DE102014221148A1 - Operating method of a redox flow system and a motor vehicle and redox flow system and motor vehicle with a redox flow system - Google Patents
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Abstract
Redox-Flow-System 10 und Kraftfahrzeug mit: 1) mindestens einer Redox-Flow-Zelle 100, die eine Anode 120 und eine Kathode 130 aufweist, die durch einen ionenselektiven Separator 140 voneinander getrennt sind; 2) mindestens einen Aktivmaterialspeicher 210, 310 zur Speicherung eines Redox-Aktivmaterials AM, wobei der Aktivmaterialspeicher 210, 310 Aktivmaterial AM für die Anode 120 oder für die Kathode 130 bereit stellt; 3) mindestens eine Lösungsmittelzugabeeinheit 220, 320 die stromaufwärts der Anode 120 oder der Kathode 130 angeordnet ist, wobei die Lösungsmittelzugabeeinheit 220, 320 geeignet ist, Lösungsmittel L zu dem Redox-Aktivmaterial AM zu geben; 4) mindestens eine Lösungsmittelentfernungseinheit 240, 340, die stromabwärts der Anode 120 oder der Kathode 130 angeordnet ist, wobei die Lösungsmittelentfernungseinheit 240, 340 geeignet ist, Lösungsmittel L zu entfernen; und 5) mindestens eine Rückführung 270, 370, die geeignet ist, das entfernte Lösungsmittel L der Lösungsmittelzugabeeinheit 220, 320 zuzuführen. Offenbart ist ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Redox-Flow-Systems bzw. eines Kraftfahrzeuges.Redox flow system 10 and motor vehicle comprising: 1) at least one redox flow cell 100 having an anode 120 and a cathode 130 separated by an ion selective separator 140; 2) at least one active material store 210, 310 for storing a redox active material AM, the active material store 210, 310 providing active material AM for the anode 120 or for the cathode 130; 3) at least one solvent addition unit 220, 320 disposed upstream of the anode 120 or the cathode 130, wherein the solvent addition unit 220, 320 is adapted to add solvent L to the redox active material AM; 4) at least one solvent removal unit 240, 340 located downstream of the anode 120 or the cathode 130, the solvent removal unit 240, 340 being adapted to remove solvent L; and 5) at least one recycle 270, 370 adapted to supply the removed solvent L to the solvent addition unit 220, 320. Also disclosed is a method for operating a redox flow system or a motor vehicle.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Betriebsverfahren eines Redox-Flow-Systems und eines Kraftfahrzeuges sowie ein Redox-Flow-System und ein Kraftfahrzeug mit einem Redox-Flow-System.The technology disclosed herein relates to an operating method of a redox flow system and a motor vehicle as well as a redox flow system and a motor vehicle with a redox flow system.
Die hier offenbarte Technology betrifft ein Redox-Flow-System mit mindestens einer Redox-Flow-Zelle. Eine Redox-Flow-Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenpermeablen Separator voneinander getrennt sind. Solche Redox-Flow-Zellen an sich sind bekannt. Sie werden bspw. in Redox-Flow-Batterien eingesetzt. Bei einer Redox-Flow-Batterie bzw. Redox-Flussbatterie, wird die Redox-Flow-Zelle bzw. Redox-Flusszelle von zwei energiespeichernden Elektrolytlösungen durchströmt, die Aktivmaterialien bzw. Redox-Paare ionenförmig enthalten. Die Elektrolytlösungen werden in externen Tanks gespeichert. Der Elektrolyt im Kathoden-Fluidstromkreis wird als Katholyt bezeichnet, der Elektrolyt des Anoden-Fluidstromkreises als Anolyt. Neben Batterien mit Elektrolyttanks für die Katholytlösung und Anolytlösung sind auch Aufbauten bekannt, bei denen als Anolytlösung Vanadium eingesetzt wird und die Kathode von Luftsauerstoff durchströmt wird. Kathodenseitig wird der Energiewandler also mit Sauerstoff versorgt, wodurch die Katholytlösung entfallen kann. Redox-Flow-Zellen werden ebenfalls in manchen Redox-Flow-Brennstoffzellensystemen eingesetzt.The technology disclosed herein relates to a redox flow system having at least one redox flow cell. A redox flow cell comprises an anode and a cathode separated by an ion permeable separator. Such redox flow cells are known per se. They are used, for example, in redox flow batteries. In a redox flow battery or redox flow battery, the redox flow cell or redox flow cell is flowed through by two energy-storing electrolyte solutions which contain active materials or redox pairs in an ionic form. The electrolyte solutions are stored in external tanks. The electrolyte in the cathode fluid circuit is referred to as catholyte, the electrolyte of the anode fluid circuit as anolyte. In addition to batteries with electrolyte tanks for the catholyte solution and anolyte solution, structures are also known in which vanadium is used as the anolyte solution and the cathode is traversed by atmospheric oxygen. On the cathode side, the energy converter is thus supplied with oxygen, whereby the catholyte solution can be omitted. Redox flow cells are also used in some redox flow fuel cell systems.
Nachteilig an solchen Redox-Flow-Systemen ist, dass die bisher verwendeten Elektrolytlösungen eine relativ geringe Energiespeicherkapazität aufweisen. Die Aktivmaterialien sind in vorbekannten Elektrolyten hauptsächlich in gelöster Form (Elektrolytlösung) vorhanden. Die Menge an Aktivmaterialien der vorbekannten Elektrolyten ist also durch die Löslichkeitsgrenze limitiert. Dadurch lässt sich mit vertretbarem Aufwand lediglich eine Energiedichte erreichen, die den Einsatz für mobile Anwendungen nicht wettbewerbsfähig macht.A disadvantage of such redox flow systems is that the electrolyte solutions used hitherto have a relatively low energy storage capacity. The active materials are present in previously known electrolytes mainly in dissolved form (electrolyte solution). The amount of active materials of the prior art electrolytes is therefore limited by the solubility limit. As a result, only an energy density can be achieved at a reasonable cost, which makes the use for mobile applications not competitive.
Ein „Elektrolyt” ist allgemein eine chemische Verbindung, die im festen, flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen dissoziiert ist. Mit „Elektrolyt” wird auch das feste oder flüssige Material bezeichnet, das die beweglichen Ionen enthält.An "electrolyte" is generally a chemical compound that is dissociated into ions in the solid, liquid or dissolved state. "Electrolyte" is also the solid or liquid material that contains the mobile ions.
Beispielsweise ist aus der
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der vorbekannten Lösung zu verringern bzw. zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Redox-Flow-System für mobile Anwendungen bereitzustellen, welches bei bevorzugt geringem Eigengewicht Energie für lange Fahrtstrecken eines Fahrzeugs bereitstellen kann.It is an object of the present invention to reduce or eliminate the disadvantages of the previously known solution. In particular, it is an object of the technology disclosed herein to provide a redox flow system for mobile applications, which can provide energy for long journeys of a vehicle at preferably low dead weight.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims represent preferred embodiments.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Redox-Flow-System mit mindestens einer Redox-Flow-Zelle. Eine Redox-Flow-Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode. Die Anode und die Kathode sind durch einen ionenselektiven Separator voneinander getrennt.The technology disclosed herein relates to a redox flow system having at least one redox flow cell. A redox flow cell comprises an anode and a cathode. The anode and cathode are separated by an ion selective separator.
Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Es wird hier vereinfachend oft ein System mit einer Redox-Flow-Zelle diskutiert. Sofern eine Komponente des Systems nachstehend in der Einzahl angeführt ist, soll die Mehrzahl ebenfalls mit umfasst sein. Beispielsweise kann eine Mehrzahl an Redox-Flow-Zellen und teilweise eine Mehrzahl an Systemkomponenten vorgesehen sein.The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane include Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®. For simplicity's sake, a system with a redox flow cell is often discussed here. If a component of the system is listed below in the singular, the majority should also be included. For example, a plurality of redox flow cells and partially a plurality of system components may be provided.
Das Redox-Flow-System umfasst mindestens einen Aktivmaterialspeicher zur Speicherung eines Redox-Aktivmaterials. Das Redox-Aktivmaterial (nachstehend: Aktivmaterial) ist das Redox-Paar, welches in der Redox-Flow-Zelle reagiert und für die Erzeugung der Zellenspannung ursächlich ist.The redox flow system comprises at least one active material store for storing a redox active material. The redox-active material (hereinafter: active material) is the redox couple which reacts in the redox-flow cell and is responsible for the generation of cell voltage.
Für das hier offenbarte Redox-Flow-System kommen prinzipiell alle Aktivmaterialien in Betracht, die in flüssiger Phase sowohl oxidiert als auch reduziert vorliegen. Besonders interessant sind Paarungen mit möglichst hohem bzw. niedrigem Referenzpotenzial, einem geringen Formelgewicht und der Fähigkeit, mehrere Elektronen pro Formelumsatz auszutauschen. Bevorzugt kommen dabei Aktivmaterialien zum Einsatz, die sich gut im Lösungsmittel, bevorzugt Wasser, lösen. Solche Aktivmaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist ein Redox-Flow-Batteriesystem vorstellbar, bei dem als Aktivmaterial im Anolyt sowie im Katholyt Vanadium eingesetzt wird. Andere Redox-Flow-Systeme arbeiten bspw. mit Vanadium und Chrom, mit Zink und Brom oder mit Vanadium und Sauerstoff.For the redox flow system disclosed here, in principle all active materials are considered which are both oxidized and reduced in the liquid phase. Particularly interesting are pairings with the highest possible or low reference potential, a low formula weight and the ability to exchange several electrons per formula turnover. Active materials are preferably used which dissolve well in the solvent, preferably water. Such active materials are known in the art. For example, a redox flow battery system is conceivable in which vanadium is used as the active material in the anolyte and in the catholyte. Other redox flow systems work, for example, with vanadium and chromium, with zinc and bromine or with vanadium and oxygen.
Beispielsweise kann als Aktivmaterial Vanadium vorgesehen sein. Der Aktivmaterialspeicher stellt das Aktivmaterial für die Anode oder für die Kathode bereit. Der mindestens eine Aktivmaterialspeicher kann mit der Anode oder mit der Kathode (fluid)verbunden sein. Bevorzugt sind zwei Speicher vorgesehen, wobei ein Speicher das Aktivmaterial für den Katholyt und ein Speicher das Aktivmaterial für den Anolyt speichert. For example, be provided as active material vanadium. The active material storage provides the active material for the anode or for the cathode. The at least one active material store may be connected to the anode or to the cathode (fluid). Preferably, two reservoirs are provided, one reservoir storing the active material for the catholyte and one reservoir storing the active material for the anolyte.
Das Redox-Flow-System umfasst ferner mindestens eine Lösungsmittelzugabeeinheit, die stromaufwärts der Redox-Flow-Zelle bzw. der Anode oder der Kathode angeordnet ist.The redox flow system further comprises at least one solvent addition unit located upstream of the redox flow cell or anode or cathode.
Die Lösungsmittelzugabeeinheit ist geeignet, Lösungsmittel zu dem Aktivmaterial zu geben. Eine solche Lösungsmittelzugabeeinheit kann bspw. als Mischer ausgebildet sein, dem das Aktivmaterial über eine Förderschnecke oder über ein Förderband zugeführt wird.The solvent addition unit is suitable for adding solvent to the active material. Such a solvent addition unit may, for example, be designed as a mixer to which the active material is fed via a screw conveyor or via a conveyor belt.
Die Lösungsmittelzugabeeinheit ist so ausgestaltet, dass ein abmessbares Lösungsmittelvolumen aus dem Lösungsmitteltank in einen Mischbehälter vorgelegt wird und eine abgemessene Menge an Aktivmaterial, in Pulver-, Pasten- oder flüssiger Form zugegeben wird, damit eine bevorzugt homogene Konzentration eingestellt wird. Die Mischeinheit ist vorzugsweise als Magnetmischer ausgestaltet. So kann ein geschlossenes Behältnis verwendet und Dichtigkeitsprobleme umgangen werden.The solvent addition unit is configured such that a measurable volume of solvent from the solvent tank is placed in a mixing vessel and a measured amount of active material, in powder, paste or liquid form, is added to adjust a preferably homogeneous concentration. The mixing unit is preferably designed as a magnetic mixer. So a closed container can be used and leakage problems are avoided.
Beispielsweise kann das Lösungsmittel als Spray auf pulverförmiges Aktivmaterial aufgebracht werden, z. B. in einem Mischer.For example, the solvent can be applied as a spray on powdered active material, for. B. in a mixer.
Bevorzugt ist die Lösungsmittelzugabeeinheit stromabwärts oder im Aktivmaterialspeicher angeordnet. Die mindestens eine Lösungsmittelzugabeeinheit kann integral mit dem Aktivmaterialspeicher ausgebildet sein. Der Begriff „stromabwärts” bezieht sich dabei auf den Strom des Aktivmaterials.Preferably, the solvent addition unit is located downstream or in the active material storage. The at least one solvent addition unit may be formed integrally with the active material storage. The term "downstream" refers to the flow of the active material.
Das Redox-Flow-System umfasst ferner mindestens eine Lösungsmittelentfernungseinheit. Die Lösungsmittelentfernungseinheit ist stromabwärts der Redox-Flow-Zelle bzw. der Anode oder der Kathode angeordnet. Die Lösungsmittelentfernungseinheit ist geeignet, das Lösungsmittel, insbesondere aus einer Elektrolytlösung, zu entfernen bzw. separieren.The redox flow system further comprises at least one solvent removal unit. The solvent removal unit is located downstream of the redox flow cell or anode or cathode. The solvent removal unit is suitable for removing or separating the solvent, in particular from an electrolyte solution.
Das Redox-Flow-System umfasst ferner mindestens eine Rückführung, die geeignet ist, das aus dem Elektrolyt entfernte Lösungsmittel der Lösungsmittelzugabeeinheit zuzuführen. Die Rückführung kann das entfernte Lösungsmittel zur erneuten Zugabe zu dem Aktivmaterial stromaufwärts der Redox-Flow-Zelle bzw. der Anode oder der Kathode bereit stellen.The redox flow system further comprises at least one recycle capable of feeding the solvent removed from the electrolyte to the solvent addition unit. The recycle may provide the removed solvent for re-addition to the active material upstream of the redox flow cell or anode or cathode.
Die Rückführung kann bspw. ein Rohrleitungselement umfassen, welches die Lösungsmittelentfernungseinheit mit der Lösungsmittelzugabeeinheit verbindet. Ferner kann die Rückführung einen Tank zur (Zwischen-)Speicherung von Lösungsmittel umfassen. In einer weiteren Ausgestaltung sind die Lösungsmittelzugabeeinheit, die Lösungsmittelentfernungseinheit und/oder der Tank zur Speicherung des Lösungsmittels in einem Gehäuse untergebracht.For example, the recycle may include a tubing member connecting the solvent removal unit to the solvent addition unit. Further, the recycle may include a tank for (intermediate) storage of solvent. In a further embodiment, the solvent addition unit, the solvent removal unit and / or the tank for storing the solvent are housed in a housing.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Betriebsverfahren für ein Redox-Flow-System. Das Betriebsverfahren umfasst bevorzugt den Schritt: Speichern von mindestens einem Aktivmaterial (AM) in mindestens einem Aktivmaterialspeicher, wobei der Aktivmaterialspeicher Aktivmaterial für eine Anode oder für eine Kathode von mindestens einer Redox-Flow-Zelle des Redox-Flow-Systems bereit stellt.The technology disclosed herein further includes an operating method for a redox flow system. The operating method preferably comprises the step of storing at least one active material (AM) in at least one active material store, the active material store providing active material for an anode or for a cathode of at least one redox flow cell of the redox flow system.
Das Betriebsverfahren für ein Redox-Flow-System umfasst den Schritt: Zugabe von Lösungsmittel zu dem Aktivmaterial, insbesondere in einer Lösungsmittelzugabeeinheit stromaufwärts der Anode oder der Kathode und bevorzugt stromabwärts oder im Aktivmaterialspeicher.The operating method for a redox flow system comprises the step of adding solvent to the active material, especially in a solvent addition unit upstream of the anode or the cathode, and preferably downstream or in the active material storage.
Ferner umfasst das Betriebsverfahren den Schritt: Lösungsmittelentfernung bzw. Lösungsmittelentnahme stromabwärts der Redox-Flow-Zelle bzw. der Anode oder der Kathode, insbesondere in einer Lösungsmittelentfernungseinheit. Dabei wird zumindest ein Teil des Lösungsmittels wieder entfernt wird.Furthermore, the operating method comprises the step: solvent removal downstream of the redox flow cell or the anode or the cathode, in particular in a solvent removal unit. In this case, at least a part of the solvent is removed again.
Ferner umfasst das Betriebsverfahren den Schritt: Bereitstellen des entfernten Lösungsmittels zur erneuten Zugabe zu dem Aktivmaterial stromaufwärts der Redox-Flow-Zelle bzw. der Anode oder der Kathode, insbesondere durch Rückführung des entfernten Lösungsmittels in die Lösungsmittelzugabeeinheit.Further, the operating method comprises the step of providing the removed solvent for re-addition to the active material upstream of the redox flow cell or anode or cathode, in particular by recycling the removed solvent to the solvent addition unit.
Die Lösungsmittelzugabeeinheit und/oder die Lösungsmittelentfernungseinheit können funktional auch in anderen Komponenten des Redox-Flow-Systems integriert sein und müssen baulich nicht eine eigene Einheit darstellen.The solvent addition unit and / or the solvent removal unit may be functionally integrated in other components of the redox flow system and structurally need not be a separate unit.
Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein System und ein Verfahren, bei dem das Aktivmaterial, insbesondere in einem Aktivmaterialspeicher, als Trockenpulver, Paste, Pellets und/oder hochkonzentrierter Lösung gespeichert wird bzw. gespeichert werden kann. Besonders bevorzugt ist das Aktivmaterial als hochkonzentrierte Lösung gespeichert, die eine Konzentration von mindestens 3 molar, ferner bevorzugt von 17 molar, und besonders bevorzugt von 30 molar aufweist.The technology disclosed here relates in particular to a system and a method in which the active material, in particular in an active material storage, can be stored or stored as dry powder, paste, pellets and / or highly concentrated solution. Particularly preferably, the active material is stored as a highly concentrated solution having a concentration of at least 3 molar, more preferably of 17 molar, and particularly preferably of 30 molar.
Bevorzugt kann das Aktivmaterial in der Lösungsmittelzugabeeinheit in Lösung gebracht werden. Die entstehende Elektrolytlösung, umfassend das Lösungsmittel und das Aktivmaterial, kann dann der mindestens einen Redox-Flow-Zelle zugeführt werden. Bevorzugt werden die Aktivmaterialien nur für den Durchgang durch den die mindestens eine Redox-Flow-Zelle aufweisenden Zellenstapel bzw. Stack bzw. Energiewandler in Lösung gebracht. Mit anderen Worten wird vor dem Stack das trockene oder fast trockene Aktivmaterial in Lösung gebracht und nach dem Stack das Lösungsmittel ganz oder größtenteils entzogen. Das entzogene Lösungsmittel wird dann an eine Stelle vor den Stack geleitet und dort wieder dazu verwendet, das trockene Aktivmaterial in Lösung zu bringen. Es entsteht somit also ein geschlossener Lösungsmittelkreislauf, bei dem das Lösungsmittel kontinuierlich wieder verwertet werden kann. Dieser Prozess kann sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite angewendet werden. Alternativ ist es möglich, durch Zugabe von Lösungsmittel eine Suspension zu erhalten, die dann der mindestens einen Redox-Flow-Zelle zugeführt werden kann.Preferably, the active material may be solubilized in the solvent addition unit. The resulting electrolyte solution comprising the solvent and the active material may then be supplied to the at least one redox flow cell. The active materials are preferably brought into solution only for passage through the cell stack or stack or energy converter having the at least one redox flow cell. In other words, the dry or almost dry active material is placed in solution in front of the stack and after the stack the solvent is completely or largely removed. The withdrawn solvent is then passed to a location in front of the stack where it is reused to solubilize the dry active material. Thus, therefore, there is a closed solvent cycle in which the solvent can be recycled continuously. This process can be used on both the cathode side and the anode side. Alternatively, it is possible to obtain a suspension by adding solvent, which can then be fed to the at least one redox flow cell.
Gegenüber den vorbekannten Lösungen wird ein vergleichsweise geringes Volumen an Lösungsmittel für den Transport der gelösten Aktivmaterialien durch den Stack benötigt. Da der größte Teil des Lösungsmittels sich im Lösungsmittelkreislauf befindet und die Aktivmaterialien in halbfester oder fester Form oder als hochkonzentrierte Lösung gespeichert werden, kann gegenüber herkömmlichen Redox-Flow-Systemen mit einer Elektrolytspeichervorrichtung ein großer Teil des Lösungsmittels eingespart werden. Für mobile Anwendungen, wie bspw. ein Kraftfahrzeug, könnten somit bis zu 200 bis 300 Liter Lösungsmittel eingespart werden, was zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung des Gesamtsystems führen kann. Aufgrund des verringerten Fahrzeuggewichts kann überdies eine verbesserte Längs- und Querdynamik sowie eine erhöhte Sicherheit erzielt werden. Überdies weist das hier offenbarte System Einsparpotenziale bzgl. des Bauraums auf. Mit dem hier offenbarten System lassen sich vorteilhaft Kraftfahrzeuge realisieren, die mit einer Speicherfüllung bereits serienfähige Reichweiten zurücklegen können ohne dabei das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeuges auf ein nicht serienfähiges Gesamtgewicht zu steigern.Compared to the previously known solutions, a comparatively small volume of solvent is required for the transport of the dissolved active materials through the stack. Since most of the solvent is in the solvent cycle and the active materials are stored in semisolid or solid form or as a highly concentrated solution, much of the solvent can be saved over conventional redox flow systems with an electrolyte storage device. For mobile applications, such as. A motor vehicle, thus up to 200 to 300 liters of solvent could be saved, which can lead to a significant reduction in weight of the overall system. Due to the reduced vehicle weight, moreover, improved longitudinal and lateral dynamics and increased safety can be achieved. Moreover, the system disclosed here has savings potential with regard to the installation space. With the system disclosed here, it is possible to realize motor vehicles which can already cover series-ready ranges with a storage charge without thereby increasing the total weight of the motor vehicle to a non-series-capable total weight.
Bevorzugt umfasst das Redox-Flow-System zwei Aktivmaterialspeicher, zwei Lösungsmittelzugabeeinheiten und zwei Lösungsmittelentfernungseinheiten. Bevorzugt sind jeweils ein Aktivmaterialspeicher, eine Lösungsmittelzugabeeinheit und eine Lösungsmittelentfernungseinheit im Anoden-Fluidstromkreis und ein Aktivmaterialspeicher, eine Lösungsmittelzugabeeinheit und eine Lösungsmittelentfernungseinheit im Kathoden-Fluidstromkreis vorgesehen.Preferably, the redox flow system comprises two active material reservoirs, two solvent addition units and two solvent removal units. Preferably, an active material storage, a solvent addition unit, and a solvent removal unit in the anode fluid circuit and an active material storage, a solvent addition unit, and a solvent removal unit are respectively provided in the cathode fluid circuit.
Mit anderen Worten umfasst das Redox-Flow-System bevorzugt einen Aktivmaterialspeicher, der das Aktivmaterial zur Ausbildung des Katholyts speichert. Das Aktivmaterial zur Ausbildung des Katholyts wird in der Lösungsmittelzugabeeinheit durch Zugabe von Lösungsmittel in Lösung gebracht, wodurch das Katholyt entsteht. Das Katholyt durchströmt die Kathode und wird danach in der Lösungsmittelentfernungseinheit des Kathoden-Fluidstromkreises reduziert. Gleichsam umfasst der Anoden-Fluidstromkreis einen Aktivmaterialspeicher zur Speicherung von Aktivmaterial, welches zusammen mit dem Lösungsmittel das Anolyt ausbildet, welches schließlich die Anode durchströmt, bevor in der Lösungsmittelentfernungseinheit des Anoden-Fluidstromkreises das Lösungsmittel entfernt wird.In other words, the redox-flow system preferably comprises an active material storage which stores the active material for forming the catholyte. The active material for forming the catholyte is dissolved in the solvent addition unit by the addition of solvent, thereby forming the catholyte. The catholyte flows through the cathode and is subsequently reduced in the solvent removal unit of the cathode fluid circuit. Likewise, the anode fluid circuit comprises an active material storage for storing active material, which together with the solvent forms the anolyte, which finally flows through the anode before the solvent is removed in the solvent removal unit of the anode fluid circuit.
Das Redox-Flow-System kann ferner mindestens einen Restspeicherbehälter aufweisen, der ausgebildet ist, das umgesetzte Aktivmaterial nach der Reaktion in der Redox-Flow-Zelle und nach der Lösungsmittelentfernung zu speichern. Mit anderen Worten ist der Restspeicherbehälter ausgebildet, das aus der Elektrolytlösung extrahierte und umgesetzte Aktivmaterial zu speichern. Das verbrauchte Aktivmaterial kann bspw. wiederum als hochkonzentrierte Lösung oder in halbfester oder fester Form vorliegen. In einer Ausgestaltung kann der Restspeicherbehälter und der Aktivmaterialspeicher in einem Speichergehäuse bzw. in einem Speichervolumen untergebracht sein, bspw. durch eine Trennwand getrennt. In einer weiteren Ausgestaltung wird das umgesetzte Aktivmaterial wieder dem Aktivmaterialspeicher zugeführt.The redox-flow system may further comprise at least one residual storage tank configured to store the reacted active material after the reaction in the redox flow cell and after the solvent removal. In other words, the residual storage tank is configured to store the active material extracted from the electrolyte solution and stored. The spent active material may, for example, again be present as a highly concentrated solution or in semisolid or solid form. In one embodiment, the residual storage container and the active material storage can be accommodated in a storage housing or in a storage volume, for example, separated by a partition wall. In a further embodiment, the reacted active material is returned to the active material storage.
Bevorzugt wird das Redox-Flow-System kontinuierlich oder im Schichtbetrieb betrieben. Ist das Redox-Flow-System bspw. als Redox-Flow-Batterie ausgebildet, so kann bspw. das umgesetzte Aktivmaterial in dem mindestens einen Aktivmaterialspeicher gespeichert werden. Beim Aufladen der Batterie wird dann das umgesetzte Aktivmaterial wiederum in verwertbares bzw. umsetzbares Aktivmaterial umgewandelt. Im Schichtbetrieb kann bspw. das völlig entladene bzw. umgesetzte Aktivmaterial im Restspeicherbehälter aufgefangen werden.The redox flow system is preferably operated continuously or in stratified mode. If the redox flow system is designed, for example, as a redox flow battery, then, for example, the reacted active material can be stored in the at least one active material store. When recharging the battery then the reacted active material is again converted into usable or convertible active material. In stratified operation, for example, the completely discharged or reacted active material can be collected in the residual storage tank.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit einem hier offenbarten Redox-Flow-System. Die offenbarte Technologie ist aber nicht auf mobile Anwendungen beschränkt. Die hier offenbarte Technologie kann bspw. auch für stationäre Redox-Flow-Systeme zur Speicherung von Energie verwendet werden.The technology disclosed herein further includes a motor vehicle having a redox flow system disclosed herein. However, the disclosed technology is not limited to mobile applications. The technology disclosed here can also be used, for example, for stationary redox flow systems for the storage of energy.
Die Entfernung des Lösungsmittels aus der in der mindestens einen Redox-Flow-Zelle umgewandelten Elektrolytlösung kann beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Verfahren umfassen:
- – Verdampfung oder Verdunsten des Lösungsmittels, insbesondere unter Unterdruck;
- – Ausfällung des umgewandelten Aktivmaterials aus der umgewandelten Elektrolytlösung;
- – Umkehrosmose mittels einer semipermeablen Membran;
- – Zentrifugieren der umgewandelten Elektrolytlösung;
- – Lösungsmittelextraktion, beispielsweise durch Einbringen von mindestens einem zusätzlichen Lösungsmittel; und/oder
- – Filtration.
- - evaporation or evaporation of the solvent, in particular under reduced pressure;
- Precipitation of the converted active material from the converted electrolyte solution;
- - reverse osmosis by means of a semipermeable membrane;
- - centrifuging the converted electrolyte solution;
- - Solvent extraction, for example by introducing at least one additional solvent; and or
- - Filtration.
Beispielsweise lassen sich durch mechanische Trennung (z. B. durch ein Membranfilter oder eine Zentrifuge) die nicht gelösten Aktivmaterialien aus dem Elektrolyten separieren. In einem weiteren Schritt kann dann beispielsweise durch fraktionierte Destillation und/oder durch umgekehrte Osmose die Lösung in die Bestandteile Lösungsmittel und Aktivmaterial zerlegt werden. Die nötige Verdampfungswärme für die Destillation kann z. B. aus der bei der nachfolgenden Kondensation freiwerdenden Wärme bereitgestellt werden (Prinzip Wärmepumpe).For example, by mechanical separation (eg, by a membrane filter or a centrifuge), the undissolved active materials can be separated from the electrolyte. In a further step, the solution can then be broken down into the constituents solvent and active material, for example by fractional distillation and / or by reverse osmosis. The necessary heat of evaporation for the distillation can, for. B. be made available from the released during the subsequent condensation heat (principle heat pump).
Beispielsweise kann das Lösungsmittel mit einem Ausfällungs-Zusatz versehen werden, so dass die Löslichkeit des Aktivmaterials überschritten wird und es zur Ausfällung des Aktivmaterials kommt. Das ausgefällte Aktivmaterial wird mechanisch (z. B. durch ein Filter oder eine Zentrifuge) abgetrennt. Das Lösungsmittelgemisch (Lösungsmittel + Zusatz) kann z. B. durch fraktionierte Destillation aufgetrennt werden. Alternativ kann das Lösungsmittelgemisch beispielsweise durch umgekehrte Osmose in die Bestandteile zerlegt werden. Wird ein Ausfällungs-Zusatz eingesetzt, so kann ein zusätzlicher Tank zur Speicherung des Ausfällungs-Zusatz vorgesehen sein.For example, the solvent may be provided with a precipitation additive so that the solubility of the active material is exceeded and precipitation of the active material occurs. The precipitated active material is separated mechanically (eg by a filter or a centrifuge). The solvent mixture (solvent + additive) may, for. B. be separated by fractional distillation. Alternatively, the solvent mixture can be broken down into the constituents, for example by reverse osmosis. If a precipitation additive is used, then an additional tank for storing the precipitation additive can be provided.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Betriebsverfahren eines Kraftfahrzeuges, welches die Schritte aufweist:
- – Betreiben des hier offenbarten Redox-Flow-Systems, und
- – Zuführen von Rekuperationsenergie zu der Lösungsmittelentfernungseinheit.
- Operating the redox-flow system disclosed herein, and
- Supplying recuperation energy to the solvent removal unit.
Unter Rekuperationsenergie versteht man allgemein die während des Betriebs eines Kraftfahrzeuges zurückgewonnene Energie, bspw. die Energie, die während eines Bremsvorgangs durch den Einsatz eines Elektromotors, der somit als Generator genutzt wird, zur Bremsung zurückgewonnen wird.Under recuperation energy is generally understood the recovered during operation of a motor vehicle energy, eg. The energy that is recovered during braking by the use of an electric motor, which is thus used as a generator for braking.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rekuperationsenergie dazu verwendet werden, eine Batterie, bevorzugt eine Redox-Flow-Batterie zu laden.Alternatively or additionally, the recuperation energy can be used to charge a battery, preferably a redox flow battery.
Im Folgenden wird die hier offenbarte Technologie nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigenIn the following, the technology disclosed here will now be explained with reference to figures. Show it
Kommen als Aktivmaterialien AM bzw. als Redox-Paar Sauerstoff und Vanadium zum Einsatz, so würde der Katholytfluidstromkreis
Das hier dargestellte Redox-Flow-System
Die Lösungsmittelzugabeeinheiten
Es ist auch möglich, die Lösungsmittelzugabeeinheit
In den Lösungsmittelentfernungseinheiten
Die aus dem umgesetzten Elektrolyt AM'L entfernte bzw. gewonnene Lösung L wird durch die Rückführung
Ferner kann in den Ableitungen
In der hier dargestellten Ausgestaltung sind die Komponenten
Abweichend von der Ausgestaltung gemäß
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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