DE102016122284A1 - Redox flow battery for storing electrical energy with hollow-fiber membranes - Google Patents

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Christoph Schmerbauch
Tobias Janoschka
Udo Martin
Norbert Martin
Ulrich Sigmar Schubert
Martha Maly-Schreiber
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie (RFB) zur Speicherung elektrischer Energie.Die Aufgabe der Erfindung, eine neue Art von tubulären Redox-Flow-Zellen (RFCs) zur Energiespeicherung zu finden, die bei einfachem Aufbau für hohe Leistungsdichten dimensionierbar und leistungsfähigen Redox-Flow-Batterien (RFBs) kombinierbar sind, wird erfindungsgemäß gelöst, indem wenigstens die erste polaritätsspezifische Halbzelle aus einer Vielzahl von Hohlfasern zusammengesetzt ist, wobei die Membran der ersten Halbzelle aus der Gesamtfläche von Hohlfasermembranen der Vielzahl der Hohlfasern gebildet ist, die mindestens die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebende Kammer mit der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur und einem wenigstens ein Leitsalz enthaltenden Lösungsmittel gefüllt und wenigstens abschnittsweise von einer parallel zu den Hohlfasern der ersten Halbzelle ausgerichteten Stützstruktur begrenzt ist, und die zweite polaritätsspezifische Halbzelle, die von dem anderen Elektrolyt durchflossen ist, entweder durch die die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebende flüssigkeitsdurchlässige Struktur gebildet ist, oder als eine weitere Anzahl von Hohlfasern, die zu den Hohlfasern der ersten Halbzelle gleich strukturiert und innerhalb der die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebenden flüssigkeitsdurchlässigen Struktur angeordnet sind, ausgebildet ist.The invention relates to a redox flow battery (RFB) for storing electrical energy. The object of the invention to find a new type of tubular redox flow cells (RFCs) for energy storage, the dimensionable and powerful with a simple structure for high power densities Redox flow batteries (RFBs) are combined, is achieved according to the invention by at least the first polarity-specific half-cell is composed of a plurality of hollow fibers, wherein the membrane of the first half-cell from the total area of hollow fiber membranes of the plurality of hollow fibers is formed, at least the Hollow fibers of the first half-cell surrounding chamber filled with the liquid-permeable structure and a solvent containing at least one lead salt and at least partially bounded by a parallel to the hollow fibers of the first half-cell aligned support structure, and the second polarity-specific half-cell, the other flows through electrolyte is formed either by the liquid-permeable structure surrounding the hollow fibers of the first half-cell, or as a further number of hollow fibers, which are the same structure to the hollow fibers of the first half-cell and arranged within the liquid-permeable structure surrounding the hollow fibers of the first half-cell, is trained.

Description

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie (RFB) zur Speicherung elektrischer Energie, enthaltend wenigstens eine Redox-Flow-Zelle (RFC) als Reaktionszelle mit Kammern zur Ausbildung von polaritätsspezifischen Halbzellen für Katholyt und Anolyt, die durch mindestens eine Membran getrennt sind und mit jeweils einem Elektrolytreservoir in Verbindung stehen, wobei eine erste und eine zweite der polaritätsspezifischen Halbzellen jeweils mit einem Elektrolyt aus mindestens einer redoxaktiven Komponente, die mindestens teilweise in Substanz oder in einem Lösungsmittel gelöst sowie darin gelösten Leitsalzen vorliegen, durchflossen und die Elektrolyte, Katholyt und Anolyt, mit je einer Pumpeinrichtung umwälzbar sind und die Membran als Grenzfläche zur Unterdrückung von Vermischung oder elektrochemischen Reaktionen der redoxaktiven Komponenten miteinander und zum effizienten Ladungsträgeraustausch zwischen den Halbzellen vorgesehen ist.The invention relates to a redox flow battery (RFB) for storing electrical energy, comprising at least one redox flow cell (RFC) as a reaction cell with chambers for the formation of polarity-specific half-cells for catholyte and anolyte, which are separated by at least one membrane and each having an electrolyte reservoir in connection, wherein a first and a second of the polarity-specific half-cells each with an electrolyte of at least one redox-active component, at least partially dissolved in substance or in a solvent and present therein conductive salts, flowed through and the electrolytes, catholyte and Anolyte, each with a pumping device are circulated and the membrane is provided as an interface for the suppression of mixing or electrochemical reactions of the redox-active components with each other and for efficient charge carrier exchange between the half-cells.

Zum großtechnischen Speichern von Energie sind im Stand der Technik alkalihaltige Sekundärbatterien bekannt, von denen insbesondere die tubulär aufgebauten Vertreter erwähnt werden sollen, weil sie die besten Voraussetzungen für eine technologisch einfache Vergrößerung der elektrochemisch wirksamen Oberflächen mitbringen.For large-scale storage of energy in the prior art alkaline secondary batteries are known, of which in particular the tubular constructed representatives should be mentioned, because they bring the best conditions for a technologically simple enlargement of the electrochemically active surfaces.

So ist in der WO 2011/161072 A1 eine Vorrichtung beschrieben, die Alkalimetall und Schwefel in zwei getrennten, übereinander angeordneten rohrförmigen Behältern, die mittels eines nur Kationen durchlassenden Festelektrolyten verbunden sind, als aktive Materialien verwenden. Die aktiven Materialien können als flüssige Stoffe in externen Behältern aufbewahrt und bei Bedarf den Zellen zugeführt werden. Die beiden Elektrodenräume der Zellen sind durch einen Feststoffelektrolyten (in Form eines konzentrischen ionenleitenden keramischen Elektrolytrohres) aus Aluminiumoxid getrennt.So is in the WO 2011/161072 A1 describes a device using alkali metal and sulfur as active materials in two separate, stacked tubular containers connected by means of a cation-only solid electrolyte. The active materials may be stored as liquids in external containers and supplied to the cells as needed. The two electrode spaces of the cells are separated by a solid electrolyte (in the form of a concentric ion-conducting ceramic electrolyte tube) of alumina.

Eine weitere Natrium-Schwefel-Sekundärbatterie ist in der US 2013/0288153 A1 offenbart. Hier ist eine ionenleitende keramische Membran aus langen TiO2-Nanodrähten vorgesehen, die in der Lage ist, selektiv Natriumionen zwischen den Anoden- und Kathodenlösungen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (< 75°C) zu transportieren.Another sodium-sulfur secondary battery is in the US 2013/0288153 A1 disclosed. Here, an ion-conductive ceramic membrane of long TiO 2 nanowires is provided which is capable of selectively transporting sodium ions between the anode and cathode solutions at comparatively low temperatures (<75 ° C).

Eine weitere alkalihaltige Sekundärbatterie ist in der WO 2015/035427 A1 als Natrium-Halogen-Batterie beschrieben, wobei rohrförmige Zellen durch eine ionenleitende keramische Membran getrennt sind. Dabei wird an der negativen Elektrode aus flüssigem(n) Natrium(verbindungen) Energie durch Oxidation erzeugt und beim Aufladen metallisches Natrium gebildet und an der positiven Elektrode mindestens eine Reduktionsreaktion unter Beteiligung eines flüssigen Halogens ausgeführt, wobei die Natriumionen jeweils die Elektrolytmembran durchqueren. Die beiden Redoxpartner können der Zelle als Flüssigkeiten aus externen Vorratsbehältern zugeführt werden.Another alkaline secondary battery is in the WO 2015/035427 A1 described as a sodium-halogen battery, wherein tubular cells are separated by an ion-conducting ceramic membrane. At the negative electrode, liquid (s) of sodium (compounds) are generated by oxidation and metallic sodium is formed upon charging, and at least one reduction reaction involving a liquid halogen is carried out on the positive electrode, with the sodium ions traversing the electrolyte membrane, respectively. The two redox partners can be supplied to the cell as liquids from external storage containers.

Nachteilig bei diesen vorbekannten Alkali-Sekundärbatterien ist, dass in jedem Fall eine ionenleitende Membran genutzt und bei erhöhten Temperaturen betrieben wird (häufig über 290°C, da das verwendete Alkalimetall - meist Natrium - flüssig bleiben muss). Geringere Temperaturen führen zu Leistungseinbrüchen wegen des stark erhöhten inneren Widerstands.A disadvantage of these prior art alkaline secondary batteries is that in each case an ion-conducting membrane is used and operated at elevated temperatures (often above 290 ° C, since the alkali metal used - usually sodium - must remain liquid). Lower temperatures lead to power drops because of the greatly increased internal resistance.

Aus der DE 10 2007 034 700 A1 ist eine Redox-Flow-Batterie auf Basis einer Vanadium-Redox-Zelle mit einer protonendurchlässigen Membran bekannt, wobei die Membran als Hohlprofil ausgebildet ist, das im Inneren eine Mehrzahl erster Elektroden und einen ersten Elektrolyt und außerhalb einen zweiten Elektrolyt und eine Mehrzahl von zweiten Elektroden aufweist. Die Hohlprofil-Membranen sind bevorzugt als textile Flächengebilde, wie Vlies, Mikro- oder Hohlfasern, aus Zirkonium-, Titan- oder Siliziumoxid gefertigt oder verwenden Zitronensäure in Verbindung mit Nanopartikeln von Silizium, Magnesium oder deren Oxiden. Des Weiteren sind polymere Materialien für die Membranhohlprofile genannt, wie beispielsweise Gelatine, Polyvinylalkohol, Polyester, PTFE oder PEEK, sulfoniertes Tetrafluorethylen und Nafion®.From the DE 10 2007 034 700 A1 is a redox flow battery based on a vanadium redox cell with a proton permeable membrane known, wherein the membrane is formed as a hollow profile having a plurality of first electrodes and a first electrolyte inside and outside a second electrolyte and a plurality of second Having electrodes. The hollow-profile membranes are preferably made as a textile fabric, such as non-woven, micro or hollow fibers, zirconium, titanium or silicon oxide or use citric acid in conjunction with nanoparticles of silicon, magnesium or their oxides. Furthermore, polymeric materials for the membrane hollow sections are mentioned, such as gelatin, polyvinyl alcohol, polyester, PTFE or PEEK, sulfonated tetrafluoroethylene and Nafion ® .

Die Hohlprofile sind parallel in einer Ebene angeordnet und in einen selbsttragenden rechteck- oder kreisringförmigen Rahmen eingebunden, sodass die parallelen innenliegenden ersten Elektroden am äußeren Umfang des Rahmens nach außen herausgeleitet sind. Die außenseitig an den Hohlprofilen angeordneten Elektroden können, gegebenenfalls zusammengefasst, ebenfalls am äußeren Rahmen abgegriffen werden.The hollow profiles are arranged in parallel in a plane and incorporated into a self-supporting rectangular or annular frame, so that the parallel inner first electrodes are led out to the outer periphery of the frame to the outside. The electrodes arranged on the outside on the hollow profiles can, if appropriate combined, also be tapped on the outer frame.

Ferner sind in der WO 2015/007382 A1 Mikrohohlfasern aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Kompositionen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschrieben, für die unter anderem die Verwendung in chemischen Energiewandlern erwähnt und dafür ein sogenannter Membran-Elektroden-Aufbau (MEA) in Röhrenform zur Beseitigung der bekannten unzureichenden Leistungs- und Energiedichten von Redox-Flow-Batterien oder Brennstoffzellen vorgeschlagen wird. Der röhrenförmige Aufbau weist bei weniger als 2 mm Durchmesser drei wesentliche Lagen auf: eine positive Elektrode und eine negative Elektrode mit einer Membran, die dazwischen um eine Elektrode geschlossen angeordnet ist. Mit einer derartigen MEA sind höhere Leistungsdichten, geringere Herstellungskosten sowie geringere parasitäre Verluste erreichbar, allerdings können die erforderliche Robustheit und Stabilität für kommerziell genutzte Sekundärbatterien nicht realisiert werden.Furthermore, in the WO 2015/007382 A1 Carbon nanotube micro-hollow fibers or carbon nanotube compositions, which mention, inter alia, the use in chemical energy converters and a so-called membrane electrode assembly (MEA) in tubular form to eliminate the known inadequate power and energy densities of redox flow Batteries or Fuel cell is proposed. The tubular structure has, at less than 2 mm in diameter, three major layers: a positive electrode and a negative electrode with a diaphragm interposed therebetween around an electrode. With such an MEA, higher power densities, lower manufacturing costs, and lower parasitic losses are achievable, however, the required ruggedness and stability can not be realized for commercial secondary batteries.

In der WO 2015/074764 A1 werden All-Vanadium-RFB (aV-RFB) und Sauerstoff-Vanadium-RFB (OV-RFB = Oxygen-Vanadium-RFB) sowohl als flache als auch als tubuläre Zellenanordnungen beschrieben, die jeweils dreilagig, mit positiver und negativer Elektrode sowie einer dazwischenliegenden ionenleitenden Membran, ausgebildet sind. Die ionenleitende Membran, die rohrförmig ausgebildet ist, trennt die zwei Halbzellen vom geometrischen Aufbau her in einen Außenraum der ersten Halbzelle der Batterie mit einer bifunktionalen porösen Sauerstoffelektrode und einen Innenraum der zweiten Halbzelle mit zwei Elektroden, wobei die Bifunktionalität der positiven Elektrode bedeutet, dass an dieser sowohl die Sauerstoffentwicklung als auch die Sauerstoffreduktion mittels geeigneter Katalysatoren stattfindet und die negative Halbzelle eine feste Elektrode mit Strömungskanal sowie eine halbfeste Elektrode mit Kohlenstoffpartikeln im Anolyten aus säurebildender Vanadium-(II),(III)-lösung aufweist. Dadurch ist die kommerzielle Herstellung deutlich erschwert bzw. kostenintensiv.In the WO 2015/074764 A1 For example, all-vanadium RFB (aV-RFB) and oxygen-vanadium RFB (OV-RFB) are described as both flat and tubular cell arrays, each with three layers, positive and negative electrodes, and an intervening one ion-conducting membrane, are formed. The ion-conducting membrane, which is tubular, separates the two half-cells from the geometric structure into an outer space of the first half-cell of the battery with a bifunctional porous oxygen electrode and an interior of the second half-cell with two electrodes, wherein the bifunctionality of the positive electrode means that this both the oxygen evolution and the oxygen reduction takes place by means of suitable catalysts and the negative half cell has a fixed electrode with flow channel and a semi-solid electrode with carbon particles in the anolyte of acid-forming vanadium (II), (III) solution. As a result, the commercial production is much more difficult or costly.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Art von tubulären Redox-Flow-Zellen (RFCs) zur Energiespeicherung zu finden, die bei einfachem Aufbau aus wenigen Grundkomponenten für hohe Leistungsdichten dimensionierbar und zu robusten und leistungsfähigen Redox-Flow-Batterien (RFBs) kombinierbar sind.The invention has for its object to find a new type of tubular redox flow cells (RFCs) for energy storage, which can be dimensioned with a simple structure of a few basic components for high power densities and robust and powerful redox flow batteries (RFBs) combined are.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Redox-Flow-Batterie (RFB) zur Speicherung elektrischer Energie, enthaltend wenigstens eine Redox-Flow-Zelle (RFC) als Reaktionszelle mit Kammern zur Ausbildung von polaritätsspezifischen Halbzellen für Katholyt und Anolyt, die durch mindestens eine Membran getrennt sind und mit jeweils einem Elektrolytreservoir in Verbindung stehen, wobei eine erste und eine zweite der polaritätsspezifischen Halbzellen jeweils mit einem Elektrolyt aus mindestens einer redoxaktiven Komponente, die mindestens teilweise in Substanz oder in einem Lösungsmittel gelöst sowie darin gelösten Leitsalzen vorliegen, durchflossen und die Elektrolyte, Katholyt und Anolyt, mit je einer Pumpeinrichtung umwälzbar sind und die Membran als Grenzfläche zur Unterdrückung von Vermischung oder elektrochemischen Reaktionen der redoxaktiven Komponenten miteinander und zum effizienten Ladungsträgeraustausch zwischen den Halbzellen vorgesehen ist, dadurch gelöst, dass wenigstens die erste polaritätsspezifische Halbzelle aus einer Vielzahl von Hohlfasern zusammengesetzt ist, wobei die Membran der ersten Halbzelle als Grenzfläche aus einer Gesamtfläche von Hohlfasermembranen der Vielzahl der Hohlfasern gebildet ist, die jeweils innen mit einer elektrolytdurchlässigen Elektrode ausgestattet, von einem der Elektrolyte durchflossen und an beidseitigen Hohlfaserenden mit dem Elektrolytreservoir verbunden sind, dass die mindestens die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebende Kammer mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur und einem wenigstens ein Leitsalz enthaltenden Lösungsmittel gefüllt und wenigstens abschnittsweise von einer parallel zu den Hohlfasern ausgerichteten Stützstruktur begrenzt ist und dass die zweite polaritätsspezifische Halbzelle, die von dem anderen der Elektrolyte durchflossen und mit dem Elektrolytreservoir der zweiten Halbzelle verbunden ist, entweder durch die die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebende Kammer mit der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur als Elektrode gebildet ist, oder durch eine weitere Anzahl von Hohlfasern gebildet ist, die zu den Hohlfasern der ersten Halbzelle gleich strukturiert, innen mit einer porösen Elektrode ausgestattet und innerhalb der die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebenden Kammer angeordnet sind, wobei in der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur ein mit einem Leitsalz versetztes Lösungsmittel zur elektrischen Verbindung zwischen Hohlfasermembranen der ersten und zweiten Halbzellen vorhanden ist.According to the invention, the object of a redox flow battery (RFB) for storing electrical energy containing at least one redox flow cell (RFC) as a reaction cell with chambers for the formation of polarity-specific half-cells for catholyte and anolyte separated by at least one membrane and are each in contact with an electrolyte reservoir, wherein a first and a second of the polarity-specific half-cells each with an electrolyte of at least one redox-active component, at least partially dissolved in substance or in a solvent and dissolved therein conductive salts, flowed through and the electrolytes, Katholyt and anolyte, each with a pumping device are recirculated and the membrane is provided as an interface for suppressing mixing or electrochemical reactions of the redox-active components with each other and for efficient charge carrier exchange between the half-cells, achieved by Weni First, the first polarity-specific half-cell is composed of a plurality of hollow fibers, wherein the membrane of the first half cell is formed as an interface of a total area of hollow fiber membranes of the plurality of hollow fibers, each internally provided with an electrolyte-permeable electrode, flows through one of the electrolytes and on both sides Hollow fiber ends are connected to the electrolyte reservoir that the at least the hollow fibers surrounding the first half-cell filled with a liquid-permeable structure and a solvent containing at least one conducting salt and at least partially bounded by a parallel to the hollow fibers oriented support structure and that the second polarity-specific half cell, the from the other of the electrolytes flows through and is connected to the electrolyte reservoir of the second half-cell, either by the surrounding the hollow fibers of the first half-cell chamber with the f Lüssigkeitsdurchlässigen structure is formed as an electrode, or is formed by a further number of hollow fibers, which are structured equal to the hollow fibers of the first half-cell, internally equipped with a porous electrode and disposed within the hollow fibers surrounding the first half-cell chamber, wherein in the liquid-permeable Structure is provided with a conductive salt added solvent for electrical connection between hollow fiber membranes of the first and second half-cells.

Vorteilhaft sind die Hohlfasermembranen als ionenselektive Membranen ausgestaltet und wirken als Grenzflächen nach dem Prinzip eines lonentypauschlusses. In einer bevorzugten alternativen Variante werden die Hohlfasermembranen als Größenausschlussmembranen ausgestaltet und wirken als Grenzflächen nach dem Prinzip eines Molekülgrößenausschlusses.Advantageously, the hollow-fiber membranes are designed as ion-selective membranes and act as interfaces on the principle of a lonentypauschlusses. In a preferred alternative variant, the hollow-fiber membranes are designed as size-exclusion membranes and act as boundary surfaces according to the principle of molecular size exclusion.

Es erweist sich als besonders zweckmäßig, dass die Hohlfasern der ersten Halbzelle und die Hohlfasern der zweiten Halbzelle jeweils in parallelen Ebenen als abwechselnd und lückenlos angeordnete einlagige Hohlfaserschichten vorhanden sind.It proves to be particularly expedient that the hollow fibers of the first half-cell and the hollow fibers of the second half-cell are present in parallel planes as alternately and seamlessly arranged single-layer hollow fiber layers.

Dabei sind die Richtungen der Hohlfasern der Hohlfaserschichten der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle um einen Winkel α mit 0°< α < 90° versetzt zueinander angeordnet. In einer zweckmäßigen Variante sind die Hohlfasern der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle unter einem Winkel α = 90° gekreuzt zueinander angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Variante können die Hohlfasern der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle parallel zueinander angeordnet sein.The directions of the hollow fibers of the hollow fiber layers of the first half-cell and the second half-cell are offset by an angle α with 0 ° <α <90 ° to each other. In an expedient variant, the hollow fibers of the first half-cell and the second half-cell are crossed at an angle α = 90 ° arranged to each other. In a further preferred variant, the hollow fibers of the first half-cell and the second half-cell may be arranged parallel to each other.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die flüssigkeitsdurchlässige Struktur in der die Hohlfasern der ersten und zweiten Halbzelleen umgebenden Kammer allein durch die Hohlräume zwischen den Hohlfasern der ersten und zweiten Halbzellen und den parallel zu den Hohlfasern der ersten oder zweiten Halbzelle die Kammer eng begrenzenden Stützstrukturen gebildet ist.A preferred embodiment of the invention is that the liquid-permeable structure in the chamber surrounding the hollow fibers of the first and second half-cells by the cavities between the hollow fibers of the first and second half-cells and parallel to the hollow fibers of the first or second half-cell closely bounding the chamber Support structures is formed.

In einer ersten Gestaltung weist die mindestens die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebende Kammer einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt und eine parallel zu den Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle ausgerichtete zylindermantelförmige Stützstruktur auf. Alternativ kann die umgebende Kammer aber auch einen n-eckigen Querschnitt mit n > 2 und Stützstrukturen im Rechteckformat aufweisen.In a first embodiment, the chamber surrounding at least the hollow fibers of the first half cell has a circular or elliptical cross section and a cylinder jacket-shaped support structure oriented parallel to the hollow fiber membranes of the first half cell. Alternatively, however, the surrounding chamber may also have an n-cornered cross-section with n> 2 and rectangular-shaped support structures.

Im Inneren der Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle und gegebenenfalls der zweiten Halbzelle sind die porösen Elektroden zweckmäßig durch ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsdurchlässiges Füllmaterial gebildet und elektrisch leitende Stromabnehmer in das Füllmaterial eingebracht.In the interior of the hollow-fiber membranes of the first half-cell and possibly the second half-cell, the porous electrodes are expediently formed by an electrically conductive, liquid-permeable filling material and electrically conductive current collectors are introduced into the filling material.

Ist die poröse Elektrode der zweiten Halbzelle durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur in den Zwischenräumen außerhalb der Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle ausgebildet, sind die Stromabnehmer der zweiten Halbzelle in die flüssigkeitsdurchlässige Struktur eingebracht oder jede Hohlfasermembran der ersten Halbzelle ist außen mit einer porösen Struktur und mindestens einem durchgehend verbundenen, elektrisch leitenden Streifen als Stromabnehmer beschichtet, der am Ende an einem elektrisch leitenden Gerüst oder Gehäuse kontaktiert ist.When the porous electrode of the second half cell is formed by an electrically conductive, liquid-permeable structure in the spaces outside the hollow fiber membranes of the first half cell, the current collectors of the second half cell are inserted in the liquid-permeable structure or each hollow fiber membrane of the first half cell is outside with a porous structure and at least a continuously connected, electrically conductive strip coated as a current collector, which is contacted at the end to an electrically conductive framework or housing.

In einer weiteren Ausführung ist die poröse Elektrode der zweiten Halbzelle als flüssigkeitsdurchlässige Struktur aus elektrisch leitendem Material in Zwischenräume außerhalb der Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle ausgebildet, wobei Stromabnehmer mit elektrischem Kontakt zu einer elektrisch leitenden Stützstruktur der die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebenden Kammer in die flüssigkeitsdurchlässige Struktur einbracht sind oder die flüssigkeitsdurchlässige Struktur als Elektrode an Befestigungsstellen oder durch Anlegen oder Anpressen an die mindestens teilweise elektrisch leitende Stützstruktur der umgebenden Kammer kontaktiert ist.In another embodiment, the porous electrode of the second half-cell is formed as a liquid-permeable structure of electrically conductive material in spaces outside the hollow fiber membranes of the first half-cell, wherein current collector with electrical contact to an electrically conductive support structure of the hollow fibers surrounding the first half-cell chamber in the liquid-permeable structure einbracht or the liquid-permeable structure is contacted as an electrode at attachment points or by applying or pressing on the at least partially electrically conductive support structure of the surrounding chamber.

Eine andere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die poröse Elektrode der zweiten Halbzelle als flüssigkeitsdurchlässige Struktur außen auf jede Hohlfasermembran der ersten Halbzelle beschichtet und mit mindestens einem durchgehenden elektrisch leitenden Streifen als Stromabnehmer versehen ist, wobei die Stromabnehmer in elektrischem Kontakt zu einer elektrisch leitenden Stützstruktur der die Hohlfasern der ersten Halbzelle umgebenden Kammer oder zu einem anderweitig elektrisch leitenden Gerüst stehen.Another advantageous embodiment of the invention consists in that the porous electrode of the second half-cell is coated as a liquid-permeable structure on the outside of each hollow fiber membrane of the first half-cell and provided with at least one continuous electrically conductive strip as a current collector, wherein the current collector in electrical contact with an electrically conductive Support structure of the hollow fibers surrounding the first half-cell chamber or to another electrically conductive framework stand.

In einer dazu alternativen Variante sind in den Hohlfasern der ersten Halbzelle und in den Hohlfasern der zweiten Halbzelle die porösen Elektroden jeweils auf die Innenseiten der Hohlfasermembranen als poröse Schicht aufgetragen und Enden der Hohlfasermembranen auf elektrisch leitende Röhrchen oder Klemmhülsen als Stromabnehmer aufgestülpt.In an alternative variant of this, in the hollow fibers of the first half-cell and in the hollow fibers of the second half-cell, the porous electrodes are each applied to the inner sides of the hollow-fiber membranes as a porous layer and ends of the hollow-fiber membranes are slipped onto electrically conductive tubes or clamping sleeves as current collectors.

In einer dritten Variante, bei der beide Halbzellen durch Hohlfasern gebildet werden, sind in den Hohlfasern der ersten Halbzelle und in den Hohlfasern der zweiten Halbzelle jeweils die elektrisch leitenden Stromabnehmer zugleich als Elektroden im Inneren der Hohlfasermembranen ausgebildet und dabei geradlinig ausgerichtet oder spiralförmig geformt aufgewickelt und jeweils nach außen geführt zusammengefasst.In a third variant, in which both half-cells are formed by hollow fibers, in the hollow fibers of the first half-cell and in the hollow fibers of the second half-cell, respectively, the electrically conductive current collectors are at the same time formed as electrodes in the interior of the hollow-fiber membranes, while being rectilinearly aligned or spirally wound and wound each led to the outside.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass die Verwendung von tubulären Membranen (Hohlfasermembranen) - anstelle von einzelnen Flachmembranen, wie sie in allen zurzeit kommerziell verfügbaren RFBs Verwendung finden - die elektrochemisch wichtige Membranoberfläche pro Zellenvolumen und damit die elektrische Leistungsfähigkeit einer RFB signifikant erhöhen kann, wobei zugleich Baugröße sowie Zellengewicht signifikant verringert werden. Derzeit leidet der Aufbau bekannter Lösungsansätze für tubuläre RFBs jedoch stets daran, dass fertigungstechnisch sehr aufwändige Elektroden und/oder Membranaufschichtungen erforderlich sind. Des Weiteren limitiert der nach dem Stand der Technik unvermeidbare Austausch von redoxaktiven Substanzen zwischen den Halbzellen (sog. „Kreuzkontamination“ oder „Cross-over“), der bei tubulären RFBs durch die größere Kontaktfläche zwischen Elektrolyten und Membran zusätzlich begünstigt ist, die Lebensdauer von RFBs.The invention is based on the fundamental idea that the use of tubular membranes (hollow fiber membranes), instead of individual flat membranes as used in all currently commercially available RFBs, can significantly increase the electrochemically important membrane surface per cell volume and thus the electrical performance of an RFB, at the same time size and cell weight are significantly reduced. However, at present the construction of known solutions for tubular RFBs always suffers from the fact that production-consuming electrodes and / or membrane coatings are required. Furthermore, the unavoidable replacement of redox-active substances between the half-cells (so-called "cross-contamination" or "cross-over"), which is additionally favored in tubular RFBs by the larger contact area between the electrolyte and the membrane, limits the lifetime of RFBS.

Die Erfindung löst diese Probleme, indem Innen- und/oder Außenvolumina einer Vielzahl von gleichen Hohlfasern als Elektrolytströmungsbahnen und zugleich Elektroden der RFC ausgebildet sind, wobei die Hohlfasern als tubuläre Membranen in eine umgebende Kammer mit poröser flüssigkeitsdurchlässiger bzw. elektrolytdurchlässiger Struktur eingefügt sind, die entweder als Elektrode der zweiten Halbzelle oder als Salzbrücke zu der ebenfalls aus Hohlfasern gebildeten zweiten Halbzelle ausgestaltet ist. Dabei sind die Hohlfasermembranen vorzugsweise aus unterschiedlichen, die redoxaktiven Komponenten sperrenden Materialien gebildet, wie beispielsweise aus Kunststoffen in Form von Polymeren (z. B. Polyethersulfon) und anderen organischen Verbindungen, wie z. B. Cellulose, regenerierte Cellulose (RC) und weiteren Derivaten, oder einer Keramik gefertigt. The invention solves these problems by forming inner and / or outer volumes of a plurality of identical hollow fibers as electrolyte flow paths and electrodes of the RFCs, wherein the hollow fibers are inserted as tubular membranes in a surrounding chamber having a porous liquid-permeable or electrolyte-permeable structure, either is designed as an electrode of the second half-cell or as a salt bridge to the likewise formed from hollow fibers second half-cell. In this case, the hollow-fiber membranes are preferably formed from different materials blocking the redox-active components, for example from plastics in the form of polymers (for example polyethersulfone) and other organic compounds, such as, for example, As cellulose, regenerated cellulose (RC) and other derivatives, or made of a ceramic.

In der erfindungsgemäßen RFC können grundsätzlich alle denkbaren Membrantypen Verwendung finden. Unter der erfindungsgemäß als Membran bezeichneten Grenzfläche der jeweiligen Halbzellen mit separierten Elektrolyten wird dabei ein flächiges Gebilde verstanden, das prinzipiell durch die zwei Mindestvoraussetzungen gekennzeichnet ist, dass es einerseits einen effizienten Ladungsausgleich durch den Übergang von Ladungsträgern zwischen den Halbzellen einer RFC gewährleistet und andererseits zugleich den Übergang der für die Energiespeicherung entscheidenden redoxaktiven Substanzen der beiden Elektrolyten in die jeweils andere Halbzelle ausschließt bzw. elektrochemische Reaktionen der redoxaktiven Substanzen der beiden Halbzellen miteinander über die Membran hinweg idealerweise vollständig unterdrückt. Besonders bevorzugt sind nach diesen Maßgaben dabei solche Membranen, die nach dem Prinzip des Ionentypausschlusses oder nach dem Prinzip des Größenausschlusses wirken. Aber auch Flächengebilde aus anderen Materialien, welche die letztgenannten Eigenschaften nicht mitbringen, sind hier als eine die Halbzellen trennende Grenzfläche denkbar, solange sie die vorgenannt beschriebene Funktion in ihren Mindestvoraussetzungen erfüllen. Obwohl die Formulierung „Membran“ im Hinblick auf die oben genannten Funktionen einschränkend wirkt, soll der Einfachheit halber, und da es zugleich die bevorzugte Variante ist, dennoch im Folgenden von dieser Vorrichtung weiterhin nur als „Membran“ die Rede sein.In principle, all conceivable types of membranes can be used in the RFC according to the invention. In this context, the boundary surface of the respective half-cells with separated electrolytes according to the invention is understood to be a planar structure which is characterized in principle by the two minimum requirements, on the one hand ensuring efficient charge equalization through the transfer of charge carriers between the half-cells of an RFC and, on the other hand, at the same time Transition of the decisive for energy storage redox-active substances of the two electrolytes in the other half-cell precludes or completely suppressed electrochemical reactions of the redox-active substances of the two half-cells with each other across the membrane ideally. According to these provisos, particular preference is given to membranes which operate on the principle of ion-type exclusion or on the principle of size exclusion. But also fabrics made of other materials, which do not bring the last-mentioned properties are here conceivable as an interface separating the half-cells, as long as they fulfill the above-described function in their minimum requirements. Although the term "membrane" is limiting in terms of the above functions, for the sake of simplicity, and since it is also the preferred variant, it will be referred to hereinafter only as a "membrane" from this device.

Im Falle einer Membran, die nach dem Prinzip des Größenausschlusses wirkt, wird der Größenausschluss durch Verwendung redoxaktiver Makromoleküle (z. B. Oligomere und Polymere) und entsprechend gewählte poröse Membranen erreicht, deren Porengrößenverteilung so beschaffen ist, dass Moleküle ab einer bestimmten geometrischen Größe (d. h. ab einem bestimmten hydrodynamischen Volumen) bzw. Molmasse mit großer Wahrscheinlichkeit (> 90 %) zurückgehalten werden. Dies wird meist gemessen an der Molmasse des Makromoleküls und einer oberen Schranke für die Porengröße der Membran, dem sogenannten Molecular Weight Cut-Off (MWCO). Dadurch werden makromolekulare redoxaktive Substanzen mit einer größeren Molmasse als dem MWCO zurückgehalten, während die kleineren Ionen des Leitsalzes die Membran zum Ladungsausgleich passieren können. Hierzu werden Membranen mit MWCOs von mindestens 0,4 kDa, besonders bevorzugt zwischen 1 kDa und 10 kDa, verwendet. Aber auch größere MWCOs sind prinzipiell denkbar. Dabei ist die erfindungsgemäße Wahl der Materialien für die redoxaktiven Makromoleküle und die makrotubulären Membranen grundsätzlich beliebig und nur dadurch eingeschränkt, dass die Materialien miteinander chemisch verträglich sein müssen und keine ungewollten chemischen Reaktionen miteinander eingehen, sodass keine Zersetzung, Auflösung oder eine anderweitig funktionsbeeinträchtigende Veränderung des Membranmaterials oder des Elektrolyten auftritt.In the case of a membrane that operates on the principle of size exclusion, the size exclusion is achieved by using redox-active macromolecules (eg, oligomers and polymers) and appropriately selected porous membranes whose pore size distribution is such that molecules of a certain geometric size ( ie from a certain hydrodynamic volume) or molar mass with high probability (> 90%) are retained. This is usually measured by the molecular weight of the macromolecule and an upper barrier to the pore size of the membrane, the so-called Molecular Weight Cut-Off (MWCO). As a result, macromolecular redox-active substances are retained with a molecular weight greater than the MWCO, while the smaller ions of the conductive salt can pass through the membrane for charge compensation. For this purpose, membranes with MWCOs of at least 0.4 kDa, more preferably between 1 kDa and 10 kDa, are used. But even larger MWCOs are conceivable in principle. The inventive choice of materials for the redox-active macromolecules and the macrotubular membranes is basically arbitrary and limited only by the fact that the materials must be chemically compatible with each other and not enter into unwanted chemical reactions with each other, so no decomposition, dissolution or otherwise dysfunctional change in the membrane material or the electrolyte occurs.

Mit Membranen, die nach dem Prinzip des Ionentypausschlusses wirken, sind solche Membranen gemeint, die Ionen nur selektiv hindurchlassen bzw. abhalten. Dieser Ionentypausschluss wird dabei durch elektrisch isolierende, poröse Membranmaterialien erreicht, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie ionische Gruppen beinhalten und deswegen elektrisch geladene Ionen gleicher Ladung von der Passage abhalten, während Ionen entgegengesetzter Ladung die Membran passieren können, insoweit diese Ionen in ihrer Größe zugleich die geringe Porengröße der Membran nicht überschreiten. Man unterscheidet deswegen zwischen anionen- und kationenleitenden Membranen. Ein Hauptvertreter für kationenleitende Membranen sind Nafion®-Membranen.By membranes which operate on the ion-exclusion principle, it is meant those membranes which selectively selectively liberate ions. This ion type exclusion is achieved by electrically insulating, porous membrane materials, which are characterized in that they contain ionic groups and therefore keep electrically charged ions of the same charge from the passage, while ions of opposite charge can pass through the membrane, insofar as these ions in size at the same time do not exceed the small pore size of the membrane. A distinction is therefore made between anion- and cation-conducting membranes. A major representative of cation-conducting membranes are Nafion® membranes.

Aber auch andere Membrantypen, die den vorgenannten Mindestvoraussetzungen genügen, sind denkbar. Ein solches Beispiel stellen hier solche Keramiken dar, welche allgemeinhin auch als Feststoffelektrolyt bezeichnet werden und deren Leitfähigkeit - unter Umständen bei erhöhter Temperatur - durch thermisch mobilisierte Ionen in der Festkörperstruktur der Keramik realisiert wird (z. B. Na2O, MgO, NaAl11O17, usw.).But also other types of membranes, which meet the above minimum requirements, are conceivable. Such an example is represented here by such ceramics, which are also generally referred to as solid electrolyte and whose conductivity is realized - possibly at elevated temperature - by thermally mobilized ions in the solid state structure of the ceramic (eg Na 2 O, MgO, NaAl 11 O 17 , etc.).

Somit können insbesondere auch all jene Membran- und Elektrolytmaterialien, deren Brauchbarkeit für herkömmliche RFCs in Flachbauweise aus dem Stand der Technik vorbekannt ist, von den zusätzlichen, materialunabhängigen Vorteilen einer erfindungsgemäßen RFC mit Hohlfasermembranen profitieren.Thus, in particular all those membrane and electrolyte materials whose usefulness is already known from the prior art for conventional flat-type RFCs can also profit from the additional, material-independent advantages of an RFC according to the invention with hollow-fiber membranes.

Auf eine Hohlfasermembran kann mindestens innen eine elektrisch leitende poröse Schicht als Elektrode (bzw. Teil der Elektrode) aufgetragen werden, um daraus mittels einer Vielzahl von hydrodynamisch und elektrisch parallel betriebenen Hohlfasern eine Halbzelle zusammenzusetzen. Anstelle der Beschichtung oder zusätzlich dazu kann auch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur (poröser Festkörper, Schüttgut, Fasergewebe oder -vlies, Garn oder Ähnliches) als Elektrode in die Hohlfaser eingeführt sein. Auf diese Art und Weise können entweder nur eine der Halbzellen oder beide Halbzellen aufgebaut sein. An electrically conductive porous layer may be applied as electrode (or part of the electrode) to a hollow-fiber membrane at least in order to assemble a half-cell therefrom by means of a multiplicity of hydrodynamically and electrically parallel-operated hollow fibers. Instead of or in addition to the coating, an electrically conductive, liquid-permeable structure (porous solid, bulk material, fiber fabric or fleece, yarn or the like) may also be introduced as an electrode into the hollow fiber. In this way, either only one of the half-cells or both half-cells can be constructed.

In einem ersten Fall ist die erste Halbzelle, wie vorstehend beschrieben, aufgebaut und die zweite Halbzelle durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur (poröser Festkörper, Schüttung, Fasergewebe oder -vlies oder Ähnliches) gebildet, in welche die Hohlfasern der ersten Halbzelle - vorzugsweise als eine Vielzahl paralleler Stränge - eingebettet sind, wobei die flüssigkeitsdurchlässige Struktur oder darin vorzugsweise parallel angeordnete Hohlfasern jeweils als mit Elektrode ausgestattete Elektrolytströmungsbahn für jeweils eine der Halbzellen genutzt werden. Als „Stromabnehmer“ für die Elektroden im Innern der Hohlfaser(n) kann jeweils ein elektrisch leitender Draht oder Stab eingeführt oder das Faserende auf ein elektrisch leitendes Röhrchen aufgepfropft sein, wobei die einzelnen Stromabnehmer elektrisch parallel miteinander verbunden sind. Als „Stromabnehmer“ für die äußere Elektrode kann mindestens ein(e) elektrisch leitende(r) Draht, Stab, Streifen oder Platte in die flüssigkeitsdurchlässige Struktur eingeführt oder an mindestens einer zu den Hohlfasern parallelen Außenfläche der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur elektrisch leitende Platten oder ein elektrisch leitender Zylindermantel (falls die tubuläre Gesamtform gewählt ist) angebracht sein, die zugleich einen stabilisierenden Träger der gesamten Hohlfaser-RFB darstellen.In a first case, the first half-cell, as described above, constructed and the second half-cell by an electrically conductive, liquid-permeable structure (porous solid, bed, fiber fabric or nonwoven or the like) is formed, in which the hollow fibers of the first half-cell - preferably as a plurality of parallel strands - are embedded, wherein the liquid-permeable structure or preferably arranged in parallel hollow fibers are each used as an electrode equipped with electrolyte flow path for each one of the half-cells. As "current collector" for the electrodes in the interior of the hollow fiber (s) can each be introduced an electrically conductive wire or rod or the fiber end grafted onto an electrically conductive tube, wherein the individual current collector are electrically connected in parallel. As a "current collector" for the outer electrode, at least one electrically conductive wire, rod, strip or plate can be introduced into the liquid-permeable structure or electrically conductive plates or an electrically conductive plate on at least one outer surface of the liquid-permeable structure parallel to the hollow fibers Cylinder shell (if the tubular overall shape is selected) are attached, which also represent a stabilizing carrier of the entire hollow fiber RFB.

In einem zweiten Fall, wenn beide Halbzellen aus Hohlfasern mit innerlich rauen oder porösen Elektroden gebildet sind, werden die von unterschiedlichen Elektrolyten (entweder Katholyt oder Anolyt) durchströmten Hohlfasern, die vorzugsweise mit draht- oder stabförmigen Stromabnehmern durchzogen und getrennt nach Halbzellenzugehörigkeit zusammengefasst sind, mindestens schichtweise parallel gefasst und gestapelt, wobei zwischenliegende oder umgebende Hohlräume bevorzugt mit einer elektrisch leitfähigen Salzlösung durchtränkt oder durchströmt sind, aber auch von einem ionenleitenden Festkörper oder einer ionischen Flüssigkeit ausgefüllt sein können. Die Hohlfasern unterschiedlicher Halbzellen sind dabei vorzugsweise einzeln alternierend benachbart oder in abwechselnden Schichten angeordnet. Für die Anordnung sind vorzugsweise eine Parallelanordnung in der für die jeweilige Grundgeometrie der RFC „dichtesten Zylinderpackung“ oder halbzellenweise abwechselnd gestapelte Hohlfaserschichten denkbar, die jeweils eine Verdrehung um einen Winkel α mit 0 < α ≤ 90° aufweisen können.In a second case, when both half-cells are formed of hollow fibers with internally rough or porous electrodes, the hollow fibers through which different electrolytes flow (either catholyte or anolyte), which are preferably traversed by wire or rod-shaped current collectors and are combined separately according to half-cell membership, are at least layered in parallel and stacked, wherein intermediate or surrounding cavities are preferably impregnated or flowed through with an electrically conductive salt solution, but may also be filled by an ion-conducting solid or an ionic liquid. The hollow fibers of different half-cells are preferably arranged individually alternately adjacent or in alternating layers. For the arrangement preferably a parallel arrangement in the respective basic geometry of the RFC "densest cylinder pack" or half-cell alternately stacked hollow fiber layers are conceivable, each having a rotation by an angle α with 0 <α ≤ 90 °.

Die Aufgabe der Erfindung wird ausdrücklich nicht nur durch die bloße Verwendung von Hohlfasern, sondern vor allem durch neuartige Anordnungen solcher Hohlfasern als Membranen in einem der Membrangeometrie angepassten Zellendesign und/oder einer neuartigen Betriebsart solcher Hohlfaserzellen realisiert.The object of the invention is realized not only by the mere use of hollow fibers, but especially by novel arrangements of such hollow fibers as membranes in a membrane geometry adapted cell design and / or a novel mode of such hollow fiber cells.

Die optionale Verwendung einer Salzbrücke stellt darüber hinaus eine neuartige Betriebsart für RFBs dar, die es insbesondere erlaubt, beide Halbzellen einer tubulären RFB in gleicher Weise aufzubauen und zu betreiben. Als eine erfindungsgemäße Salzbrücke wird ein lonenleiter verstanden, der einen effizienten Austausch von Ionen zwischen den Halbzellen erlaubt und bevorzugt als eine Flüssigkeit mit darin gelösten anorganischen oder organischen Salzen ausgebildet ist, aber auch ein ionenleitender Feststoff, ein ionenleitendes Gel oder eine ionische Flüssigkeit sein kann. Überdies wird durch die sich ergebende doppelte Membran (jede Halbzelle bringt eine Hohlfasermembran mit) der unerwünschte, aber nicht vollständig unterdrückbare Austausch der redoxaktiven Substanzen zwischen den beiden Halbzellen (auch „Kreuzkontamination“ bzw. „Cross-over“ genannt) zusätzlich verringert oder - praktisch gesehen - sogar nahezu vollständig unterdrückt. Außerdem führt die Beschädigung einer Membran nicht mehr zu einer unwillkürlichen Vermischung der beiden Elektrolyten, solange nicht mindestens zwei Hohlfasern unterschiedlicher Halbzellen beschädigt sind. Eine oder mehrere defekte Hohlfasermembranen einer Halbzelle führen dadurch ebenfalls nicht sofort zum Versagen der Funktionsfähigkeit der Batterie, sondern im schlimmsten Fall nur zu einem Leistungsabfall.The optional use of a salt bridge also provides a novel mode of operation for RFBs, which in particular allows both half-cells of a tubular RFB to be constructed and operated in the same way. A salt bridge according to the invention is understood to be an ion conductor which permits efficient exchange of ions between the half-cells and is preferably in the form of a liquid with dissolved inorganic or organic salts, but can also be an ion-conducting solid, an ion-conducting gel or an ionic liquid. Moreover, the resulting double membrane (each half cell brings a hollow fiber membrane with) the undesirable, but not completely suppressible replacement of the redox-active substances between the two half-cells (also called "cross-contamination" or "cross-over") additionally reduced or - practical seen - even almost completely suppressed. In addition, the damage of a membrane no longer leads to an involuntary mixing of the two electrolytes, as long as at least two hollow fibers of different half-cells are not damaged. One or more defective hollow-fiber membranes of a half-cell likewise do not immediately lead to failure of the functioning of the battery, but in the worst case only to a loss of performance.

Mit der erfindungsgemäßen Hohlfaser-RFB (HFRFB) ist es möglich, eine neue Art von tubulären RFBs zur Energiespeicherung zu realisieren, die bei einfachem Aufbau aus wenigen Grundkomponenten für hohe Leistungsdichten beliebig und höchst variabel dimensionierbar und ausgestaltbar ist. Insbesondere ist eine einheitliche Fertigung der Halbzellen ohne komplizierte poröse Elektroden möglich, wobei äußere flächige Stromabnehmer zugleich für die erforderliche mechanische Stabilität der parallel und dicht in einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur eingebetteten tubulären Halbzellen sorgen und der Grundaufbau eine einfache, unterschiedliche Konfektionierung von Batterien beliebiger Leistungsgröße erlaubt. Zudem gestattet die Erfindung den effizienten Betrieb einer RFB mit Salzbrücke, was für eine signifikant erhöhte Ausfallsicherheit und Lebensdauer einer solchen Batterie sorgt.With the hollow fiber RFB (HFRFB) according to the invention, it is possible to realize a new type of tubular RFBs for energy storage, which can be dimensioned and configured in a simple manner from a few basic components for high power densities as desired and highly variable. In particular, a uniform production of the half-cells without complicated porous electrodes is possible, with external flat pantographs at the same time provide the required mechanical stability of parallel and tight embedded in a liquid-permeable structure tubular half-cells and the basic structure allows a simple, different packaging of batteries of any power size. In addition, the invention allows the efficient operation of a salt bridge RFB, which provides for significantly increased reliability and lifetime of such a battery.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1: eine schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Hohlfaser-RFB mit einer Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen RFC;
  • 2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der Erfindung als zylindrische Hohlfaser-RFB (HFRFB), bei der eine Anzahl von Hohlfasern als Hohlfasermembranen in eine elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur in Form eines Filzes aus Graphit eingebettet ist, wobei die Hohlfasern der ersten Halbzellen von einem ersten Elektrolyten und die flüssigkeitsdurchlässige Struktur der zweiten Halbzelle von einem zweiten Elektrolyten durchströmt sind;
  • 3: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der Erfindung als quaderförmige HFRFB, bei der eine Anzahl von Hohlfasern als Hohlfasermembranen in eine elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur in Form einer Gewebe- oder Vliesstruktur aus Kohlenstoff eingebettet sind, wobei die Hohlfasern der ersten Halbzelle von einem ersten Elektrolyten und die flüssigkeitsdurchlässige Struktur der zweiten Halbzelle von einem zweiten Elektrolyten durchströmt sind;
  • 4: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführung der Erfindung als zylindrische HFRFB, bei der eine Anzahl von ersten tubulären Hohlfasermembranen und eine (gleiche) Anzahl von zweiten tubulären Hohlfasermembranen in eine flüssigkeitsdurchlässige Struktur in dichtester Zylinderpackung eingebracht sind, wobei die Hohlfasern der ersten Halbzelle von einem ersten Elektrolyten und die Hohlfasern der zweiten Halbzelle von einem zweiten Elektrolyten durchströmt sind und die flüssigkeitsdurchlässige Struktur, welche gänzlich durch die die Hohlfasern umgebenden Außenräume gebildet ist, mit einer Leitsalzlösung gefüllt ist;
  • 5: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführung der Erfindung als quaderförmige HFRFB, bei der eine Anzahl von ersten tubulären Hohlfasern und eine (gleiche) Anzahl von zweiten tubulären Hohlfasern in „dichtester Zylinderpackung“ in Hohlfaserschichten angeordnet sind, wobei die Hohlfasern der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle abwechselnd von einem ersten und einem zweiten Elektrolyten durchströmt und die Hohlräume zwischen den Hohlfasern mit einer Leitsalzlösung gefüllt sind;
  • 6a: eine Prinzipdarstellung einer ersten Variante, wie erfindungsgemäße Hohlfasern zu stapelbaren RFCs zusammengefügt sind, mit räumlich einfacher Verknüpfung einer ersten Halbzelle aus elektrisch und hydrodynamisch parallel miteinander verschalteten Hohlfasern mit drahtförmigen Stromabnehmern und einer zweiten Halbzelle aus umgebender flüssigkeitsdurchlässiger, elektrisch leitender Struktur;
  • 6b: eine Prinzipdarstellung einer zweiten Variante, wie erfindungsgemäße Hohlfasern zu stapelbaren RFCs zusammengefügt sind, mit räumlich einfacher Verknüpfung einer ersten Halbzelle aus elektrisch und hydrodynamisch parallel miteinander verschalteten Hohlfasern mit drahtförmigen Stromabnehmern und einer zweiten Halbzelle aus umgebender flüssigkeitsdurchlässiger, elektrisch leitender Struktur;
  • 7a: eine Prinzipdarstellung, wie erfindungsgemäße Hohlfasern zu stapelbaren RFCs zusammengefügt sind, mit räumlich anspruchsvoller Verknüpfung einer ersten Halbzelle aus elektrisch und hydrodynamisch parallel miteinander verschalteten Hohlfasern mit drahtförmigen Stromabnehmern und einer zweiten Halbzelle aus elektrisch und hydrodynamisch miteinander parallel verschalteten Hohlfasern mit drahtförmigen Stromabnehmern mit vollständig separater Elektrolytführung für die Hohlfasern der ersten und zweiten Halbzellen und Leitsalzlösung zwischen den Hohlfasern;
  • 7b: eine Prinzipdarstellung, wie Hohlfasern zu stapelbaren, erfindungsgemäßen tubulären oder quaderförmigen RFCs zusammengefügt sind, mit räumlich einfacher Verknüpfung einer ersten Halbzelle aus elektrisch und hydrodynamisch parallel miteinander verschalteten Hohlfasern mit drahtförmigen Stromabnehmern und einer zweiten Halbzelle aus elektrisch und hydrodynamisch miteinander parallel verschalteten Hohlfasern mit drahtförmigen Stromabnehmern und mit großflächiger Kontaktierung und einer Salzbrücke zwischen den Hohlfasern der ersten und der zweiten Halbzelle, aber bei teilweisem Kontakt der Hohlfasermembranen zu beiden Elektrolyten;
  • 8: eine Prinzipdarstellung einer RFB aus erfindungsgemäßen RFCs in einem vertikalen Stapel bei hydrodynamischer Parallelschaltung der RFCs und elektrischer Reihenschaltung durch direkte Kontaktierung an den Stapelflächen;
  • 9: eine Prinzipdarstellung einer RFB aus erfindungsgemäßen RFCs in einem horizontalen Stapel bei hydrodynamischer Parallelschaltung der RFCs und elektrischer Reihenschaltung durch Verdrahtung an den Stirnflächen der einzelnen RFCs im Stapel;
  • 10: eine Prinzipdarstellung einer RFB aus erfindungsgemäßen RFCs in mehreren vertikalen Stapeln bei hydrodynamischer Parallelschaltung der RFCs und elektrischer Reihenschaltung durch Verdrahtung der Stapel miteinander;
  • 11: eine perspektivische Prinzipdarstellung der Anordnung der Hohlfasern in einer erfindungsgemäßen RFC mit Halbzellen aus jeweils schichtförmig angeordneten Hohlfasern, wobei abwechselnd Schichten von Hohlfasern je einer Halbzelle mit paralleler Ausrichtung der Hohlfasern gestapelt sind;
  • 12: eine perspektivische Prinzipdarstellung der Anordnung der Hohlfasern in einer erfindungsgemäßen RFC mit Halbzellen aus jeweils schichtförmig angeordneten Hohlfasern, wobei abwechselnd Schichten von Hohlfasern je einer Halbzelle mit gekreuzter Ausrichtung der Hohlfasern gestapelt sind.
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and drawings. Showing:
  • 1 : a schematic diagram of a hollow fiber RFB according to the invention with a sectional view of an RFC according to the invention;
  • 2 : A schematic representation of a first embodiment of the invention as a hollow-fiber cylindrical RFB (HFRFB), in which a number of hollow fibers embedded as hollow fiber membranes in an electrically conductive, liquid-permeable structure in the form of a felt made of graphite, wherein the hollow fibers of the first half-cells of a first electrolyte and the liquid-permeable structure of the second half-cell are flowed through by a second electrolyte;
  • 3 a schematic representation of a second embodiment of the invention as cuboid HFRFB, in which a number of hollow fibers are embedded as hollow fiber membranes in an electrically conductive, liquid-permeable structure in the form of a woven or non-woven structure made of carbon, wherein the hollow fibers of the first half-cell of a first electrolyte and the liquid-permeable structure of the second half cell is traversed by a second electrolyte;
  • 4 FIG. 2 is a schematic representation of a third embodiment of the invention as a cylindrical HFRFB in which a number of first tubular hollow fiber membranes and a (equal) number of second tubular hollow fiber membranes are incorporated into a liquid pervious structure in close-packed cylindrical packing, wherein the hollow fibers of the first half cell are from a first Electrolytes and the hollow fibers of the second half-cell are flowed through by a second electrolyte and the liquid-permeable structure, which is formed entirely by the outer spaces surrounding the hollow fibers, is filled with a conductive salt solution;
  • 5 FIG. 2 is a schematic representation of a fourth embodiment of the invention as a cuboid HFRFB in which a number of first tubular hollow fibers and a (same) number of second tubular hollow fibers are arranged in "densest-cylinder" layers in hollow fiber layers, wherein the hollow fibers of the first half-cell and the second Half-cell alternately flows through a first and a second electrolyte and the cavities between the hollow fibers are filled with a Leitsalzlösung;
  • 6a FIG. 2: shows a schematic representation of a first variant of how hollow fibers according to the invention are joined together to form stackable RFCs with spatially simple connection of a first half cell of electrically and hydrodynamically connected parallel hollow fibers with wire-shaped current collectors and a second half cell of surrounding, liquid-permeable, electrically conductive structure;
  • 6b FIG. 2: shows a schematic representation of a second variant of how hollow fibers according to the invention are joined together to form stackable RFCs with spatially simple connection of a first half cell of electrically and hydrodynamically connected parallel hollow fibers with wire-shaped current collectors and a second half cell of surrounding, liquid-permeable, electrically conductive structure;
  • 7a : A schematic representation of how hollow fibers according to the invention are combined to form stackable RFCs, with spatially demanding linking of a first half cell of electrically and hydrodynamically parallel interconnected hollow fibers with wire-shaped current collectors and a second half cell of electrically and hydrodynamically interconnected parallel hollow fibers with wire-shaped current collectors with completely separate electrolyte guide for the hollow fibers of the first and second half cells and conductive salt solution between the hollow fibers;
  • 7b : A schematic representation of how hollow fibers are stacked into stackable, tubular or cuboid RFCs according to the invention, with spatially simple connection of a first half cell of electrically and hydrodynamically parallel interconnected hollow fibers with wire-shaped current collectors and a second half cell of electrically and hydrodynamically interconnected parallel hollow fibers with wire-shaped current collectors and with large-area contacting and a salt bridge between the hollow fibers of the first and the second half-cell, but with partial contact of the hollow-fiber membranes to both electrolytes;
  • 8th : A schematic diagram of an RFB from RFCs according to the invention in a vertical stack with hydrodynamic parallel connection of the RFCs and electrical series connection by direct contacting at the stacking surfaces;
  • 9 : A schematic representation of an RFB from RFCs according to the invention in a horizontal stack with hydrodynamic parallel connection of the RFCs and electrical series connection by wiring at the end faces of the individual RFCs in the stack;
  • 10 FIG. 2: a schematic representation of an RFB from RFCs according to the invention in a plurality of vertical stacks with hydrodynamic parallel connection of the RFCs and electrical series connection by wiring the stacks together; FIG.
  • 11 : A perspective schematic representation of the arrangement of the hollow fibers in an RFC according to the invention with half-cells of each layered arranged hollow fibers, wherein alternately layers of hollow fibers are each a half-cell stacked with parallel alignment of the hollow fibers;
  • 12 : A perspective schematic representation of the arrangement of the hollow fibers in an RFC according to the invention with half-cells of each layered arranged hollow fibers, wherein alternately layers of hollow fibers are each a half-cell with crossed alignment of the hollow fibers stacked.

Die Anordnung zur Speicherung elektrischer Energie besteht in einem Grundaufbau - wie in 1 als eine Redox-Flow-Zelle (RFC 1) dargestellt - aus zwei benachbarten Halbzellen, die mit unterschiedlichen Elektrolyten 5 bzw. 6 durchströmt sind und die durch mehrere röhrenförmige Membranen in Form von Hohlfasern 2 bzw. 3 getrennt sind. 1 zeigt dazu einen Zwei-Ebenen-Schnitt durch die RFC 1 mit ihrer Einbindung in eine sehr stilisiert dargestellte Redox-Flow-Batterie (RFB 9). Die Schnittebenen sind so gewählt, dass eine Ebene mehrere Hohlfasern 2, 3 axial schneidet und die andere Ebene orthogonal dazu mehrere Hohlfasern 2 und 3 radial geschnitten zeigt.The arrangement for storing electrical energy consists in a basic structure - as in 1 as a redox flow cell (RFC 1 ) - from two adjacent half-cells, with different electrolytes 5 respectively. 6 are flowed through and through a plurality of tubular membranes in the form of hollow fibers 2 respectively. 3 are separated. 1 shows a two-level cut through the RFC 1 with their inclusion in a very stylized redox flow battery (RFB 9 ). The cutting planes are chosen so that one plane has multiple hollow fibers 2 . 3 axially intersects and the other plane orthogonal to several hollow fibers 2 and 3 shows radially cut.

Eine Vielzahl von Hohlfasern 2, 3 aus Hohlfasermembranen 21 bzw. 31 ist mit einem inneren flüssigkeitsdurchlässigen, elektrisch leitenden Material ausgefüllt oder beschichtet, das als elektrolytdurchströmte Elektrode 22 bzw. 32 und mit einem elektrisch leitenden Stromabnehmer 23 bzw. 33 im Innern von Hohlfasermembran 21 bzw. 31 und Elektrode 22 bzw. 32 ausgebildet ist.A variety of hollow fibers 2 . 3 from hollow fiber membranes 21 respectively. 31 is filled or coated with an inner liquid-permeable, electrically conductive material, as the electrolyte-flowed electrode 22 respectively. 32 and with an electrically conductive current collector 23 respectively. 33 inside hollow fiber membrane 21 respectively. 31 and electrode 22 respectively. 32 is trained.

Die Hohlfasermembranen 21, 31 können durch unterschiedlichste Materialien gebildet werden, wie beispielsweise aus Kunststoffen in Form von Polymeren und deren Derivaten, z. B. Polyethylen (PE), Polyurethan (PU), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylalkohol (PVAL), Polyacrylnitril (PAN), Polysulfon (PSU), Polyethersulfon (PES), Polyester, z. B. Polyethylenterephthalat (PET), modifiziertes Polyethersulfon (mPES), Polyamide (PA), insbesondere Polyamide, wie PA 6, PA 6.6 (Nylon), PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12, Siliconpolyamide, Siliconcarbonat, Siliconsulfon, Siliconpropylen; Polyimide (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE); aus Polypiperazinamid in Form von Dünnfilmmembranen oder aus Celluloseacetat-Stützschicht und Polyamidfilterüberzug; aus organischen Stoffen, wie Cellulose und Derivaten davon, z. B. regenerierte Cellulose (RC), Celluloseether, Celluloseester, z. B. Cellulosenitrat, Celluloseacetat (CA), Cellulosetriacetat (CTA), oder einer Keramik (z.B. Al2O3, ZrO2, TiO2, Al2O3 + TiO2, BaO + TiO2, Zr3(PO4)4, SiO2, Na2O, MgO, NaAl11O17, usw.) bestehen und auf dem Prinzip des Ionentypausschlusses oder bevorzugt auf dem Prinzip des Molekülgrößenausschlusses basieren.The hollow fiber membranes 21 . 31 can be formed by a wide variety of materials, such as plastics in the form of polymers and their derivatives, eg. Polyethylene (PE), polyurethane (PU), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVAL), polyacrylonitrile (PAN), polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES ), Polyesters, e.g. As polyethylene terephthalate (PET), modified polyethersulfone (mPES), polyamides (PA), in particular polyamides, such as PA 6 , PA 6.6 (nylon), PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12, silicone polyamides, silicone carbonate, silicone sulfone, silicone propylene; Polyimides (PI), polytetrafluoroethylene (PTFE); from polypiperazineamide in the form of thin film membranes or cellulose acetate support layer and polyamide filter cover; from organic substances such as cellulose and derivatives thereof, e.g. Regenerated cellulose (RC), cellulose ethers, cellulose esters, e.g. Cellulose nitrate, cellulose acetate (CA), cellulose triacetate (CTA), or a ceramic (eg Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 + TiO 2 , BaO + TiO 2 , Zr 3 (PO 4 ) 4 , SiO 2 , Na 2 O, MgO, NaAl 11 O 17 , etc.) and based on the principle of ion-type exclusion or preferably based on the principle of molecular size exclusion.

Membranen nach dem Prinzip des Ionentypausschlusses bestehen aus ionenleitenden Materialien, bevorzugt aus sulfonierten Polymeren und deren Derivaten, aber auch Polymeren mit anderen ionischen Substituenten, wie z. B. NH3 +, NRH2 +, NR2H+, NR3 +, PR3 +, SR2 +, COO-, PO3 2-, PO3H-, C6H4O-, usw., wobei die Polymere jenen aus der vorgenannten Aufzählung entsprechen können. Dabei eignen sich besonders fluorierte Polymere wegen ihrer erhöhten chemischen Beständigkeit.Membranes according to the principle of ion-type exclusion consist of ion-conducting materials, preferably of sulfonated polymers and derivatives thereof, but also polymers with other ionic substituents, such as. NH 3 + , NRH 2 + , NR 2 H + , NR 3 + , PR 3 + , SR 2 + , COO - , PO 3 2- , PO 3 H - , C 6 H 4 O - , etc., wherein the polymers may correspond to those of the aforementioned list. Fluorinated polymers are particularly suitable because of their increased chemical resistance.

Beispiele für Membranen nach dem Prinzip des Größenausschlusses sind eine Regeneratzellulosemembran (RC) mit einem MWCO von 1 kDa in einem Elektrolyt aus Wasser mit Natriumchlorid als Leitsalz und jeweils einem im Elektrolyt für die jeweilige Halbzelle gelösten Polymer (Molmassen größer als 1 kDa) als redoxaktive Substanz; eine Regeneratzellulosemembran mit einem MWCO von 5 kDa in einem Elektrolyt aus Propylencarbonat und mit Tetrabutylammoniumhexafluorophosphat als Leitsalz und jeweils einem im Elektrolyt für die jeweilige Halbzelle gelösten Polymer (Molmasse größer als 5 kDa) als redoxaktive Substanz; eine Polyethersulfonmembran mit einem MWCO von 3 kDa in Wasser mit Kaliumchlorid als Leitsalz mit jeweils einem im Elektrolyt für die jeweilige Halbzelle gelösten Polymer (Molmasse größer als 3 kDa) als redoxaktive Substanz usw. Hierbei sind die Größenausschlussmembranen jeweils so ausgewählt, dass der MWCO der Membran unter dem Wert für das Zahlenmittel der Molmasse des eingesetzten, redoxaktiven Makromoleküls liegt.Examples of membranes according to the principle of size exclusion are a Regeneratzellulosemembran (RC) with a MWCO of 1 kDa in an electrolyte of water with sodium chloride as the conductive salt and each one in the electrolyte for the respective half-cell dissolved polymer (molecular weights greater than 1 kDa) as redox-active substance ; a Regeneratzellulosemembran with a MWCO of 5 kDa in an electrolyte of propylene carbonate and with tetrabutylammonium hexafluorophosphate as conductive salt and each one in the electrolyte for each half-cell dissolved polymer (molecular weight greater than 5 kDa) as redox-active substance; a Polyethersulfonmembran having a MWCO of 3 kDa in water with potassium chloride as the conductive salt, each with a dissolved in the electrolyte for the respective half-cell polymer (molecular weight greater than 3 kDa) as redox-active substance, etc. Here, the size exclusion membranes are each selected so that the MWCO of the membrane is below the value for the number average molecular weight of the redox-active macromolecule used.

Ein Beispiel für eine auf dem Prinzip des Ionentypausschlusses basierende tubuläre RFC 1 wäre eine Vielzahl von Hohlfasermembranen aus Nafion® in einem Elektrolyt aus Schwefelsäure mit Vanadiumpentoxid als redoxaktive Substanz, wobei dies eine wichtige aus kommerziellen RFBs mit Flachmembran bekannte Materialbauweise ist. Außen sind die Hohlfasern 2 von einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 umschlossen, welche als beliebiger Strangkörper zylinder- oder prismenförmig ausgebildet ist, wobei die Außenflächen entlang der Strangrichtung mit einer elektrisch leitenden Stützstruktur 41 (wenigstens als käfigähnliches Gehäuse) überzogen sind oder vollständig daraus bestehen. Die Stützstruktur 41 kann aber auch aus nichtleitendem Material bestehen, wenn elektrisch leitende Stromabnehmer 43 direkt in die flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 eingeschoben sind (nicht in 1 gezeichnet).An example of a tubular RFC based on the ion-type exclusion principle 1 For example, a variety of hollow fiber membranes of Nafion® in an electrolyte of sulfuric acid with vanadium pentoxide as the redox-active substance would be an important material construction known from commercial flat-panel RFBs. Outside are the hollow fibers 2 from a liquid-permeable structure 4 enclosed, which is formed as any extruded cylindrical or prismatic, wherein the outer surfaces along the strand direction with an electrically conductive support structure 41 (at least as a cage-like Housing) are coated or made entirely of it. The support structure 41 but may also consist of non-conductive material when electrically conductive pantograph 43 directly into the liquid-permeable structure 4 are inserted (not in 1 drawn).

In der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 ist die gesamte Vielzahl der Hohlfasern 2 und 3 in direkt und parallel geordneter (in 5 und 11 gezeigt) oder auch schichtweise gekreuzter Weise angeordnet (nur in 12 gezeigt) eingebettet, wobei die flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 mit einem der Elektrolyte 5, 6 durchtränkt oder anstelle des Elektrolyten 6 der die Hohlfasern 2, 3 umgebende Raum mit einem flüssigen oder festen lonenleiter vollständig ausgefüllt ist.In the liquid-permeable structure 4 is the entire variety of hollow fibers 2 and 3 in direct and parallel ordered (in 5 and 11 shown) or arranged in layers crossed manner (only in 12 shown), wherein the liquid-permeable structure 4 with one of the electrolytes 5 . 6 soaked or instead of the electrolyte 6 the hollow fibers 2 . 3 surrounding space is completely filled with a liquid or solid ion conductor.

Die Elektroden 22, 32 bzw. 42, an denen die elektrochemischen Prozesse stattfinden, können durch verschiedene Lösungsansätze im Innenraum und im Außenraum der Hohlfasern 2, 3 arrangiert werden. Dabei werden die Innenräume bzw. die Außenräume der Hohlfasern einer Halbzelle (2 oder 3) jeweils untereinander elektrisch und hydrodynamisch parallelgeschaltet. Dabei ist die Summe der Querschnittsflächen bzw. der Volumina der beiden Halbzellen bevorzugt so zu wählen, dass sie gleichgroß sind. Es kann jedoch auf Grund unterschiedlicher Eigenschaften (Viskosität, Energiedichte, usw.) der beiden Elektrolyte 5, 6 unter Umständen auch vorteilhaft sein, unterschiedliche Querschnittsflächen bzw. Halbzellenvolumina zu wählen oder zumindest den Volumendurchsatz in beiden Halbzellen mit dem Ziel der Leistungsoptimierung unterschiedlich auszulegen. Durch die Verwendung von Hohlfasermembranen 21, 31 anstelle von Flachmembranen werden insbesondere Diffusionswege und die meist mit vergleichsweise hohen ohmschen Widerständen verbundenen Ionenstrompfade verkürzt, was zu einer effektiven Senkung des Innenwiderstands und der elektrochemischen Überspannungen im System und damit zu einer Steigerung der auf- bzw. entnehmbaren Leistung pro Zellenvolumen einer RFC 1 führt.The electrodes 22 . 32 respectively. 42 , where the electrochemical processes take place, can by various approaches in the interior and in the outer space of the hollow fibers 2 . 3 be arranged. In this case, the interiors or the outer spaces of the hollow fibers of a half-cell ( 2 or 3 ) in each case electrically and hydrodynamically in parallel with each other. The sum of the cross-sectional areas or the volumes of the two half-cells is preferably to be chosen so that they are the same size. However, it may due to different properties (viscosity, energy density, etc.) of the two electrolytes 5 . 6 Under certain circumstances, it may also be advantageous to choose different cross-sectional areas or half-cell volumes or at least to design the volume throughput in both half-cells differently with the aim of optimizing the performance. Through the use of hollow fiber membranes 21 . 31 Instead of flat membranes, in particular diffusion paths and the ion current paths which are usually associated with comparatively high ohmic resistances are shortened, which leads to an effective reduction of the internal resistance and the electrochemical overvoltages in the system and thus to an increase in the power per cell volume of an RFC 1 leads.

Die mögliche Anzahl der Hohlfasern 2, 3 in einer RFC 1 ist prinzipiell unbegrenzt. Ihre genaue Wahl hängt im Wesentlichen von der Zellengeometrie und vor allem von der gewünschten Membranfläche ab, die eine der Hauptfaktoren für die Limitierung der elektrischen Leistung der RFC 1 ist, weswegen sich die Dimensionierung der Hohlfasermembranen 21, 31 und der Außenmaße der RFC 1 hauptsächlich nach dieser Größe richtet. Aus der sehr hohen Variabilität in der Wahl von Anzahl, Innen- und Außendurchmesser, z. B. zwischen 1 µm und 10 mm, bevorzugt 100 µm bis 1 mm, Länge, beispielsweise 1 mm bis 1 m, bevorzugt 1 cm bis 20 cm, geometrischer Anordnung und Wahl des Membranmaterials (s.o.) der Hohlfasermembranen 21, 31 ergibt sich eine enorme Vielzahl an sinnvollen unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten einer solchen Redox-Flow-Batterie 9, im Weiteren auch als Hohlfaser-Redox-Flow-Batterie (HFRFB) bezeichnet.The possible number of hollow fibers 2 . 3 in an RFC 1 is unlimited in principle. Their exact choice depends essentially on the cell geometry and, above all, on the desired membrane area, which is one of the main factors limiting the RFC's electrical power 1 is why the dimensioning of the hollow fiber membranes 21 . 31 and the external dimensions of the RFC 1 mainly aimed at this size. From the very high variability in the choice of number, inner and outer diameter, z. B. between 1 .mu.m and 10 mm, preferably 100 .mu.m to 1 mm, length, for example 1 mm to 1 m, preferably 1 cm to 20 cm, geometric arrangement and choice of the membrane material (see above) of the hollow fiber membranes 21 . 31 results in an enormous variety of meaningful different design options of such a redox flow battery 9 , hereinafter also referred to as hollow fiber redox flow battery (HFRFB).

Bei der Ausgestaltung einer RFC 1 sind zwei Gesichtspunkte hauptsächlich ausschlaggebend. Der erste Punkt betrifft die Zellengeometrie und damit die Durchströmung oder Umströmung der porösen Elektroden 22, 32 bzw. 42 mit dem jeweiligen Elektrolyt 5 bzw. 6. Dieser Punkt ist insbesondere abhängig von der Wahl der geometrischen Abmessungen der Hohlfasern 2 bzw. 3, deren Anzahl, sowie geometrischer Anordnung und deren geeigneter lückenfreier Einbettung in eine elastisch anschmiegende, nachgiebige oder rissfrei mit den Hohlfasern 2, 3 durchstoßbare flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 und deren Einbringung in eine Stützstruktur 41 (z. B. ein Gehäuse). Die mechanische Stabilisierung der Hohlfasern 2, 3 sowie die Auftrennung der Strömungswege in einer RFC 1 für im Elektrolytkreislauf 51 der ersten Halbzelle und im Elektrolytkreislauf 61 der zweiten Halbzelle kann durch Befestigen oder Eingießen der Hohlfasermembranenden in eine stabilisierende, abdichtende Matrix (z. B. aus Silikon oder einem Kunstharz, wie z. B. Epoxidharz) erreicht werden, wie es in 6a, 6b und 7a, 7b dargestellt ist.In the design of an RFC 1 Two aspects are mainly crucial. The first point concerns the cell geometry and thus the flow or flow around the porous electrodes 22 . 32 respectively. 42 with the respective electrolyte 5 respectively. 6 , This point is particularly dependent on the choice of the geometric dimensions of the hollow fibers 2 respectively. 3 , their number, as well as geometric arrangement and their appropriate gap-free embedding in an elastically conformable, yielding or crack-free with the hollow fibers 2 . 3 pierceable liquid permeable structure 4 and their introduction into a support structure 41 (eg a housing). The mechanical stabilization of the hollow fibers 2 . 3 as well as the separation of the flow paths in an RFC 1 for in the electrolyte circuit 51 the first half-cell and in the electrolyte circuit 61 The second half cell may be achieved by attaching or pouring the hollow fiber membrane ends into a stabilizing, sealing matrix (eg of silicone or a synthetic resin, such as epoxy resin), as shown in FIG 6a . 6b and 7a . 7b is shown.

Der zweite Punkt betrifft die Elektrodenbeschaffenheit, an deren Grenzfläche zum Elektrolyten 5 bzw. 6 die elektrochemischen Reaktionen ablaufen, sowie die elektrische Kontaktierung der Elektroden 22, 32, 42.The second point concerns the condition of the electrodes, at their interface with the electrolyte 5 respectively. 6 the electrochemical reactions take place, as well as the electrical contacting of the electrodes 22 . 32 . 42 ,

Es ist darauf hinzuweisen, dass diese beiden Problemstellungen unter Umständen, aber nicht zwangsläufig, separat voneinander gelöst werden können. Da sich daraus verschiedene mögliche Kombinationen aus Zellengeometrie und Elektrodengestaltung ergeben, werden diese beiden Gesichtspunkte im Folgenden getrennt betrachtet.It should be noted that these two problems may, but not necessarily, be solved separately. Since this results in various possible combinations of cell geometry and electrode design, these two aspects are considered separately below.

Beispiel 1: Rohrzelle mit einer Halbzelle aus einer Vielzahl von HohlfasernExample 1: Tubular cell with a half-cell of a plurality of hollow fibers

In 2 ist ein Axialschnitt durch eine tubuläre RFC 1 ohne die weitere Peripherie einer RFB 9 (nur in 1, sowie Figs. 8 - 10 eingezeichnet) dargestellt, bei dem die polaritätsspezifische erste Halbzelle aus der Gesamtheit der Innenräume einer Vielzahl von Hohlfasern 2 und die gegensätzlich gepolte zweite Halbzelle aus einer Gesamtheit einer um die Hohlfasern 2 und dazwischen liegenden flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 gebildet werden.In 2 is an axial section through a tubular RFC 1 without the further periphery of an RFB 9 (only in 1 , and Figs. 8-10), in which the polarity-specific first half-cell is made up of the entirety of the interiors of a multiplicity of hollow fibers 2 and the oppositely poled second half cell from a total of one around the hollow fibers 2 and liquid-permeable structure therebetween 4 be formed.

In der tubulären RFC 1 sind die Hohlfasermembranen 21 in diesem Beispiel aus modifiziertem Polyethersulfon (mPES) (z. B. Firma SpectrumLabs, Innendurchmesser 1 mm, Größenausschluss mit MWCO 3 kDa) mit einer Packungsdichte von 0,60 in der umgebenden elektrisch leitenden, flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 eingebettet, die in diesem Fall als poröse Elektrode 42 in Form eines Filzes aus Graphit und als zylindrisches bzw. zylindrisch aufgerolltes Strangmaterial ausgebildet ist. Die Elektrode 42 ist in einem makrotubulären Graphitrohr als Stützstruktur 41 mit einem Innendurchmesser von 8,8 cm und einer Länge von 10 cm angeordnet, wobei die Stützstruktur 41 zugleich als Stromabnehmer 43 der zweiten Halbzelle vorgesehen und mit einem Stromanschluss 8 (nur in 1 sowie 8 bis 10 gezeichnet) verbunden ist.In the tubular RFC 1 are the hollow fiber membranes 21 modified polyethersulfone (mPES) in this example (eg Spectrum Labs company, inner diameter 1 mm, size exclusion with MWCO 3 kDa) with a packing density of 0.60 in the surrounding electrically conductive, liquid-permeable structure 4 embedded, which in this case as a porous electrode 42 is formed in the form of a felt made of graphite and as a cylindrical or cylindrical rolled strand material. The electrode 42 is in a macrotubular graphite tube as a support structure 41 arranged with an inner diameter of 8.8 cm and a length of 10 cm, the support structure 41 at the same time as a pantograph 43 provided the second half-cell and with a power connection 8th (only in 1 such as 8th to 10 drawn) is connected.

In der ersten Halbzelle ist jede der Hohlfasermembranen 21 mit einem Kohlefasergeflecht als elektrolytdurchströmbare poröse Elektrode 22 sowie einem zentral in das Geflecht eingefügten elektrisch leitenden Stromabnehmer 23, vorzugsweise in Form eines Nickeldrahtes (oder Silberdrahtes), der auch mit Kohlenstoff beschichtet sein kann, ausgestattet. Dabei sind alle Stromabnehmer 23 der ersten Halbzelle der RFC 1 miteinander in einer elektrischen Parallelschaltung vereint und über einen elektrischen Verbraucher (Batterieentladung) oder einen Stromanschluss 8 (Spannungsquelle für Batterieaufladung, nur in 1 dargestellt) mit dem Stromabnehmer 43 der zweiten Halbzelle zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden (Elektrolytkreisläufe 51, 61 nur in 1 gezeichnet). Die poröse Elektrode 22 wird mit einem ersten redoxaktiven Polymer, das beispielsweise in Form eines Viologen-Polymers (Molare Masse, Mn = 31 kDa) nach Janoschka et al. [in: Nature 2015, 527, 78-81 ] gelöst in wässriger Natriumchloridlösung vorliegen kann, als Elektrolyt 5 durchströmt und mittels einer Pumpe 53 im Elektrolytkreislauf 51 ins Elektrolytreservoir 52 gepumpt und dort gespeichert.In the first half cell, each of the hollow fiber membranes is 21 with a carbon fiber braid as the electrolyte-permeable porous electrode 22 and a centrally inserted into the mesh electrically conductive pantograph 23 , preferably in the form of a nickel wire (or silver wire), which may also be coated with carbon. All are pantographs 23 the first half-cell of the RFC 1 united together in an electrical parallel connection and via an electrical load (battery discharge) or a power connection 8th (Voltage source for battery charging, only in 1 shown) with the pantograph 43 the second half-cell connected to a closed circuit (electrolyte circuits 51 . 61 only in 1 drawn). The porous electrode 22 is with a first redox-active polymer, for example in the form of a viologen polymer (molar mass, M n = 31 kDa) after Janoshka et al. [in: Nature 2015, 527, 78-81 ] may be dissolved in aqueous sodium chloride solution, as the electrolyte 5 flows through and by means of a pump 53 in the electrolyte circuit 51 into the electrolyte reservoir 52 pumped and stored there.

In der zweiten Halbzelle wird der Filz aus Graphit als poröse äußere Elektrode 42 mit dem zweiten Elektrolyt 6, bestehend aus einem zweiten redoxaktiven Polymer, welches beispielsweise in Form eines TEMPO-Polymers (Molare Masse, Mn = 20 kDa) nach [ Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 ] gelöst in wässriger Natriumchloridlösung vorliegen kann, durchströmt und in einen zweiten Elektrolytkreislauf 61 mit einem Elektrolytreservoir 62 und einer Pumpe 63 eingebunden. Damit ist die tubuläre RFC 1 zu einer RFB 9 komplettiert und kann mit weiteren tubulären RFCs 1 zu einem Zellenstapel (cell stack) gestapelt oder direkt als RFB 9 aus einer Einzelzelle verwendet werden.In the second half cell, the graphite felt becomes a porous outer electrode 42 with the second electrolyte 6 consisting of a second redox-active polymer, which, for example, in the form of a TEMPO polymer (molar mass, M n = 20 kDa) according to [ Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 ] dissolved in aqueous sodium chloride solution, flows through and into a second electrolyte circuit 61 with an electrolyte reservoir 62 and a pump 63 involved. This is the tubular RFC 1 to an RFB 9 completes and can with other tubular RFCs 1 stacked into a cell stack or directly as an RFB 9 be used from a single cell.

Zweckmäßig können auch Hohlfasermembranen 21 aus keramischen Materialien eingesetzt werden. Die Verwendung solcher Membranen kann die chemische Beständigkeit einer RFC 1 gegenüber organischen Lösungsmitteln stark erhöhen. So ist es möglich, eine RFC 1 mit Elektrolyten 5, 6 auf Basis organischer Lösemittel, wie z. B. Acetonitril, Propylencarbonat, Dimethylsulfoxid etc., zu betreiben.Also useful may be hollow fiber membranes 21 be used from ceramic materials. The use of such membranes can increase the chemical resistance of an RFC 1 greatly increase compared to organic solvents. So it is possible to have an RFC 1 with electrolytes 5 . 6 based on organic solvents, such as. As acetonitrile, propylene carbonate, dimethyl sulfoxide, etc. to operate.

Zwei Flächen, die in planaren RFC 1 versiegelt werden müssen, verschwinden vollständig bei der Nutzung von tubulären (rohrförmigen) RFCs 1 in einer HFRFB. Möchte man bei Letzterer die absolute Leistung steigern, kann man einfach ihren Durchmesser und die Anzahl an Hohlfasern 2 erhöhen oder mit wesentlich geringerem Aufwand die RFC 1 axial verlängern.Two surfaces in planar RFC 1 have to be completely sealed off when using tubular (tubular) RFCs 1 in a HFRFB. If you want to increase the absolute performance of the latter, you can simply its diameter and the number of hollow fibers 2 increase or with much less effort the RFC 1 extend axially.

Beim Herstellen einer längeren tubulären RFC 1 entsteht kaum zusätzlicher Aufwand, weil rohrförmige Bauteile durch kontinuierliche Verfahren, wie beispielsweise Strangpressen in fast beliebiger Länge gefertigt werden können. Die nötige Fläche an Dichtung bleibt bei einer Veränderung der Rohrlänge konstant, da nur die Strangenden abgedichtet werden müssen, was einen Vorteil gegenüber einer planaren RFC 1 bzw. einer herkömmlichen RFC mit Flachmembran darstellt.When making a longer tubular RFC 1 There is little additional effort because tubular components can be manufactured by continuous processes, such as extrusion in almost any length. The necessary area of seal remains constant with a change in the tube length, since only the strand ends must be sealed, which is an advantage over a planar RFC 1 or a conventional flat-panel RFC.

Eine rechnerische Abschätzung über beispielhafte, sinnvolle Dimensionierungsmöglichkeiten dieser Ausführungsvariante der RFC 1 ist in Tabelle 1 angegeben. Hierbei wird von Membranflächen von 5 cm2 bis 1 m2 für eine RFC 1 ausgegangen, was übliche Maße für RFC 1 vom Labormaßstab bis hin zu kommerziell verfügbaren Systemen darstellt. Von der Membranfläche wird ausgegangen, weil sie den ohmschen Innenwiderstand einer Zelle maßgeblich mitdefiniert und ihre Wahl zugleich die Zellgröße bestimmt. Insbesondere bei RFCs mit Flachmembranen ist die Membranfläche gleichzusetzen mit der Mindestgröße, welche eine RFC 1 in ihrer Grundfläche einnimmt. Bei HFRFBs ist die Vielfalt an Dimensionierungsmöglichkeiten bei gleicher Membranfläche dahingegen um ein Vielfaches höher.A computational estimate of exemplary, meaningful dimensioning possibilities of this variant of the RFC 1 is given in Table 1. Here, membrane areas of 5 cm 2 to 1 m 2 for an RFC 1 what's usual for RFC 1 from laboratory scale to commercially available systems. The membrane surface is assumed because it decisively defines the ohmic internal resistance of a cell and at the same time determines its cell size. Especially with RFCs with flat membranes, the membrane area is equal to the minimum size, which is an RFC 1 occupies its base. With HFRFBs, the variety of dimensioning options is much higher with the same membrane area.

Die in der Tabelle aufgelisteten Membranflächen und daraus resultierende Zelldimensionen stellen deshalb ausdrücklich keine Einschränkung dar, sondern sind als einige Beispiele aus der enormen Vielfalt der mit Hohlfasermembranen realisierbaren Zelldimensionierungen zu verstehen. Aufgrund der kompakten Bauweise von Hohlfaserzellen ist insbesondere hier eine deutlich größere, sinnvolle Membranfläche denkbar, als aufgeführt bzw. für herkömmliche RFCs mit Flachmembran bisher realisiert.The membrane areas listed in the table and resulting cell dimensions are therefore expressly not limiting, but are to be understood as a few examples of the enormous variety of realizable with hollow fiber membranes Zelldimensionierungen. Because of the compact Construction of hollow fiber cells is here in particular a much larger, meaningful membrane surface conceivable, as listed or realized for conventional RFCs with flat membrane so far.

Die rechnerische Abschätzung der Dimensionierung einer Hohlfaserzelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt, indem berechnet wird, wie viele parallel zueinander ausgerichtete Hohlfasern 2, 3 einer sinnvoll gewählten Anzahl und mit einheitlichem Durchmesser (z. B. 0,5 mm oder 1 mm) nötig sind, um die gegebene Membranfläche bei einer gegebenen Zellenlänge zu erreichen. Unter der Forderung gleicher Volumina für beide Halbzellen ergibt sich daraus die rechnerisch notwendige Zellenlänge und der rechnerisch notwendige Zellendurchmesser. Dabei ist für die Wahl der Zellenlänge maßgeblich, dass der Druckabfall zur Aufrechterhaltung der Elektrolytströmung mit wachsender Zellenlänge steigt und dadurch die Energieeffizienz der RFC 1 verringert wird. Dies kann jedoch bei einer HFRFB aufgrund des hohen Membranfläche-Zellenvolumen-Verhältnisses problemlos durch Steigerung des Zellendurchmessers bei gleichzeitiger Verringerung/Begrenzung der Zellenlänge kompensiert werden, wobei dennoch der Vorteil der kompakteren Bauweise gegenüber herkömmlichen RFCs mit Flachmembranen gleicher Membranfläche beibehalten wird. Ferner ist für die aufgeführten Abschätzungen der Durchmesser des zylindrischen Stromabnehmers im Faserinneren als 250 µm angenommen, wobei auch hier dickere oder dünnere Varianten denkbar sind. Die konkrete Wahl hängt dabei von der Strombelastbarkeit des Materials, der angestrebten Gesamtoberfläche und nicht zuletzt auch von den Herstellungskosten ab. Tab. 1: Ausführungsbeispiel 1 (Rundzelle mit Hohlfasern): 10000 0,1 0,12 3200 9,94 8,72 0,05 0,07 6400 9,94 6,58 Membranfläche [cm2] Durchmesser Hohlfaser (innen) Durchmesser Hohlfaser (außen) Anzahl Hohlfasern (N) Zellenlänge (L) Zelldurchmesser* (D1:1) [cm] [cm] [1] [cm] [cm] 5 0,1 0,12 3 5,3 0,38 0,05 0,07 6 5,3 0,20 100 0,1 0,12 32 9,94 0,87 0,05 0,07 64 9,94 0,66 1000 0,1 0,12 320 9,94 2,76 0,05 0,07 640 9,94 2,08 10000 0,1 0,12 3200 9,94 8,72 0,05 0,07 6400 9,94 6,58 * Gleichgroße Halbzellen sind bevorzugt, sodass in dieser Spalte diejenigen Durchmesser der Gesamtzelle angegeben sind, die sich bei einem Verhältnis von 1:1 der Halbzellvolumina mathematisch ergeben. The mathematical estimation of the dimensioning of a hollow fiber cell according to this embodiment is made by calculating how many parallel aligned hollow fibers 2 . 3 a reasonable number and with a uniform diameter (eg, 0.5 mm or 1 mm) are needed to reach the given membrane area at a given cell length. The requirement of equal volumes for both half-cells results in the computationally necessary cell length and the computationally necessary cell diameter. It is crucial for the choice of the cell length that the pressure drop to maintain the electrolyte flow increases with increasing cell length and thus the energy efficiency of the RFC 1 is reduced. However, this can easily be compensated in an HFRFB due to the high membrane area-cell volume ratio by increasing the cell diameter while reducing / limiting the cell length, while still retaining the advantage of more compact design over conventional RFCs with flat membranes of the same membrane area. Furthermore, for the estimates listed, the diameter of the cylindrical current collector inside the fiber is assumed to be 250 μm, although thicker or thinner variants are also conceivable here. The concrete choice depends on the current carrying capacity of the material, the desired overall surface and last but not least on the production costs. Tab. 1: Exemplary embodiment 1 (round cell with hollow fibers): 10000 0.1 0.12 3200 9.94 8.72 0.05 0.07 6400 9.94 6.58 Membrane area [cm 2 ] Diameter hollow fiber (inside) Diameter hollow fiber (outside) Number of hollow fibers (N) Cell length (L) Cell diameter * (D 1: 1 ) [cm] [cm] [1] [cm] [cm] 5 0.1 0.12 3 5.3 0.38 0.05 0.07 6 5.3 0.20 100 0.1 0.12 32 9.94 0.87 0.05 0.07 64 9.94 0.66 1000 0.1 0.12 320 9.94 2.76 0.05 0.07 640 9.94 2.08 10000 0.1 0.12 3200 9.94 8.72 0.05 0.07 6400 9.94 6.58 * Half-cells of equal size are preferred, so this column shows the total diameter of the cell, which results mathematically at a ratio of 1: 1 of the half-cell volumes.

Flache Polymermembranen (nicht gezeigt) sind zwar ebenso in ihrer Größe variabel und beschränken die Skalierung einer planaren Zelle nicht, ergeben aber, wie zuvor benannt, eine erheblich geringere Membranfläche pro Zellenvolumen.While flat polymer membranes (not shown) are also variable in size and do not constrain the scaling of a planar cell, they provide, as previously indicated, a significantly smaller membrane area per cell volume.

Auch hierfür ist eine Tabelle der Dimensionierungsmöglichkeiten (zum Vergleich mit den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen) nachfolgend angegeben. Tab. 2: Herkömmliche Flachzellen mit Flachmembran (quadratischer Grundriss) Membranfläche [cm2] Halbzellendicke [cm] Kantenlänge [cm] Querschnittsfläche [cm2] Theoretische Leistung* [W] 5 0,4 2,24 5 0,28 100 0,5 10,00 100 5,6 1000 0,5 31,62 1000 56 10000 0,5 100,00 10000 560 *Annahme: Vanadium-RFB, d. h. Spannung: 1,4 V, angenommene Durchschnittsstromdichte: 40 mA/cm2 For this purpose too, a table of the dimensioning possibilities (for comparison with the exemplary embodiments according to the invention) is given below. Tab. 2: Conventional flat cells with flat membrane (square plan) Membrane area [cm 2 ] Half cell thickness [cm] Edge length [cm] Cross-sectional area [cm 2 ] Theoretical power * [W] 5 0.4 2.24 5 0.28 100 0.5 10.00 100 5.6 1000 0.5 31.62 1000 56 10000 0.5 100.00 10000 560 * Assumption: vanadium RFB, ie voltage: 1.4 V, assumed average current density: 40 mA / cm 2

Beispiel 2: Flachzelle mit HohlfasermembranenExample 2: Flat Cell with Hollow Fiber Membranes

Trotz der vorstehend angesprochenen Nachteile von ebenflächigen RFCs einer RFB mit Flachmembran sind alternativ zur tubulären RFC 1 gemäß 2 auch ebenflächige RFCs 1, die mit Hohlfasermembranen 21 bestückt sind, interessant. Die Gestaltung einer solchen ebenflächigen RFC 1 ist in 3 gezeigt.Despite the above-mentioned disadvantages of planar RFCs of a flat membrane RFB are alternative to the tubular RFC 1 according to 2 also planar RFCs 1 using hollow-fiber membranes 21 are equipped, interesting. The design of such a planar RFC 1 is in 3 shown.

Die ebenflächige RFC 1 hat eine Grundfläche definierter Geometrie und frei wählbare Abmaße (z. B. wie in Tab. 2 aufgelistet). Die Grundfläche kann grundsätzlich ein Vieleck sein (z. B. dreieckig, rechteckig, trapezförmig, sechseckig etc.), ist aber bevorzugt rechteckig, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellt. Die Hohlfasern 2 aus Cellulosetriacetat (Innendurchmesser 0,5 mm, Größenausschlussmembran mit MWCO 1 kDa) werden im Volumen der ebenflächigen RFC 1 parallel oder schichtweise gekreuzt angeordnet. Dabei bilden die Gesamtheit der Hohlfasern 2 einerseits und eine die Hohlfasern 2 zusammenhängend umgebende elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 als poröse Elektrode 42 in Form einer Gewebe- oder Vliesstruktur aus Kohlenstoff andererseits die zwei voneinander getrennten Halbzellen. Diese Variante ist in 3 gezeigt, in der die Hohlfasern 2 orthogonal zur rechteckigen Grund- bzw. Deckfläche eines prismenförmigen Stranges der Gewebe- oder Vliesstruktur als poröse Elektrode 42 sowie parallel zueinander und zu den ebenen Seitenflächen angeordnet sind. Optional können in dieser Art der RFC 1 die Hohlfasern 2 zu lamellenartigen Verbünden zusammengefasst und geschichtet werden, wobei mindestens einzelne Hohlfaserschichten 72, 73 auch im Wechsel jeweils um einen Winkel α mit 0°≤α≤90° versetzt, vorzugsweise um einen Winkel α = 90° zueinander gedreht sein können (siehe Figs. 11, 12). Die Elektrolytströmung erfolgt zum einen durch das Innere der Hohlfasern 2 (Elektrolyt 5 durch erste Halbzelle) und zum anderen in der porösen Elektrode 42 (Elektrolyt 6 in zweiter Halbzelle). Dabei ist es unerheblich, ob Elektrolyt 5, der beispielsweise ein in Wasser gelöstes Viologen-Polymer (z. B. nach [ Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 ] mit molarer Masse, Mn = 19 kDa) und darin gelöstes Kaliumchlorid sein kann, und Elektrolyt 6, der beispielsweise ein TEMPO-Polymer (z. B. nach [ Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 ] mit molarer Masse Mn = 10 kDa) ebenfalls gelöst in wässriger Kaliumchloridlösung sein kann, die beiden Halbzellen gleichsinnig oder gegensinnig zueinander oder - falls dies die jeweilige Geometrie erlaubt (z. B. bei gezeigter rechteckiger Grundfläche) - senkrecht zueinander durchströmen. Dabei ist die Summe der Querschnittsflächen der Elektroden 22 in den Hohlfasermembranen 21 an die durchströmte Querschnittsfläche der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 (= poröse Elektrode 42) anzugleichen, um separate Elektrolytkreisläufe 51 bzw. 61 bei gleichem Volumendurchsatz mit jeweils einem Elektrolytreservoir 52 bzw. 62 für die Elektrolyte 5 bzw. 6 bei gleicher Pumpstärke für die Pumpen 53 und 63 zu erreichen.The planar RFC 1 has a base of defined geometry and freely selectable dimensions (eg as listed in Tab. The base may in principle be a polygon (eg triangular, rectangular, trapezoidal, hexagonal, etc.), but is preferably rectangular, as in the embodiment according to FIG 3 shown. The hollow fibers 2 from cellulose triacetate (inside diameter 0.5 mm, size exclusion membrane with MWCO 1 kDa) are in the volume of the planar RFC 1 arranged in parallel or layered crossed. In this case, the entirety of the hollow fibers form 2 one hand and one the hollow fibers 2 contiguous surrounding electrically conductive, liquid permeable structure 4 as a porous electrode 42 in the form of a carbon fabric or nonwoven structure, on the other hand, the two separate half-cells. This variant is in 3 shown in the hollow fibers 2 orthogonal to the rectangular base or top surface of a prism-shaped strand of the fabric or nonwoven structure as a porous electrode 42 and are arranged parallel to each other and to the flat side surfaces. Optionally, in this type of RFC 1 the hollow fibers 2 are combined and laminated to lamellar composites, wherein at least individual hollow fiber layers 72 . 73 can also be alternately offset by an angle α with 0 ° ≤α≤90 °, preferably by an angle α = 90 ° to each other can be rotated (see Figs. 11, 12). The electrolyte flow takes place on the one hand through the interior of the hollow fibers 2 (Electrolyte 5 through the first half-cell) and, second, in the porous electrode 42 (Electrolyte 6 in the second half cell). It is irrelevant whether electrolyte 5 for example, a viologen polymer dissolved in water (e.g. Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 ] with molar mass, M n = 19 kDa) and potassium chloride dissolved therein, and electrolyte 6 containing, for example, a TEMPO polymer (for example, [ Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 ] with molar mass M n = 10 kDa) can also be dissolved in aqueous potassium chloride solution, the two half-cells in the same direction or in opposite directions to each other or - if this allows the respective geometry (eg., With shown rectangular base) - flow perpendicular to each other. Here is the sum of the cross-sectional areas of the electrodes 22 in the hollow fiber membranes 21 to the perfused cross-sectional area of the liquid-permeable structure 4 (= porous electrode 42 ) to separate electrolyte circuits 51 respectively. 61 at the same volume throughput, each with an electrolyte reservoir 52 respectively. 62 for the electrolytes 5 respectively. 6 at the same pumping power for the pumps 53 and 63 to reach.

Es kann jedoch aufgrund unterschiedlicher Elektrolyteigenschaften (Viskosität, Energiedichte, usw.) der Elektrolyte 5 und 6 auch unter Umständen vorteilhaft sein, unterschiedliche Querschnittsflächen zu wählen und/oder den Volumendurchsatz durch unterschiedliche Pumpstärken anzupassen. Als rechnerische Abschätzung für einige beispielhafte Dimensionierungen dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hohlfaserzellen ist die nachfolgende Tabelle 3 angefügt. Dabei ist eine rechteckige Grundfläche mit Kantenlängen a, b angenommen, deren Verhältnis zueinander 1:2 ist. Auch andere Seitenverhältnisse sind denkbar, wobei zum Beispiel ein Seitenverhältnis von 1:1 (d. h. quadratische Grundfläche) einen maximalen Flächeninhalt bei gegebenem Umfang des Rechtecks darstellt. Vom Quadrat abweichende Seitenverhältnisse haben aber den Vorteil mit Hinblick auf Zellstacks. Die Wahl des Seitenverhältnisses von 1:2 für nachfolgende Abschätzungen ist dahingehend ein Beispiel aus den rechnerisch unendlichen Möglichkeiten, welches einen Kompromiss aus Flächeninhalt und vorteilhafter Stapelbarkeit der RFC 1 darstellt.However, it may due to different electrolyte properties (viscosity, energy density, etc.) of the electrolytes 5 and 6 may also be advantageous under certain circumstances to choose different cross-sectional areas and / or to adjust the volume throughput by different pumping levels. As an arithmetic estimate for some exemplary dimensions of this embodiment of the hollow fiber cells according to the invention, the following Table 3 is added. In this case, a rectangular base area with edge lengths a, b is assumed whose ratio to one another is 1: 2. Other aspect ratios are also conceivable, for example an aspect ratio of 1: 1 (ie square footprint) representing a maximum surface area given the circumference of the rectangle. However, off-square aspect ratios have the advantage of cell stacks. The choice of the aspect ratio of 1: 2 for subsequent estimates is thus an example of the computationally infinite possibilities, which is a compromise between surface area and advantageous stackability of the RFC 1 represents.

Die Abschätzung der Dimensionierung einer Hohlfaserzelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt, indem berechnet wird, wie viele parallel zueinander ausgerichtete Hohlfasern einer sinnvoll gewählten Anzahl und mit einheitlichem Durchmesser (z. B. 0,5 mm oder 1 mm) nötig sind, um die gegebene Membranfläche zu erreichen. Unter der Forderung gleicher Volumina für beide Halbzellen ergibt sich daraus die rechnerisch notwendige Zelllänge und Kantenlänge a. Dabei ist die Zell- bzw. Kantenlänge (je nachdem, ob die Strömung in der zweiten Halbzelle parallel bzw. senkrecht zu den Hohlfasern erfolgt) letztlich dadurch begrenzt, dass der Druckabfall zur Aufrechterhaltung der Elektrolytströmung mit steigender Zelllänge steigt und die Energieeffizienz der RFC 1 verringert. Dies kann jedoch bei einer Hohlfaser-RFB durch das hohe Membranfläche-zu-Zellvolumen-Verhältnis problemlos durch Steigerung der Zellgrundfläche bei gleichzeitiger Verringerung/Begrenzung der Zelllänge kompensiert werden, wobei dennoch der Vorteil der kompakteren Bauweise gegenüber Flachzellen mit Flachmembranen gleicher Membranfläche beibehalten wird. Ferner ist für die aufgeführten Abschätzungen der Durchmesser des zylindrischen Stromabnehmers im Faserinneren als 250 µm angenommen, wobei auch hier dickere oder dünnere Varianten denkbar sind. Die konkrete Wahl hängt dabei von der Strombelastbarkeit des Materials, der angestrebten Gesamtoberfläche und nicht zuletzt auch von den Herstellungskosten ab. Tab. 3: Ausführungsbeispiel 2 (Zelle mit rechteckigem Grundriss und mit Hohlfasern): Membranfläche [cm2] Durchmesser Hohlfaser (innen) Durchmesser Hohlfaser (außen) Anzahl Hohlfasern (N) Zellenlänge (L) Kantenlänge* (a1:1) [cm] [cm] [1] [cm] [cm] 5 0,1 0,12 16 0,99 0,39 0,05 0,07 32 0,99 0,29 100 0,1 0,12 64 4,97 0,77 0,05 0,07 128 4,97 0,58 1000 0,1 0,12 320 9,95 1,73 0,05 0,07 640 9,95 1,30 10000 0,1 0,12 3200 9,95 5,47 0,05 0,07 6400 9,95 4,13 * Gleichgroße Halbzellen sind bevorzugt, sodass in dieser Spalte diejenigen Kantenlängen der Gesamtzelle angegeben sind, die sich bei einem Verhältnis von 1:1 der Halbzellvolumina mathematisch ergeben. The estimation of the sizing of a hollow fiber cell according to this embodiment is made by calculating how many parallel aligned hollow fibers of a reasonable number and of uniform diameter (eg 0.5 mm or 1 mm) are required to satisfy the given Reach membrane surface. Under the requirement of equal volumes for both half-cells, this results in the computationally necessary cell length and edge length a. The cell or edge length (depending on whether the flow in the second half-cell parallel or perpendicular to the hollow fibers) is ultimately limited by the fact that the pressure drop to maintain the electrolyte flow increases with increasing cell length and the energy efficiency of the RFC 1 reduced. However, this can be easily compensated in a hollow fiber RFB by the high membrane area-to-cell volume ratio by increasing the cell surface area while reducing / limiting the cell length, while still maintaining the advantage of more compact design compared to flat cells with flat membranes of the same membrane area. Furthermore, for the estimates listed, the diameter of the cylindrical current collector inside the fiber is assumed to be 250 μm, although thicker or thinner variants are also conceivable here. The concrete choice depends on the current carrying capacity of the material, the desired overall surface and last but not least on the production costs. Tab. 3: Exemplary embodiment 2 (cell with rectangular layout and with hollow fibers): Membrane area [cm 2 ] Diameter hollow fiber (inside) Diameter hollow fiber (outside) Number of hollow fibers (N) Cell length (L) Edge length * (a 1: 1 ) [cm] [cm] [1] [cm] [cm] 5 0.1 0.12 16 0.99 0.39 0.05 0.07 32 0.99 0.29 100 0.1 0.12 64 4.97 0.77 0.05 0.07 128 4.97 0.58 1000 0.1 0.12 320 9.95 1.73 0.05 0.07 640 9.95 1.30 10000 0.1 0.12 3200 9.95 5.47 0.05 0.07 6400 9.95 4.13 * Half-cells of equal size are preferred, so this column shows the total cell edge lengths, which are mathematically determined at a ratio of 1: 1 of the half-cell volumes.

Beispiel 3. Rohrzelle mit Hohlfasern für beide HalbzellenExample 3. Tube cell with hollow fibers for both half cells

Als modifizierte Variante der in Beispiel 1 (2) beschriebenen tubulären RFC 1 ist insbesondere eine Anordnung dichtest gepackter, parallel zueinander ausgerichteter Hohlfasermembranen 21 und 31, die in diesem Ausführungsbeispiel aus Nafion® (Innendurchmesser 2 mm, lonentypausschluss: kationenleitend) bestehen, eine weitere sinnvolle und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wie sie in 4 dargestellt ist. Die Hohlfasern 2 der ersten Halbzelle und die Hohlfasern 3 der zweiten Halbzelle sind dabei in Hohlfaserschichten 71, die in zwei der Vielzahl der Schichten als deren Mittelebenen stilisiert dargestellt sind, abwechselnd angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern 2 und 3 der einzelnen Hohlfaserschichten 71 werden dabei (unter Umständen auch durch Verwendung von Hohlfasermembranen 21, 31 verschiedener geometrischer Abmessungen) minimiert und die dichteste Packung von Hohlfasermembranen 21, 31 in der gegebenen, zylindrischen Grundgeometrie realisiert. Mindestens die Hälfte der Gesamtheit der so angeordneten Hohlfasermembranen 21 und 31 (d.h. die Hohlfasern 2 der ersten Halbzelle) wird mit Elektrolyt 5 durchströmt und maximal die Hälfte der Gesamtheit der so angeordneten Hohlfasermembranen 21 und 31 (nämlich die Hohlfasern 3 der zweiten Halbzelle) entsprechend mit Elektrolyt 6. Beide Elektrolyte 5, 6 können - aufgrund der Verwendung einer hohlfaserförmigen kationenleitenden Membran - im Gegensatz zu vorherigen Ausführungsbeispielen auch aus niedermolekularen Substanzen als Redox-Paar bestehen. Als einer der wichtigsten Vertreter für auf Flachmembranen basierenden RFBs 9 kann dies zum Beispiel auch in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen RFC 1 ein Elektrolyt aus in wässriger Schwefelsäure gelöstem Vanadiumpentoxid sein. Dabei sind die Strömungsrichtungen in jeder Halbzelle oder auch für jede der Hohlfasern 2 oder 3 separat wählbar. Die verbleibenden Zwischenräume zwischen den Hohlfasern 2 und 3 werden als flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 mit einer ruhenden oder (durch weitere Pumpen, nicht gezeichnet) umgewälzten reinen Leitsalzlösung aus wässriger Schwefelsäure vollständig ausgefüllt, die als Salzbrücke 7 jeweils zwischen den beiden durch die Hohlfasern 2 und 3 ausgestalteten Halbzellen wirkt. Das Lösungsmittel und das gelöste Salz entsprechen dabei dem Lösungsmittel der Elektrolyten 5 und 6 und einem als Hilfselektrolyt in den Elektrolyten 5 und 6 eingesetzten Leitsalz. Dadurch ist der Stromkreis zwischen den Halbzellen geschlossen.As a modified variant of that in Example 1 ( 2 ) described tubular RFC 1 is in particular an arrangement densest packed, aligned parallel to each other hollow-fiber membranes 21 and 31 , which consist in this embodiment of Nafion® (inner diameter 2 mm, ion exclusion: cation-conductive), another useful and advantageous embodiment of the invention, as in 4 is shown. The hollow fibers 2 the first half cell and the hollow fibers 3 the second half cell are in hollow fiber layers 71 , which are stylized in two of the plurality of layers as their mid-planes, alternately arranged. The spaces between the hollow fibers 2 and 3 the individual hollow fiber layers 71 be there (possibly also by using hollow fiber membranes 21 . 31 different geometric dimensions) and minimizes the densest packing of hollow fiber membranes 21 . 31 realized in the given, cylindrical basic geometry. At least half of the totality of the hollow fiber membranes arranged in this way 21 and 31 (ie the hollow fibers 2 the first half cell) is filled with electrolyte 5 flows through and a maximum of half the totality of the thus arranged hollow fiber membranes 21 and 31 (namely the hollow fibers 3 the second half-cell) with electrolyte 6 , Both electrolytes 5 . 6 can - due to the use of a hollow fiber-shaped cation-conducting membrane - in contrast to previous embodiments, also consist of low molecular weight substances as a redox couple. As one of the most important representatives for flat membrane based RFBs 9 This can also be done, for example, in this embodiment of the RFC according to the invention 1 an electrolyte of vanadium pentoxide dissolved in aqueous sulfuric acid. The flow directions in each half cell or for each of the hollow fibers 2 or 3 separately selectable. The remaining spaces between the hollow fibers 2 and 3 be as liquid-permeable structure 4 with a dormant or (by other pumps, not drawn) circulated pure conductive salt solution of aqueous sulfuric acid completely filled, the salt bridge 7 in each case between the two through the hollow fibers 2 and 3 designed half-cells acts. The solvent and the dissolved salt correspond to the solvent of the electrolyte 5 and 6 and one as an auxiliary electrolyte in the electrolyte 5 and 6 used conductive salt. As a result, the circuit between the half-cells is closed.

Da die Abstände benachbarter Hohlfasermembranen 21, 31 in dieser Art der RFC 1 minimal sind, ergeben sich im Mittel minimale lonenstrompfade, welche die Ionen des Hilfselektrolyten über eine maximale mittlere Streckenlänge führen, die der Summe aus doppelter Membrandicke und doppeltem Faserradius der Hohlfasern 2 und 3 entspricht. Durch diese neue Betriebsart und die zugehörige Zellausgestaltung einer tubulären RFC mit Hohlfasermembranen ergibt sich ein produktionstechnischer Vorteil gegenüber den anderen vorgestellten Ausführungsbeispielen und anderen nach dem Stand der Technik bekannten tubulären RFCs, da bei geeigneter Materialwahl für Elektroden 22, 32 und Stromabnehmer 23, 33 die beiden Halbzellen vollkommen gleich aufgebaut und hergestellt werden können. Die unterschiedlichen Halbzellen zeichnen sich als solche einzig durch die unterschiedliche Befüllung, Elektrolyt 5 bzw. Elektrolyt 6, aus. Elektrolytzuführung und Stromabnahme können für beide Halbzellen separat, aber jeweils in identischer Weise umgesetzt werden, was bei anderen Hohlfaserzellen naturgemäß nicht der Fall ist, wenn eine Halbzelle durch die Innenräume und die andere durch die Außenräume der einzelnen Hohlfasern 2 realisiert wird. Insbesondere die Elektrolytein- und Elektrolytabführung kann so gestaltet werden, dass jeweils auf der Ein- bzw. Auslassseite die Enden der Hohlfasern 2 der einen Halbzelle verlängert und in eine separate Matrix eingebettet werden und die Enden der Hohlfasern 3 direkt an einen davor seitlich abgehenden Kanal einmünden, wie es beispielsweise in 7a und 7b in einer Schnittdarstellung gezeichnet ist. Die beiden unterschiedlichen Elektrolyte 5 bzw. 6 fließen so aus bzw. in zwei voneinander abgetrennte Kanäle/Kammern, von denen aus sie in entsprechende andere Bereiche eines Zellenstacks oder in das Elektrolytreservoir 52 bzw. 62 geleitet werden können. As the distances between adjacent hollow fiber membranes 21 . 31 in this type of RFC 1 are minimal, result in the average minimum ion current paths, which lead the ions of the auxiliary electrolyte over a maximum average distance, the sum of double membrane thickness and double fiber radius of the hollow fibers 2 and 3 equivalent. This new mode of operation and the associated cell configuration of a tubular RFC with hollow-fiber membranes results in a production-related advantage over the other exemplary embodiments presented and other tubular RFCs known from the prior art, since with a suitable choice of material for electrodes 22 . 32 and pantographs 23 . 33 the two half-cells can be constructed and manufactured completely the same. The different half-cells are characterized as such only by the different filling, electrolyte 5 or electrolyte 6 , out. Electrolyte supply and current collection can be implemented separately for both half cells, but each in an identical manner, which is naturally not the case with other hollow fiber cells, if a half cell through the interiors and the other through the outer spaces of the individual hollow fibers 2 is realized. In particular, the electrolyte and electrolyte discharge can be designed so that in each case on the inlet or outlet side, the ends of the hollow fibers 2 one half cell extended and embedded in a separate matrix and the ends of the hollow fibers 3 directly lead to a laterally outgoing channel, as for example in 7a and 7b drawn in a sectional view. The two different electrolytes 5 respectively. 6 flow out of or into two separate channels / chambers, from which they in corresponding other areas of a cell stack or in the electrolyte reservoir 52 respectively. 62 can be directed.

Des Weiteren besteht für jede RFC 1 und jede nach dem Stand der Technik bekannte RFC eine geringe, aber endliche Wahrscheinlichkeit für den Übergang von redoxaktiven Molekülen einer ersten Halbzelle in eine zweite Halbzelle, wodurch eine unvermeidbare Kreuzkontamination der Elektrolyte 5, 6 beider Halbzellen auftritt, die ein limitierender Faktor für die Lebensdauer einer jeden nach dem Stand der Technik bekannten RFB ist, wobei All-Vanadium-RFBs hier aufgrund der Regenerierbarkeit der Elektrolyte 5, 6 eine Sonderstellung einnehmen.Furthermore, there is for each RFC 1 and any RFC known in the art has a small but finite probability of transition from redox-active molecules of a first half-cell to a second half-cell, thereby causing unavoidable cross-contamination of the electrolytes 5 . 6 Both half-cells, which is a limiting factor for the life of any known in the art RFB, where all-vanadium RFBs here due to the regenerability of the electrolytes 5 . 6 occupy a special position.

Die Gefahr einer Kreuzkontamination beider Elektrolyte 5 und 6 bei der erfindungsgemäßen RFC 1 ist deutlich verringert, da die die Hohlfasermembran 21, 31 ungewollt passierenden redoxaktiven Moleküle zunächst in die Salzbrücke 7 übergehen und dort dann in starker Verdünnung vorliegen, ohne dass eine Funktionsbeeinträchtigung eintritt. Ferner tritt beim mechanischen Versagen einer der Hohlfasermembranen 21, 31 nicht sofort eine Vermischung der beiden Elektrolyte 5 und 6 ein, da hierzu mindestens zwei Hohlfasermembranen 21 und 31 unterschiedlicher Halbzellen beschädigt sein müssen. In der Ausführung gemäß 7b ist diese hohe Sicherheit gegenüber der Ausführung gemäß 7a etwas reduziert, da die Hohlfasermembranen 21 oder 31 im Bereich der Ein- und Auslasskanäle 54, 55 der Hohlfasern 2 und der Ein- und Auslasskanäle 64, 65 der Hohlfasern 3 nicht vollständig eingekapselt sind und dadurch jeweils mit beiden Elektrolyten 5 und 6 auf unterschiedlichen Seiten der Hohlfasermembranen 21 bzw. 31 in Kontakt kommen. Durch diese konstruktive Lösung der Zuführung der Elektrolyte 5, 6 lässt sich jedoch die Gestaltung der Ein- und Auslasskanäle 54, 55, 64, 65 einfacher und einheitlich gestalten, was den Fertigungsaufwand gegenüber der Ausführung gemäß 7a verringert. In Flachzellen und in den anderen Hohlfaserzellen der Ausführungen gemäß 2 und 3 genügt jedoch immer die Beschädigung der Flachmembran oder einer Hohlfasermembran 21 oder 31, was bei den meisten Redox-Spezies zu einer vollständigen Unbrauchbarkeit beider Elektrolyte 5, 6 und einem Totalausfall der RFB 9 führen kann.The risk of cross-contamination of both electrolytes 5 and 6 in the RFC according to the invention 1 is significantly reduced because the the hollow fiber membrane 21 . 31 Inadvertently passing redox-active molecules first into the salt bridge 7 go over there and then be present in a strong dilution, without a functional impairment occurs. Further, in mechanical failure, one of the hollow fiber membranes occurs 21 . 31 not immediately a mixture of the two electrolytes 5 and 6 a, as this at least two hollow fiber membranes 21 and 31 different half cells must be damaged. In the execution according to 7b This is high security compared to the execution according to 7a slightly reduced, because the hollow fiber membranes 21 or 31 in the area of the inlet and outlet channels 54 . 55 the hollow fibers 2 and the inlet and outlet channels 64 . 65 the hollow fibers 3 are not completely encapsulated and thereby each with two electrolytes 5 and 6 on different sides of the hollow fiber membranes 21 respectively. 31 get in touch. Through this constructive solution of the supply of electrolytes 5 . 6 However, it is possible to design the inlet and outlet channels 54 . 55 . 64 . 65 make it simpler and more uniform, what the production costs compared to the execution according to 7a reduced. In flat cells and in the other hollow fiber cells of the embodiments according to 2 and 3 However, it is always sufficient to damage the flat membrane or a hollow fiber membrane 21 or 31 , which in the case of most redox species leads to complete uselessness of both electrolytes 5 . 6 and a total failure of the RFB 9 can lead.

Möglichkeiten zur Dimensionierung der hier vorliegenden Ausführung der RFC 1 mit Hohlfasern 2 und 3 in gleicher Weise für jede der Halbzellen sind in der nachfolgenden Tab. 4 als rechnerische Abschätzungen aufgeführt. Der Abschätzung liegen dabei weitestgehend die gleichen Annahmen und Rechnungen zugrunde, wie bereits in Beispiel 1 geschildert. Den einzigen Unterschied stellt die Voraussetzung einer dichtesten Zylinderpackung der Hohlfasern 2, 3 dar, die - wie zuvor beschrieben - einer Minimierung der Hohlfaserabstände und -zwischenräume mit dem Zweck der Minimierung des ohmschen Innenwiderstandes der RFC 1 dient. Hierdurch ergibt sich eine maximale Packungsdichte für eine gegebene Anzahl an Hohlfasern 2, 3 mit festgesetzter Membranfläche. Ansonsten treffen die im Beispiel 1 getroffenen Aussagen zu Abmaßen und Druckabfällen ebenso für dieses Ausführungsbeispiel zu. Tab. 4: Ausführungsbeispiel 3 (Rundzelle mit Hohlfasern für jede Halbzelle): Membranfläche [cm2] Durchmesser Hohlfaser (innen) Durchmesser Hohlfaser (außen) Anzahl Hohlfasern (N) Zellenlänge (L) Zellendurchmesser* (D) [cm] [cm] [1] [cm] [cm] 5 0,1 0,12 3 5,3 0,29 0,05 0,07 6 5,3 0,20 100 0,1 0,12 32 9,94 0,77 0,05 0,07 64 9,94 0,61 1000 0,1 0,12 320 9,94 2,32 0,05 0,07 640 9,94 1,88 10000 0,1 0,12 3200 9,94 7,19 0,05 0,07 6400 9,94 5,84 * Hier wurde die maximal mögliche Packungsdichte angenommen, die für die gegebene Anzahl an parallelen Hohlfasern in einer zylindrischen Zellgeometrie erreicht werden kann. Possibilities for dimensioning the present version of the RFC 1 with hollow fibers 2 and 3 in the same way for each of the half-cells are listed in the following Table 4 as computational estimates. The estimation is largely based on the same assumptions and calculations as already described in Example 1. The only difference is the requirement of a densest cylinder packing of the hollow fibers 2 . 3 which, as described above, minimizes the hollow fiber spacings and gaps with the purpose of minimizing the internal resistance of the RFC 1 serves. This results in a maximum packing density for a given number of hollow fibers 2 . 3 with fixed membrane surface. Otherwise, the statements made in Example 1 on dimensions and pressure drops also apply to this embodiment. Tab. 4: Exemplary embodiment 3 (round cell with hollow fibers for each half cell): Membrane area [cm 2 ] Diameter hollow fiber (inside) Diameter hollow fiber (outside) Number of hollow fibers (N) Cell length (L) Cell diameter * (D) [cm] [cm] [1] [cm] [cm] 5 0.1 0.12 3 5.3 0.29 0.05 0.07 6 5.3 0.20 100 0.1 0.12 32 9.94 0.77 0.05 0.07 64 9.94 0.61 1000 0.1 0.12 320 9.94 2.32 0.05 0.07 640 9.94 1.88 10000 0.1 0.12 3200 9.94 7.19 0.05 0.07 6400 9.94 5.84 * Here, the maximum possible packing density was assumed, which can be achieved for the given number of parallel hollow fibers in a cylindrical cell geometry.

Beispiel 4. Flachzelle mit Hohlfasern für beide HalbzellenExample 4. Flat cell with hollow fibers for both half cells

In 5 ist als modifizierte Variante der in 3 beschriebenen ebenflächigen RFC 1 mit möglichst dichtgepackten, parallel oder senkrecht zueinander ausgerichteten (ggf. ineinander verwobenen) Hohlfasermembranen 21 und 31 eine weitere sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, die als RFC 1 mit rechteckigem Grundriss ausgebildet ist und auf dem gleichen Grundprinzip wie Beispiel 3 beruht. Die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern 2 und 3, welche hier beispielhaft aus regenerierter Cellulose (Innendurchmesser 1 mm, Größenausschluss mit MWCO 3 kDa) aufgebaut sind, sind auch hier (optional auch durch Verwendung von Hohlfasermembranen 21, 31 verschiedener geometrischer Abmessungen) möglichst minimiert. Mindestens die Hälfte der Gesamtheit der so angeordneten Hohlfasermembranen 21, 31 (Hohlfasern 2 der ersten Halbzelle) wird mit Elektrolyt 5 (z. B. ein TEMPO-Polymer nach [ Winsberg et al., Adv. Mat. 2016, 28, 2238-2243 ] in Wasser mit gleichen Teilen Zink- und Ammoniumchlorid) und maximal die Hälfte der Gesamtheit der so angeordneten Hohlfasermembranen 21, 31 (Hohlfasern 3 der zweiten Halbzelle) wird mit Elektrolyt 6 (z. B. nach [ Winsberg et al., Adv. Mat. 2016, 28, 2238-2243 ] gleiche Teile Zink- und Ammoniumchlorid in Wasser) durchströmt.In 5 is as a modified variant of in 3 described planar RFC 1 with densely packed, parallel or perpendicular aligned (possibly interwoven) hollow fiber membranes 21 and 31 another useful embodiment of the invention shown as RFC 1 is formed with a rectangular plan and based on the same basic principle as Example 3. The spaces between the hollow fibers 2 and 3 , which here exemplified from regenerated cellulose (inner diameter 1 mm, size exclusion with MWCO 3 kDa) are also here (optionally also by using hollow fiber membranes 21 . 31 different geometric dimensions) minimized as possible. At least half of the totality of the hollow fiber membranes arranged in this way 21 . 31 (Hollow fibers 2 the first half cell) is filled with electrolyte 5 (eg a TEMPO polymer according to [ Winsberg et al., Adv. Mat. 2016, 28, 2238-2243 ] in water with equal parts of zinc and ammonium chloride) and a maximum of half of the totality of the hollow fiber membranes arranged in this way 21 . 31 (Hollow fibers 3 the second half cell) is filled with electrolyte 6 (eg after [ Winsberg et al., Adv. Mat. 2016, 28, 2238-2243 ] equal parts of zinc and ammonium chloride in water) flows through.

In diesem Fall sind für die zweite Halbzelle zwei Hohlfasern 3 weniger als Hohlfasern 2 für die erste Halbzelle notwendig. Die beispielhaft gewählte, ungleiche Hohlfaseranzahl dient dabei dem Ziel des Angleichens des Volumendurchsatzes der beiden Halbzellen mit ihren unterschiedlich viskosen Elektrolyten 5, 6 unter Beibehaltung gleicher Pumpstärken. Zudem sind die Hohlfasern 2 und 3 jeweils schichtweise abwechselnd angeordnet; beispielhaft in drei Hohlfaserschichten 71 (verdeutlicht durch ihre Trennebenen), die in engster Zylinderpackung versetzt aneinander anliegen, wobei die Strömungsrichtungen in den Hohlfasern 2, 3 der beiden Halbzellen wieder beliebig gleichsinnig oder gegensinnig wählbar sind. Die verbleibenden Zwischenräume zwischen den Hohlfasern 2 und 3 sind wie im Beispiel 3 mit einer ruhenden oder umgewälzten Leitsalzlösung als Salzbrücke 7 vollständig ausgefüllt, welche in diesem Beispiel aus Wasser und darin zu gleichen Teilen gelöstem Zink- und Ammoniumchlorid besteht. Als Elektroden 22 in den Hohlfasern 2 werden poröser Kohlenstoffstäbe (1 mm) und als Elektroden 32 in den Hohlasern 3 werden in Kohlenstoffgarn eingeflochtene Zinkdrähte verwendet, welche in beiden Fällen zugleich als Stromabnehmer 23 und 33 ausgebildet sind.In this case, two hollow fibers are for the second half cell 3 less than hollow fibers 2 necessary for the first half cell. The exemplary selected, unequal hollow fiber number serves the purpose of equalizing the volume flow rate of the two half-cells with their different viscous electrolytes 5 . 6 while maintaining the same pumping levels. In addition, the hollow fibers 2 and 3 each layer alternately arranged in layers; by way of example in three hollow fiber layers 71 (Clarified by their parting planes), which lie in closest packing cylinder abut each other, wherein the flow directions in the hollow fibers 2 . 3 the two half-cells are again arbitrary in the same direction or in opposite directions selectable. The remaining spaces between the hollow fibers 2 and 3 are as in Example 3 with a quiescent or circulating electrolyte salt salt bridge 7 completely filled, which consists in this example of water and in equal parts dissolved zinc and ammonium chloride. As electrodes 22 in the hollow fibers 2 become porous carbon rods (1 mm) and as electrodes 32 in the hollow fibers 3 used in carbon yarn braided zinc wires, which in both cases at the same time as a current collector 23 and 33 are formed.

In diesem Beispiel sind die Räume zwischen den Hohlfasern 2 und 3 der beiden Halbzellen sowie den an den äußeren Hohlfaserschichten anliegenden Stützstrukturen 41 in Form von zwei nichtleitenden planparallelen Platten mit einer nichtleitenden flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 aus einem ausgehärteten porösen Schaum ausgefüllt und somit die Hohlfasern 2 und 3 zwischen den Platten der Stützstruktur 41 fixiert. Dabei ist die Leitsalzlösung der Salzbrücke 7 innerhalb der Poren des porösen Schaums vorhanden. Der Stromkreis zwischen den Halbzellen ist dadurch in gleicher Weise wie zuvor durch die eingefüllte Leitsalzlösung geschlossen, wobei zugleich eine formschlüssige Fixierung der gestapelten Schichten aus abwechselnd angeordneten Hohlfasern 2 und 3 innerhalb und zwischen den Schichten gewährleistet ist. Beispielhafte Dimensionierungen der RFC 1 der hier vorliegenden Bauweise sind in nachfolgender Tab. 5 wiederum als rechnerische Abschätzungen angegeben. Der Abschätzung liegt dabei die Annahme zugrunde, dass die Hohlfasern 2, 3 in Schichten angeordnet und die jeweiligen Schichten möglichst dicht gepackt sind und zusätzlich das Rechteck ein Seitenverhältnis von 1:2 hat. Dies entspricht nicht zwangsläufig der mathematisch dichtesten Packung von Zylindern in einem gegebenen Rechteck. Letztere ist aber mathematisch nicht für jedes beliebige Rechteck bekannt und muss deswegen von Fall zu Fall ermittelt werden. Zudem ergibt die Packung in Hohlfaserschichten in den meisten Fällen ohnehin den kleinsten mittleren Abstand von Hohlfasern 2, 3 in einem gegebenen Rechteck. Deswegen sind die in Tab. 5 angegebenen Abmaße als sinnvolle, beispielhafte Abschätzung, aber nicht als einzig sinnvolle Anordnung der gegebenen Hohlfaseranzahl in einer rechteckigen Zellgeometrie zu verstehen. Davon abgesehen treffen die im Beispiel 2 getroffenen Aussagen zu den Abmaßen einer rechteckigen RFC 1 und Druckabfällen beim Betrieb einer solchen RFC 1 ebenso für dieses Ausführungsbeispiel 3 zu. Tab. 5: Ausführungsbeispiel 4 (RFC mit rechteckigem Grundriss und Hohlfasern für jede Halbzelle): Membranfläche [cm2] Durchmesser Hohlfaser (innen) Durchmesse Hohlfaser (außen) r Anzahl Hohlfasern (N) Zellenlänge (L) Kantenlänge a Kantenlänge b [cm] [cm] [1] [cm] [cm] [cm] 5 0,1 0,12 15 1,06 0,33 0,66 0,05 0,07 28 1,14 0,26 0,53 100 0,1 0,12 60 5,31 0,63 1,26 0,05 0,07 135 4,72 0,54 1,09 1000 0,1 0,12 336 9,47 1,47 2,94 0,05 0,07 680 9,36 1,21 2,42 10000 0,1 0,12 3225 9,87 4,53 9,06 0,05 0,07 6405 9,94 3,69 7,39 In this example, the spaces between the hollow fibers 2 and 3 the two half-cells and the voltage applied to the outer hollow fiber layers support structures 41 in the form of two non-conducting plane-parallel plates with a non-conductive liquid-permeable structure 4 filled out of a cured porous foam and thus the hollow fibers 2 and 3 between the plates of the support structure 41 fixed. Here is the salt solution of the salt bridge 7 present within the pores of the porous foam. The circuit between the half-cells is characterized in the same manner as previously closed by the filled electrolyte solution, at the same time a positive fixation of the stacked layers of alternately arranged hollow fibers 2 and 3 is guaranteed within and between the layers. Exemplary dimensions of the RFC 1 The present design are in turn in Tab. 5 as calculated Estimates stated. The estimate is based on the assumption that the hollow fibers 2 . 3 arranged in layers and the respective layers are packed as close as possible and in addition the rectangle has an aspect ratio of 1: 2. This does not necessarily correspond to the mathematically closest packing of cylinders in a given rectangle. The latter, however, is not mathematically known for any rectangle and therefore has to be determined on a case-by-case basis. In addition, the packing in hollow fiber layers in most cases results anyway the smallest mean distance of hollow fibers 2 . 3 in a given rectangle. Therefore, the dimensions given in Tab. 5 are to be understood as meaningful, exemplary estimation, but not as the only sensible arrangement of the given hollow fiber number in a rectangular cell geometry. Apart from that, the statements made in Example 2 apply to the dimensions of a rectangular RFC 1 and pressure drops during operation of such an RFC 1 also for this embodiment 3 to. Tab. 5: Embodiment 4 (RFC with rectangular layout and hollow fibers for each half-cell): Membrane area [cm 2 ] Diameter hollow fiber (inside) Through hollow fiber (outside) r number of hollow fibers (N) Cell length (L) Edge length a Edge length b [cm] [cm] [1] [cm] [cm] [cm] 5 0.1 0.12 15 1.06 0.33 0.66 0.05 0.07 28 1.14 0.26 0.53 100 0.1 0.12 60 5.31 0.63 1.26 0.05 0.07 135 4.72 0.54 1.09 1000 0.1 0.12 336 9.47 1.47 2.94 0.05 0.07 680 9.36 1.21 2.42 10000 0.1 0.12 3225 9.87 4.53 9.06 0.05 0.07 6405 9.94 3.69 7.39

Auch bei dieser Ausführung der Erfindung ergibt sich, analog zum dritten Ausführungsbeispiel, ein produktionstechnischer Vorteil gegenüber den vorgestellten Ausführungsbeispielen 1 und 2, da bei geeigneter Materialwahl für Elektroden 22, 32 und Stromabnehmer 23, 33 die beiden Halbzellen vollkommen gleich aufgebaut und hergestellt werden können. Die unterschiedlichen Halbzellen unterscheiden sich einzig und allein durch die unterschiedliche Befüllung mit Elektrolyt 5 bzw. 6. Elektrolytzuführung und Stromabnahme können für beide Halbzellen separat, aber jeweils in identischer Weise umgesetzt werden, was bei anderen Hohlfaserzellen naturgemäß nicht der Fall ist, wenn die erste Halbzelle durch die Innenräume und die zweite durch die Außenräume der einzelnen Hohlfasern 2 realisiert wird. Insbesondere die Elektrolytein- und Elektrolytabführung kann so gestaltet werden, dass jeweils auf der Ein- bzw. Auslassseite die Hohlfasern 2 der einen Halbzelle verlängert und deren Enden in eine separate Matrix eingebettet werden und die Hohlfasern 3 direkt an einen davor seitlich abgehenden Kanal einmünden, wie es beispielsweise in 7a und 7b in einer Schnittdarstellung gezeichnet ist. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich zudem für die mechanische Fixierung der Hohlfasern 2, 3 und die Montage der RFC 1 durch die schichtweise Anordnung der Hohlfasern 2, 3 in einem ausgehärteten, porösen Schaum.Also in this embodiment of the invention results, analogous to the third embodiment, a production advantage over the presented embodiments 1 and 2 , as with a suitable choice of material for electrodes 22 . 32 and pantographs 23 . 33 the two half-cells can be constructed and manufactured completely the same. The different half cells differ only and solely by the different filling with electrolyte 5 respectively. 6 , Electrolyte supply and current collection can be implemented separately for both half cells, but each in an identical manner, which is naturally not the case with other hollow fiber cells, if the first half cell through the interior and the second through the outer spaces of the individual hollow fibers 2 is realized. In particular, the electrolyte and electrolyte discharge can be designed so that in each case on the inlet or outlet side, the hollow fibers 2 which extends a half cell and whose ends are embedded in a separate matrix and the hollow fibers 3 directly lead to a laterally outgoing channel, as for example in 7a and 7b drawn in a sectional view. An additional advantage also results for the mechanical fixation of the hollow fibers 2 . 3 and the assembly of the RFC 1 by the layered arrangement of the hollow fibers 2 . 3 in a cured, porous foam.

Dabei ist zudem die Gefahr einer Kreuzkontamination beider Elektrolyte 5 und 6, wie ausführlich für Beispiel 3 erläutert und aus ebendenselben Gründen, deutlich gegenüber einer herkömmlichen RFB mit Flachmembran oder einer HFRFB gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2 verringert.There is also the risk of cross-contamination of both electrolytes 5 and 6 as explained in detail for Example 3 and for the same reasons, clearly over a conventional flat membrane RFB or HFRFB according to the embodiments 1 and 2 reduced.

Eine zusätzlich erläuternde Prinzipdarstellung und eine weitere Modifikation der rechteckigen Ausführung der RFC 1 gemäß 5 sind schematisch in 11 und 12 (ohne Darstellung der die Hohlfasern 2, 3 umgebenden Kammer und Stützstruktur 41) gezeigt. Hier sind zur Darstellung der Anordnung der Hohlfasern 2 und 3 der unterschiedlichen Halbzellen ausschließlich die geschichteten Hohlfasern 2 und 3 für den rechteckig angenommenen Grundriss der RFC 1 gezeichnet. Dabei sind jeweils die Hohlfasern 2 in einer Hohlfaserschicht 72 und die Hohlfasern 3 in einer anderen Hohlfaserschicht 73 angeordnet. Somit ist die Stapelung der einzelnen Hohlfasern 2, 3 der unterschiedlichen Halbzellen in abwechselnder Schichtenfolge möglich. Dafür zeigt 11 die Stapelung der unterschiedlichen Hohlfaserschichten 72, 73 in paralleler Ausrichtung, die ebenfalls die für die Schichtung engste Zylinderpackung der Hohlfasern 2 und 3 erlaubt. Im Gegensatz dazu ist in 12 eine Ausrichtung der Hohlfasern 2 und 3 unter einem Winkel α = 90° vorgeschlagen. Dadurch sind die Strömungsrichtungen der Elektrolyte 5 und 6 gekreuzt zueinander, wodurch die Ein- und Auslasskanäle 54, 55 der Hohlfasern 2 der ersten Halbzelle und Ein- und Auslasskanäle 64, 65 der Hohlfasern 3 der zweiten Halbzelle (nicht in 11 und 12 bezeichnet) an unterschiedlichen Seitenkanten des rechteckigen Grundrisses der RFC 1 liegen. Das erleichtert die Zufuhr der Elektrolyte 5 und 6 bei ansonsten ähnlich kompakter, rechteckiger Bauform der RFC 1. Es sei außerdem angemerkt, dass der Winkel α zwischen den Ausrichtungen der Hohlfaserschichten 72, 73 auf beliebige Werte zwischen 0 ≤ α ≤ 90° einstellbar ist, ohne dass eine solche Ausrichtung der Hohlfaserschichten 72 und 73 zueinander explizit gezeichnet ist.An additional explanatory schematic diagram and a further modification of the rectangular version of the RFC 1 according to 5 are schematic in 11 and 12 (without representation of the hollow fibers 2 . 3 surrounding chamber and support structure 41 ). Here are the representation of the arrangement of the hollow fibers 2 and 3 the different half-cells exclusively the layered hollow fibers 2 and 3 for the rectangular layout of the RFC 1 drawn. In each case, the hollow fibers 2 in a hollow fiber layer 72 and the hollow fibers 3 in another hollow fiber layer 73 arranged. Thus, the stacking of the individual hollow fibers 2 . 3 the different half-cells in alternating layer sequence possible. For that shows 11 the stacking of the different hollow fiber layers 72 . 73 in parallel orientation, which is also the closest to the stratification cylinder packing of the hollow fibers 2 and 3 allowed. In contrast, in 12 an alignment of the hollow fibers 2 and 3 proposed at an angle α = 90 °. As a result, the flow directions of the electrolytes 5 and 6 crossed to each other, creating the inlet and outlet channels 54 . 55 of the hollow fibers 2 the first half-cell and inlet and outlet channels 64 . 65 the hollow fibers 3 the second half cell (not in 11 and 12 at different side edges of the rectangular layout of the RFC 1 lie. This facilitates the supply of electrolytes 5 and 6 in otherwise similar compact, rectangular design of the RFC 1 , It should also be noted that the angle α between the orientations of the hollow fiber layers 72 . 73 is adjustable to any values between 0 ≤ α ≤ 90 °, without any such alignment of the hollow fiber layers 72 and 73 is explicitly drawn to each other.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Speicherung elektrischer Energie ermöglicht eine einfache Herstellung einer RFC 1 mit Hohlfasermembranen 21, 31, ohne die üblichen Probleme der Elektrodenfertigung, da diese durch die Elektrolytbahnen selbst gebildet werden und nur durch zusätzliche Stromabnehmer mit guter elektrischer Leitfähigkeit kontaktiert werden müssen.The inventive arrangement for storing electrical energy allows easy production of an RFC 1 with hollow fiber membranes 21 . 31 Without the usual problems of electrode production, since these are formed by the electrolyte paths themselves and must be contacted only by additional current collector with good electrical conductivity.

Die folgenden Ausführungen sollen beispielhafte Möglichkeiten zur Realisierung von Elektroden 22, 32, 42 und Stromabnehmern 23, 33, 43 für die Hohlfasermembranen 21, 31 darlegen und sind prinzipiell für alle vorhergehenden Ausführungsbeispiele, welche eine HFRFB betreffen, verwendbar, d. h. mit diesen kombinierbar bzw. in diesen realisierbar.The following explanations are intended to illustrate exemplary possibilities for the realization of electrodes 22 . 32 . 42 and pantographs 23 . 33 . 43 for the hollow fiber membranes 21 . 31 and can in principle be used for all previous embodiments which relate to HFRFB, ie can be combined with them or implemented in them.

Es wird dazu eine erfindungsgemäße RFC 1 hergestellt. Eine erste Ausgestaltungsform der Elektroden 22, 32 bzw. 42 für eine RFC 1 dieser Art stellen poröse Beschichtungen dar. Auf die Innenseite und die Außenseite der Hohlfasermembranen 21 wird dazu durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Gasphasenabscheidung, thermisches Spritzen, Tauchbeschichtung und Druckverfahren, jeweils eine elektrisch leitende poröse Schicht aufgetragen, die als poröse Elektrode 22 oder zumindest als Teil der Elektrode 22 dient. Die Wahl des Beschichtungsverfahrens ist dabei prinzipiell dadurch limitiert, dass die Membran oder etwaige Stützstrukturen der Membran nicht aufgelöst oder anderweitig zerstört und die etwaige Porenstruktur der Membran nicht verstopft oder beschädigt werden darf. Das Material der Hohlfasermembran 21 selbst isoliert dabei die jeweilige poröse Elektrode 22 auf der Innenseite der Hohlfasermembran 21 und die poröse äußere Elektrode 42 auf der Außenseite der Hohlfasermembran 21 elektrisch voneinander, um Kurzschlüsse auszuschließen. Der so geschaffene geringe Abstand zwischen den Elektroden 22 und 42, welcher im Bereich von 10 µm bis hin zu einigen hundert Mikrometern liegt, sorgt für minimale Diffusionswege der Ionen, was zu einer Verringerung des Innenwiderstandes der RFC 1 gegenüber herkömmlichen RFCs mit Flachmembranen führt. Für erfindungsgemäße RFCs 1, die in einer Variante mit Salzbrücke 7 ausgestaltet sind (wie in Ausführungsbeispielen 3 und 4 beispielhaft erläutert), kann die beschriebene Ausgestaltung der Elektroden 22 auch nur auf der Innenseite und sowohl für die Hohlfasermembranen 21 einer ersten Halbzelle als auch die Hohlfasermembranen 31 und den zugehörigen Elektroden 32 einer zweiten Halbzelle geschehen.It is an RFC according to the invention 1 produced. A first embodiment of the electrodes 22 . 32 respectively. 42 for an RFC 1 of this type are porous coatings. On the inside and the outside of the hollow fiber membranes 21 For this purpose, by suitable methods, such as, for example, vapor deposition, thermal spraying, dip coating and printing methods, in each case an electrically conductive porous layer is applied, which serves as a porous electrode 22 or at least as part of the electrode 22 serves. The choice of the coating method is in principle limited by the fact that the membrane or any support structures of the membrane is not dissolved or otherwise destroyed and the possible pore structure of the membrane may not be clogged or damaged. The material of the hollow fiber membrane 21 itself isolated the respective porous electrode 22 on the inside of the hollow fiber membrane 21 and the porous outer electrode 42 on the outside of the hollow fiber membrane 21 electrical from each other to exclude short circuits. The thus created small distance between the electrodes 22 and 42 , which is in the range of 10 microns to several hundred microns, ensures minimal diffusion paths of the ions, resulting in a reduction of the internal resistance of the RFC 1 leads compared to conventional RFCs with flat membranes. For RFCs according to the invention 1 in a variant with salt bridge 7 are configured (as in embodiments 3 and 4 exemplified), the described embodiment of the electrodes 22 also only on the inside and both for the hollow fiber membranes 21 a first half cell as well as the hollow fiber membranes 31 and the associated electrodes 32 done a second half-cell.

Darüber hinaus können in einer zweiten Ausgestaltungsform der Elektroden 22, 32, 42 anstelle oder zusätzlich zu einer Membranbeschichtung der Innenraum und der Außenraum der Hohlfasermembranen 21, 31 vollkommen mit flüssigkeitsdurchlässigen, elektrisch leitenden Strukturen als Elektroden 22, 32, 42 ausgefüllt werden.In addition, in a second embodiment of the electrodes 22 . 32 . 42 instead of or in addition to a membrane coating, the interior space and the exterior space of the hollow-fiber membranes 21 . 31 completely with liquid-permeable, electrically conductive structures as electrodes 22 . 32 . 42 fill out.

In RFCs 1 gemäß oder ähnlich zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2, für die eine erste Halbzelle durch die Hohlfasern 2 und eine zweite Halbzelle durch die die Hohlfasern 2 umgebende Kammer ausgefüllt wird, kann dies durch Ausfüllen der die Hohlfasermembranen 21 umgebenden Zwischenräume mit einer elektrisch leitenden, flüssigkeitsdurchlässigen Struktur 4 als poröse Elektrode 42 in Form von Schüttkörpern (z. B. aus unregelmäßig oder regelmäßig geformten Kleinteilen, wie Kügelchen, Kleinstkörnern, etc. aus Kohlenstoff, Aluminium, Kupfer, Zink, Nickel, Silber, oder anderen Metallen, Legierungen bzw. leitenden Materialien, solange diese im jeweiligen Elektrolyten 5, 6 elektrochemisch stabil sind und keine ungewollten Nebenreaktionen eingehen), Filzen, Geweben, Gestricken, Gewirken, Vliesen, Papieren, Gittern oder gitterartigen Strukturen, Schäumen, Fasern und/oder Garnen aus Kohlenstoff, Kohlenstoffkompositen und/oder Metallen (z. B. Aluminium, Kupfer, Zink, Nickel, Silber, etc.) geschehen. Auch abwechselndes Stapeln von dünnen porösen Elektrodenschichten aus den zuvor genannten oder ähnlichen Materialien und Lagen von Hohlfasermembranen 21 ist denkbar. Im Inneren der Hohlfasermembranen 21 einer solchen RFC 1 kann die poröse Elektrode 22 dann ebenfalls durch flüssigkeitsdurchlässige, elektrisch leitende Strukturen realisiert werden, wobei dafür die bereits zuvor für die die Hohlfasermembranen 21 umgebende Kammer beschriebenen Ausgestaltungsformen und Materialien in Frage kommen. Insbesondere können aber im Innenraum der Hohlfasermembranen 21 auch elektrisch leitende Drähte oder Stäbe mit und ohne bürstenartiger bzw. anderweitig poröser Beschichtung, poröse Stäbe oder strangartige Strukturen (z. B. Fasern, Garne, Gewebe, etc.) aus den oben genannten Materialien als Elektroden 22 verwendet werden. Ferner können auch einfache oder zusätzlich chemisch bzw. mechanisch aufgeraute Drähte, Stäbe oder andere nichtporöse strangartige Strukturen hierfür eingesetzt werden.In RFCs 1 according to or similar to the embodiments 1 and 2 for which a first half cell passes through the hollow fibers 2 and a second half cell through which the hollow fibers 2 This is done by filling the hollow-fiber membranes 21 surrounding spaces with an electrically conductive, liquid-permeable structure 4 as a porous electrode 42 in the form of bulk solids (eg of irregular or regularly shaped small parts, such as globules, very small grains, etc. of carbon, aluminum, copper, zinc, nickel, silver, or other metals, alloys or conductive materials, as long as they are in the respective electrolytes 5 . 6 are electrochemically stable and do not undergo unwanted side reactions), felts, fabrics, knits, knits, nonwovens, papers, meshes or lattice-like structures, foams, fibers and / or yarns of carbon, carbon composites and / or metals (eg aluminum, copper , Zinc, nickel, silver, etc.) happen. Also alternately stacking thin porous electrode layers of the aforementioned or similar materials and layers of hollow fiber membranes 21 is conceivable. Inside the hollow fiber membranes 21 such RFC 1 can the porous electrode 22 then also be realized by liquid-permeable, electrically conductive structures, for which the previously for the hollow-fiber membranes 21 surrounding chamber described embodiments and materials come into question. In particular, however, in the interior of the hollow fiber membranes 21 also electrically conductive wires or rods with and without brush-like or otherwise porous coating, porous rods or strand-like structures (eg fibers, yarns, fabrics, etc.) of the above-mentioned materials as electrodes 22 be used. Furthermore, simple or additionally chemically or mechanically roughened wires, rods or other non-porous string-like structures can be used for this purpose.

Für das Innere der Hohlfasermembranen 31, wie sie in RFCs 1 gemäß oder ähnlich den Ausführungsbeispielen 3 und 4 realisiert sind, gelten für die Elektroden 32 die gleichen Ausführungen, wie sie vorstehend für die Hohlfasermembranen 21 und die zugehörigen Elektroden 22 erläutert wurden. For the interior of the hollow fiber membranes 31 as they are in RFCs 1 according to or similar to the embodiments 3 and 4 are realized apply to the electrodes 32 the same designs as above for the hollow fiber membranes 21 and the associated electrodes 22 were explained.

Ferner können die porösen Elektroden 22, 32 - anstatt sie, wie zuvor beschrieben, auf der Hohlfasermembran 21, 31 abzuscheiden oder in irgendeiner Form in die fertige Hohlfasermembran 21, 31 einzuführen - auch durch Prozesse realisiert werden, bei denen das Membranmaterial auf entsprechend vorgeformten flüssigkeitsdurchlässigen, elektrisch leitenden Strukturen 4, wie sie zuvor beschrieben sind, abgeschieden wird.Further, the porous electrodes 22 . 32 instead of them, as previously described, on the hollow fiber membrane 21 . 31 to precipitate or in any way in the finished hollow fiber membrane 21 . 31 - be implemented by processes in which the membrane material on appropriately preformed liquid-permeable, electrically conductive structures 4 , as described above, is deposited.

Als Stromabnehmer 23, 33 für die im Hohlfaserinneren der Hohlfasermembranen 21, 31 befindlichen Elektroden 22, 32 eignen sich elektrisch leitende Stäbe (z. B. aus Kohlenstoff, Aluminium, Kupfer, Zink, Nickel, Silber, etc.), welche bevorzugt aufgeraut oder porös sind und im Falle poröser Elektroden 22, 32 einfach in die poröse Elektrodenstruktur eingeschoben oder bei dochtartigen Strukturen direkt eingewoben werden können. Bei Elektroden 22 und 32, welche als Membranbeschichtung ausgebildet sind, kann die Stromabnahme durch mindestens jeweils einen im Inneren der Hohlfasermembranen 21, 31 an das poröse Beschichtungsmaterial der Elektroden 22, 32 angelegten elektrisch leitenden Draht, Stab, Streifen oder einen ähnlichen strangartig ausgeformten Stromabnehmer 23, 33, der axial nach außen führt, oder aber durch Aufstülpen der (ebenfalls beschichteten) Enden der Hohlfasermembranen 21, 31 auf elektrisch leitende Röhrchen (nicht gezeichnet) erfolgen. Letztere können dann durch Draht oder ein zweites, elektrisch leitendes Gerüst miteinander elektrisch parallel verbunden werden. Auf zusätzliche Stromabnehmer 23, 33 kann in einer weiteren Variante auch gänzlich verzichtet werden, indem die vorstehend beschriebenen Elektroden 22, 32 auch zugleich als Stromabnehmer 23, 33 nach außen geführt zusammengefasst werden.As a pantograph 23 . 33 for the hollow fiber interior of the hollow fiber membranes 21 . 31 located electrodes 22 . 32 are electrically conductive rods (for example made of carbon, aluminum, copper, zinc, nickel, silver, etc.), which are preferably roughened or porous and in the case of porous electrodes 22 . 32 can be simply inserted into the porous electrode structure or woven directly in wick-like structures. For electrodes 22 and 32 , which are formed as a membrane coating, the current decrease by at least one in each case in the interior of the hollow fiber membranes 21 . 31 to the porous coating material of the electrodes 22 . 32 applied electrically conductive wire, rod, strip or similar strand-like shaped pantograph 23 . 33 which leads axially outward, or by slipping the (also coated) ends of the hollow fiber membranes 21 . 31 on electrically conductive tubes (not shown) take place. The latter can then be electrically connected in parallel to each other by wire or a second, electrically conductive framework. On additional pantographs 23 . 33 can be completely dispensed with in a further variant by the electrodes described above 22 . 32 also at the same time as a pantograph 23 . 33 summarized to the outside.

Zur äußeren Kontaktierung der im Inneren den Hohlfasern 2, 3 realisierten Halbzelle(n) einer RFC 1 werden die Stromabnehmer 23, 33 der einzelnen Hohlfasermembranen 21, 31 dann nach außen verlängert und jeweils an eine gemeinsamen Stromschiene 24, 34 - d. h. zueinander elektrisch parallelgeschaltet - angebracht, von der aus der Strom von außen an der RFC 1 abgenommen werden kann (siehe dazu 6a bis 7b).For external contacting of the inside of the hollow fibers 2 . 3 realized half cell (s) of an RFC 1 become the pantographs 23 . 33 the individual hollow fiber membranes 21 . 31 then extended to the outside and each to a common busbar 24 . 34 - ie electrically connected in parallel - attached, from which the current from the outside of the RFC 1 can be removed (see 6a to 7b ).

Für eine Halbzelle, die durch die die Hohlfasern 2 umgebenden Kammer gebildet ist und deren poröse äußere Elektrode 42 durch eine oben stehend beschriebene elektrisch leitende flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 gebildet ist, kann die Stromabnahme und äußere Kontaktierung für die RFC 1 durch Anlegen/Anpressen eines elektrisch leitenden Stromabnehmers 43 an/auf die flüssigkeitsdurchlässige Struktur 4 erfolgen, der auch durch mindestens eine der Stützstrukturen 41 oder durch Teile davon ausgebildet sein kann, wie es in 6a und 6b beispielhaft in einer Prinzipiendarstellung gezeichnet ist. Überdies ist es auch möglich, in die poröse äußere Elektrode 42 mindestens einen strangartigen Stromabnehmer 43, zum Beispiel in Form eines elektrisch leitenden Drahtes, Stabes, eines anderen strangartigen Gebildes oder eines Gitters oder einer flächigen Struktur, einzuführen und nach außen als einen elektrischen Kontakt der RFC 1 auszubilden.For a half cell passing through the hollow fibers 2 surrounding chamber is formed and its porous outer electrode 42 by an electrically conductive liquid-permeable structure described above 4 is formed, the current collection and external contacting for the RFC 1 by applying / pressing an electrically conductive pantograph 43 on / to the liquid-permeable structure 4 also by at least one of the support structures 41 or may be formed by parts thereof, as in 6a and 6b is drawn by way of example in a schematic diagram. Moreover, it is also possible in the porous outer electrode 42 at least one strand-like pantograph 43 For example, in the form of an electrically conductive wire, rod, another strand-like structure or a grid or a planar structure, and to the outside as an electrical contact of the RFC 1 train.

Es sei zudem angemerkt, dass es für die Erfindung unerheblich ist, welche konkreten Elektrolyte und Membranmaterialien in einer erfindungsgemäßen HFRFB eingesetzt werden. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich vor allem aus der Geometrievielfalt, der erhöhten Membranoberfläche, unter Umständen dem Einsatz von leicht verfügbaren Größenausschlussmembranen in Hohlfaserform sowie dem Einsatz einer Salzbrücke 7. Damit stehen für eine erfindungsgemäße HFRFB mit ihren entsprechenden Vorteilen gegenüber einer RFB mit Flachmembran in jedem Fall sämtliche Membranmaterialien, Elektrolyte und Redox-Paare zur Verfügung, welche auch für Flachmembranen realisiert werden können. Die oben in den Ausführungsbeispielen aufgeführten Elektrolyte und Membranspezifikationen stellen aus diesem Grund nur mehr oder weniger willkürlich gewählte Beispiele dar, deren Funktionsfähigkeit in RFCs mit Flachmembranen bereits in der Literatur (z. B. J. Noack et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9776-9809 ; oder J. Winsberg et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201604925R1 ) hinreichend unter Beweis gestellt wurde und die damit natürlich auch für den Einsatz in einer HFRFB geeignet sind.It should also be noted that it is irrelevant to the invention which concrete electrolytes and membrane materials are used in an HFRFB according to the invention. The advantages of the invention are mainly due to the variety of geometries, the increased membrane surface, possibly the use of readily available size exclusion membranes in hollow fiber form and the use of a salt bridge 7 , Thus, for an inventive HFRFB with their corresponding advantages over a flat membrane RFB, all membrane materials, electrolytes and redox pairs are available in each case, which can also be realized for flat membranes. For this reason, the electrolytes and membrane specifications listed above in the exemplary embodiments represent only more or less arbitrarily chosen examples whose functionality in RFCs with flat membranes has already been described in the literature (eg. J. Noack et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9776-9809 ; or J. Winsberg et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002 / anie.201604925R1 ) has been adequately demonstrated and, of course, suitable for use in an HFRFB.

Zuletzt sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Hohlfasern und die Abkehr von den aus dem Stand der Technik gewohnten Zellengeometrien mit Flachmembranen keinen Nachteil hinsichtlich der Ausgestaltung von Zellstacks darstellt. Mehrere erfindungsgemäße RFCs 1 können ebenfalls problemlos zu Zellstacks zusammengeschaltet werden, wie es beispielhaft für Zellen mit rechteckiger oder kreisförmiger Grund- bzw. Deckfläche in Figs. 8 - 10 dargestellt ist. Dabei werden mehrere RFCs 1 gestapelt vertikal oder horizontal angeordnet und hydrodynamisch parallelgeschaltet, während sie elektrisch in Reihe geschaltet werden. Somit lassen sich Zellstacks aufbauen, welche die bekannten Vorteile liefern, wie zum Beispiel die Steigerung der RFB-Leistung durch Steigerung der Nennspannung sowie der Option über ein Batteriemanagement einzelne RFCs oder ganze Teilstacks einer RFB dynamisch je nach Leistungsbedarf hinzu- oder abzuschalten.Finally, it should be pointed out that the use of hollow fibers and the departure from the flat membrane cell geometries familiar from the prior art is not a disadvantage with regard to the design of cell stacks. Several RFCs according to the invention 1 can also be easily interconnected to cell stacks, as exemplified for cells with rectangular or circular base or top surface in Figs. 8-10 is shown. There are several RFCs 1 stacked vertically or horizontally arranged and hydrodynamically connected in parallel while being electrically connected in series. Thus, it is possible to build up cell stacks which provide the known advantages, such as, for example, the increase in the RFB power by increasing the nominal voltage and the option via battery management to dynamically add or disable individual RFCs or entire sub-stacks of an RFB depending on the power requirement.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Redox-Flow-Zelle (RFC)Redox Flow Cell (RFC)
22
Hohlfaser (der ersten Halbzelle)Hollow fiber (the first half cell)
2121
Hohlfasermembran (der ersten Halbzelle)Hollow fiber membrane (the first half cell)
2222
(poröse) Elektrode (der ersten Halbzelle)(porous) electrode (the first half-cell)
2323
(innerer) Stromabnehmer (der ersten Halbzelle)(inner) current collector (the first half-cell)
2424
(äußere) Stromschiene (der inneren Stromabnehmer 23)(outer) busbar (the inner pantograph 23 )
33
Hohlfaser (der zweiten Halbzelle)Hollow fiber (the second half cell)
3131
Hohlfasermembran (der zweiten Halbzelle)Hollow fiber membrane (the second half cell)
3232
(poröse) Elektrode (der zweiten Halbzelle)(porous) electrode (the second half-cell)
3333
(innerer) Stromabnehmer (der zweiten Halbzelle)(inner) current collector (the second half-cell)
3434
(äußere) Stromschiene (der inneren Stromabnehmer)(outer) busbar (the inner pantograph)
44
flüssigkeitsdurchlässige Strukturliquid-permeable structure
4141
Stützstruktur (Gehäuse)Support structure (housing)
4242
(poröse) äußere Elektrode(porous) outer electrode
4343
(äußerer) Stromabnehmer(outer) pantograph
55
Elektrolyt (der ersten Halbzelle)Electrolyte (the first half-cell)
5151
Elektrolytkreislauf (der ersten Halbzelle)Electrolyte circuit (the first half-cell)
5252
Elektrolytreservoir (der ersten Halbzelle)Electrolyte reservoir (the first half-cell)
5353
Pumpe (der ersten Halbzelle)Pump (the first half-cell)
5454
Einlasskanal (der Hohlfaser 2)Inlet channel (the hollow fiber 2 )
5555
Auslasskanal (der Hohlfaser 2)Outlet channel (the hollow fiber 2 )
66
Elektrolyt (der zweiten Halbzelle)Electrolyte (the second half-cell)
6161
Elektrolytkreislauf (der zweiten Halbzelle)Electrolyte circuit (the second half-cell)
6262
Elektrolytreservoir (der zweiten Halbzelle)Electrolyte reservoir (the second half-cell)
6363
Pumpe (der zweiten Halbzelle)Pump (the second half-cell)
6464
Einlasskanal (der Hohlfaser 3)Inlet channel (the hollow fiber 3 )
6565
Auslasskanal (der Hohlfaser 3)Outlet channel (the hollow fiber 3 )
77
Salzbrückesalt bridge
7171
Hohlfaserschicht (mit abwechselnden Hohlfasern 2, 3)Hollow fiber layer (with alternating hollow fibers 2 . 3 )
7272
Hohlfaserschicht (der ersten Halbzelle)Hollow fiber layer (the first half cell)
7373
Hohlfaserschicht (der zweiten Halbzelle)Hollow fiber layer (the second half cell)
88th
Stromanschlusspower connection
99
Redox-Flow-Batterie (RFB)Redox Flow Battery (RFB)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2011/161072 A1 [0003]WO 2011/161072 A1 [0003]
  • US 2013/0288153 A1 [0004]US 2013/0288153 A1 [0004]
  • WO 2015/035427 A1 [0005]WO 2015/035427 A1 [0005]
  • DE 102007034700 A1 [0007]DE 102007034700 A1 [0007]
  • WO 2015/007382 A1 [0009]WO 2015/007382 A1 [0009]
  • WO 2015/074764 A1 [0010]WO 2015/074764 A1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Janoschka et al. [in: Nature 2015, 527, 78-81 [0052]Janoshka et al. [in: Nature 2015, 527, 78-81 [0052]
  • Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 [0053, 0063]Janoschka et al., Nature 2015, 527, 78-81 [0053, 0063]
  • Winsberg et al., Adv. Mat. 2016, 28, 2238-2243 [0071]Winsberg et al., Adv. Mat. 2016, 28, 2238-2243 [0071]
  • J. Noack et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9776-9809 [0087]J. Noack et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9776-9809 [0087]
  • J. Winsberg et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201604925R1 [0087]J. Winsberg et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002 / anie.201604925R1 [0087]

Claims (16)

Redox-Flow-Batterie zur Speicherung elektrischer Energie, enthaltend wenigstens eine Redox-Flow-Zelle als Reaktionszelle mit Kammern zur Ausbildung von polaritätsspezifischen Halbzellen für Katholyt und Anolyt, die durch mindestens eine Membran getrennt und mit jeweils einem Elektrolytreservoir (52, 62) verbunden sind, wobei eine erste und eine zweite der polaritätsspezifischen Halbzellen jeweils mit einem Elektrolyt (5, 6) aus mindestens einer redoxaktiven Komponente, die mindestens teilweise in Substanz oder in einem Lösungsmittel gelöst sowie darin gelösten Leitsalzen vorliegt, durchflossen und die Elektrolyte (5, 6) mit je einer Pumpeinrichtung (53, 63) umwälzbar sind und die Membran als Grenzfläche zur Unterdrückung von Vermischung oder elektrochemischen Reaktionen der redoxaktiven Komponenten miteinander und zum effizienten Ladungsträgeraustausch zwischen den Halbzellen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass - wenigstens die erste polaritätsspezifische Halbzelle aus einer Vielzahl von Hohlfasern (2) zusammengesetzt ist, wobei die Membran der ersten Halbzelle als Grenzfläche aus einer Gesamtfläche von Hohlfasermembranen (21) der Vielzahl der Hohlfasern (2) gebildet ist, die jeweils innen mit einer elektrolytdurchlässigen Elektrode (22) ausgestattet, von einem der Elektrolyte (5, 6) durchflossen und an beidseitigen Hohlfaserenden mit dem Elektrolytreservoir (52) verbunden sind, - die mindestens die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebende Kammer mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur (4) und einem wenigstens ein Leitsalz enthaltenden Lösungsmittel gefüllt und wenigstens abschnittsweise von einer parallel zu den Hohlfasern (2) ausgerichteten Stützstruktur (41) begrenzt ist und - die zweite polaritätsspezifische Halbzelle, die von dem anderen der Elektrolyte (5, 6) durchflossen und mit dem Elektrolytreservoir (62) der zweiten Halbzelle verbunden ist, · entweder durch die die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebende Kammer mit der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur (4) als Elektrode (42) gebildet ist, · oder durch eine weitere Anzahl von Hohlfasern (3) gebildet ist, die zu den Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle gleich strukturiert, innen mit einer porösen Elektrode (32) ausgestattet und innerhalb der die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebenden Kammer angeordnet sind, wobei in der flüssigkeitsdurchlässigen Struktur (4) ein mit einem Leitsalz versetztes Lösungsmittel zur elektrischen Verbindung zwischen Hohlfasermembranen (21, 31) der ersten und zweiten Halbzellen vorhanden ist. Redox flow battery for storing electrical energy, comprising at least one redox flow cell as a reaction cell with chambers for the formation of polarity-specific half-cells for catholyte and anolyte, which are separated by at least one membrane and each with an electrolyte reservoir (52, 62) , wherein a first and a second of the polarity-specific half-cells each with an electrolyte (5, 6) of at least one redox-active component, which is at least partially dissolved in substance or in a solvent and present therein dissolved conductive salts, flowed through and the electrolytes (5, 6) each with a pumping means (53, 63) are recirculated and the membrane is provided as an interface for suppressing mixing or electrochemical reactions of the redox-active components with each other and for efficient charge carrier exchange between the half-cells, characterized in that - at least the first polarity-specific half-cell is composed of a plurality of hollow fibers (2), wherein the membrane of the first half cell is formed as an interface of a total area of hollow fiber membranes (21) of the plurality of hollow fibers (2), each internally provided with an electrolyte-permeable electrode (22) one of the electrolytes (5, 6) flows through and is connected to the electrolyte reservoir (52) at hollow fiber ends on both sides, - the chamber surrounding at least the hollow fibers (2) of the first half cell is filled with a liquid-permeable structure (4) and a solvent containing at least one conducting salt and at least partially bounded by a parallel to the hollow fibers (2) aligned support structure (41) and - the second polarity-specific half-cell, which is flowed through by the other of the electrolytes (5, 6) and connected to the electrolyte reservoir (62) of the second half-cell , Either by the comb surrounding the hollow fibers (2) of the first half-cell r is formed with the liquid-permeable structure (4) as an electrode (42), or is formed by a further number of hollow fibers (3), which are structured identically to the hollow fibers (2) of the first half-cell, internally with a porous electrode (32 ) and within which the hollow fibers (2) of the first half-cell surrounding chamber are arranged, wherein in the liquid-permeable structure (4) with a conductive salt added solvent for electrical connection between hollow fiber membranes (21, 31) of the first and second half-cells is present. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen (21, 31) als ionenselektive Membranen ausgebildet sind und als Grenzflächen nach dem Prinzip eines lonentypauschlusses wirken.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the hollow fiber membranes (21, 31) are formed as ion-selective membranes and act as interfaces on the principle of an ion-type exclusion. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen (21, 31) als Größenausschlussmembranen ausgebildet sind und als Grenzflächen nach dem Prinzip eines Molekülgrößenausschlusses wirken.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the hollow fiber membranes (21, 31) are designed as size exclusion membranes and act as interfaces according to the principle of molecular size exclusion. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle und die Hohlfasern (3) der zweiten Halbzelle jeweils abwechselnd in parallelen Ebenen als lückenlos angeordnete einlagige Hohlfaserschichten (72, 73) vorhanden sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the hollow fibers (2) of the first half-cell and the hollow fibers (3) of the second half-cell are alternately provided in parallel planes as a single-layered hollow fiber layers (72, 73) arranged without gaps. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (2, 3) der ersten und der zweiten Halbzelle in benachbarten Hohlfaserschichten (72, 73) um einen Winkel α mit 0°< α < 90° versetzt zueinander angeordnet sind.Arrangement according to Claim 4 , characterized in that the hollow fibers (2, 3) of the first and the second half-cell in adjacent hollow fiber layers (72, 73) are offset by an angle α with 0 ° <α <90 ° to each other. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (2, 3) der ersten und der zweiten Halbzelle in benachbarten Hohlfaserschichten (72, 73) unter einem Winkel α = 90° gekreuzt zueinander angeordnet sind.Arrangement according to Claim 4 , characterized in that the hollow fibers (2, 3) of the first and the second half-cell in adjacent hollow fiber layers (72, 73) are crossed at an angle α = 90 ° to each other. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (2, 3) der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle parallel und lückenlos zueinander angeordnet sind.Arrangement according to Claim 4 , characterized in that the hollow fibers (2, 3) of the first half-cell and the second half-cell are arranged parallel to each other and gapless. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsdurchlässige Struktur (4) in der die Hohlfasern (2, 3) der mindestens ersten Halbzelle umgebenden Kammer durch Hohlräume zwischen den Hohlfasern (2, 3) der mindestens ersten Halbzelle und den parallel zu den Hohlfasern (2, 3) die Kammer eng begrenzenden Stützstrukturen (41) gebildet ist.Arrangement according to one of Claims 1 to 7 Characterized in that the liquid permeable structure (4) in which the hollow fibers (2, 3) of at least the first half cell surrounding chamber through spaces between the hollow fibers (2, 3) of at least the first half cell and to the hollow fibers (parallel 2, 3 ) the chamber is formed narrow limiting support structures (41). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebende Kammer einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt und eine parallel zu den Hohlfasermembranen (21) der ersten Halbzelle ausgerichtete zylindermantelförmige Stützstruktur (41) aufweist.Arrangement according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the at least the hollow fibers (2) of the first half-cell surrounding chamber has a circular or elliptical cross-section and a parallel to the hollow fiber membranes (21) of the first half-cell aligned cylinder jacket-shaped support structure (41). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebende Kammer einen n-eckigen Querschnitt mit n > 2 und Stützstrukturen (41) als rechteckige Wandform aufweist.Arrangement according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the at least the hollow fibers (2) of the first half-cell surrounding chamber has an n-angular cross-section with n> 2 and support structures (41) as a rectangular wall shape. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Elektroden (22, 32) im Inneren der Hohlfasermembranen (21, 31) der mindestens ersten Halbzelle durch ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsdurchlässiges Füllmaterial gebildet und mit in das Füllmaterial eingebrachten elektrisch leitenden Stromabnehmern (23, 33) versehen sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 10 , characterized in that the porous electrodes (22, 32) in the interior of the hollow fiber membranes (21, 31) of the at least first half-cell formed by an electrically conductive, liquid-permeable filling material and provided with introduced into the filler electrically conductive pantographs (23, 33) , Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3 und 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Elektrode (42) der zweiten Halbzelle als flüssigkeitsdurchlässige Struktur (4) aus elektrisch leitendem Material in Zwischenräume außerhalb der Hohlfasermembranen (21) der ersten Halbzelle ausgebildet ist, wobei Stromabnehmer (43) mit elektrischem Kontakt zu einer elektrisch leitenden Stützstruktur (41) der die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebenden Kammer in die flüssigkeitsdurchlässige Struktur (4) einbracht sind oder die flüssigkeitsdurchlässige Struktur (4) als Elektrode (42) an Befestigungsstellen oder durch Anlegen oder Anpressen an die mindestens teilweise elektrisch leitende Stützstruktur (41) der umgebenden Kammer kontaktiert ist.Arrangement according to one of Claims 1 - 3 and 9 - 11 , characterized in that the porous electrode (42) of the second half-cell is formed as a liquid-permeable structure (4) of electrically conductive material in spaces outside the hollow fiber membranes (21) of the first half-cell, wherein current collector (43) with electrical contact to an electrically conductive Support structure (41) of the hollow fibers (2) of the first half-cell surrounding chamber in the liquid-permeable structure (4) are introduced or the liquid-permeable structure (4) as an electrode (42) at attachment sites or by applying or pressing on the at least partially electrically conductive support structure (41) of the surrounding chamber is contacted. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3 und 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Elektrode (42) der zweiten Halbzelle als flüssigkeitsdurchlässige Struktur (4) außen auf jede Hohlfasermembran (21) der ersten Halbzelle beschichtet und mit mindestens einem durchgehenden elektrisch leitenden Streifen als Stromabnehmer (43) versehen ist, wobei die Stromabnehmer (43) in elektrischem Kontakt zu einer elektrisch leitenden Stützstruktur (41) der die Hohlfasern (2) der ersten Halbzelle umgebenden Kammer oder zu einem anderweitig elektrisch leitenden Gerüst stehen.Arrangement according to one of Claims 1 - 3 and 9 - 11 characterized in that the porous electrode (42) of the second half cell as liquid permeable structure (4) is externally coated on each hollow fiber membrane (21) of the first half cell and provided with at least one continuous electrically conductive strip as current collector (43), the current collectors (43) are in electrical contact with an electrically conductive support structure (41) of the hollow fibers (2) surrounding the first half-cell chamber or to another electrically conductive framework. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlfasermembranen (21) der ersten Halbzelle und in den Hohlfasermembranen (31) der zweiten Halbzelle jeweils ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsdurchlässiges Füllmaterial als poröse Elektroden (22, 32) im Inneren der Hohlfasermembranen (21, 31) raumfüllend eingebracht ist und elektrisch leitende Stromabnehmer (23, 33) in das Füllmaterial eingeschoben sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that in the hollow-fiber membranes (21) of the first half-cell and in the hollow-fiber membranes (31) of the second half-cell respectively an electrically conductive, liquid-permeable filling material as a porous electrodes (22, 32) inside the hollow-fiber membranes (21, 31) introduced space filling is and electrically conductive current collector (23, 33) are inserted into the filling material. Anordnung nach nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlfasern (2, 3) der ersten und der zweiten Halbzelle die porösen Elektroden (22, 32) jeweils auf die Innenseiten der Hohlfasermembranen (21, 31) als poröse Schicht aufgetragen und Enden der Hohlfasermembranen (21, 31) auf elektrisch leitende Röhrchen oder Klemmhülsen als Stromabnehmer (23, 33) aufgestülpt sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 11 characterized in that in the hollow fibers (2, 3) of the first and second half cells, the porous electrodes (22, 32) are respectively applied to the inner sides of the hollow fiber membranes (21, 31) as a porous layer and ends of the hollow fiber membranes (21, 31 ) are placed on electrically conductive tubes or clamping sleeves as current collector (23, 33). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlfasern (2, 3 der ersten und der zweiten Halbzelle jeweils elektrisch leitende Stromabnehmer (23, 33) zugleich als Elektroden (22, 32) im Inneren der Hohlfasermembranen (21, 31) ausgebildet und geradlinig ausgerichtet oder spiralförmig geformt aufgewickelt sind und jeweils nach außen geführt zusammengefasst sind.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that in the hollow fibers (2, 3 of the first and the second half-cell respectively electrically conductive current collector (23, 33) at the same time as electrodes (22, 32) in the interior of the hollow fiber membranes (21, 31) formed and rectilinear or spiral are wound up in a shaped form and are each guided outwards.
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