguration umfasst die Redox-Durchflussbatterie 1 zumindest einen Zellstack 10 bestehend aus einer Mehrzahl an Einzelzellen 2, wobei jede Einzelzelle 2 eine positive Halbzelle 2a mit einer positiven Zellelektrode 7a und eine negative Halbzelle 2b mit einer negativen Zellelektrode 7b umfasst, wobei die positive Halbzelle 2a im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1 vom positiven Elektrolyten 15a durchströmt wird und die negative Halbzelle 2b im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1 vom negativen Elektrolyten 15b durchströmt wird.

[0047] Eine Steuereinheit 42 der Redox-Durchflussbatterie 1 steuert beispielsweise die ElektroIytpumpen 9a, 9b zur Umwälzung des jeweiligen Elektrolyten 15a, 15b an. Die Steuereinheit 42 kann auch Betriebsdaten der Redox-Durchflussbatterie 1 erfassen, beispielsweise mittels geeigneter Sensoren, wie Spannungs- oder Stromsensoren.

[0048] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Elektrolyttank 13a, 13b für einen Elektrolyten 15a, 15b einer Redox-Durchflussbatterie 1. Am Elektrolyttank 13a, 13b ist eine Rohranordnung 50 zum Zuführen eines Elektrolyten 15a, 15b in den Elektrolyttank 13a, 13b oder zum Abführen eines Elektrolyten 15a, 15b aus dem Elektrolyttank 13a, 13b angeordnet, wie in Fig.5 dargestellt. In einem Elektrolyttank 13a, 13b ist üblicherweise eine Rohranordnung 50 zum Zuführen eines Elektrolyten 15a, 15b in den Elektrolyttank 13a, 13b und eine Rohranordnung 50 zum Abführen eines Elektrolyten 15a, 15b aus dem Elektrolyttank 13a, 13b angeordnet. Es kann aus einem Elektrolyttank 13a, 13b Elektrolyt 15a, 15b zum Zellstack 10 gefördert und vom Zellstack 10 wieder in denselben Elektrolyttank 13a, 13b zurückgefördert (wie auch in Fig. 1 oder Fig.4 dargestellt) werden. In einem Elektrolyttank 13a, 13b ist bei Verwendung des Elektrolyttanks 13a, 13b, also im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1, im Elektrolyttank 13a, 13b ein Elektrolyt 15a, 15b der Redox- Durchflussbatterie mit einem bestimmten Füllstand LVa, LVb (in Fig.5 gestrichelt angedeutet) enthalten. Oberhalb des Füllstandes LVa, LVb ist bei Verwendung des Elektrolyttanks 13a, 13b, also im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1, ein Gasraum 59a, 59b vorgesehen, in dem sich ein Gas, vorzugsweise ein inertes Gas wie Stickstoff befindet. Aufgrund der Redoxreaktion kann auch ein Gasgemisch vorliegen, wie ein Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff.

[0049] An die Rohranordnung 50 kann eine Zuführleitung 16a, 16b oder eine Abführleitung 17a, 17b zur Umwälzung des Elektrolyten 15a, 15b durch den Zellstack 10, wie beispielsweise in Fig. 1 oder Fig.4 dargestellt, angeschlossen sein.

[0050] Die Rohranordnung 50 umfasst zumindest zwei Rohre 51, 52 unterschiedlicher axialer Länge. Die Rohren 51, 52 können einen beliebigen Querschnitt aufweisen, vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt. Jedes der zumindest zwei Rohre 51, 52 hat ein erstes axiales Ende 511, 52-1 und ein zweites axiales Ende 51-2, 52-2 (in Fig.5 nicht sichtbar), die jeweils durch ein Strömungsvolumen 53, 54 (in Fig.5 nicht sichtbar) miteinander verbunden sind. Damit kann Elektrolyt 15a, 15b vom jeweiligen ersten axialen Ende 51-1, 52-1 über das Strömungsvolumen 53, 54 zum jeweiligen zweiten axialen Ende 51-2, 52-2 strömen, oder umgekehrt. Auch der Strömungs-

querschnitt der Strömungsvolumen 53, 54 ist grundsätzlich beliebig und ist vorzugsweise kreisrund.

[0051] Die ersten axialen Enden 51-1, 52-1 der zumindest zwei Rohre 51, 52 sind offen und enden im Elektrolyttank 13a, 13b aufgrund der unterschiedlichen axialen Längen in unterschiedlichen Tiefen T1, T2. Die Tiefen T1, T2 werden vom Boden des Elektrolyttan 13a, 13b aus gemessen. Aufgrund des offen ersten axialen Endes 51-1, 52-1 ist das jeweilige Strömungsvolumen 53, 54 bei Verwendung des Elektrolyttanks 13a, 13b, also im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1, mit dem Elektrolyten 15a, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b verbunden. Je tiefer das erste axiale Ende 51-1, 52-1 liegt, mit umso weniger Abstand zum Boden des jeweiligen Elektrolyttanks 13a, 13b ist es angeordnet. Bei Verwendung des Elektrolyttanks 13a, 13b, also im Betrieb, zumindest im Normalbetrieb, der Redox- Durchflussbatterie 1, liegen die Tiefen T1, T2 unterhalb des jeweiligen Füllstands LVa, LVb des Elektrolyten 15, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b.

[0052] Angaben wie „oberhalb“ und „unterhalb“ beziehen sich, soweit nichts anders ausgeführt ist, auf die Lotrechte, wobei „oberhalb“ eine Lage bezeichnet, die hinsichtlich der Lotrechte höher liegt als eine bestimmte andere Lage und „unterhalb“ eine Lage bezeichnet, die hinsichtlich der Lotrechte tiefer liegt als eine bestimmte andere Lage.

[0053] In der Rohranordnung 50 ist auch ein Anschlussrohr 55 vorgesehen. An das Anschlussrohr 55 ist beispielsweise eine Zuführleitung 16a, 16b oder eine Abführleitung 17a, 17b angeschlossen, beispielsweise über eine geeignete Rohrverbindung 57. Auch das Anschlussrohr 55 kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt und Strömungsquerschnitt aufweisen, wobei auch das Anschlussrohr 55 vorzugsweise mit einem kreisrunden Querschnitt und Strömungsquerschnitt ausgeführt ist.

[0054] Im Anschlussrohr 55 ist ein Mischvolumen 56 vorgesehen. Das Mischvolumen 56 wird im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1 vom Elektrolyten 15sa, 15b durchströmt. Die zweiten Enden 51-2, 52-2 der zumindest zwei Rohre 51, 52 münden dazu in das Mischvolumen 56. Das bedeutet, dass Elektrolyt 15a, 15b aus dem Elektrolyttank 13a, 13b durch die Strömungsvolumen 53, 54 der Rohre 51, 52 in das Mischvolumen 56b strömt (bei Entnahme aus dem Elektrolyttank 13a, 13b über die Rohranordnung 50) oder dass Elektrolyt 15a, 15b über das Mischvolumen 56 auf die zumindest zwei Rohre 51, 52 aufgeteilt wird und durch deren Strömungsvolumen 53, 54 in den Elektrolyttank 13a, 13b strömt (bei Zuführen in den Elektrolyttank 13a, 13b über die Rohranordnung 50). Die Strömungsvolumen 53, 54 der zumindest zwei Rohre 51, 52 sind somit über das Mischvolumen 56 miteinander verbunden. Bei Verwendung des Elektrolyttanks 13a, 13b, also im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1, liegt das Mischvolumen 56 oberhalb des Füllstands LVa, LVb des jeweiligen Elektrolyten 15a, 15b im zugehörigen Elektrolyttank 13a, 13b.

[0055] Das Mischvolumen 56 liegt vorteilhaft außerhalb des jeweiligen Elektrolyttanks 13a, 13b, vorzugsweise oberhalb des jeweiligen Elektrolyttanks 13a, 13b.

[0056] An der Rohranordnung 50 kann ein Befestigungsflansch 58 vorgesehen, um die Rohranordnung 50 am Elektrolyttank 13a, 13b zu befestigen, beispielsweise mittels Befestigungsschrauben.

[0057] Mit Bezugnahme auf die Fig.6 wird eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rohranordnung 50 in einem Elektrolyttank 13a, 13b beschrieben.

[0058] In dieser Ausführung ist das längere Rohr 51 der zumindest zwei Rohre mit einem kleineren Strömungsquerschnitt als das kürzere Rohr 52 der zumindest zwei Rohre ausgeführt. Das ermöglicht, dass das längere Rohr 51 mit dessen zweiten Ende 52-1 und mit einer axialen Stecklänge L in das kürzere Rohr 52 gesteckt werden kann. Im Bereich der axialen Stecklänge L bildet sich damit zwischen einer radialen Außenfläche AF des längeren Rohres 51 (Innenrohr) und einer radialen Innenfläche IF des kürzeren Rohres 52 (Außenrohr) ein axialer Strömungskanal S aus, der ebenso in das Mischvolumen 56 mündet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung geht das kürzere Rohr 52 mit dessen zweiten axialen Ende 52-2 in das Anschlussrohr 55 über (wie in Fig.6 dargestellt), beispielsweise im Bereich des Mischvolumens 56.

[0059] Es wäre natürlich möglich, in der Rohranordnung 50 mehr als zwei Rohre 51, 52 ineinan

der zu stecken. Die Rohre haben unterschiedliche axiale Längen, wobei deren zweiten axialen Enden aber alle in das Mischvolumen 56 münden. Das äußerste der Rohre ist dabei das kürzeste und die Strömungsquerschnitte der Rohre nehmen mit zunehmender axialer Länge ab. Zwischen jeweils zwei radial benachbarte Rohre bildet sich der axiale Strömungskanal S aus, der in das Mischvolumen 56 mündet. Aufgrund der unterschiedlichen axialen Längen der Rohre sind üblicherweise auch die sich ausbildenden Strömungskanäle unterschiedlich lang.

[0060] Nachfolgend wird die Funktionsweise der Rohranordnung 50 im Elektrolyttank 13a, 13b beschrieben.

[0061] Im Normalbetrieb der Redox-Durchflussbatterie 1 sind die ersten axialen Enden 51-1, 521 der zumindest zwei Rohre 51, 52 unterhalb des Füllstands LVa, LVb des jeweiligen Elektrolyten 15a, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b. Wenn mit der Rohranordnung 50 aus dem Elektrolyttank 13a, 13b Elektrolyt 15a, 15b gefördert wird, wird über das zweite axiale Ende 51-2 des längsten Rohres 51 Elektrolyt 15a, 15b angesaugt. Ebenso wird Elektrolyt 15a, 15b über das erste axiale Ende 52-1 des kürzeren Rohres 52 angesaugt. Konkret wird über den zwischen den Rohren 51, 52 ausgebildeten Strömungskanal S angesaugt. Es wird damit aus dem Elektrolyttank 13a, 13b aus unterschiedlichen Tiefen T1, T2 Elektrolyt 15a, 15b angesaugt. Das unterstützt die ElektroIytdurchmischung, weil damit einer allfällige Elektrolytschichtung im Elektrolyttank 13a, 13b entgegengewirkt wird. Gleichfalls treffen die beiden Elektrolytströme aus unterschiedlichen Tiefen T1, T2 im Elektrolyttank 13a, 13b im Mischvolumen 56 zusammen und werden gemischt, was ebenfalls die Elektrolytdurchmischung unterstützt. Wird über die Rohranordnung 50 Elektrolyt 15a, 15b in den Elektrolyttank 13a, 13b gefördert, tritt der Elektrolyt 15a, 15b an unterschiedlichen Tiefen T1, T2 aus den Rohren 51, 52 aus, wodurch sich im Elektrolytvolumen im Elektrolyttank 13a, 13b eine Strömung ausbildet, die eine bessere Elektrolytdurchmischung bewirkt.

[0062] Durch Auslegung der Strömungsquerschnitte der Rohre 51, 52 und der axialen Längen der Rohre 51, 52 (bzw. der Tiefen T1, T2), kann diese Wirkung optimiert werden. Vorteilhaft ist es, wenn weniger Elektrolyt 15a, 15b aus oberen oder in obere Schichten im Elektrolyttank 13a, 13b gefördert wird.

[0063] Kommt es im Elektrolytkreislauf der Redox-Durchflussbatterie 1 zu einer Leckage, die dazu führt, dass Elektrolyt 15a, 15b außerhalb des Elektrolyttanks 13a, 13b verloren geht, sinkt der Füllstands LVa, LVb des Elektrolyten 15a, 15b im jeweiligen Elektrolyttank 13a, 13b. Sinkt der Füllstand LVa, LVb des Elektrolyten 15a, 15b unterhalb des ersten axialen Endes 52-1 des kürzeren (kürzesten) Rohres 52, wird das erste axiale Ende 52-1 des kürzeren (kürzesten) Rohres 52 freigelegt (in Fig.6 strichpunktiert angedeutet) und es wird über das kürzere (kürzeste) Rohr 52 Gas aus dem Gasraum 59a, 59b im Elektrolyttank 13a, 13b angesaugt. Durch das angesaugte Gas wird ein sich ausbildender Siphoneffekt, der trotz ausgeschalteter Elektrolytpumpen 9a, 9b zum Entleeren des Elektrolyttanks 13a, 13b führen kann, unterbrochen. Auch hier kann der Strömungsquerschnitt des Strömungskanal S so ausgelegt und dimensioniert werden, dass genügend Gas angesaugt wird, um den Siphoneffekt sicher zu unterbrechen.

[0064] Ein solcher Siphoneffekt kann sich bekanntermaßen einstellen, wenn der zumindest eine Zellstack 10 oder eine mit dem Elektrolyttank 13a, 13b verbundene Elektrolytleitung in der RedoxDurchflussbatterie 1 teilweise unterhalb dem Fluidniveau im Elektrolyttank 13a, 13b positioniert ist. Aufgrund des Siphoneffekts würde trotz Abschaltung der Elektrolytpumpe 9a, 9b der ElektroIyttank 13a, 13b bis auf die Höhe der Leckageposition geleert werden. Das kann zu sehr großen Leckagen führen, was durch die Rohranordnung 50 verhindert wird.

[0065] Das Ansaugen von Gas kann aber auch genutzt werden, um überhaupt eine Leckage in einem Elektrolytkreislauf, auch unabhängig von allfällig vorhandener Sensorik zur Detektion von Leckagen, zu erkennen. Wird Gas angesaugt, erreicht das Gas den Zellstack 10, konkret die Einzelzellen 2 des Zellstacks 10, und die Gasbläschen haften sich zumindest temporär an die Zellelektrode 7a, 7b und/oder die semipermeable, insbesondere ionenselektive, Membran 4 zwischen den Halbzellen 2a, 2b der Einzelzelle 2 an. Dadurch kommt es zu einer abrupten Änderung der Betriebsdaten des Zellstacks 10 oder eine Einzellzelle 2, sei es eine Abnahme der Zelleffizienz, ein Anstieg des elektrischen Zellwiderstandes, ein Abfall der Zellspannung oder des Zell-

stromes. Ebenso kann es zu einer Schwankung des Pumpendrucks oder der Pumpleistung der Elektrolytpumpe 9a, 9b kommen. Solche Betriebsdaten werden in einer Redox-Durchflussbatterie 1 üblicherweise erfasst und liegen vor, beispielsweise in einer Steuereinheit 42 der Redox-Durchflussbatterie 1. Die Betriebsdaten können damit ausgewertet werden, um auf einen Abfall des Füllstandes LVa, LVb des Elektrolyten 15a, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b in dem die Rohranordnung 50 angeordnet ist, zu erkennen. Die Auswertung kann beispielsweise durch Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten erfolgen. Damit kann eine Leckage, auch ohne eigener Leckagesensorik, erkannt werden und es können die Elektrolytpumpen 9a, 9b gestoppt werden, um weitere Leckage zu verhindern. Die Rohranordnung 50 bewirkt zusätzlich eine Unterbrechung eines sich allfällig ausbildenden Siphoneffekts.

[0066] Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rohranordnung 50 ist in Fig.7 und Fig.8 dargestellt. In dieser Ausgestaltung sind die zumindest zwei Rohre 51, 52 nicht ineinandergesteckt, sondern nebeneinander angeordnet. Gezeigt ist eine Ausführung mit mehr als zwei Rohren 51, 52, 61, 62, mit unterschiedlichen axialen Längen, sodass deren ersten axialen Enden 51-1, 52-1, 61-1, 62-1 in unterschiedlichen Tiefen T1, T2, T3, T4 im Elektrolyttank 13a, 13b enden. Die jeweiligen gegenüberliegenden zweiten axialen Enden 51-2, 52-2. 61-2, 62-2 münden wieder in das Mischvolumen 56 im Anschlussrohr 55.

[0067] Die Wirkung und Funktionsweise dieser Ausgestaltung ist gleich wie die der Rohranordnung 50 nach Fig.6. Das kürzeste der Rohre 51, 52, 61, 62 stellt wieder die Siphonunterbrechung sicher und ermöglicht die Leckageerkennung.

[0068] Fig.9 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rohranordnung 50.

[0069] In der Ausgestaltung nach Fig.9 ist das längere Rohr 51 wieder mit einem kleineren Strömungsquerschnitt als das kürzere Rohr 52 ausgeführt ist. Das längere Rohr 51 ist mit dessen zweiten Ende 51-2 und mit einer axialen Stecklänge L in das kürzere Rohr 52 gesteckt, sodass sich im Bereich der axialen Stecklänge zwischen einer Außenfläche AF des längeren Rohres 51 und einer Innenfläche IF des kürzeren Rohres 52 ein axialer Strömungskanal S ausbildet. Der axiale Strömungskanal S ist über zumindest eine Öffnung 60 im Mantel des radial inneren längeren Rohres 51 mit dem Strömungsvolumen 53 des längeren Rohres 51 verbunden. Das Strömungsvolumen 54 des kürzeren Rohres 52 ist mit dem Mischvolumen 56 des Anschlussrohres 55 verbunden. Damit ist auch das Strömungsvolumen 53 des längeren Rohres 51 über die zumindest eine Öffnung 60 mit dem Mischvolumen 56 im Anschlussrohr 55 verbunden. Das Mischvolumen 56 liegt damit oberhalb der Öffnung 60. Die zumindest eine Öffnung 60 liegt bei Verwendung des Elektrolyttanks 13a, 13b, also im Betrieb der Redox-Durchflussbatterie 1, oberhalb des Füllstands LVa, LVb des Elektrolyten 15a, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b. Das zweite axiale Ende 52-2 des kürzeren Rohres 52 ist oberhalb der zumindest einen Öffnung 60 geschlossen. In einer vorteilhaften Ausführung geht das längere Rohr 51 mit dessen zweiten axialen Ende 51-2 in das Anschlussrohr 55 über. Auch in dieser Ausführung können natürlich wieder mehr als zwei Rohre 51, 52 vorgesehen sein, wobei alle radial inneren Rohre eine Öffnung 60 aufweisen würden.

[0070] Wird über diese Rohranordnung 50 Elektrolyt 15a, 15b aus dem Elektrolyttank 13a, 13b gefördert, wird auch über die Öffnung 60 Elektrolyt 15a, 15b über den Strömungskanal S angesaugt (wie in Fig.9 durch die Pfeile angedeutet). Sinkt der Füllstand LVa, LVb aber unterhalb des ersten axialen Endes 52-1 des kürzeren Rohres 52 (Fig.9 rechts), wird über die Öffnung 60 Gas aus dem Gasraum des Elektrolyttanks 13a, 13b angesaugt, sodass ein sich möglicherweise ausbildender Siphoneffekt unterbrochen wird.

[0071] Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, dass die Tiefe T2 des kürzeren (kürzesten) Rohres 52 im Elektrolyttank 13a, 13b möglichst nahe unterhalb des normalen Füllstands LVa, L\V/b des jeweiligen Elektrolyten 15a, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b liegen sollte. Damit kann über einen Siphoneffekt nur wenig Elektrolyt 15a, 15b verloren gehen. Hierbei sollten natürliche Schwankungen des Füllstands LVa, LVb des jeweiligen Elektrolyten 15a, 15b berücksichtigt werden. Beispielsweise kann während des Betriebs der Redox- Durchflussbatterie 1 aufgrund der

chemischen Beschaffenheit der lonenaustauschmembran 4 in den Einzelzellen 2 Wasser des Elektrolyten 15a, 15b vermehrt in die positive oder negative Halbzelle 2a, 2b migrieren, wodurch sich der Füllstands LVa, LVb des jeweiligen Elektrolyten 15a, 15b ändern kann.

[0072] Die Rohranordnung 50 kann auch noch mit einer Leckagefrüherkennung ausgeführt sein, wie nachfolgend mit Bezugnahme auf die Fig.10 und Fig.11 beschrieben wird.

[0073] Zur Leckagefrüherkennung ist im kürzeren (kürzesten) Rohr 52 der Rohranordnung 50, das auch zur Siphonunterbrechung verwendet wird, im Bereich des ersten axialen Endes 52-1 eine schlitzförmige Ausnehmung 65 im Mantel des Rohres 52 vorgesehen. Vorzugsweise reicht die schlitzförmige Ausnehmung 65 bis zum ersten axialen Ende 52-1 des kürzeren (kürzesten) Rohres 52. Über die schlitzförmige Ausnehmung 65 kann Elektrolyt 13a, 13b von außerhalb des Rohres 52 in den Strömungskanal 54 des Rohres 52 strömen. Die schlitzförmige Ausnehmung 65 erstreckt sich zumindest teilweise in axialer Richtung des kürzeren (kürzesten) Rohres 52. Im Betrieb, zumindest im Normalbetrieb, der Redox- Durchflussbatterie 1, liegt die schlitzförmige Ausnehmung 65 unterhalb des Füllstandes LVa, LVb des Elektrolyttanks 13a, 13b in dem die Rohranordnung 50 angeordnet ist. Eine solche schlitzförmige Ausnehmung 65 kann in jeder der beschriebenen Ausgestaltungen der Rohranordnung 50 eingesetzt werden.

[0074] Nachfolgend wird die Wirkung der schlitzförmigen Ausnehmung 65 erläutert.

[0075] Im Normalbetrieb der Redox-Durchflussbatterie 1 liegt die schlitzförmige Ausnehmung 65 unterhalb des Füllstandes LVa, LVb des Elektrolyttanks 13a, 13b in dem die Rohranordnung 50 angeordnet ist. Damit wird über die schlitzförmige Ausnehmung 65 einfach Elektrolyt 15a, 15b angesaugt (bei Entnahme von Elektrolyt 15a, 15b) oder abgegeben (bei Zuführung von Elektrolyt 15a, 15b). Sinkt der Füllstandes LVa, LVb des Elektrolyten 15a, 15b, wird irgendwann der obere Bereich der schlitzförmige Ausnehmung 65 freigelegt, bevor das erste axiale Ende 52-1 des kürzeren (kürzesten) Rohres 52 freigelegt ist. Dadurch wird über die freigelegte schlitzförmige Ausnehmung 65 bereits eine geringe Menge an Gas aus dem Gasraum 59a, 59b im Elektrolyttank 13a, 13b angesaugt, wodurch eine geringe Menge Gas in den Elektrolyten 15a, 15b eingetragen wird. Diese geringe Menge an Gas erreicht den Zellstack 10, konkret die Einzelzellen 2 des Zellstacks 10. Die Gasbläschen haften sich zumindest temporär an die Zellelektrode 7a, 7b und/oder die semipermeable, insbesondere ijonenselektive, Membran 4 zwischen den Halbzellen 2a, 2b der Einzelzelle 2. Dadurch kommt es zu einer abrupten Änderung der Betriebsdaten des Zellstacks 10 oder eine Einzellzelle 2, sei es eine Abnahme der Zelleffizienz, ein Anstieg des elektrischen Zellwiderstandes, ein Abfall der Zellspannung oder des Zellstromes. Ebenso kann es zu einer Schwankung des Pumpendrucks oder der Pumpleistung der Elektrolytpumpe 9a, 9b kommen. Solche Betriebsdaten werden in einer Redox-Durchflussbatterie 1 üblicherweise erfasst und liegen vor, beispielsweise in einer Steuereinheit 42 der Redox-Durchflussbatterie 1. Die Betriebsdaten können damit ausgewertet werden, um auf einen Abfall des Füllstandes LVa, LVb des Elektrolyten 15a, 15b im Elektrolyttank 13a, 13b in dem die Rohranordnung 50 angeordnet ist, zu erkennen. Die Auswertung kann beispielsweise durch Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten erfolgen. Damit kann eine Leckage frühzeitig, und auch ohne eigener Leckagesensorik, erkannt werden und es können die Elektrolytpumpen 9a, 9b gestoppt werden, um weitere Leckage zu verhindern. Die Rohranordnung 50 bewirkt zusätzlich eine Unterbrechung eines sich allfällig ausbildenden Siphoneffekts.

[0076] Durch die Form der schlitzförmigen Ausnehmung 65 kann Einfluss auf die Leckagefrüherkennung genommen werden. Vorteilhaft wird die schlitzförmige Ausnehmung 65 so ausgeführt, dass mit der schlitzförmigen Ausnehmung 65 zuerst wenig Öffnungsfläche freigegeben wird und mit weiter sinkendem Füllstandes LVa, LVb die Öffnungsfläche zunimmt. In Fig.11 sind beispielhaft mögliche Ausgestaltungen der schlitzförmigen Ausnehmung 65 mit steigender Öffnungsfläche dargestellt. Durch die größer werdende Öffnungsfläche wird umso mehr Gas in den ElektroIyten 15a, 15b eingetragen, umso weiter der Füllstand LVa, LVb im Elektrolyttank 13a, 13b, in dem die Rohranordnung 50 angeordnet ist, abfällt. Die größer werdende eindringende Gasmenge ändert die Betriebsdaten der Redox-Durchflussbatterie 1, was beispielsweise in der Steuereinheit 42 ausgewertet werden kann. Damit kann bei geringen Mengen an Gas eine Frühwarnung gege-

ben werden, beispielsweise an eine Steuerzentrale, kann eine Wartung ausgelöst werden und/oder die Steuereinheit 40 kann die Betriebsweise der Redox-Durchflussbatterie 1 ändern.

[0077] Auch die Rohranordnung 50 alleine wird als eigenständige Erfindung angesehen. Die Rohranordnung 50 umfasst zumindest zwei Rohre 51, 52 unterschiedlicher axialer Länge. Jedes der zumindest zwei Rohre 51, 52 hat ein erstes axiales Ende 51-1, 52-1 und ein zweites axiales Ende 51-2, 52-2, die jeweils durch ein Strömungsvolumen 53, 54 des jeweiligen Rohres 51, 52 miteinander verbunden sind. Die ersten axialen Enden 51-1, 52-1 der zumindest zwei Rohre 51, 52 sind offen. Die den ersten axialen Enden 51-1, 52-1 der zumindest zwei Rohre 51, 52 gegenüberliegenden zweiten axialen Enden 51-2, 52-2 der zumindest zwei Rohre 51, 52 münden in ein Mischvolumen in einem Anschlussrohr 55 der Rohranordnung 50. Die Strömungsvolumen 53, 54 der zumindest zwei Rohre 51, 52 sind über das Mischvolumen 56 miteinander verbunden. Die Rohranordnung 50 kann wie oben mit Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 11 ausgeführt, ausgestaltet sein.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Elektrolyttank für einen Elektrolyten (15a, 15b) einer Redox-Durchflussbatterie (1), wobei am Elektrolyttank (13a, 13b) eine Rohranordnung (50) zum Zuführen von Elektrolyten (15a, 15b) in den Elektrolyttank (13a, 13b) oder zum Abführen von Elektrolyten (15a, 15b) aus dem Elektrolyttank (13a, 13b) angeordnet ist, und wobei bei Verwendung des Elektrolyttanks (13a, 13b) im Elektrolyttank (13a, 13b) ein Elektrolyt (15a, 15b) der Redox- Durchflussbatterie (1) mit einem bestimmten Füllstand (LVa, LVb) enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranordnung (50) zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) unterschiedlicher Länge umfasst, wobei jedes der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) ein erstes axiales Ende (511, 52-1, 61-1, 62-1) und ein zweites axiales Ende (51-2, 52-2, 61-2, 62-2) aufweist, die jeweils durch ein Strömungsvolumen (53, 54, 63, 64) miteinander verbunden sind, dass die ersten axialen Enden (51-1, 52-1, 61-1, 62-1) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) offen sind und im Elektrolyttank (13a, 13b) aufgrund der unterschiedlichen Längen in unterschiedlichen Tiefen (T1, T2, T3, T4) enden, wobei die Tiefen (T1, T2, T3, T4) bei Verwendung des Elektrolyttanks (13a, 13b) unterhalb des Füllstands (LVa, LVb) des Elektrolyten (15a, 15b) liegen, dass die den ersten axialen Enden (51-1, 52-1, 61-1, 62-1) der zumindest zwei Rohre (50, 51, 61, 62) gegenüberliegenden zweiten Enden (51-2, 52-2, 61-2, 62-2) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) in ein Mischvolumen (56) münden und das Mischvolumen (56) in einem Anschlussrohr (55) vorgesehen ist, dass die Strömungsvolumen (53, 54, 63, 64) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) über das Mischvolumen (56) miteinander verbunden sind und dass das Mischvolumen (56) bei Verwendung des Elektrolyttanks (13a, 13b) oberhalb des Füllstands (LVa, LVb) des Elektrolyten (15a, 15b) liegt.

2. Elektrolyttank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das längere Rohr (51) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit einem kleineren Strömungsquerschnitt als das kürzere Rohr (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) ausgeführt ist, und dass das längere Rohr (51) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit dessen zweiten Ende (51-2) und mit einer axialen Stecklänge (L) in das kürzere Rohr (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) gesteckt ist, sodass sich im Bereich der axialen Stecklänge (L) zwischen einer Außenfläche (AF) des längeren Rohres (51) und einer Innenfläche (IF) des kürzeren Rohres (52, 61, 62) ein axialer Strömungskanal ($) ausbildet, der in das Mischvolumen (56) mündet.

3. Elektrolyttank nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kürzere Rohr (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit dessen zweiten axialen Ende (522, 61-2, 62-2) in das Anschlussrohr (55) übergeht.

4. Elektrolyttank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das längere Rohr (51) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit einem kleineren Strömungsquerschnitt als das kürzere Rohr (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) ausgeführt ist, dass das längere Rohr (51) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit dessen zweiten axialen Ende (51-2) und mit einer axialen Stecklänge (L) in das kürzere Rohr (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) gesteckt ist, sodass sich im Bereich der axialen Stecklänge (L) zwischen einer Außenfläche (AF) des längeren Rohres (51) und einer Innenfläche (IF) des kürzeren Rohres (52, 61, 62) ein axialer Strömungskanal ($) ausbildet, und dass der axiale Strömungskanal (S) über zumindest eine Öffnung (60) im Mantel des längeren Rohres (51) mit dem Strömungsvolumen (53) des längeren Rohres (51) verbunden ist, wobei die zumindest eine Öffnung (60) bei Verwendung des Elektrolyttanks (13a, 13b) oberhalb des Füllstands (LVa, LVb) des Elektrolyten (15a, 15b) im Elektrolyttank (13a, 13b) liegt und das zweite axiale Ende (52-2, 61-2, 62-2) des kürzeren Rohres (52, 61, 62) oberhalb der zumindest einen Öffnung (60) geschlossen ist, sodass die Strömungsvolumen (53, 54, 63, 64) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit dem Mischvolumen (56) verbunden sind.

5. Elektrolyttank nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das längere Rohr (51) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) mit dessen zweiten axialen Ende (51-2) in das Anschlussrohr (55) übergeht.

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6. Elektrolyttank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantel des kürzeren Rohres (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) im Bereich des ersten axialen Endes (52-1, 61-1, 62-1) eine schlitzförmige Ausnehmung (65) vorgesehen ist, die sich zumindest teilweise in axialer Richtung des kürzeren Rohres (52, 61, 62) erstreckt, wobei die schlitzförmige Ausnehmung (65) bei Verwendung des Elektrolyttanks (13a, 13b) unterhalb des Füllstands (LVa, LVb) des Elektrolyten (15a, 15b) im Elektrolyttank (13a, 13b) liegt.

7. Elektrolyttank nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die schlitzförmige Ausnehmung (65) bis zum ersten axialen Ende (52-1, 61-1, 62-1) des kürzeren Rohres (52, 61, 62) der zumindest zwei Rohre (51, 52, 61, 62) erstreckt.

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