DE102014221148B4 - 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 - Google Patents
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Abstract
Betriebsverfahren eines Redox-Flow-Systems (10), umfassend die Schritte:- Speichern von Aktivmaterial (AM) in mindestens einem Aktivmaterialspeicher (210, 310), wobei der Aktivmaterialspeicher (210, 310) Aktivmaterial (AM) für eine Anode (120) oder für eine Kathode (130) von mindestens einer Redox-Flow-Zelle (100) des Redox-Flow-Systems (10) bereit stellt;- Zugabe von Lösungsmittel (L) zu dem Aktivmaterial (AM) stromaufwärts der Redox-Flow-Zelle (100) ;- Lösungsmittelentfernung stromabwärts der Redox-Flow-Zelle (100), wobei zumindest ein Teil des Lösungsmittels (L) wieder entfernt wird; und- Bereitstellen des entfernten Lösungsmittels (L) zur erneuten Zugabe zu dem Aktivmaterial (AM) stromaufwärts der Redox-Flow-Zelle (100) .Operating method of a redox flow system (10), comprising the steps: - storing active material (AM) in at least one active material storage (210, 310), the active material storage (210, 310) storing active material (AM) for an anode (120) or for a cathode (130) of at least one redox flow cell (100) of the redox flow system (10); - adding solvent (L) to the active material (AM) upstream of the redox flow cell (100) ;- Solvent removal downstream of the redox flow cell (100), at least part of the solvent (L) being removed again; and- providing the removed solvent (L) for re-addition to the active material (AM) upstream of the redox flow cell (100).
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 here relates to a redox flow system with at least one redox flow cell. A redox flow cell includes an anode and a cathode separated by an ion-permeable separator. Such redox flow cells themselves are known. 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 that contain active materials or redox pairs in ion form. The electrolyte solutions are stored in external tanks. The electrolyte in the cathode fluid circuit is called catholyte, and the electrolyte in the anode fluid circuit is called 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 atmospheric oxygen flows through the cathode. The energy converter is supplied with oxygen on the cathode side, which means that 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.The disadvantage of such redox flow systems is that the electrolyte solutions used so far 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 previously known electrolytes is therefore limited by the solubility limit. As a result, with reasonable effort, only an energy density can be achieved that makes its use for mobile applications uncompetitive.
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” also refers to 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 here to provide a redox flow system for mobile applications, which can provide energy for long journeys of a vehicle with a preferably low weight.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.The task(s) is/are solved by the subject matter of the independent patent 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 here relates to a redox flow system with at least one redox flow cell. A redox flow cell includes an anode and a cathode. The anode and cathode are separated from each other 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: Nation®, 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). A cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Materials for such a membrane are: Nation®, Flemion® and Aciplex®. To simplify matters, a system with a redox flow cell is often discussed here. If a component of the system is listed below in the singular, the plural should also be included. For example, a plurality of redox flow cells and sometimes a plurality of system components can 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 includes at least one active material storage for storing a redox active material. The redox active material (hereinafter: active material) is the redox couple that reacts in the redox flow cell and is responsible for generating the 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.In principle, all active materials that are present in both oxidized and reduced form in the liquid phase can be considered for the redox flow system disclosed here. Pairings with the highest or lowest possible reference potential, a low formula weight and the ability to exchange several electrons per formula turnover are particularly interesting. Active materials that dissolve well in the solvent, preferably water, are preferably used. Such active materials are known from the prior art. For example, a redox flow battery system is conceivable in which vanadium is used as the active material in the anolyte and 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, vanadium can be provided as the active material. The active material storage provides the active material for the anode or for the cathode. The at least one active material storage can be connected (fluidly) to the anode or to the cathode. Two memories are preferably provided, with one memory storing the active material for the catholyte and one memory 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 which is arranged upstream of the redox flow cell or the anode or the 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 can be designed, for example, as a mixer to which the active material is fed via a screw conveyor or 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 designed such that a measurable volume of solvent is introduced from the solvent tank into a mixing container and a measured amount of active material, in powder, paste or liquid form, is added so that a preferably homogeneous concentration is set. The mixing unit is preferably designed as a magnetic mixer. This means that a closed container can be used and leakage problems can be 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 to powdered active material, for example 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.The solvent addition unit is preferably arranged downstream or in the active material storage. The at least one solvent addition unit can 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 includes at least one solvent removal unit. The solvent removal unit is arranged downstream of the redox flow cell or the anode or the 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 return circuit which is suitable for feeding the solvent removed from the electrolyte to the solvent addition unit. The recycling can provide the removed solvent for re-addition to the active material upstream of the redox flow cell or the anode or the 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.The return can, for example, comprise a pipeline element which connects the solvent removal unit to the solvent addition unit. Furthermore, the return can 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 includes the step: storing at least one active material (AM) in at least one active material memory, the active material memory 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 includes the step: adding solvent to the active material, in particular 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 includes the step: solvent removal or solvent removal downstream of the redox flow cell or the anode or the cathode, in particular in a solvent removal unit. At least 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.Furthermore, the operating method includes the step: providing the removed solvent for re-addition to the active material upstream of the redox flow cell or the anode or the cathode, in particular by recycling the removed solvent into 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 can also be functionally integrated into other components of the redox flow system and do not have to be structurally 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 is or can be stored, in particular in an active material storage, as a dry powder, paste, pellets and/or a highly concentrated solution. The active material is particularly preferred as a highly concentrated solution stored, which has a concentration of at least 3 molar, more preferably 17 molar, and particularly preferably 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.The active material can preferably be brought into solution in the solvent addition unit. The resulting electrolyte solution, comprising the solvent and the active material, can then be fed to the at least one redox flow cell. The active materials are preferably brought into solution only for the passage through the cell stack or stack or energy converter which has the at least one redox flow cell. In other words, the dry or almost dry active material is brought into solution before the stack and the solvent is completely or largely removed after the stack. The removed solvent is then directed to a point in front of the stack and used there again to bring the dry active material into solution. This creates a closed solvent cycle in which the solvent can be continuously reused. This process can be applied 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 to transport the dissolved active materials through the stack. Since most of the solvent is in the solvent cycle and the active materials are stored in semi-solid or solid form or as a highly concentrated solution, a large part of the solvent can be saved with an electrolyte storage device compared to conventional redox flow systems. For mobile applications, such as a motor vehicle, up to 200 to 300 liters of solvent could be saved, which can lead to a significant reduction in the weight of the entire system. Due to the reduced vehicle weight, improved longitudinal and lateral dynamics as well as increased safety can also be achieved. In addition, the system disclosed here has potential for savings in terms of installation space. With the system disclosed here, motor vehicles can advantageously be realized which, with a storage capacity, can cover ranges that are already suitable for series production without increasing the total weight of the motor vehicle to a total weight that is not suitable for series production.
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.The redox flow system preferably comprises two active material storage units, two solvent addition units and two solvent removal units. An active material storage, a solvent addition unit and a solvent removal unit are preferably provided in the anode fluid circuit and an active material storage, a solvent addition unit and a solvent removal unit 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 includes an active material storage that stores the active material to form the catholyte. The active material for forming the catholyte is brought into solution in the solvent addition unit by adding solvent, whereby the catholyte is formed. The catholyte flows through the cathode and is then reduced in the solvent removal unit of the cathode fluid circuit. At the same time, the anode fluid circuit includes an active material reservoir for storing active material, which together with the solvent forms the anolyte, which ultimately 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 can further have at least one residual storage container which is designed to store the converted active material after the reaction in the redox flow cell and after solvent removal. In other words, the residual storage container is designed to store the active material extracted and converted from the electrolyte solution. The spent active material can, for example, be present as a highly concentrated solution or in semi-solid 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. In a further embodiment, the converted active material is fed back 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 shifts. If the redox flow system is designed, for example, as a redox flow battery, then, for example, the converted active material can be stored in the at least one active material storage. When the battery is charged, the converted active material is then converted into usable or convertible active material. In shift operation, for example, the completely discharged or converted active material can be collected in the residual storage container.
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 here further includes a motor vehicle with a redox flow system disclosed here. 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 to store 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, especially under negative pressure;
- - Precipitation of the converted active material from the converted electrolyte solution;
- - Reverse osmosis using a semi-permeable 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, the undissolved active materials can be separated from the electrolyte by mechanical separation (e.g. using a membrane filter or a centrifuge). In a further step, the solution can then be broken down into the components solvent and active material, for example by fractional distillation and/or by reverse osmosis. The necessary heat of evaporation for the distillation can be provided, for example, from the heat released during the subsequent condensation (heat pump principle).
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 can 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 (e.g. using a filter or a centrifuge). The solvent mixture (solvent + additive) can be separated, for example, by fractional distillation. Alternatively, the solvent mixture can be broken down into the components, for example by reverse osmosis. If a precipitation additive is used, an additional tank can be provided for storing the precipitation additive.
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 here, 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.Recuperation energy is generally understood to mean the energy recovered during the operation of a motor vehicle, for example the energy that is recovered for braking during a braking process by using an electric motor, which is therefore used as a generator.
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 zeigen
-
1 eine schematische Darstellung des Redox-Flow-Systems 10, und -
2 eine schematische Ansicht eines weiteren Redox-Flow-Systems 10.
-
1 a schematic representation of theredox flow system 10, and -
2 a schematic view of anotherredox flow system 10.
Kommen als Aktivmaterialien AM bzw. als Redox-Paar Sauerstoff und Vanadium zum Einsatz, so würde der Katholytfluidstromkreis 300 entfallen. Anstelle des Katholytfluidstromkreises 300 würde eine solche Redox-Flow-Batterie eine Kathode 130 aufweisen, die von Luftsauerstoff durchströmt wäre. Ein solches System könnte dann auch als Brennstoffzelle bezeichnet werden.If AM or oxygen and vanadium are used as active materials or as a redox pair, the catholyte
Das hier dargestellte Redox-Flow-System 10 umfasst eine Redox-Flow-Zelle 100 mit einer Anode 120 sowie einer Kathode 130, die durch den ionenselektiven Separator 150 voneinander getrennt sind. Der Aufbau der Redox-Flow-Zelle 100 ist aus vorbekannten Redox-Flow-Batterien bekannt und wird hier nicht weiter diskutiert. Der Anoden-Fluidstromkreis 200 und der Kathoden-Fluidstromkreis 300 sind gleich aufgebaut. In beiden Fluidstromkreisen 200, 300 ist jeweils ein Aktivmaterialspeicher 210, 310 angeordnet, der jeweils mit den entsprechenden Bereichen der Anode 120 und der Kathode 130 verbunden ist.The
Die Lösungsmittelzugabeeinheiten 220, 320 können bevorzugt unmittelbar benachbart zum jeweiligen Aktivmaterialspeicher 210, 310 angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung können die Lösungsmittelzugabeeinheiten 220, 320 im Aktivmaterialspeicher 210, 310 bzw. integral mit diesen ausgebildet sein. Die Lösungsmittelzugabeeinheit 220, 320 kann bspw. eine Mischvorrichtung 220, 320 sein, der mittels eines mechanischen Förderers, wie bspw. einer Förderschnecke, in halbfester oder fester Form Aktivmaterial zugeführt wird. Ferner ist auch denkbar, dass das Aktivmaterial als hochkonzentrierte Lösung vorliegt, die über andere geeignete Mittel zum Mischer 220, 320 befördert werden kann.The
Es ist auch möglich, die Lösungsmittelzugabeeinheit 220, 320 beabstandet vom Aktivmaterialspeicher 210, 310 vorzusehen. Bei der hier gezeigten Ausgestaltung ist die Lösungsmittelzugabeeinheit 220, 320 stromaufwärts von der Redox-Flow-Zelle 100 angeordnet. Von den Lösungsmittelzugabeeinheiten 220, 320 fließt der durch das Mischen bzw. in-Lösung-bringen entstandene Elektrolyt AML, also der Anolyt und der Katholyt, durch entsprechende Zuleitungen 230, 330 zur Redox-Flow-Zelle 100. Der Elektrolyt AML kann bspw. mittels Förderpumpen 260, 360 befördert werden. In der Redox-Flow-Zelle 100 finden dann die elektrochemischen Reaktionen statt, die ursächlich für die Zellspannung sind, die dem System 10 letztendlich entnommen werden kann. Der in der elektrochemischen Reaktion umgesetzte Elektrolyt AM'L verlässt die Redox-Flow-Zelle 100 und strömt durch entsprechende Ableitungen 250, 350 zu den Lösungsmittelentfernungseinheiten 240, 340, die stromabwärts der Redox-Flow-Zelle 100 angeordnet sind. Als Elektrolyt kann beispielsweise eine Elektrolytlösung oder eine Elektrolyt-Suspension eingesetzt werden.It is also possible to provide the
In den Lösungsmittelentfernungseinheiten 240, 340 wird das Lösungsmittel L zumindest teilweise aus dem verbrauchten Elektrolyt AM'L entfernt. Der umgesetzte Elektrolyt AM'L wird dadurch aufkonzentriert. Das umgesetzte Aktivmaterial AM' kann bspw. dem Aktivmaterialspeicher 210, 310 wieder zugefügt werden. Im Aktivmaterialspeicher 210, 310 wird dann unverbrauchtes Aktivmaterial AM sowie umgesetztes Aktivmaterial AM` gespeichert. Während des Ladevorgangs wird umgesetztes Aktivmaterial AM' wieder in „unverbrauchtes“ Aktivmaterial AM umgewandelt.In the
Die aus dem umgesetzten Elektrolyt AM'L entfernte bzw. gewonnene Lösung L wird durch die Rückführung 270, 370 den Lösungsmittelzugabeeinheiten 220, 320 zugeführt. Die Rückführungen 270, 370 können bspw. einen Vorratstank 272, 372 umfassen, in dem Lösungsmittel L zwischengespeichert wird.The solution L removed or obtained from the reacted electrolyte AM'L is fed to the
Ferner kann in den Ableitungen 250, 350 ein Vorratstank angeordnet sein, in dem umgesetztes Elektrolytmaterial AM'L zwischengespeichert werden kann. Das zwischengespeicherte Elektrolytmaterial AM'L kann bspw. in Rekuperationsphasen der Lösungsmittelentfernungseinheit 240, 340 zugeführt werden. Die Rekuperationsenergie von der elektrischen Arbeitsmaschine kann dann beispielsweise dazu genutzt werden, das Lösungsmittel zu entfernen, wodurch energieeffizient das Lösungsmittel L rückgeführt werden kann.Furthermore, a storage tank can be arranged in the
In der hier dargestellten Ausgestaltung sind die Komponenten 210, 220 und 240 sowie 310, 320 und 340 benachbart zueinander angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung können diese Komponenten jedoch auch beabstandet und durch Leitungen miteinander verbunden sein.In the embodiment shown here, the
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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