DE102015119159A1 - Light-Rechargeable Redox Flow Battery - Google Patents

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Abstract

Eine durch Licht aufladbare Redox-Flow-Batterie besitzt eine erste und eine zweite Halbzelle (1, 2), wobei die erste Halbzelle (1) eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer (5) aufweist, an die eine flächig mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Elektrode (13) angrenzt, wobei die Kammer (5) an einen aus einem Elektrolyttank (9) und einer Elektrolytpumpe (11) bestehenden Elektrolytkreislauf (7) angeschlossen ist. Die Elektrode (13) besteht aus einem Photohalbleiter, der sich vor einem Fenster (19) im Gehäuse (3) der Batterie befindet. Durch die Substitution mindestens einer der beiden konventionellen Elektroden (13, 15) einer Redox-Flow-Batterie durch eine Photoelektrode (20, 21) kann diese unmittelbar mit Sonnenlicht geladen werden. Ein externer Anschluss an eine elektrische Energiequelle ist nicht mehr zwingend notwendig.A light-rechargeable redox flow battery has a first and a second half-cell (1, 2), wherein the first half-cell (1) has a chamber (5) filled with an electrolyte, to which a flat with the electrolyte Electrode (13) is adjacent, wherein the chamber (5) to a from an electrolyte tank (9) and an electrolyte pump (11) existing electrolyte circuit (7) is connected. The electrode (13) consists of a photo semiconductor which is located in front of a window (19) in the housing (3) of the battery. By the substitution of at least one of the two conventional electrodes (13, 15) of a redox flow battery by a photoelectrode (20, 21), it can be charged directly with sunlight. An external connection to an electrical energy source is no longer necessary.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Licht aufladbare Redox-Flow-Batterie mit einem Gehäuse, die von einer Membran in eine erste und eine zweite Halbzelle geteilt ist, wobei wenigstens die erste Halbzelle eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer aufweist, an die eine flächig mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Elektrode angrenzt und diese Kammer an einen aus einem Elektrolyttank und einer Elektrolytpumpe bestehenden Elektrolytkreislauf angeschlossen ist. The invention relates to a light-rechargeable redox flow battery having a housing which is divided by a membrane into a first and a second half-cell, wherein at least the first half-cell has a filled with an electrolyte chamber, to which a surface with the electrolyte-related electrode is adjacent and this chamber is connected to a consisting of an electrolyte tank and an electrolyte pump electrolyte circuit.

Redox-Flow-Batterien (RFB) sind chemische Energiespeichersysteme, in denen die elektroaktiven Substanzen in Elektrolyten gelöst sind. Diese Elektrolytlösungen werden in großen Tanks zwischengelagert und kontinuierlich durch die Elektrodeneinheit gepumpt, in der die Energieumwandlung realisiert wird. Durch die Entkopplung von Kapazität (Elektrolyttanks) und Leistung (Elektrodeneinheit) sind flexiblere Auslegungen als bei konventionellen Batterien möglich und auch die Kosten werden deutlich geringer prognostiziert. Daher eignen sich RFB insbesondere für die stationäre Energiespeicherung zum Ausgleich von volatilen regenerativen Energiequellen. Redox flow batteries (RFBs) are chemical energy storage systems in which the electroactive substances are dissolved in electrolytes. These electrolyte solutions are stored in large tanks and continuously pumped through the electrode unit, in which the energy conversion is realized. Due to the decoupling of capacity (electrolyte tanks) and power (electrode unit) more flexible designs than with conventional batteries are possible and also the costs are predicted significantly lower. Therefore, RFB are particularly suitable for stationary energy storage to compensate for volatile regenerative energy sources.

Als elektroaktive Substanzen werden meist Metallionen verwendet, aber auch der Einsatz von organischen Redoxmediatoren wurde bereits beschrieben. Dadurch können die Energiedichte erhöht und die Kosten für die Elektrolyten weiter verringert werden. As electroactive substances usually metal ions are used, but also the use of organic redox mediators has already been described. This can increase the energy density and further reduce the cost of the electrolyte.

Die positive Halbzelle kann durch eine Gasdiffusionselektrode ersetzt werden, die mit Sauerstoff oder Luft betrieben wird. In einer solchen Redox-Flow-Luft-Batterie ersetzt das Redoxpaar O2/H2O den Elektrolyten der positiven Halbzelle. Da der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden kann, muss er nicht separat zwischengespeichert werden. Elektrolytpumpe und Elektrotank für die positive Halbzelle werden dementsprechend nicht mehr benötigt, was Kosten, Gewicht und Volumen des Systems reduziert. The positive half-cell can be replaced by a gas diffusion electrode operated with oxygen or air. In such a redox flow air battery, the redox pair O2 / H2O replaces the electrolyte of the positive half cell. Since the oxygen can be taken from the ambient air, it does not have to be cached separately. Accordingly, the electrolyte pump and the electric tank for the positive half-cell are no longer needed, which reduces the cost, weight and volume of the system.

RFB können wie andere elektrochemische Energiespeicher nur mit elektrischer Energie geladen werden. Soll Solarenergie gespeichert werden, so muss diese zunächst durch eine separate Photovoltaik-Anlage in elektrische Energie umgewandelt werden, die dann in der Batterie gespeichert wird. Like other electrochemical energy stores, RFBs can only be charged with electrical energy. If solar energy is to be stored, it must first be converted by a separate photovoltaic system into electrical energy, which is then stored in the battery.

In der Vergangenheit wurde bereits versucht, die Solarenergieumwandlung und Speicherung in Solar-Batterien zu kombinieren. Diese Konzepte basierten allerdings auf konventionellen Batteriesystemen wie Nickel-Metallhydrid, Ionen-Interkalation und Metall/Sulfid/Polysulfid. Folglich weisen sie auch die entsprechenden Einschränkungen und Nachteile dieser Batterietechnologien auf, wie z. B. geringe Lebensdauer, schnelle Selbstentladung, gekoppelte Kapazität/Leistung und hohe Kosten und haben sich daher bisher nicht durchgesetzt. In the past, attempts have been made to combine solar energy conversion and storage in solar batteries. However, these concepts were based on conventional battery systems such as nickel metal hydride, ion intercalation and metal / sulfide / polysulfide. Consequently, they also have the corresponding limitations and disadvantages of these battery technologies, such as. As low life, fast self-discharge, coupled capacity / performance and high costs and have therefore not prevailed.

Eine Publikation von Sharon und Sinha aus dem Jahre 1984 beschreibt eine Solarbatterie auf der Basis eines n-Halbleiters, in der die chemische Energie in im Elektrolyten gelösten Metallionen (Fe2+/3+ und Ce3+/4+) gespeichert wird. A 1984 publication by Sharon and Sinha describes a solar battery based on an n-type semiconductor in which the chemical energy is stored in metal ions (Fe2 + / 3 + and Ce3 + / 4 +) dissolved in the electrolyte.

Aufgrund des kleinen Volumens der Zelle kann allerdings nur eine geringe Energiemenge gespeichert werden. Eine Speicherung der Elektrolyten in großen externen Tanks mit Rezyklierung durch die Elektrodeneinheit, wie dies bei einer Redox-Flow-Batterie üblich ist, findet nicht statt. Due to the small volume of the cell, however, only a small amount of energy can be stored. A storage of the electrolyte in large external tanks with recycling by the electrode unit, as is usual in a redox flow battery, does not take place.

Zwei Publikation von Yan, Li und Gao aus den Jahren 2013 und 2014 beschreibt eine Solar-Redox-Flow-Batterie. Die Solarenergieumwandlung wird in dem beschriebenen System allerdings nicht durch den Halbleiter einer Photoelektrode realisiert, sondern über auf der Halbleiterelektrode aufgebrachte Photosensitizer, die die Elektronen dann in die Halbleiter-Elektrode injizieren. Two publications by Yan, Li and Gao in 2013 and 2014 describe a solar redox flow battery. The solar energy conversion is realized in the described system, however, not by the semiconductor of a photoelectrode, but via photosensitizers deposited on the semiconductor electrode, which then inject the electrons into the semiconductor electrode.

Die Offenlegungsschrift EP 0 553 023 A1 beschreibt eine Luft-Solarbatterie auf der Basis eines n-Halbleiters und Metallelektroden. Die Batterie entspricht allerdings nicht der Redox-Flow-Bauweise, außerdem ist explizit eine n-Halbleiter Photoanode vorgesehen, keine Photokathode. Die Nachteile sind daher eine geringere Lebensdauer und begrenzte Speicherkapazität. The publication EP 0 553 023 A1 describes an air-solar battery based on an n-type semiconductor and metal electrodes. However, the battery does not correspond to the redox flow design, also explicitly an n-type semiconductor photoanode is provided, not a photocathode. The disadvantages are therefore a shorter life and limited storage capacity.

Die Patentschrift US 4,215,182 beschreibt eine Luft-Solarbatterie, in der der Elektrolyt wie in einer Redox-Flow-Batterie durch die Elektrodeneinheit gepumpt wird. Die Solarenergieumwandlung wird in dem beschriebenen System allerdings nicht über eine Photoelektrode realisiert, sondern über einen auf der Membran aufgebrachten Photosensitizer (der wiederum ein n-Halbleiter sein kann), die über ein Redox-Shuttle-System die Elektronen an eine konventionelle Elektrode weiterleiten. Nachteilig ist der zusätzliche Potentialabfall durch das Redox-Shuttle-System, was die nutzbare Potentialdifferenz und damit die Energieumwandlungseffizienz reduziert. The patent US 4,215,182 describes an air solar battery in which the electrolyte is pumped through the electrode unit as in a redox flow battery. However, the solar energy conversion is not realized in the described system via a photoelectrode, but via a photosensitizer applied to the membrane (which in turn may be an n-type semiconductor), which redirects the electrons to a conventional electrode via a redox shuttle system. A disadvantage is the additional potential drop through the redox shuttle system, which reduces the usable potential difference and thus the energy conversion efficiency.

Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, eine effiziente, durch Licht aufladbare und kompakte Redox-Flow-Batterie zu schaffen. The invention is based on the task of creating an efficient, light-rechargeable and compact redox flow battery.

Zur Lösung der Ausgabe sieht die Erfindung vor, dass die besagte Elektrode aus einem Photohalbleiter besteht, dass das Gehäuse wenigstens ein optisch transparentes Fenster aufweist, und dass die besagte Elektrode sich vor dem Fenster befindet. To solve the issue, the invention provides that the said electrode consists of a photo-semiconductor, that the housing has at least one optically transparent window, and that said electrode is located in front of the window.

Durch die Substitution mindestens einer der beiden Elektroden in einer Redox-Flow-Batterie durch eine Photoelektrode kann diese daher mit Sonnenlicht statt mit elektrischer Energie geladen werden. Da die Photoelektrode Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt, kann ein Teil der zur Ladung der Batterie benötigten Energie in Form von Licht bereitgestellt werden und die benötigte elektrische Energie wird entsprechend reduziert. Bei geeigneter Wahl der Photoelektrode und Elektrolyten ist es sogar möglich, die Batterie ausschließlich mit Licht zu laden, ohne dass eine zusätzliche Spannungsquelle notwendig ist. By substituting at least one of the two electrodes in a redox flow battery by a photoelectrode, it can therefore be charged with sunlight instead of electrical energy. Since the photoelectrode converts light energy into electrical energy, part of the energy required to charge the battery can be provided in the form of light and the required electrical energy is correspondingly reduced. With a suitable choice of the photoelectrode and electrolytes, it is even possible to charge the battery exclusively with light, without an additional voltage source is necessary.

Die Umwandlung von Lichtenergie in gespeicherte chemische Energie kann hier direkt in der Batterie erfolgen und es wird keine separate Solarzelle mehr benötigt. Die so gespeicherte Energie kann später je nach Bedarf als elektrische Energie wieder freigegeben werden. Der Aufbau ähnelt dem einer photoelektrochemischen Solarzelle, nur dass die elektrische Energie nicht sofort durch Regeneration des Elektrolyten gewonnen wird, sondern in Form der beladenen Elektrolyten in großen Tanks zwischengespeichert wird. Im Gegensatz zu konventionellen Solar-Batterien ermöglicht die Verwendung der solarladbaren Redox-Flow-Technologie eine deutlich höhere Kapazität, flexiblerer Auslegung, geringere Kosten und eine lange Lebensdauer. The conversion of light energy into stored chemical energy can be done directly in the battery and no separate solar cell is needed anymore. The stored energy can be released later as needed as electrical energy. The structure is similar to that of a photoelectrochemical solar cell, except that the electrical energy is not obtained immediately by regeneration of the electrolyte, but is cached in the form of the charged electrolyte in large tanks. In contrast to conventional solar batteries, the use of the solar-chargeable redox flow technology enables a much higher capacity, more flexible design, lower costs and a long service life.

Für den Entladevorgang der Batterie wird in der Halbzelle, die die Elektrode mit dem Photohalbleiter aufweist, noch eine konventionelle Hilfselektrode vorgesehen, die z. B. metallisch ist. For the discharge of the battery, a conventional auxiliary electrode is still provided in the half-cell, which has the electrode with the photo-semiconductor, the z. B. is metallic.

In einer ersten Ausführung der Batterie sind beide Halbzellen mit Elektroden aus Photohalbleitern ausgestattet. Somit weist auch die zweite Halbzelle eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer auf, an die eine flächig mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Gegenelektrode angrenzt und die an einen aus einem Elektrolyttank und einer Elektrolytpumpe bestehenden weiteren Elektrolytkreislauf angeschlossen ist. In a first embodiment of the battery, both half cells are equipped with electrodes of photo semiconductors. Thus, the second half-cell also has a chamber filled with an electrolyte, to which a counterelectrode, which is in contact with the electrolyte, adjoins and which is connected to a further electrolyte circuit consisting of an electrolyte tank and an electrolyte pump.

Diese Anordnung erlaubt es, auch das durch die Batterie zur Gegenelektrode transmittierte Licht für den Ladevorgang auszunutzen. This arrangement makes it possible to take advantage of the light transmitted through the battery to the counter electrode for the charging process.

Ferner kann im Speziellen auch die positive Halbzelle durch eine Gasdiffusionselektrode ersetzt werden, die mit Sauerstoff oder Luft betrieben wird. In einer solchen durch Licht aufladbaren Redox-Flow-Luft-Batterie ersetzt das Redoxpaar O2/H2O den Elektrolyten der positiven Halbzelle. Da der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden kann, muss er nicht separat zwischengespeichert werden. Elektrolytpumpe und Elektrotank für die positive Halbzelle werden entsprechend nicht mehr benötigt, was Kosten, Gewicht und Volumen des Systems reduziert. Furthermore, in particular, the positive half-cell can be replaced by a gas diffusion electrode which is operated with oxygen or air. In such a light-rechargeable redox flow-air battery, the redox pair O2 / H2O replaces the electrolyte of the positive half-cell. Since the oxygen can be taken from the ambient air, it does not have to be cached separately. The electrolyte pump and electric tank for the positive half-cell are no longer needed, which reduces the cost, weight and volume of the system.

Als Halbleitermaterial können sowohl n-Halbleiter als auch p-Halbleiter eingesetzt werden. Somit fungiert die Elektrode entweder als Photoanode, die aus einem n-Halbleiter besteht, oder als Photokathode, die aus einem p-Halbleiter besteht. As semiconductor material both n-type semiconductor and p-type semiconductor can be used. Thus, the electrode functions either as a photoanode consisting of an n-type semiconductor or as a photocathode consisting of a p-type semiconductor.

Vorzugsweise ist das Substrat für die Photohalbleiter transparent und dient als lichtdurchlässige Scheibe im Gehäuse der Batterie. Es ist weiterhin leitfähig, so dass der äußere Stromkreis an das Substrat angeschlossen werden kann. Preferably, the substrate for the photo-semiconductors is transparent and serves as a translucent disk in the housing of the battery. It is also conductive so that the external circuit can be connected to the substrate.

Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die Batterie einen Wärmetauscher aufweist, der in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit den Elektrolyten in wenigstens einer der Halbzellen, vorzugsweise mit dem Elektrolyten in der Halbzelle mit dem transparentes Fenster, steht oder dem der Elektrolyt über einen Kreislauf zugeführt wird. Furthermore, it can be provided that the battery has a heat exchanger, which is in a thermally conductive contact with the electrolyte in at least one of the half-cells, preferably with the electrolyte in the half-cell with the transparent window, or the electrolyte is supplied via a circuit.

Zusätzlich zur Gewinnung und Speicherung von elektrischer Energie kann die Erfindung damit auch zur Gewinnung nutzbarer Wärme verwendet werden. Durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht wird nämlich ein beträchtlicher Teil der Sonnenlichtenergie in Wärme umgewandelt, wodurch sich die Batterie erwärmt. Die so erzeugte Wärme kann mittels des flüssigen Elektrolyten abgeführt werden und über einen Wärmetauscher auf ein anderes Medium, beispielsweise einem Warmwasservorlauf, übertragen und somit nutzbar gemacht werden. Durch die zusätzliche Wärmenutzung kann so ein deutlich höherer Gesamtwirkungsgrad (elektrisch und thermisch) der Anlage erreicht werden. In addition to the recovery and storage of electrical energy, the invention can thus also be used for the recovery of usable heat. In fact, irradiation with sunlight converts a significant portion of the solar energy into heat, which heats the battery. The heat thus generated can be dissipated by means of the liquid electrolyte and transferred via a heat exchanger to another medium, such as a hot water supply, and thus made usable. As a result of the additional use of heat, a significantly higher overall efficiency (electrical and thermal) of the system can be achieved.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung hinsichtlich des zu verwendenden Materials ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further embodiments of the invention with regard to the material to be used will become apparent from the dependent claims.

Demnach besteht die Photoanode aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: TiO2, ZnO, BiVO4, InVO4, Fe2O3, MgFe2O4, Si, WO3, und die Photokathode aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Si, SiC, CuO, Cu2O, CoO, Bi2O3, V2O5, MoS2, ZnMn2O4, CaFe2O4, FeS2 Accordingly, the photoanode consists of one or more of the following materials: TiO 2, ZnO, BiVO 4, InVO 4, Fe 2 O 3, MgFe 2 O 4, Si, WO 3, and the photocathode of one or more of Si, SiC, CuO, Cu 2 O, CoO, Bi 2 O 3 , V2O5, MoS2, ZnMn2O4, CaFe2O4, FeS2

Die Photokathode ist zum Korrosionsschutz zusätzlich mit einer Schutzschicht aus ZnO, TiO2 oder WO3 überzogen. The photocathode is additionally coated with a protective layer of ZnO, TiO2 or WO3 for corrosion protection.

Das Material der Elektroden kann zusätzlich mit Fremdelementen dotiert sein. The material of the electrodes may additionally be doped with foreign elements.

Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen: In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. To show:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der Erfindung, bei der beide Halbzellen einer Redox-Flow-Batterie jeweils eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer aufweisen und bei der entweder nur eine oder beide Kammern jeweils eine aus einem Photohalbleiter bestehende Elektrode besitzen, und 1 a schematic representation of a first embodiment of the invention, in which both half-cells of a redox flow battery each having a filled with an electrolyte chamber and in which either only one or both chambers each have an existing of a photo-semiconductor electrode, and

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der Erfindung, bei der eine Halbzelle einer Redox-Flow-Batterie eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer aufweist und bei der die andere Zelle eine Gasdiffusionselektrode ist. 2 a schematic representation of a second embodiment of the invention, in which a half-cell of a redox flow battery has a filled with an electrolyte chamber and wherein the other cell is a gas diffusion electrode.

Grundsätzlich sind für die erste Ausführung drei Varianten möglich, deren Funktionsprinzip anhand der 1 erläutert werden sollen:
Eine durch Licht aufladbare Redox-Flow-Batterie besteht aus einer ersten Halbzelle 1 und einer zweiten Halbzelle 2, die in einem Gehäuse 3 durch eine Membran 4 getrennt sind. Jede Halbzelle 1, 2 besteht aus einer mit einem Elektrolyt gefüllten Kammer 5, 6 die mit einem Elektrolytkreislauf 7, 8 verbunden ist. Jeder dieser Elektrolytkreisläufe 7, 8 besitzt einen Elektrolyttank 9, 10 und eine Elektrolytpumpe 11, 12.
Basically, three variants are possible for the first embodiment, whose operating principle based on 1 should be explained:
A light-chargeable redox flow battery consists of a first half-cell 1 and a second half cell 2 in a housing 3 through a membrane 4 are separated. Every half cell 1 . 2 consists of a chamber filled with an electrolyte 5 . 6 those with an electrolyte circuit 7 . 8th connected is. Each of these electrolyte circuits 7 . 8th has an electrolyte tank 9 . 10 and an electrolyte pump 11 . 12 ,

Die erste Halbzelle 1 besitzt eine Elektrode 13 mit einem außenliegenden Frontkontakt 14 und die zweite Halbzelle 2 eine Gegenelektrode 15 mit einem Rückkontakt 16, die über einen Stromkreis 18, welcher einen elektrischen Verbraucher 17 aufweisen kann, miteinander verbunden werden können. The first half cell 1 has an electrode 13 with an external front contact 14 and the second half cell 2 a counter electrode 15 with a back contact 16 that have a circuit 18 which is an electrical consumer 17 may be interconnected.

In einer ersten Variante ist die Elektrode 13 als Photoanode 20 ausgeführt, die aus einem n-dotierten Halbleitermaterial besteht. Der Frontkontakt 14 dient dabei als Substrat für das Halbleitermaterial. Weiterhin bildet der Frontkontakt 14 ein transparentes Fenster 19 im Gehäuse 3, ist also für Photonen passierbar ausgeführt. Die erste Halbzelle 1 ist daher die positive Halbzelle der Batterie. In a first variant, the electrode 13 as photoanode 20 executed, which consists of an n-doped semiconductor material. The front contact 14 serves as a substrate for the semiconductor material. Furthermore, the front contact 14 a transparent window 19 in the case 3 , so it is passable for photons. The first half cell 1 is therefore the positive half-cell of the battery.

In einer zweiten Variante ist die Elektrode 13 als Photokathode 21 ausgeführt. Der Frontkontakt 14 dient dabei ebenfalls als Substrat für das Halbleitermaterial und ist ebenfalls als transparentes Fenster 19 ausgeführt. Die erste Halbzelle 1 ist daher die negative Halbzelle der Batterie. In a second variant, the electrode 13 as a photocathode 21 executed. The front contact 14 also serves as a substrate for the semiconductor material and is also a transparent window 19 executed. The first half cell 1 is therefore the negative half cell of the battery.

In einer dritten Variante ist die Elektrode 13 als Photoanode 20 und die Gegenelektrode 15 als Photokathode 21 ausgeführt. In a third variant is the electrode 13 as photoanode 20 and the counter electrode 15 as a photocathode 21 executed.

Zusätzlich ist in jeder Kammer, die mit einer Halbleitermaterial bestückten Elektrode versehen ist, noch eine Hilfselektrode 22 vorgesehen, die mittels eines Schalters 23 parallel zu der jeweiligen Elektrode geschaltet werden kann. In addition, in each chamber, which is provided with a semiconductor material equipped electrode, still an auxiliary electrode 22 provided by means of a switch 23 can be switched parallel to the respective electrode.

Die Wirkungsweise soll im Folgenden an Hand der ersten Variante erläutert werden. Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie wird im Wesentlichen in der Photoanode 20 realisiert. Diese besteht bevorzugt aus einem n-Halbleitermaterial, welches auf eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Material aufgebracht ist (z. B. FTO, ITO). Sonnenlicht kann nun durch den Frontkontakt 14 (Fenster 19) auf die Photoanode 20 fallen. Dort werden Photonen, deren Energie mindestens der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials entspricht, absorbiert. Durch die Absorption der Photonen werden Elektronen vom Valenzband in das energetisch höher liegende Leitungsband des Halbleiters angeregt, wobei im Valenzband positiv geladene Löcher (Elektronenfehlstellen) zurückbleiben. Durch den Kontakt des n-Halbleiters mit dem Elektrolyten der positiven Halbzelle 1 bildet sich im Halbleiter ein elektrisches Feld (Raumladungszone) aus, welches die Elektronen zum Frontkontakt 14 und die Löcher zur Kontaktfläche mit dem Elektrolyten treibt. Dort oxidieren die Valenzbandlöcher die im Elektrolyten befindlichen elektroaktiven Spezies. Die angeregten Leitungsbandelektronen gelangen über den Frontkontakt 14, dem externen elektrischen Stromkreis 18 und dem Rückkontakt 16 zur Gegenelektrode 15, wo sie entsprechend die elektroaktive Spezies im Elektrolyten der negativen, zweiten Halbzelle 2 reduzieren. The mode of action will be explained below with reference to the first variant. The conversion of sunlight into electrical energy is essentially in the photoanode 20 realized. This preferably consists of an n-type semiconductor material which is applied to a layer of a transparent conductive material (eg FTO, ITO). Sunlight can now through the front contact 14 (Window 19 ) on the photoanode 20 fall. There photons whose energy corresponds to at least the band gap of the semiconductor material used, absorbed. Due to the absorption of the photons, electrons are excited from the valence band into the higher energy conduction band of the semiconductor, leaving behind positively charged holes (electron defects) in the valence band. By the contact of the n-type semiconductor with the electrolyte of the positive half-cell 1 An electric field (space charge zone) forms in the semiconductor, which brings the electrons to the front contact 14 and drives the holes to the contact surface with the electrolyte. There, the valence band holes oxidize the electroactive species present in the electrolyte. The excited conduction band electrons reach over the front contact 14 , the external electrical circuit 18 and the back contact 16 to the counter electrode 15 where they match the electroactive species in the electrolyte of the negative second half cell 2 to reduce.

Die beiden Halbzellen 1, 2 sind innerhalb des Gehäuses 1 durch eine Membran 4 getrennt, die den Austausch von Protonen zur Wahrung der Ladungsneutralität erlaubt. The two half cells 1 . 2 are inside the case 1 through a membrane 4 separated, which allows the exchange of protons to maintain charge neutrality.

Die Elektrolyten werden in großen Elektrolyttanks 9 und 10 gelagert und bevorratet und zirkulieren kontinuierlich mittels der Elektrolytpumpen 11, 12 durch die Halbzellen 1, 2. The electrolytes are in large electrolyte tanks 9 and 10 stored and stored and circulate continuously by means of the electrolyte pumps 11 . 12 through the half cells 1 . 2 ,

Dieser Ladevorgang, Oxidation in der positiven Halbzelle 1 und Reduktion in der negativen Halbzelle 2, wird gemäß der Erfindung innerhalb der Batterie durch von Licht angeregte Elektronen bewirkt und nicht durch einen externen Zufluss von Elektronen. Ein solcher externer Zufluss von Elektronen ist jedoch auch weiterhin zusätzlich möglich, indem an die Elektroden eine externe Spannung angeschlossen wird. This charging process, oxidation in the positive half-cell 1 and reduction in the negative half-cell 2 , according to the invention is effected within the battery by light-excited electrons and not by an external influx of electrons. However, such an external inflow of electrons is still possible in addition by an external voltage is connected to the electrodes.

Nach dem beschrieben Ladevorgang wird die in den Elektrolyten gespeicherte chemische Energie später bei Bedarf wieder abgerufen und in elektrische Energie zurückgeführt. Dabei werden die elektroaktiven Spezies des positiven Elektrolyten der ersten Halbzelle 1 wieder reduziert und die des negativen Elektrolyten der zweiten Halbzelle 2 wieder oxidiert. Dabei kann ein in den Stromkreis 18 geschalteter Verbraucher 17 durch die Spannung zwischen den beiden Halbzellen 1, 2 angetrieben werden. After the described charging process, the stored in the electrolyte chemical energy is later retrieved as needed and returned to electrical energy. Thereby, the electroactive species of the positive electrolyte become the first half cell 1 again reduced and that of the negative electrolyte of the second half-cell 2 again oxidized. It can be one in the circuit 18 connected consumer 17 by the tension between the two half-cells 1 . 2 are driven.

Aufgrund der gleichrichtenden Wirkung des Elektrolyt-Halbleiterkontakts zwischen der Photoanode 20 und dem Elektrolyten in der ersten Halbzelle 1 kann die Rückreaktion nur schwer über die Photoanode 2 realisiert werden. Aus diesem Grund ist zusätzlich die Hilfselektrode 22 vorgesehen, die als positive Elektrode beim Entladevorgang der Batterie fungiert. Die konventionelle Gegenelektrode 15 wird beim Entladevorgang (als negative Elektrode) eingesetzt werden. Due to the rectifying effect of the electrolyte-semiconductor contact between the photoanode 20 and the electrolyte in the first half-cell 1 the back reaction can be difficult via the photoanode 2 will be realized. For this reason, in addition, the auxiliary electrode 22 provided, which acts as a positive electrode during the discharging of the battery. The conventional counterelectrode 15 will be used during discharge (as a negative electrode).

Die zweite Variante sieht vor, dass anstelle einer Photoanode eine Photokathode 21 in der ersten Halbzelle verwendet wird. In diesem Fall ist der Aufbau der Batterie identisch mit dem oben Beschriebenen, nur mit dem Unterschied, dass die Elektrode 13 eine Photokathode 21 ist. Die Photonen werden jetzt an der Photokathode absorbiert, die entstehenden Elektronen wandern zum negativen Elektrolyten in der ersten Halbzelle 1 und reduzieren diesen. Die entstehenden Löcher gelangen über den Frontkontakt 14, den externen Stromkreis 18 und den Rückkontakt 16 zur Gegenelektrode 15, wo sie den Elektrolyten der zweiten Halbzelle 2 oxidieren. The second variant provides that, instead of a photoanode, a photocathode 21 is used in the first half cell. In this case, the structure of the battery is identical to that described above, only with the difference that the electrode 13 a photocathode 21 is. The photons are now absorbed at the photocathode, the resulting electrons migrate to the negative electrolyte in the first half-cell 1 and reduce this. The resulting holes get over the front contact 14 , the external circuit 18 and the back contact 16 to the counter electrode 15 where she gets the electrolyte of the second half-cell 2 oxidize.

Eine dritte Variante ist die Kombination von Photoanode und Photokathode in einer Tandem-Zelle. In dieser Ausführung sind sowohl die Elektrode 13 als auch die Gegenelektrode 15 photoaktiv. Diese muss nicht unbedingt auf einem transparenten Rückkontakt 16 aufgebracht sein, da nur eines Seite der Batterie, nämlich die mit dem transparenten Frontkontakt 14, zur Sonne ausgerichtet werden kann. Allerdings wird die Photoanode 20 der Elektrode 13 noch einen Teil des erhaltenen Sonnenlichtes durch die Batterie transmittieren, welches dann auf die Photokathode 21 trifft, die dieses noch nutzen kann. Dazu muss allerdings die Bandlücke der Photoanode 20 größer sein als die der Photokathode 21. A third variant is the combination of photoanode and photocathode in a tandem cell. In this embodiment, both the electrode 13 as well as the counter electrode 15 photoactive. This does not necessarily have to be on a transparent back contact 16 be applied as only one side of the battery, namely the one with the transparent front contact 14 , can be aligned with the sun. However, the photoanode becomes 20 the electrode 13 still transmit a portion of the received sunlight through the battery, which then on the photocathode 21 meets, who can still use this. However, this requires the band gap of the photoanode 20 larger than that of the photocathode 21 ,

Durch die Nutzung von zwei Photonen kann eine größere Potentialdifferenz als bei den beiden ersten Varianten erreicht werden. Da nun beide Elektroden gleichrichtenden Charakter haben, wird allerdings auch eine zusätzliche Hilfselektrode 22 – hier nicht gezeigt – in der zweiten Halbzelle 2 für den Entladevorgang benötigt. By using two photons, a larger potential difference than in the first two variants can be achieved. However, since both electrodes have rectifying character, but also an additional auxiliary electrode 22 - not shown here - in the second half cell 2 needed for the unloading process.

Die 2 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung. dabei wird die gesamte positive zweite Halbzelle 2 durch eine Gasdiffusionselektrode 24 ersetzt, die mit Luftsauerstoff betrieben wird. Entsprechend wird nur ein flüssiger Elektrolyt für die erste Halbzelle 1 benötigt, die eine als Photokathode 21 ausgeführte Elektrode 13 aufweist. Daraus resultiert der folgende vereinfachte Aufbau:
Wie oben beschrieben, werden in der Photokathode 21 der ersten Halbzelle 1 Photonen absorbiert und Elektron-/Loch-Paare erzeugt. Die Elektronen gelangen durch das elektrische Feld zum Elektrolyten der ersten Halbzelle 1, wo sie die darin enthaltenden elektroaktiven Spezies reduzieren. Die Löcher gelangen über den Frontkontakt 14 und den externen Stromkreis 18 zur Gasdiffusionselektrode 24, wo sie Wasser zu Sauerstoff oxidieren, der an die Umgebungsluft abgegeben wird. Beim Entladen der Batterie wird in der Luft enthaltener Sauerstoff an der Gasdiffusionselektrode 24 zu Wasser reduziert und gleichzeitig an der Hilfselektrode 22 die elektroaktiven Spezies der ersten Halbzelle 1 wieder oxidiert.
The 2 shows a second embodiment of the invention. the entire positive second half-cell will be doing this 2 through a gas diffusion electrode 24 replaced, which is operated with atmospheric oxygen. Accordingly, only a liquid electrolyte for the first half cell 1 needed, one as a photocathode 21 executed electrode 13 having. This results in the following simplified structure:
As described above, in the photocathode 21 the first half cell 1 Photons absorbed and electron / hole pairs generated. The electrons pass through the electric field to the electrolyte of the first half-cell 1 where they reduce the electroactive species contained therein. The holes get over the front contact 14 and the external circuit 18 to the gas diffusion electrode 24 where they oxidize water to oxygen, which is released into the ambient air. When discharging the battery, oxygen contained in the air at the gas diffusion electrode 24 reduced to water and at the same time at the auxiliary electrode 22 the electroactive species of the first half-cell 1 again oxidized.

Bevorzugte Ausführungen: Preferred versions:

  • Photoanode: TiO2, ZnO, BiVO4, InVO4, Fe2O3, MgFe2O4, Si, WO3 Photoanode: TiO 2, ZnO, BiVO 4, InVO 4, Fe 2 O 3, MgFe 2 O 4, Si, WO 3
  • Frontkontakt: ITO (Zinnoxid dotiertes Indiumoxid), FTO (Fluordotiertes Zinnoxid), AZO (Aluminium-dotiertes Zinkoxid), Antimon-dotiertes Zinnoxid, Nb-dotiertes TiO2. Front contact: ITO (tin oxide doped indium oxide), FTO (fluorine doped tin oxide), AZO (aluminum-doped zinc oxide), antimony-doped tin oxide, Nb-doped TiO2.
  • Elektrolyten: Wasser oder wässrige Lösungen von Säuren wie H2SO4, HCl, HBr, HClO4, HNO3 oder H3PO4, in denen Salze von Fe, Cr, Zn, Cu oder V und/oder organische Verbindungen aus der Familie der Chinone, Naphtachinone, Anthrachinone, Chinoline, Chinoxaline, Viologene, Phenothiazine, Piperidinyloxyle, Anthocyane und Indophenole oder Polymeren, aus diesen Verbindungen gelöst sind. Electrolytes: Water or aqueous solutions of acids such as H2SO4, HCl, HBr, HClO4, HNO3 or H3PO4, in which salts of Fe, Cr, Zn, Cu or V and / or organic compounds of the family of quinones, naphthaquinones, anthraquinones, quinolines , Quinoxalines, viologens, phenothiazines, piperidinyloxyls, anthocyanins and indophenols or polymers dissolved from these compounds.
  • Hilfselektrode/Gegenelektrode: Glaskohlenstoff, Graphit, Platin, Metalle. Auxiliary electrode / counter electrode: glassy carbon, graphite, platinum, metals.
  • Membran: Sulfonierte perfluorierte Polymere wie Nafion. Membrane: Sulfonated perfluorinated polymers such as Nafion.
  • Rückkontakt: wie Frontkontakt oder Metall. Back contact: like front contact or metal.
  • Photokathode: Si, SiC, CuO, Cu2O, CoO, Bi2O3, V2O5, MoS2, ZnMn2O4, CaFe2O4, FeS2, MoS2 und zusätzlich zum Korrosionsschutz mit einer Schutzschicht aus ZnO, TiO2 oder WO3 überzogen sein kann; alle diese Materialien können darüber hinaus auch mit Fremdelementen dotiert sein. Photocathode: Si, SiC, CuO, Cu2O, CoO, Bi2O3, V2O5, MoS2, ZnMn2O4, CaFe2O4, FeS2, MoS2, and in addition to the corrosion protection may be coated with a protective layer of ZnO, TiO2 or WO3; In addition, all of these materials can also be doped with foreign elements.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Halbzelle half-cell
2 2
Halbzelle half-cell
3 3
Gehäuse casing
4 4
Membran membrane
5 5
Kammer chamber
6 6
Kammer chamber
7 7
Elektrolytkreislauf Electrolyte circuit
8 8th
Elektrolytkreislauf Electrolyte circuit
9 9
Elektrolyttank electrolyte tank
10 10
Elektrolyttank electrolyte tank
11 11
Elektrolytpumpe electrolyte pump
12 12
Elektrolytpumpe electrolyte pump
13 13
Elektrode electrode
14 14
Frontkontakt front contact
15 15
Gegenelektrode counter electrode
16 16
Rückkontakt back contact
17 17
Verbraucher consumer
18 18
Stromkreis circuit
19 19
Fenster window
20 20
Photoanode photoanode
21 21
Photokathode photocathode
22 22
Hilfselektrode auxiliary electrode
23 23
Schalter switch
24 24
Gasdiffusionselektrode Gas diffusion electrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0553023 A1 [0010] EP 0553023 A1 [0010]
  • US 4215182 [0011] US 4215182 [0011]

Claims (13)

Eine durch Licht aufladbare Redox-Flow-Batterie mit einem Gehäuse (3), die von einer Membran (4) in eine erste und eine zweite Halbzelle (1, 2) geteilt ist, wobei wenigstens die erste Halbzelle (1) eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer (5) aufweist, an die eine flächig mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Elektrode (13) angrenzt und diese Kammer (5) an einen aus einem Elektrolyttank (9) und einer Elektrolytpumpe (11) bestehenden Elektrolytkreislauf (7) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Elektrode (13) aus einem Photohalbleiter besteht, dass das Gehäuse (3) wenigstens ein optisch transparentes Fenster (19) aufweist, und dass die besagte Elektrode (13) sich vor dem Fenster (19) befindet. A light-chargeable redox flow battery with a housing ( 3 ), by a membrane ( 4 ) into a first and a second half cell ( 1 . 2 ), wherein at least the first half-cell ( 1 ) a chamber filled with an electrolyte ( 5 ), to which a surface in contact with the electrolyte electrode ( 13 ) and this chamber ( 5 ) to one of an electrolyte tank ( 9 ) and an electrolyte pump ( 11 ) existing electrolyte circuit ( 7 ), characterized in that said electrode ( 13 ) consists of a photo semiconductor that the housing ( 3 ) at least one optically transparent window ( 19 ), and that said electrode ( 13 ) in front of the window ( 19 ) is located. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Halbzelle (1) eine konventionelle Hilfselektrode (22) vorgesehen ist. Redox flow battery according to claim 1, characterized in that in the first half cell ( 1 ) a conventional auxiliary electrode ( 22 ) is provided. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die zweite Halbzelle (2) eine mit einem Elektrolyt gefüllte Kammer (6) aufweist, an die eine flächig mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Gegenelektrode (15) angrenzt und die Kammer (6) an einen aus einem Elektrolyttank (10) und einer Elektrolytpumpe (12) bestehenden weiteren Elektrolytkreislauf (8) angeschlossen ist. Redox flow battery according to claim 1 or 2, characterized in that the second half cell ( 2 ) a chamber filled with an electrolyte ( 6 ), to which a counterelectrode ( 15 ) and the chamber ( 6 ) to one of an electrolyte tank ( 10 ) and an electrolyte pump ( 12 ) existing further electrolyte circuit ( 8th ) connected. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbzelle (2) eine Gasdiffusionselektrode (24) ist. Redox flow battery according to claim 1 or 2, characterized in that the second half cell ( 2 ) a gas diffusion electrode ( 24 ). Redox-Flow-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode als Photoanode (20) fungiert, die aus einem n-Halbleiter besteht. Redox flow battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode is used as photoanode ( 20 ), which consists of an n-type semiconductor. Redox-Flow-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode als Photokathode (21) fungiert, die aus einem p-Halbleiter besteht. Redox flow battery according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the electrode is in the form of a photocathode ( 21 ), which consists of a p-type semiconductor. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial, das die Elektrode (13) bildet, auf einem elektrisch leitenden Substrat aufgebracht ist und dass das Substrat das optisch transparente Fenster (19) ist. Redox flow battery according to Claim 5 or 6, characterized in that the semiconductor material which contains the electrode ( 13 ) is applied to an electrically conductive substrate and that the substrate is the optically transparent window ( 19 ). Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Photoanode (20) aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: TiO2, ZnO, BiVO4, InVO4, Fe2O3, MgFe2O4, Si, WO3. Redox flow battery according to claim 5, characterized in that the photoanode ( 20 ) consists of one or more of the following materials: TiO 2, ZnO, BiVO 4, InVO 4, Fe 2 O 3, MgFe 2 O 4, Si, WO 3. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Photokathode (21) aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Si, SiC, CuO, Cu2O, CoO, Bi2O3, V2O5, MoS2, ZnMn2O4, CaFe2O4, FeS2 Redox flow battery according to claim 6, characterized in that the photocathode ( 21 ) consists of one or more of the following materials: Si, SiC, CuO, Cu2O, CoO, Bi2O3, V2O5, MoS2, ZnMn2O4, CaFe2O4, FeS2 Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Photokathode (21) zum Korrosionsschutz zusätzlich mit einer Schutzschicht aus ZnO, TiO2 oder WO3 überzogen ist. Redox flow battery according to claim 9, characterized in that the photocathode ( 21 ) for corrosion protection is additionally coated with a protective layer of ZnO, TiO2 or WO3. Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektroden (13) mit Fremdelementen dotiert ist. Redox flow battery according to claim 8, 9 or 10, characterized in that the material of the electrodes ( 13 ) is doped with foreign elements. Redox-Flow-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyten aus Wasser oder wässrigen Lösungen von Säuren wie H2SO4, HCl, HBr, HClO4, HNO3 oder H3PO4 bestehen, in denen Salze von Fe, Cr, Zn, Cu oder V und/oder organische Verbindungen aus der Familie der Chinone, Naphtachinone, Anthrachinone, Chinoline, Chinoxaline, Viologene, Phenothiazine, Piperidinyloxyle, Anthocyane und Indophenole oder Polymeren aus diesen Verbindungen gelöst sind. Redox flow battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolytes consist of water or aqueous solutions of acids such as H2SO4, HCl, HBr, HClO4, HNO3 or H3PO4 in which salts of Fe, Cr, Zn, Cu or V and / or organic compounds from the family of quinones, naphthaquinones, anthraquinones, quinolines, quinoxalines, viologens, phenothiazines, piperidinyloxy, anthocyanins and indophenols or polymers of these compounds are dissolved. Redox-Flow-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Wärmetauscher aufweist, der in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit den Elektrolyten in wenigstens einer der Halbzellen (1, 2), vorzugsweise mit dem Elektrolyten in der Halbzelle (1) mit dem transparenten Fenster (19) steht oder dem das Elektrolyt über einen Kreislauf zugeführt wird. Redox flow battery according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a heat exchanger which is in heat-conductive contact with the electrolyte in at least one of the half-cells ( 1 . 2 ), preferably with the electrolyte in the half-cell ( 1 ) with the transparent window ( 19 ) or to which the electrolyte is supplied via a circuit.
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