CH714932A1 - Method for charging and discharging electrochemically stored energy. - Google Patents

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CH714932A1
CH714932A1 CH5342018A CH5342018A CH714932A1 CH 714932 A1 CH714932 A1 CH 714932A1 CH 5342018 A CH5342018 A CH 5342018A CH 5342018 A CH5342018 A CH 5342018A CH 714932 A1 CH714932 A1 CH 714932A1
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Bech Ulrich
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Anija Muuksi Eng Mo
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen und Entladen von elektrochemisch gespeicherter Energie, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Aufladen einer ersten Reaktorzelle (13) durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung, indem eine Elektrolyse von entwässerten (kalzinierten) geschmolzenen Laugen, insbesondere von Alkali-Metall-Laugen, an einem Ort, an dem ein Überschuss von elektrischem Strom vorhanden ist, vorgenommen wird, wobei die erste Reaktorzelle (13) einen ersten Anodenraum (32) und einen ersten Kathodenraum (30) umfasst, Entnahme des bei der Elektrolyse entstandenen festen oder flüssigen, metallischen Produktes, Transport des bei der Elektrolyse entstandenen festen oder flüssigen metallischen Produktes an einen Ort, an dem elektrischer Strom benötigt wird und an dem eine zweite Reaktorzelle vorhanden ist, umfassend einen zweiten Anodenraum und einen zweiten Kathodenraum, Befüllen des zweiten Anodenraumes mit dem Produkt, Entladen der zweiten Reaktorzelle, indem das Produkt durch eine Membran mit einem flüssigen, wässrigen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, um wieder Lauge und elektrischen Strom, zu erzeugen und Abziehen des an der Kathode entstehenden Wasserstoffs.The invention relates to a method for charging and discharging electrochemically stored energy, comprising the following method steps: Charging a first reactor cell (13) by applying a DC electrical voltage, by electrolysis of dewatered (calcined) molten alkalis, in particular alkali-metal alkalis in a location where there is an excess of electrical current, the first reactor cell (13) comprising a first anode space (32) and a first cathode space (30), removing the solid or liquid formed in the electrolysis, metallic product, transport of the solid or liquid metallic product produced during electrolysis to a location where electrical power is needed and where there is a second reactor cell comprising a second anode space and a second cathode space, filling the second anode space with the product, Discharging the second reactor cell e, by bringing the product into contact with a liquid, aqueous electrolyte through a membrane to re-generate liquor and electric current, and stripping off the hydrogen produced at the cathode.

Description

Beschreibungdescription

Gebiet der Erfindung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen und Entladen von elektrochemisch gespeicherter Energie gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a method for charging and discharging electrochemically stored energy according to the preamble of claim 1.

Stand der Technik [0002] Aus dem Stand, der Technik ist der Vanadium-Redox-Akkumulator (Vanadium-Redox-Flussbatterie, VRFB) bekannt. Er gehört wie alle Akkumulatoren zu den wiederaufladbaren Energiespeichern, Er ist ein Typ eines Flussakkumulators, der in beiden Elektrolyten Vanadiumverbindungen in wässrigen Lösungen nutzt, Dadurch wird das Problem einer gegenseitigen Verunreinigung infolge von der Diffusion von Ionen durch die Membran verhindert.PRIOR ART The vanadium redox accumulator (vanadium redox flow battery, VRFB) is known from the prior art. Like all rechargeable batteries, it belongs to the rechargeable energy store. It is a type of flow accumulator that uses vanadium compounds in aqueous solutions in both electrolytes. This prevents the problem of mutual contamination due to the diffusion of ions through the membrane.

[0003] Wie bei allen Flussbatterien ist ein Hauptvorteil des Vanadium-Redox-Akkumulators (Vanadium-Redox-Flussbatterie, VRFB), dass Leistung und Energie im Gegensatz zu gewöhnlichen Sekundärzellen voneinander unabhängig sind. Durch modularen Aufbau wird die Konstruktion einer Batterie beliebig hoher Leistung und Kapazität ermöglicht Die Leistung ist v.a. durch die Elektrodenfläche und die Speicherkapazität durch die Elektrolytmenge regulierbar. Auch ist eine Tiefentladung problemlos. So kann der VRFB-Akkumulator lange Zeit komplett entladen sein, ohne dass es dabei zu nennenswerten Alterungseffekten kommt Jedoch besitzt er eine vergleichsweise geringe Energiedichte von ca. 15 Wh/I bis 25 Wh/I Elektrolytflüssigkeit und das Metall Vanadium steht nur begrenzt zur Verfügung.As with all flow batteries, a main advantage of the vanadium redox battery (vanadium redox flow battery, VRFB) is that, unlike ordinary secondary cells, power and energy are independent of each other. The modular design enables the construction of a battery of any power and capacity. adjustable by the electrode area and the storage capacity by the amount of electrolyte. Deep discharge is also easy. For example, the VRFB accumulator can be completely discharged for a long time without causing any notable aging effects.However, it has a comparatively low energy density of approx. 15 Wh / I to 25 Wh / I electrolyte liquid and the metal vanadium is only available to a limited extent.

[0004] Die momentan erhältlichen kommerziellen VRFB werden ausschliesslich stationär verwendet, insbesondere in den Bereichen der regenerativen Energiequellen für die Abdeckung von Spitzenlast und als Lastausgleich, ausserdem im Bereich unterbrechungsfreier Stromversorgungen.The currently available commercial VRFB are used exclusively stationary, especially in the areas of regenerative energy sources for covering peak loads and as load balancing, and also in the area of uninterruptible power supplies.

Aufgabe der Erfindung [0005] Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die die vorliegende Erfindung initiierende Aufgabe ein gattungsgemässes Lade- und Entladeverfahren weiterzuentwickeln, bei welchem eine Ladung und eine Entladung an verschiedenen Orten möglich ist und mit Metallen durchgeführt wird, welche in grossen Mengen zur Verfügung stehen.OBJECT OF THE INVENTION The disadvantages of the prior art described result in the object initiating the present invention in developing a generic charging and discharging method in which charging and discharging is possible at different locations and is carried out with metals which are large Amounts are available.

Beschreibung [0006] Das Verfahren zum Aufladen der elektrochemisch gespeicherten Energie erfolgt in dem folgenden Schritt; Aufladen einer ersten Reaktorzelle durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung, indem eine Elektrolyse von entwässerten (kalzinierten) geschmolzenen Laugen, insbesondere von Alkali-Metall-Laugen, an einem Ort, an dem ein Überschuss von elektrischem Strom vorhanden ist, vorgenommen wird, wobei die erste Reaktorzelle einen ersten Anodenraum und einen ersten Kathodenraum umfasst.Description The method for charging the electrochemically stored energy takes place in the following step; Charging a first reactor cell by applying a DC voltage by electrolysis of dehydrated (calcined) molten liquors, especially alkali metal liquors, in a place where there is an excess of electrical current, the first reactor cell comprises a first anode space and a first cathode space.

[0007] Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei dem Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte:The problem is solved in the method by the following process steps:

- Entnahme des bei der Elektrolyse entstandenen festen oder flüssigen metallischen Produktes,Removal of the solid or liquid metallic product formed during the electrolysis,

- Transport des bei der Elektrolyse entstandenen festen oder flüssigen metallischen Produktes an einen Ort, an dem elektrischer Strom benötigt wird und an dem eine zweite Reaktorzelle vorhanden ist, umfassend einen zweiten Anodenraum und einen zweiten Kathodenraum.- Transport of the solid or liquid metallic product formed during the electrolysis to a place where electrical current is required and where a second reactor cell is present, comprising a second anode space and a second cathode space.

- Befüllen des zweiten Anodenraumes mit dem Produkt.- Filling the second anode compartment with the product.

- Entladen der zweiten Reaktorzelle, indem das Produkt durch eine. Membran mit einem flüssigen wässrigen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, um wieder Lauge und elektrischen Strom zu erzeugen.- Unloading the second reactor cell by passing the product through a. Membrane is brought into contact with a liquid aqueous electrolyte in order to generate alkali and electric current again.

- Abziehen des an der Kathode entstehenden Wasserstoffs.- Removing the hydrogen generated at the cathode.

[0008] Die Möglichkeit der Speicherung von elektrochemischer Energie in einem metallischen Produkt, ermöglicht es, dass der Entladeort von dem Aufladeort getrennte sein kann und ermöglicht es, dass das metallische Produkt, bevorzugt Natrium, vom Aufladeort zum. Entladeort transportiert wird, Dadurch kann elektrischer Gleichstrom durch eine Elektrolyse zu Herstellung des metallischen Produktes direkt an einem Ort genutzt werden, wo der elektrische Gleichstrom erzeugt wird. Das hergestellte Metall lässt sich mit geringem Aufwand zu einem Ort transportieren, wo elektrischer Gleichstrom benötigt wird. Auch lässt sich die elektrochemisch gespeicherte Energie in dem Metall gut und einfach bis zur Entladung Zwischenlagern. Im Vergleich zu aufladbaren Akkumulatoren ist die Speicherung in dem Metall viel kostengünstiger und braucht viel weniger Platz.The ability to store electrochemical energy in a metallic product enables the discharge location to be separate from the charging location and allows the metallic product, preferably sodium, to be transferred from the charging location to the. Unloading site is transported, This allows direct current through electrolysis to be used to manufacture the metallic product directly at a location where the direct electrical current is generated. The metal produced can be transported with little effort to a place where electrical direct current is required. The electrochemically stored energy in the metal can also be stored well and easily until it is discharged. Compared to rechargeable batteries, storage in the metal is much cheaper and takes up much less space.

[0009] Mit Vorteil ist die Lauge zur Elektrolyse des Produktes in dem ersten Anodenraum wasserfrei und geschmolzen. Dadurch lässt sich das Metall in welchem die elektrochemische Energie gespeichert wird, durch Elektrolyse herstellen. Na+ und OH-Ionen liegen in der geschmolzenen Lauge vollständig dissoziiert vor und dadurch lasst sich eine hohe Ausbeute von metallischem Natrium erzielen.The lye for electrolysis of the product in the first anode compartment is advantageously anhydrous and melted. As a result, the metal in which the electrochemical energy is stored can be produced by electrolysis. Na + and OH ions are completely dissociated in the molten liquor and this enables a high yield of metallic sodium to be achieved.

[0010] Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass das entstehende Produkt in. der ersten Reaktorzelle auf der kalzinierten Lauge aufschwimmt. Dadurch ist das entstandene Alkali-Metall besonders leicht aus der ersten Reaktorzelle zu entfernen bzw. zu ernten.The invention is preferably characterized in that the product formed floats in the first reactor cell on the calcined alkali. As a result, the resulting alkali metal is particularly easy to remove or harvest from the first reactor cell.

CH 714 932 A1 [0011] Bevorzugt ist es, wenn das Produkt im flüssigen Zustand hei über 100 °C in eine Transportvorrichtung übergeführt wird und in der Transportvorrichtung unter 1G0 °C erstarrt. Das Metall lässt sich durch seinen niedrigen Schmelzpunkt flüssig in die Transportvorrichtung pumpen und lässt sich im erstarrten Zustand relativ gefahrlos transportieren. Die Eigenschaften des gewählten Metalls ermöglichen daher einen einfachen und gefahrlosen Transport an den Ort an dem elektrischer Gleichstrom benötigt wird.CH 714 932 A1 It is preferred if the product in the liquid state is transferred to a transport device when it is hot above 100 ° C. and solidifies in the transport device below 1 ° C. Due to its low melting point, the metal can be pumped liquid into the transport device and can be transported relatively safely in the solidified state. The properties of the selected metal therefore enable simple and safe transport to the place where direct electrical current is required.

[0012] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Produkt Natrium. Natrium ist ein. sehr weit verbreitetes Metall und hat einen für Metalle besonders niedrigen Schmelzpunkt von ca. 97 °C bei Atmosphärendruck/ welcher den Transport, wie oben beschrieben, vereinfacht. Auch lässt es sich einfach aus Natriumhydroxid, wie oben beschrieben, herstellen.[0012] In a particularly preferred embodiment, the product is sodium. Sodium is a. very widespread metal and has a particularly low melting point for metals of approx. 97 ° C at atmospheric pressure / which simplifies transport, as described above. It can also be easily produced from sodium hydroxide as described above.

[0013] Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn das erstarrte Produkt in der Transportvorrichtung mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, beaufschlagt wird. Dadurch ist das erstarrte Metall von der Umgebung abgeschirmt und ein gefahrloser Transport kann gewährleistet werden.It has proven to be useful if the solidified product in the transport device with an inert gas, in particular nitrogen, is applied. As a result, the solidified metal is shielded from the environment and safe transport can be guaranteed.

[0014] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Produkt im flüssigen Zustand in die zweite Reaktorzelle übergeführt und in der zweiten Reaktorzeile wird das elektrochemische Potential freigesetzt indem Metall-Kationen, insbesondere Natrium-Kationen, durch eine Membran von dem zweiten Anodenraum in den zweiten Kathodenraum diffundieren und eine wässrige Lauge (Elektrolyt) in dem zweiten Kathodenraum, mit den Metall-Kationen angereichert wird. Durch diese Verfahrensführung und die beteiligten Reaktanden lässt sich elektrischer Gleichstrom aus der in dem Natrium elektrochemisch gespeicherten Energie erzeugen.In a further particularly preferred embodiment of the invention, the product in the liquid state is transferred to the second reactor cell and in the second reactor line the electrochemical potential is released by metal cations, in particular sodium cations, through a membrane from the second anode space diffuse the second cathode space and an aqueous alkali (electrolyte) in the second cathode space, with which metal cations are enriched. This procedure and the reactants involved make it possible to generate direct electrical current from the energy electrochemically stored in the sodium.

[0015] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsteht bei der elektrochemischen Reaktion in der zweiten Reaktorzelle ein elektrischer Gleichstrom und/oder Wasserstoff, Der Wasserstoff kann als Energieträger für den Antrieb von Motoren oder in der chemischen Industrie weiter verwendet werden. Der elektrische Gleichstrom kann von der zweiten Reaktorzelle direkt an dem. Ort abgenommen werden, an dem er benötigt wird.In a further preferred embodiment of the invention arises in the electrochemical reaction in the second reactor cell, an electrical direct current and / or hydrogen, the hydrogen can be used as an energy source for driving motors or in the chemical industry. The direct electrical current can be directly from the second reactor cell. Be taken off where it is needed.

[0016] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn für das Aufladen der ersten Reaktor-Zelle Gleichstrom mit einer möglichst gleichmässigen Spannung verwendet wird. Dadurch kann die Leistungsausbeute optimiert werden. Es ist aber auch möglich, die erste Reaktorzelle mit schwankender Gleichspannung, wie sie üblicherweise von Solarzellen bereitgestellt wird, zu betreiben.It proves to be advantageous if direct current with a voltage that is as uniform as possible is used for charging the first reactor cell. This allows the power yield to be optimized. However, it is also possible to operate the first reactor cell with a fluctuating DC voltage, as is usually provided by solar cells.

[0017] Zweckmässigerweise stammt der Gleichstrom aus Solarzellen und durch elektronische Schaltungen wird eine möglichst gleichmässige Spannung zur Aufladung der ersten Reaktorzelle bereitgestellt.The direct current expediently comes from solar cells and electronic circuits provide the most uniform possible voltage for charging the first reactor cell.

[0018] Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass an dem Ort an dem elektrischer Strom benötigt wird, die zweite Reaktor-Zelle bei Strombedarf aktiviert wird und der bei der Entladung der zweiten Reaktorzelle geerntete Gleichstrom einmalig in Wechselstrom umgewandelt wird oder in Batterien gespeichert wird. Die Herstellung des elektrischen Gleichstroms in der zweiten Reaktorzelle ist äusserst flexibel, da dieser jederzeit bei Bedarf herstellbar ist und keine Vorlaufzeiten bis Gleichstrom produziert wird vorhanden sind.The invention is also preferably characterized in that the second reactor cell is activated when electricity is required at the location where the electrical current is required and the direct current harvested when the second reactor cell is discharged is converted once into alternating current or into batteries is saved. The production of the direct electrical current in the second reactor cell is extremely flexible, since it can be produced at any time if required and there are no lead times until direct current is produced.

[0019] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Membran eine Schlauchmembran, welche in dem wässrigen Elektrolyten schwimmt, wobei der zweite Anodenraum innerhalb der Schlauchmembran vorgesehen ist. Die Schlauchmembran ermöglicht es, dass das flüssige Natrium einem geschlossenen Raum mit einer möglichst grossen. Austauschoberfläche zu dem Elektrolyten aufgegeben werden kann.In a particularly preferred embodiment of the invention, the membrane is a tubular membrane which floats in the aqueous electrolyte, the second anode space being provided within the tubular membrane. The tubular membrane allows the liquid sodium to be in a closed space with the largest possible. Exchange surface to the electrolyte can be abandoned.

[0020] Zweckmässigerweise ist die Schlauchmembran faserverstärkt, wodurch diese druckbeaufschlagbar ist ohne zu bersten.The hose membrane is expediently fiber-reinforced, as a result of which it can be pressurized without bursting.

[0021] Als vorteilhaft für den Fluss der Natrium-Ionen in den Elektrolyten erweist es sich, wenn in dem zweiten Anodenraum und dem zweiten Kathodenraum unterschiedliche Drücke beaufschlagt werden. Der höhere Druck in der Schlauchmembran kann beispielsweise durch Einpressen eines Inertgases in die Schlauchmembran erfolgen.It proves to be advantageous for the flow of sodium ions in the electrolyte if different pressures are applied in the second anode space and the second cathode space. The higher pressure in the hose membrane can take place, for example, by injecting an inert gas into the hose membrane.

[0022] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch die Wahl der Verfahrensparameter Druck und Temperatur die Menge an Wasserstoff und Gleichstrom in der zweiten Reaktorzelle gesteuert Die Temperaturregelung kann durch Kühlungen an der zweiten Reaktorzelle realisiert sein, Die Druckregelung kann, durch Druckbeaufschlagung der Schlauchmembran mit einem Inertgas erfolgen. Durch die Wahl der Verfahrensparameter kann geregelt werden, ob die Wasserstoff Produktion oder die Produktion von elektrischem Gleichstrom gesteigert werden soll.In a further preferred embodiment of the invention, the amount of hydrogen and direct current in the second reactor cell is controlled by the choice of the process parameters pressure and temperature. The temperature control can be realized by cooling the second reactor cell. The pressure control can be done by pressurizing the hose membrane with an inert gas. The choice of process parameters can be used to regulate whether hydrogen production or the production of direct current should be increased.

[0023] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:Further advantages and features emerge from the following description of an embodiment of the invention with reference to the schematic representations. In a representation that is not to scale:

Fig. 1 : eine Draufsicht auf einen Rohrreaktor mit einer Mehrzahl von Rohren, welche als Anode oder Kathode wirken können,1: a plan view of a tube reactor with a plurality of tubes, which can act as an anode or cathode,

Fig. 2: eine Schnittdarstellung des Rohrreaktors entlang der Schnittebene ll-ll;2 shows a sectional illustration of the tubular reactor along the sectional plane II-II;

Fig. 3: Detailansicht des Rohrreaktors aus Fig. 1, wenn er als eine erste Reaktorzelle verwendet wird undFig. 3: Detailed view of the tubular reactor of Fig. 1 when it is used as a first reactor cell and

CH 714 932 A1CH 714 932 A1

Fig. 4: Detail ansieht des Rohreaktors, wenn er als eine zweite Reaktorzelle verwendet wird.Fig. 4: View detail of the tubular reactor when used as a second reactor cell.

[0024] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen und Entladen von elektrochemisch gespeicherter Energie an zwei unterschiedlichen Standorten. Das Aufladen bzw. das Entladen erfolgt in einem Rohrreaktor 11. Zum Aufladen wird der Rohrreaktor als eine erste Reaktorzelle 13 verwendet, welche erste Reaktorzelle 13 an das Aufladeverfahren adaptiert ist (Fig. 3), Zum Entladen wird der Rohrreaktor als eine zweite Reaktorzelle 15 verwendet, welche zweite Reaktorzelle 15 an das Entladeverfahren adaptiert ist (Fig. 4).The present invention relates to a method for charging and discharging electrochemically stored energy at two different locations. The charging or discharging takes place in a tubular reactor 11. For charging, the tubular reactor is used as a first reactor cell 13, which first reactor cell 13 is adapted to the charging process (FIG. 3). The tubular reactor is used as a second reactor cell 15 for discharging Which second reactor cell 15 is adapted to the discharge process (FIG. 4).

[0025] Der Rohreaktor 11 ist ein elektrochemischer Reaktor, welcher mit unterschiedlichen Elektrolyten gefüllt sein kann. In den Elektrolyt taucht eine Mehrzahl von Rohrbündeln 17 ein. Ein Rohrbündel 17 umfasst ein Innenrohr 19 und. ein Aussenrohr 21. Die Innenrohre 19 und die Aussenrohre 21 stecken jeweils in einem ersten und einem dritten Rohrboden 23a, 23b bzw. einem zweiten Rohrboden 25a und einem vierten Rohrboden 25b. Die Innenrohre 19 können als Anode oder als Katode geschaltet sein, da sie durch die Rohrböden 23a, 23b voneinander isoliert sind. Zwischen dem ersten Rohrboden 23a und dem zweiten Rohrboden 25a und. dem dritten Rohrboden 23b und dem vierten Rohrboden 25b sind eine erste und eine zweite Planschdichtung 27,29 angeordnet, welche zwischen den entsprechenden Rohrböden 23a, 25a, bzw. 23b, 25b durch Verspannen der Rohrböden dichtend wirken. Die Flanschdichtungen 27,29 wirken zwischen den Rohrböden elektrisch isolierend und gasdichtend.The tubular reactor 11 is an electrochemical reactor which can be filled with different electrolytes. A plurality of tube bundles 17 are immersed in the electrolyte. A tube bundle 17 comprises an inner tube 19 and. an outer tube 21. The inner tubes 19 and the outer tubes 21 are respectively in a first and a third tube plate 23a, 23b or a second tube plate 25a and a fourth tube plate 25b. The inner tubes 19 can be connected as an anode or as a cathode, since they are insulated from one another by the tube sheets 23a, 23b. Between the first tube sheet 23a and the second tube sheet 25a and. The third tube sheet 23b and the fourth tube sheet 25b are arranged with a first and a second wedge seal 27, 29, which have a sealing effect between the corresponding tube sheets 23a, 25a and 23b, 25b by bracing the tube sheets. The flange seals 27, 29 are electrically insulating and gas-tight between the tube sheets.

[0026] Am vierten Rohrboden 25b kann ein Heizelement angeordnet sein, um die Elektrolyttemperatur einzustellen oder die elektrochemischen Reaktion zu starten und zu steuern. Am vierten Boden 25b kann auch eine Umlaufvorrichtung, insbesondere eine Umwälzpumpe, vorgesehen, sein, um. den Elektrolyten umwälzen, zu können.A heating element can be arranged on the fourth tube plate 25b in order to set the electrolyte temperature or to start and control the electrochemical reaction. A circulation device, in particular a circulation pump, can also be provided on the fourth floor 25b in order to. to be able to circulate the electrolyte.

[0027] Zum Aufladen von elektrochemisch gespeicherter Energie wird der oben beschriebene Rohrreaktor als erste Reaktorzelle 13 genutzt (Fig. 3). Die Innenrohre 19 dienen als Anoden. Der Raum, welcher die Aussenrohre 21 umgibt kann als Anodenraum 30 erachtet werden. Die erste Reaktorzelle 13 ist mit einer flüssigen kalzinierten, (wasserfreien) Lauge als Elektrolyt gefüllt. Durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung entsteht durch die Rekombination von OH-Ionen aus der Lauge Sauerstoff und Wasserdampf. Diese Gase können durch den Dampfdom 31 entweichen.To charge electrochemically stored energy, the tubular reactor described above is used as the first reactor cell 13 (FIG. 3). The inner tubes 19 serve as anodes. The space that surrounds the outer tubes 21 can be regarded as the anode space 30. The first reactor cell 13 is filled with a liquid, calcined, (anhydrous) alkali as the electrolyte. When an electrical DC voltage is applied, the recombination of OH ions results in oxygen and water vapor from the alkali. These gases can escape through the steam dome 31.

[0028] Die Aussenrohre 2.1 sind bevorzugt aus keramischem Material hergestellt. Die Aussenröhre 21 sind im Bereich des zweiten und des vierten Rohrbodens 25a,25b durchbrochen. Dadurch ist eine Verbindung mit der Aussenwand der ersten Reaktorzelle 13 ermöglicht welche den Austausch zwischen dem ersten Kathodenraum 30 und dem ersten Anodenraum. 32 sicherstellt. Als erster Anodenraum 32 kann der Raum innerhalb der Innenrohre 19 erachtet werden. An der Aussenwand entsteht metallisches Natrium, in Tropfenform. Das Natrium schwimmt auf der geschmolzenen Natronlauge auf, da es ein geringeres spezifisches Gewicht als die Natronlauge besitzt. Das flüssige Natrium, kann an dem ersten Ausgang 34 geerntet bzw. abgesaugt werden, welcher erste Ausgang 34 zwischen dem ersten Rohrboden 23a und dem zweiten Rohrboden 25a gebildet ist. Das geschmolzene Natrium hat eine Temperatur von ca. 300 °C Die Natronlauge liegt vollständig dissoziiert als Na+ und OH-Ionen vor, da es sich bei der wasserfreien Natronlauge um eine Flüssigkeit handelt in der sich die Ionen zwangsläufig bilden.The outer tubes 2.1 are preferably made of ceramic material. The outer tube 21 is broken through in the region of the second and fourth tube sheets 25a, 25b. This enables a connection to the outer wall of the first reactor cell 13, which enables the exchange between the first cathode space 30 and the first anode space. 32 ensures. The space within the inner tubes 19 can be regarded as the first anode space 32. Metallic sodium, in the form of drops, forms on the outer wall. The sodium floats on the molten sodium hydroxide solution because it has a lower specific weight than the sodium hydroxide solution. The liquid sodium can be harvested or suctioned off at the first outlet 34, which first outlet 34 is formed between the first tube plate 23a and the second tube plate 25a. The molten sodium has a temperature of approx. 300 ° C. The sodium hydroxide solution is completely dissociated as Na + and OH ions, since the anhydrous sodium hydroxide solution is a liquid in which the ions inevitably form.

[0029] Der Elektrolyt-Umlauf erfolgt zwischen dem Innenrohr 19 und dem Aussenrohr 21 mit einem Überstrom nach innen durch Durchbrüche an dem Innenrohr 19 und dem Aussenrohr 21 im Bereich des zweiten und vierten Rohrbodens 25a,25b, Am vierten Rohrboden 25b wird der abgereicherte Elektrolyt abgepumpt und. mit dem. Elektrolyt vermischt, welcher sich, ausserhalb der Aussenrohre 21 in der ersten Reaktorzelle 13 befindet. An der Aussenwand der ersten Reaktorzelle 13 gibt der Elektrolyt wieder seinen Natrium-Überschuss ab.The electrolyte circulation takes place between the inner tube 19 and the outer tube 21 with an overflow to the inside through openings in the inner tube 19 and the outer tube 21 in the region of the second and fourth tube plate 25a, 25b, on the fourth tube plate 25b, the depleted electrolyte pumped out and. with the. Mixed electrolyte, which is located outside the outer tubes 21 in the first reactor cell 13. The electrolyte again releases its sodium excess on the outer wall of the first reactor cell 13.

[0030] Das Elektrolytniveau 33 ist im Innenrohr 19, im Aussenrohr 21 und Ausserhalb des Aussenrohres gezeigt. Der Rohrreaktor 11 kann mit einer Innenkühlung 35 und einer Aussenkühlung 37 gekühlt werden, um die Elektrolyse thermisch regulieren zu können.The electrolyte level 33 is shown in the inner tube 19, in the outer tube 21 and outside the outer tube. The tubular reactor 11 can be cooled with an internal cooling 35 and an external cooling 37 in order to be able to thermally regulate the electrolysis.

[0031] Das in der ersten Reaktorzelle erzeugte metallische Natrium wird im flüssigen Zustand bei über 100 °C in eine Transportvorrichtung/ beispielsweise in einen Tankwagen, übergeführt. In der Transportvorrichtung kühlt sich das reine Natrium ab und erstarrt Während des Transports wird das Natrium aus Sicherheitsgründen mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff überlagert. Das Natrium kann auch zwischengelagert werden, wobei die elektrochemisch gespeicherte Energie in dem Natrium zwischengespeichert werden kann bis zur Entladung in der zweiten Reaktorzelle 15.The metallic sodium generated in the first reactor cell is transferred in the liquid state at over 100 ° C in a transport device / for example in a tanker truck. The pure sodium cools and solidifies in the transport device. During transport, the sodium is overlaid with an inert gas, for example nitrogen, for safety reasons. The sodium can also be temporarily stored, the electrochemically stored energy in the sodium being temporarily stored until it is discharged in the second reactor cell 15.

[0032] Das Natrium wird an einen Ort transportiert an dem. elektrischer Strom benötigt wird. An diesem Ort ist die zweite Reaktorzelle 15 positioniert In der zweiten Reaktorzelle 15 erfolgt die Entladung der elektrochemisch gespeicherten Energie, welche im flüssigen Natrium enthalten ist.[0032] The sodium is transported to a place where. electrical current is required. The second reactor cell 15 is positioned at this location. The electrochemically stored energy contained in the liquid sodium is discharged in the second reactor cell 15.

[0033] Die zweite Reaktorzelle 15 wird mit flüssigem Natrium befüllt. In der zweiten Reaktorzelle 15 befindet sich auch eine wässrige Natronlauge als Elektrolyt. Das flüssige Natrium muss von der Natronlauge ferngehalten werden, damit das elektrische Potential entstehen kann. Das flüssige Natrium wird daher in eine Schlauchmembrane 39 gefüllt, welche die Diffusion von Natrium-Ionen in die Natronlauge erlaubt nicht jedoch die Diffusion von. metallischem Natrium. Die Schlauchmembran 39 verhindert zudem, dass Wasser aus der Lauge in die Schlaumembran 39 eindringt, in welcher sich das Natrium befindet. Die Natrium-Ionen entstehen in der Membran und diffundieren durch diese. Der Raum in der Schlauchmembran 39 wird als zweiter Anodenraum 40 erachtet Ausserhalb der Schlauchmembran ist der zweite Kathodenraumraum 44 definiert. Die Natrium-Ionen reagieren mit den H+-Kationen und den OH-Anionen der wässrigen LaugeThe second reactor cell 15 is filled with liquid sodium. In the second reactor cell 15 there is also an aqueous sodium hydroxide solution as the electrolyte. The liquid sodium must be kept away from the caustic soda so that the electrical potential can arise. The liquid sodium is therefore filled into a tubular membrane 39 which, however, does not allow the diffusion of sodium ions into the sodium hydroxide solution. metallic sodium. The hose membrane 39 also prevents water from the alkali from entering the hose membrane 39 in which the sodium is located. The sodium ions form in the membrane and diffuse through it. The space in the tube membrane 39 is considered to be the second anode space 40. The second cathode space space 44 is defined outside the tube membrane. The sodium ions react with the H + cations and the OH anions of the aqueous alkali

CH 714 932 A1 zu Wasserstoff und NaOH. Gleichzeitig muss Wasser-Dampf in einem Dampf-Diffusor 41 aufgegeben werden, um H+-Ionen bereitzustellen. Der Dampf-Diffusor 41 ist in dem Innenrohr 19 angeordnet. Dabei entsteht in dem Innenrohr 19 aus 4OH- + 6H+ ->4H2O + H2. Diese Reaktion erfolgt im Umlauf des Elektrolyten entlang des Innenrohrs 19. Der entstehende Wasserstoff kann zwischen dem ersten Rohrboden 23a und dem zweiten Rohrboden 25a gesammelt werden und durch den zweiten Ausgang 42 abgeführt werden. Das Innenrohr 19 und das Aussenrohr 21 besitzen erste und zweite Perforierungen 43,45 durch welche Elektrolyt strömen kann. Die durch die Schlauchmembran diffundierenden Na+ Ionen verdrängen die H+ Ionen, da Natrium gemäss der Spannungsreihe negativer Ist als Wasserstoff, Dadurch wird das Gleichgewicht in. obenstehender Reaktion auf die Produktseite verschoben.CH 714 932 A1 on hydrogen and NaOH. At the same time, water-steam must be applied in a steam diffuser 41 in order to provide H + ions. The steam diffuser 41 is arranged in the inner tube 19. This creates 4OH- + 6H + -> 4H2O + H2 in the inner tube 19. This reaction takes place in the circulation of the electrolyte along the inner tube 19. The hydrogen produced can be collected between the first tube plate 23a and the second tube plate 25a and can be discharged through the second outlet 42. The inner tube 19 and the outer tube 21 have first and second perforations 43, 45 through which electrolyte can flow. The Na + ions diffusing through the tubular membrane displace the H + ions, since sodium is more negative than hydrogen according to the voltage series. This shifts the equilibrium in the above reaction to the product side.

[0034] Wie oben beschrieben entsteht bei der elektrochemischen Reaktion in der zweiten Reaktorzelle 15 ein elektrischer Gleichstrom und/oder Wasserstoff. Durch die Wahl der Reaktionsparameter wie Temperatur und Druck lässt sich einstellen, wie viel Gleichstrom und Wasserstoff entsteht. Die elektrochemische Reaktion kann über die Innenkühlung 35 und die Aussenkühlung 37 gesteuert werden. Die Schlauchmembran 39 schwimmt in dem wässrigen Elektrolyten und. ist bevorzugt faserverstärkt Dadurch kann das flüssige Natrium in der Schlauchmembran mit Druck beaufschlagt werden, um die Diffusion der Natrium Ionen zu verbessern. Möglich ist es den Druck in der Schlauchmembran, zu erzeugen, indem oberhalb des Natrium Spiegels ein Inertgas eingeblasen wird. Wie unter der Beschreibung der Fig. 2 bereits ausgeführt ist eine Umwälzung des Elektrolyts mit einer Umlaufpumpe möglich. Der mit Natrium angereicherte Elektrolyt aus der zweiten Reaktorzelle 15 wird durch Aufkochen wieder wasserfrei gemacht Die nach, der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge wird in die erste Reaktorzelle 13 aufgegeben wodurch sich der Kreislauf schliesst.As described above, an electrical direct current and / or hydrogen is formed in the electrochemical reaction in the second reactor cell 15. By selecting the reaction parameters such as temperature and pressure, you can set how much direct current and hydrogen is generated. The electrochemical reaction can be controlled via the internal cooling 35 and the external cooling 37. The tubular membrane 39 floats in the aqueous electrolyte and. is preferably fiber-reinforced. As a result, the liquid sodium in the tubular membrane can be pressurized in order to improve the diffusion of the sodium ions. It is possible to generate the pressure in the hose membrane by blowing in an inert gas above the sodium level. As already explained in the description of FIG. 2, circulation of the electrolyte is possible with a circulation pump. The sodium-enriched electrolyte from the second reactor cell 15 is made water-free again by boiling. After the calcination, anhydrous sodium hydroxide solution is fed into the first reactor cell 13, which closes the circuit.

Legende:Legend:

[0035][0035]

Rohrreaktortubular reactor

Erste ReaktorzelleFirst reactor cell

Zweite ReaktorzelleSecond reactor cell

Rohrbündeltube bundle

Innenrohrinner tube

Aussenrohrouter tube

23a Erster Rohrboden23a First tube sheet

23b Dritter Rohrboden23b third tube sheet

25a Zweiter Rohrboden25a Second tube sheet

25b Vierter Rohrboden25b fourth tube plate

Erste FlanschdichtungFirst flange seal

Zweite FlanschdichtungSecond flange seal

Erster KathodenraumFirst cathode room

Dampfdomsteam dome

Erster AnodenraumFirst anode room

33, Elektrolytniveau33, electrolyte level

Erster AusgangFirst exit

Innenkühlunginternal cooling

Aussenkühlungexternal cooling

Schlauchmembranehose membrane

Zweiter AnodenraumSecond anode room

Dampf-DiffusorSteam diffuser

Zweiter AusgangSecond exit

CH 714 932 A1CH 714 932 A1

Erste PerforierungenFirst perforations

Zweiter KathodenraumSecond cathode compartment

Zweite PerforierungenSecond perforations

Claims (15)

Patentansprücheclaims 1. Verfahren zum Aufladen und Entladen von elektrochemisch gespeicherter Energie umfassend die folgenden Verfahrensschritte:1. A method for charging and discharging electrochemically stored energy comprising the following process steps: -Aufladen einer ersten Reaktorzelle (13) durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung., indem eine Elektrolyse von entwässerten (kalzinierten) geschmolzenen Laugen, insbesondere von Alkali-Metall-Laugen, an einem Ort, an dem ein Überschuss von elektrischem Strom vorhanden ist, vorgenommen wird,Charging a first reactor cell (13) by applying an electrical direct voltage by electrolysis of dehydrated (calcined) molten alkalis, in particular of alkali metal alkalis, in a place where there is an excess of electrical current . - wobei die erste Reaktorzeile (13) einen ersten Anodenraum (32) und einen ersten Kathodenraum (30) umfasst, weiter gekennzeichnet durch- Wherein the first reactor line (13) comprises a first anode space (32) and a first cathode space (30), further characterized by - Entnahme des bei der Elektrolyse entstandenen festen oder flüssigen metallischen Produktes,Removal of the solid or liquid metallic product formed during the electrolysis, - Transport des bei der Elektrolyse entstandenen festen oder flüssigen metallischen Produktes an einen Ort, an dem elektrischer Strom benötigt wird und an dem eine zweite Reaktorzelle (15) vorhanden ist, umfassend einen zweiten Anodenraum (44) und einen zweiten Kathodenraum (44),Transporting the solid or liquid metallic product formed during the electrolysis to a place where electrical current is required and where a second reactor cell (15) is present, comprising a second anode space (44) and a second cathode space (44), - Befüllen des zweiten Anodenraumes (40) mit dem Produkt,Filling the second anode compartment (40) with the product, - Entladen der zweiten Reaktorzelle (15), indem das Produkt durch eine Membran (39) mit einem flüssigen wässrigen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, um wieder Lauge und elektrischen Strom zu erzeugen und- Discharging the second reactor cell (15) by bringing the product through a membrane (39) into contact with a liquid aqueous electrolyte to generate alkali and electric current again and - Abziehen des an der Kathode entstehenden Wasserstoffs.- Removing the hydrogen generated at the cathode. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauge zur Elektrolyse des Produktes in dem ersten Anodenraum (32) wasserfrei und geschmolzen ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the alkali for the electrolysis of the product in the first anode space (32) is water-free and melted. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das entstehende Produkt in der ersten Reaktorzelle (13) auf der kalzinierten Lauge aufschwimmt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the product formed in the first reactor cell (13) floats on the calcined alkali. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt im flüssigen Zustand bei über 100 °C in eine Transportvorrichtung übergeführt wird und in der Transportvorrichtung unter 100 °C erstarrt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the product is transferred in the liquid state at over 100 ° C in a transport device and solidifies in the transport device below 100 ° C. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt Natrium ist.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the product is sodium. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erstarrte Produkt, in der Transportvorrichtung mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, beaufschlagt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the solidified product is acted upon in the transport device with an inert gas, in particular nitrogen. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt im flüssigen Zustand in die zweite Reaktorzelle (15) übergeführt wird und, in der zweiten Reaktorzelle (15) das elektrochemische Potential, freigesetzt wird, indem Metall-Kationen, insbesondere Natrium-Kationen, durch eine Membran (39) von dem zweiten Anodenraum (40) in den zweiten Kathodenraum (44) diffundieren und eine wässrige Lauge als Elektrolyt in dem zweiten Kathodenraum (44) mit den Metall-Kationen angereichert wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the product in the liquid state is transferred to the second reactor cell (15) and, in the second reactor cell (15), the electrochemical potential is released by metal cations, in particular sodium Cations, diffuse through a membrane (39) from the second anode space (40) into the second cathode space (44) and an aqueous alkali as electrolyte in the second cathode space (44) is enriched with the metal cations. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Reaktion in der zweiten Reaktorzelle (15) ein elektrischer Gleichstrom und/oder Wasserstoff entsteht.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the electrochemical reaction in the second reactor cell (15), an electrical direct current and / or hydrogen is formed. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufladen der ersten Reaktor-Zelle (13) Gleichstrom mit einer möglichst gleichmässigen Spannung verwendet wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for charging the first reactor cell (13) direct current with a voltage as uniform as possible is used. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom aus Solarzellen stammt und durch elektronische Schaltungen eine möglichst gleichmässige Spannung zur Aufladung der ersten Reaktorzelle (13) bereitgestellt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the direct current comes from solar cells and electronic circuits provide as uniform a voltage as possible for charging the first reactor cell (13). 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ort an dem elektrischer Strom benötigt wird, die zweite Reaktor-Zelle (15) bei Strombedarf aktiviert wird und der bei der Entladung der zweiten Reaktorzelle geerntete Gleichstrom, einmalig in Wechselstrom umgewandelt wird oder in Batterien gespeichert wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the second reactor cell (15) is activated when electricity is required at the location at which electrical current is required and the direct current harvested when the second reactor cell is discharged is converted once into alternating current or is stored in batteries. 12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Schlauchmembran (39) ist, welche in dem wässrigen Elektrolyten schwimmt, wobei der zweite Anodenraum (40) innerhalb der Schlauchmembran (39) vorgesehen ist.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the membrane is a tubular membrane (39) which floats in the aqueous electrolyte, the second anode space (40) being provided within the tubular membrane (39). 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlauchmembran. (39) faserverstärkt ist.13. The method according to claim 12, characterized in that the tubular membrane. (39) is fiber reinforced. 14. Verfahren nach einem, der vorangehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass in dem zweiten Anodenraum (40) und. dem zweiten Kathodenraum (44) unterschiedliche Drücke beaufschlagt werden.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the second anode space (40) and. different pressures are applied to the second cathode compartment (44). 15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl der Verfahrensparameter Druck und Temperatur die Menge an Wasserstoff und Gleichstrom in der zweiten Reaktorzelle (15) gesteuert wird.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of hydrogen and direct current in the second reactor cell (15) is controlled by the choice of the process parameters pressure and temperature. CH 714 932 A1CH 714 932 A1
Figure CH714932A1_C0001
Figure CH714932A1_C0001
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GB1491680A (en) * 1975-01-21 1977-11-09 Barnard R Solar energy conversion using electrolysis
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