DE102016122285A1 - Redox flow battery for storing electrical energy with radially arranged hollow fiber membranes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie (RFB) zur Speicherung elektrischer Energie.Die Aufgabe, leistungsfähige, einfach skalierbare Redox-Flow-Zellen (RFC) zu finden, die einen flexiblen, kompakten Aufbau von RFBs gestattet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem wenigstens die erste polaritätsspezifische Halbzelle aus einer Vielzahl von durch einen inneren und einen äußeren konzentrischen Haltering radial gehalterten Hohlfasermembranen gebildet ist, die innen jeweils mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode ausgestattet sind und mit einem ersten Elektrolytreservoir verbunden sind, um die Hohlfasermembranen mit einem ersten Elektrolyt durchströmen zu lassen, eine mindestens die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle umgebende Kammer mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur und einer elektrolytischen Flüssigkeit mit wenigstens einem in Lösung befindlichen Leitsalz gefüllt ist, die zweite polaritätsspezifische Halbzelle, die von einem zweiten Elektrolyt durchflossen ist, wobei der zweite Elektrolyt über die flüssigkeitsdurchlässige Struktur und mindestens separiert durch die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle in Wechselwirkung mit der ersten Halbzelle steht.The invention relates to a redox flow battery (RFB) for storing electrical energy. The task of finding efficient, easily scalable redox flow cells (RFC), which allows a flexible, compact structure of RFBs, is achieved according to the invention by: at least the first polarity-specific half-cell is formed of a plurality of hollow fiber membranes radially supported by inner and outer concentric retaining rings, each internally provided with a liquid-permeable electrode and connected to a first electrolyte reservoir for flowing the hollow-fiber membranes with a first electrolyte in that a chamber enclosing at least the hollow-fiber membranes of the first half-cell and having a liquid-permeable structure and an electrolytic liquid is filled with at least one conducting salt in solution, the second polarity-specific half-cell formed by a second electrolyte dur wherein the second electrolyte is in fluid communication with the first half-cell via the liquid-permeable structure and at least separated by the hollow-fiber membranes of the first half-cell.
Description
Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie (RFB) zur Speicherung elektrischer Energie, enthaltend wenigstens eine Redox-Flow-Zelle (RFC) als Reaktionszelle mit Kammern als polaritätsspezifische 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 gelöst in einem Lösungsmittel und darin gelösten Leitsalzen vorliegt, durchflossen und die Elektrolyte in separaten Elektrolytkreisläufen jeweils mit einer Pumpeinrichtung umwälzbar sind, wobei die Membran als Grenzfläche zur Verhinderung von Vermischung oder elektrochemischen Reaktionen der redoxaktiven Komponenten miteinander und zum 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 as polarity-specific half-cells for catholyte and anolyte, which are separated by at least one membrane and with each an electrolyte reservoir are in communication, wherein a first and a second of the polarity-specific half-cells each with an electrolyte of at least one redox-active component, which is at least partially in substance or dissolved in a solvent and dissolved therein conductive salts, flowed through and the electrolytes in separate electrolyte circuits each with a pump device are recirculated, wherein the membrane is provided as an interface for preventing mixing or electrochemical reactions of the redox-active components with each other and for charge carrier exchange between the half-cells.
Zum großtechnischen Speichern von Energie sind im Stand der Technik alkalihaltige Sekundärbatterien bekannt, von denen insbesondere tubulär aufgebaute 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 alkaline secondary batteries are known in the art, of which in particular 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
Eine weitere Natrium-Schwefel-Sekundärbatterie ist in der
Eine weitere alkalihaltige Sekundärbatterie ist in der
In der
Des Weiteren ist neben den rechteckigen RFB-Zellengeometrien auch eine runde Anordnung aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Gestaltung von tubulären Redox-Flow-Zellen zur Speicherung elektrischer Energie zu finden, die es gestattet, eine einfache Skalierung von Redox-Flow-Zellen und einen raumsparenden Aufbau von Redox-Flow-Batterien mit hoher Leistungsdichte, Energieeffizienz, Stabilität, Kompaktheit und Flexibilität zu realisieren.The invention has for its object to find a new way to design tubular redox flow cells for storing electrical energy, which allows a simple scaling of redox flow cells and a space-saving design of redox flow batteries with high power density, energy efficiency, stability, compactness and flexibility.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Redox-Flow-Batterie zur Speicherung elektrischer Energie, enthaltend wenigstens eine Redox-Flow-Zelle als Reaktionszelle mit Kammern als polaritätsspezifische Halbzellen für je einen Elektrolyt, Katholyt oder 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 gelöst in einem Lösungsmittel und darin gelösten Leitsalzen vorliegt, durchflossen und die Elektrolyte jeweils mit einer Pumpeinrichtung umwälzbar sind, wobei die Membran als Grenzfläche zur Verhinderung von Vermischung oder elektrochemischen Reaktionen der redoxaktiven Komponenten miteinander und zum Ladungsträgeraustausch zwischen den Halbzellen vorgesehen ist, dadurch gelöst, dass wenigstens die erste polaritätsspezifische Halbzelle aus einer Vielzahl von durch einen inneren und einen äußeren konzentrischen Haltering radial gehalterten Hohlfasermembranen gebildet ist, die innen jeweils mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode ausgestattet sind und den inneren und äußeren Haltering durchstoßende Enden aufweisen, die mit einem ersten Elektrolytreservoir verbunden sind, sodass die Hohlfasermembranen über das erste Elektrolytreservoir mit einem ersten Elektrolyt durchströmt sind, dass eine mindestens die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle umgebende Kammer, die zwischen den konzentrischen Halteringen ausgebildet ist, mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur und einer elektrolytischen Flüssigkeit mit wenigstens einem in Lösung befindlichen Leitsalz gefüllt ist, und dass die zweite polaritätsspezifische Halbzelle von einem zweiten Elektrolyt durchflossen und mit dem zweiten Elektrolytreservoir verbunden ist, wobei der zweite Elektrolyt über die flüssigkeitsdurchlässige Struktur und mindestens separiert durch die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle in Wechselwirkung mit der ersten Halbzelle steht.According to the invention, the object of a redox flow battery for storing electrical energy, containing at least one redox flow cell as a reaction cell with chambers as polarity-specific half-cells for each electrolyte, catholyte or anolyte, which are separated by at least one membrane and each with an electrolyte reservoir in conjunction, wherein a first and a second of the polarity-specific half-cells each with an electrolyte of at least one redox-active component, which is at least partially in substance or dissolved in a solvent and dissolved therein conductive salts, flowed through and the electrolyte each with a pumping device umwälzbar are, wherein the membrane is provided as an interface for preventing mixing or electrochemical reactions of the redox-active components with each other and the charge carrier exchange between the half-cells, achieved in that at least the first polaritätsspezifisc a half-cell is formed of a plurality of hollow fiber membranes radially supported by inner and outer concentric retaining rings, each internally provided with a liquid-permeable electrode and having inner and outer retaining rings piercing ends connected to a first electrolyte reservoir such that the hollow-fiber membranes A first electrolyte flows through the first electrolyte reservoir, in that a chamber surrounding at least the hollow-fiber membranes of the first half-cell, which is formed between the concentric retaining rings, is filled with a liquid-permeable structure and an electrolytic liquid having at least one conductive salt in solution, and the second polarity-specific half-cell is flowed through by a second electrolyte and connected to the second electrolyte reservoir, wherein the second electrolyte via the liquid-permeable structure r and at least separated by the hollow fiber membranes of the first half cell interacts with the first half cell.
In einer ersten vorteilhaften Gestaltung ist die die Hohlfasermembranen der ersten polaritätsspezifischen Halbzelle umgebende Kammer als zweite polaritätsspezifische Halbzelle ausgebildet, wobei die flüssigkeitsdurchlässige Struktur elektrisch leitend als zweite Elektrode ausgebildet und über einen zweiten Stromabnehmer mit einem Stromanschluss, der andererseits über erste Stromabnehmer mit den ersten Elektroden der ersten Halbzelle in elektrischem Kontakt steht, verbunden ist, sowie vom zweiten Elektrolyt durchflossen und mit dem zweiten Elektrolytreservoir gekoppelt ist.In a first advantageous embodiment, the chamber surrounding the hollow-fiber membranes of the first polarity-specific half cell is designed as a second polarity-specific half cell, wherein the liquid-permeable structure is electrically conductively formed as a second electrode and via a second current collector with a power connection, on the other hand via the first current collector with the first electrodes first half-cell is in electrical contact, is connected, as well as flows through the second electrolyte and is coupled to the second electrolyte reservoir.
In einer zweiten bevorzugten Gestaltung ist eine weitere Anzahl von durch zwei weitere konzentrische Halteringe radial gehalterten Hohlfasermembranen, die zu den Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle konzentrisch und gleich strukturiert mit innen liegender flüssigkeitsdurchlässiger Elektrode innerhalb der die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle umgebenden flüssigkeitsdurchlässigen Struktur eingebettet sind, als die zweite Halbzelle ausgebildet, wobei die flüssigkeitsdurchlässige Struktur mittels der darin enthaltenen Leitsalzlösung aus mindestens einem in Lösung befindlichen Leitsalz zur Erzeugung einer elektrischen Verbindung zwischen den ersten Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle und den zweiten Hohlfasermembranen der zweiten Halbzelle ausgebildet ist.In a second preferred embodiment, a further number of hollow-fiber membranes radially supported by two further concentric retaining rings are embedded in the hollow-permeable membranes of the first half-cell concentrically and identically structured with liquid-permeable electrodes inside the liquid-permeable structure surrounding the hollow-fiber membranes of the first half-cell formed second half-cell, wherein the liquid-permeable structure is formed by means of the Leitsalzlösung contained therein from at least one conductive salt in solution to produce an electrical connection between the first hollow fiber membranes of the first half-cell and the second hollow-fiber membranes of the second half-cell.
Dabei sind die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle und Hohlfasermembranen der zweiten Halbzelle jeweils abwechselnd innerhalb einer Ebene radial angeordnet, wobei der erste innere Haltering und der erste äußere Haltering der ersten Halbzelle nur von den zweiten Hohlfasermembranen durchstoßen sind und der zweite innere Haltering mit größerem Durchmesser als der erste innere Haltering sowie der zweite äußere Haltering mit einem kleineren Durchmesser als der erste äußere Haltering von den zweiten Hohlfasermembranen innerhalb einer Ebene abwechselnd mit den ersten Hohlfasermembranen durchstoßen sind und zwischen den ersten und zweiten inneren Halteringen und den ersten und zweiten äußeren Halteringen vorhandene Ringspalte als innere bzw. äußere Elektrolytein-/-auslässe für den zweiten Elektrolyten der zweiten Halbzelle und zur Durchströmung der ersten Hohlfasermembranen mit dem ersten Elektrolyten ein innerer Elektrolytein-/-auslass innerhalb des ersten inneren Halteringes und ein äußerer Elektrolytein-/-auslass außerhalb des ersten äußeren Halteringes vorgesehen sind.The hollow-fiber membranes of the first half-cell and hollow-fiber membranes of the second half-cell are each arranged alternately within a plane radially, wherein the first inner retaining ring and the first outer retaining ring of the first half-cell are pierced only by the second hollow-fiber membranes and the second inner retaining ring with a larger diameter than the first inner retaining ring and the second outer retaining ring having a smaller diameter than the first outer retaining ring are pierced by the second hollow fiber membranes within a plane alternately with the first hollow fiber membranes, and annular gaps existing inner and outer between the first and second inner retaining rings and the first and second outer retaining rings Electrolyte in / outlets for the second electrolyte of the second half cell and for flowing the first hollow fiber membranes with the first electrolyte, an inner electrolyte inlet / outlet within the first inner retaining ring and an outer electrolyte inlet / outlet outside the first outer retaining ring are provided.
Bei den Hohlfasermembranen können diese als ionenselektive Membranen ausgebildet sind und als Grenzflächen nach dem Prinzip eines lonentypausschlusses wirken. Alternativ können die Hohlfasermembranen als Größenausschlussmembranen ausgebildet sein und als Grenzflächen nach dem Prinzip eines Molekülgrößenausschlusses wirken.In the case of hollow-fiber membranes, these membranes can be designed as ion-selective membranes and act as boundary surfaces on the principle of an ion-type exclusion. Alternatively, the hollow fiber membranes may be formed as size exclusion membranes and act as interfaces on the principle of molecular size exclusion.
Vorteilhaft sind die Elektroden im Inneren jeder Hohlfasermembran durch ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsdurchlässiges Füllmaterial ausgebildet, in das ein draht- oder stabförmiger elektrisch leitender Stromabnehmer eingebracht ist.Advantageously, the electrodes are formed in the interior of each hollow-fiber membrane by an electrically conductive, liquid-permeable filling material into which a wire-shaped or rod-shaped electrically conductive current collector is introduced.
Der zweite Stromabnehmer der zweiten Halbzelle ist in einer zweckmäßigen Ausführung außen an jeder der Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle als Beschichtung aufgetragen, die mit einem äußeren Ende an ein elektrisch leitendes Gerüst oder Gehäuse kontaktiert ist.The second current collector of the second half-cell is applied in an expedient embodiment on the outside of each of the hollow-fiber membranes of the first half-cell as a coating, which is contacted with an outer end to an electrically conductive framework or housing.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn in den ersten und gegebenenfalls zweiten Hohlfasermembranen die Elektroden jeweils innen als poröse, elektrisch leitende Beschichtungen aufgetragen und die Enden der Hohlfasermembranen auf Stromabnehmer in Form von elektrisch leitenden Röhrchen oder Klemmhülsen aufgesteckt sind.It proves to be advantageous if in the first and optionally second hollow fiber membranes, the electrodes are each internally applied as porous, electrically conductive coatings and the ends of the hollow fiber membranes are plugged onto current collector in the form of electrically conductive tubes or clamping sleeves.
In einer zweckmäßig modifizierten Variante sind im Inneren der Hohlfasermembranen jeweils die elektrisch leitenden Stromabnehmer mit einer vergrößerte Oberfläche zugleich als Elektroden ausgebildet und - soweit sie zur gleichen Halbzelle gehören - zusammengefasst nach außen geführt.In an expediently modified variant, the electrically conductive current collectors with an enlarged surface are at the same time designed as electrodes in the interior of the hollow-fiber membranes and - if they belong to the same half-cell - brought together to the outside.
Dabei können die Stromabnehmer vorzugsweise geradlinig ausgerichtet und mit aufgerauter oder poröser Oberfläche ausgebildet oder schraubenförmig geformt oder aufgewickelt sein.In this case, the current collectors can preferably be rectilinearly aligned and formed with a roughened or porous surface or helically shaped or wound up.
Eine besonders vorteilhafte Gestaltung für eine RFB ergibt sich, indem mindestens die ersten Hohlfasermembranen und die zu deren radialer Halterung vorhandenen konzentrischen inneren und äußeren Halteringe sowie die zwischen den konzentrischen Halteringen befindliche flüssigkeitsdurchlässige Struktur zusammen jeweils scheibenförmige RFC-Module in Form flacher Zylinder bilden, die in beliebiger Anzahl zu variablen RFC-Modul-Stapeln stapelbar sind, um eine frei skalierbare RFC zu bilden. Dabei sind die scheibenförmigen Redox-Flow-Zellen-Module bevorzugt in einem rohrförmigen Modulgehäuse gestapelt, wobei in dem so entstandenen RFC-Modul-Stapel die ersten und zweiten Halbzellen untereinander polaritätsspezifisch elektrisch parallel gekoppelt und hydrodynamisch ebenfalls parallel verknüpft sind und eine modulare RFC bilden. Dabei kann das rohrförmige Modulgehäuse mindestens aus einem elektrisch isolierenden Gehäuseaußenrohr bestehen, das im oberen und unteren Bereich je eine obere und eine untere Gehäusekappe zum Verschließen des Modulgehäuses aufweist.A particularly advantageous design for an RFB results in that at least the first hollow-fiber membranes and the concentric inner and outer retaining rings provided for their radial support and the liquid-permeable structure located between the concentric retaining rings together form disc-shaped RFC modules in the form of flat cylinders of any number of variable RFC module stacks are stackable to form a freely scalable RFC. In this case, the disk-shaped redox flow cell modules are preferably stacked in a tubular module housing, wherein in the resulting RFC module stack the first and second half cells are electrically parallel coupled polarity-specific parallel and hydrodynamically also linked in parallel and form a modular RFC. In this case, the tubular module housing at least consist of an electrically insulating outer housing tube, which has an upper and a lower housing cap for closing the module housing in the upper and lower regions.
Vorzugsweise besteht das Modulgehäuse der RFC aus zwei konzentrischen elektrisch isolierenden Gehäuserohren, einem Gehäuseinnenrohr und dem Gehäuseaußenrohr, das im oberen und im unteren Bereich die obere Gehäusekappe und die untere Gehäusekappe zum Verschließen des Modulgehäuses aufweist. Dabei ist wenigstens teilweise im oberen und im unteren Bereich mindestens des Gehäuseaußenrohres ein Gewinde vorhanden, in das zum Verschließen des Modulgehäuses die obere und die untere Gehäusekappe mit dazu passenden Gewinden einschraubbar sind.Preferably, the module housing of the RFC consists of two concentric electrically insulating housing tubes, a housing inner tube and the housing outer tube, which has the upper housing cap and the lower housing cap for closing the module housing in the upper and in the lower region. In this case, at least partially in the upper and in the lower region of at least the housing outer tube, a thread is present, in which for closing the module housing, the upper and the lower housing cap with matching threads are screwed.
Die Gehäusekappen des rohrförmigen Modulgehäuses der RFC weisen vorteilhaft flächig ausgebildete, elektrisch leitende Stromanschlussklemmen als flächige Anschlusskontakte an je einer Stirnfläche der Gehäusekappen auf, wobei die Stromanschlussklemme der oberen Gehäusekappe mit dem ersten Stromabnehmer der ersten Halbzelle in elektrischem Kontakt steht und die Stromanschlussklemme der unteren Gehäusekappe mit dem Stromabnehmer der zweiten Halbzelle in elektrischem Kontakt steht und beide Stromanschlussklemmen jeweils gegenüber dem anderen Stromabnehmer der anderen Halbzelle durch Kontaktisolatoren elektrisch isoliert sind. die Elektrolytkreisläufe sind wenigstens in das Gehäuseaußenrohr des rohrförmigen Modulgehäuses ein Elektrolytein- und ein Elektrolytauslass für den ersten Elektrolyten der ersten Halbzelle und ein Elektrolytein- und ein Elektrolytauslass für den Elektrolyten er zweiten Halbzelle eingesetzt.The housing caps of the tubular module housing of the RFC advantageously have surface-formed, electrically conductive power connection terminals as flat connection contacts on each end face of the housing caps, wherein the power terminal of the upper housing cap is in electrical contact with the first pantograph of the first half cell and the power terminal of the lower housing cap the current collector of the second half-cell is in electrical contact and both power supply terminals are each electrically insulated from the other current collector of the other half-cell by contact insulators. the electrolyte circuits are an electrolyte inlet and an electrolyte outlet for the first at least in the housing outer tube of the tubular module housing Electrolytes of the first half-cell and a Elektrolytein- and an electrolyte outlet for the electrolyte he used second half-cell.
Dabei erweist es sich als zweckmäßig, dass die obere Gehäusekappe mindestens einen inneren Elektrolytein-/-auslass für den Elektrolyten der ersten Halbzelle und einen inneren Elektrolytein-/-auslass für den Elektrolyten der zweiten Halbzelle aufweist und in der unteren Gehäusekappe mindestens ein äußerer Elektrolytein-/-auslass für den Elektrolyten der ersten Halbzelle und ein äußerer Elektrolytein-/-auslass für den Elektrolyten der zweiten Halbzelle vorgesehen ist.It proves expedient that the upper housing cap has at least one inner electrolyte inlet / outlet for the electrolyte of the first half cell and an inner electrolyte inlet / outlet for the electrolyte of the second half cell, and at least one external electrolyte inlet in the lower housing cap. / outlet for the electrolyte of the first half-cell and an outer electrolyte inlet / outlet for the electrolyte of the second half-cell is provided.
Für eine Skalierung der Leistungsfähigkeit einer RFB ist die RFC vorteilhaft mit stirnseitig angebrachten, flächigen Anschlusskontakten von dem elektrisch isolierenden rohrförmigen Modulgehäuse konzentrisch umgeben und darin fixiert, wobei sowohl auf einer Außen- als auch auf einer Innenseite eines der Gehäuserohre zumindest abschnittsweise je ein Gewinde so ausgebildet ist, dass mehrere rohrförmige RFCs miteinander zu einem RFC-Stapel verschraubbar sind.For a scaling of the performance of an RFB, the RFC is advantageously concentrically surrounded by face-mounted, flat terminal contacts of the electrically insulating tubular module housing and fixed therein, wherein at least partially each formed a thread on both an outer and on an inner side of the housing tubes is that several tubular RFCs are screwed together to form an RFC stack.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können mehrere RFC mit parallel zueinander ausgerichteten Symmetrieachsen als einzelne oder als bereits kollinear gestapelte RFC in ein- oder mehrlagiger Anordnung in der RFB vereinigt sein, wobei die RFC mittels Kontaktbrücken oder stirnseitiger flächiger Anschlusskontakte mit gegensätzlich gepolten, ersten und zweiten Stromanschlussklemmen in einer elektrischen Reihenschaltung verbunden und durch Verbindung der ersten und der zweiten Halbzellen untereinander in jeweils gemeinsamen Elektrolytkreisläufen als hydrodynamische Parallelschaltung verknüpft sind.In a further advantageous embodiment, a plurality of RFCs with axes of symmetry oriented parallel to each other may be combined as single or as collinear stacked RFC in single or multi-layer arrangement in the RFB, wherein the RFC by means of contact bridges or face-side planar terminal contacts with oppositely poled, first and second power terminals connected in an electrical series circuit and are linked by connecting the first and the second half-cells with each other in each common electrolyte circuits as a hydrodynamic parallel circuit.
Eine bevorzugte Gestaltung liegt darin, dass mindestens eine rohrförmige RFC zwei zueinander und zu den ersten und zweiten Halbzellen konzentrisch angeordnete Elektrolytreservoire aufweist. Dabei sind vorteilhaft mehrere der rohrförmigen, zueinander in axialer Richtung benachbart gestapelten RFCs zu den zwei konzentrisch geformten Elektrolytreservoiren konzentrisch angeordnet, wobei die ersten und zweiten Halbzellen verschiedener RFC über jeweils einen mindestens eine Pumpe enthaltenden Elektrolytkreislauf mit einem der konzentrisch angeordneten Elektrolytreservoire hydrodynamisch parallel verknüpft und elektrisch in einer Reihenschaltung verbunden sind.A preferred embodiment is that at least one tubular RFC has two electrolyte reservoirs arranged concentrically to one another and to the first and second half cells. Advantageously, several of the tubular RFCs stacked adjacent to one another in the axial direction are arranged concentrically to the two concentrically shaped electrolyte reservoirs, wherein the first and second half cells of different RFCs are hydrodynamically linked in parallel and electrically hydrodynamically to one of the concentrically arranged electrolyte reservoirs via an electrolyte circuit containing at least one pump connected in a series connection.
In einer vorteilhaften Gesamtkonfiguration sind mehrere der RFBs mit parallel zueinander ausgerichteten Symmetrieachsen der konzentrischen RFCs in ein- oder mehrlagiger Anordnung zusammengefügt, in einer hydrodynamischen Parallelschaltung mit mindestens teilweise gemeinsam genutzten Elektrolytreservoiren verbunden und mindestens teilweise in einer elektrischen Parallelschaltung miteinander verknüpft.In an advantageous overall configuration, several of the RFBs are joined together with symmetry axes of the concentric RFCs oriented parallel to one another in a single or multilayer arrangement, connected in a hydrodynamic parallel circuit to at least partially shared electrolyte reservoirs and at least partially linked together in an electrical parallel circuit.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass die Verwendung einer Vielzahl von tubulären Membranen (Hohlfasermembranen) - anstelle von einzelnen Flachmembranen, wie sie in allen zur Zeit kommerziell verfügbaren RFBs Verwendung finden - die elektrochemisch wichtige Membranoberfläche pro Zellenvolumen und damit die elektrische Leistungsfähigkeit einer solchen Batterie signifikant erhöhen kann. Dadurch wird gleichzeitig die Baugröße sowie das Zellengewicht signifikant verringert und das Skalierungspotential einer RFB erheblich verbessert. Der Aufbau bekannter Lösungsansätze für tubuläre RFC leidet jedoch stets daran, dass eine einzelne Zelle als starres, nicht erweiterbares Gebilde in komplizierten Verfahren gefertigt werden muss. Damit erlauben bekannte Bauformen von RFC mit tubulären Membranen keine flexible Skalierung einer Einzelzelle, sondern setzen bei der Skalierung stets eine Neuanfertigung aller Zellenbauteile voraus, wobei zugleich die produktionstechnischen Gegebenheiten an die neuen Erfordernisse teils mit erheblichem Aufwand angepasst werden müssen. Zudem gehen mit der Skalierung in den meisten Fällen ein erhöhter Dichtungsaufwand und vor allem ein erhöhter Druckabfall in wenigstens einer der Halbzellen bei Durchströmung mit einem Elektrolyten einher, der sich negativ auf die Energieeffizienz einer RFB auswirkt. Insbesondere wird bei der Verschaltung mehrerer RFC zu einer RFB mit großem Elektrolytreservoir das große Potenzial, das sich hinsichtlich Effizienz, Flexibilität, Stabilität, Kompaktheit und Skalierbarkeit bei RFC mit Hohlfasermembranen ergibt, bisher nicht genutzt. Beispielsweise lässt sich u. a. eine solche raumsparende RFC mit neuartigen Betriebsarten verknüpfen, die eine erhöhte Langlebigkeit durch Verringerung des unvermeidbaren Austauschs („cross-over“ oder „Kreuzkontamination“) der redoxaktiven Substanzen zwischen den Halbzellen erreichen.The invention is based on the fundamental idea that the use of a plurality of tubular membranes (hollow fiber membranes) instead of individual flat membranes, as used in all presently commercially available RFBs, the electrochemically important membrane surface per cell volume and thus the electrical performance of such a battery can increase significantly. This significantly reduces both the size and the cell weight and significantly improves the scaling potential of an RFB. The construction of known solutions for tubular RFC, however, always suffers from the fact that a single cell must be manufactured as a rigid, non-expandable structure in complicated procedures. Thus, known designs of RFC with tubular membranes do not allow flexible scaling of a single cell, but always require the scaling of a new production of all cell components, at the same time the production engineering conditions to the new requirements must be partly adapted with considerable effort. In addition, scaling in most cases involves an increased sealing effort and, above all, an increased pressure drop in at least one of the half cells when flowing through an electrolyte, which has a negative effect on the energy efficiency of an RFB. In particular, when connecting multiple RFCs to one RFBs with large electrolyte reservoirs, the great potential for efficiency, flexibility, stability, compactness, and scalability in RFC with hollow fiber membranes has not been exploited. For example, u. a. associate such space-efficient RFCs with novel modes of operation that achieve increased longevity by reducing the cross-over or cross-contamination of redox-active substances between the half-cells.
Die Erfindung geht zur Lösung dieser Probleme deshalb den Weg einer Kombination von einer Vielzahl an radial angeordneten Hohlfasermembranen und einer Röhrenkonstruktion zu einer scheibenartigen Moduleinheit, die große Membranoberflächen zwischen den polaritätsspezifischen Halbzellen bereitstellt und durch einen damit verringerten elektrischen Innenwiderstand eine signifikant erhöhte Leistungsdichte sowie eine beliebige und flexible Skalierbarkeit einer einzelnen RFC ermöglicht. Aus einer Vielzahl solcher Moduleinheiten kann dann durch Stapelung in einem rohrförmigen Gehäuse eine RFC gefertigt und durch die einfache Stapelbarkeit beliebig skaliert werden. Zugleich gestattet diese Röhrenkonstruktion eine einfache und zuverlässig separierte Zu- und Abfuhr der beiden Elektrolyten innerhalb und außerhalb der radial dazwischen befindlichen Hohlfasermembranen bei gleichzeitig verringertem Druckverlust im Vergleich zu herkömmlichen Zellen in Flachbauweise oder bekannten Zellen mit Hohlfasermembranen, ohne dabei die einfache Stapelbarkeit der Moduleinheiten zu beeinträchtigen.The invention therefore addresses the solution of these problems by the way of a combination of a plurality of radially disposed hollow fiber membranes and a tube construction to a disc-like module unit, the large membrane surfaces between the polarity-specific half-cells and by a reduced electrical internal resistance significantly increased power density and any and flexible scalability of a single RFC. From a multiplicity of such modular units, an RFC can then be manufactured by stacking in a tubular housing and scaled as desired by the simple stackability. At the same time, this tube construction allows a simple and reliably separated supply and removal of the two electrolytes inside and outside the hollow fiber membranes located radially therebetween with simultaneously reduced pressure loss in comparison to conventional cells in flat construction or known cells with hollow fiber membranes, without affecting the simple stackability of the modular units ,
Die Lösung sieht dafür eine zwischen mindestens zwei konzentrischen Halteringen radial angeordnete Vielzahl von Hohlfasermembranen vor, die in eine flüssigkeitsdurchlässige Struktur eingebettet sind, um daraus mittels einer Vielzahl von hydrodynamisch und elektrisch parallelgeschalteten Hohlfasermembranen mindestens eine der polaritätsspezifischen Halbzellen zusammenzusetzen. Anstelle der Beschichtung oder zusätzlich dazu kann auch ein elektrisch leitendes flüssigkeitsdurchlässiges Füllmaterial (z. B. poröser Festkörper, Schüttgut, Fasergewebe, Vlies, Schaum, Gitter, Garn oder Ähnliches) als Elektrode in die Hohlfasermembran eingeführt sein. Die flüssigkeitsdurchlässige Struktur kann aber auch ausschließlich durch den zwischen Stromabnehmer und Membran liegenden Hohlraum gebildet sein und der Stromabnehmer zugleich die Funktion der Elektrode mit übernehmen. Auf diese Art und Weise können entweder nur eine der polaritätsspezifischen Halbzellen oder auch beide Halbzellen ausgeführt sein.The solution provides for a plurality of hollow fiber membranes arranged radially between at least two concentric retaining rings, which are embedded in a liquid-permeable structure are to be composed thereof by means of a plurality of hydrodynamically and electrically connected in parallel hollow fiber membranes at least one of the polarity-specific half-cells. Instead of or in addition to the coating, an electrically conductive, liquid-permeable filling material (eg, porous solid, bulk material, fiber fabric, non-woven, foam, mesh, yarn or the like) may also be introduced into the hollow-fiber membrane as an electrode. However, the liquid-permeable structure can also be formed exclusively by the cavity located between the current collector and the membrane, and the current collector can at the same time take over the function of the electrode. In this way, either only one of the polarity-specific half-cells or both half-cells can be designed.
Im ersten Fall ist die erste Halbzelle, wie vorstehend beschrieben, aufgebaut und die zweite Halbzelle durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsdurchlässige Struktur (poröser Festkörper, Schüttgut, Fasergewebe, Vlies, Schaum, Gitter oder Ähnliches) gebildet, in der die Hohlfaser(n) der ersten Halbzelle in beschriebener radialer Anordnung eingebettet sind, wobei flüssigkeitsdurchlässige Struktur bzw. darin angeordnete Hohlfasermembranen jeweils als mit je einer Elektrode ausgestattete Elektrolytströmungsbahn für die jeweilige Halbzelle genutzt werden. Dabei sind die Hohlfasermembranen der ersten Halbzelle von einem ersten Elektrolyt radial durchströmt und die flüssigkeitsdurchlässige Struktur zwischen dem äußeren und inneren Haltering in axialer oder bevorzugt ebenfalls radialer Richtung durchströmt. Bei radialer Strömung dient je ein Spalt zwischen flüssigkeitsdurchlässiger Struktur und innerem bzw. äußerem Haltering als Elektrolytein- bzw. Elektrolytauslass.In the first case, the first half-cell, as described above, constructed and the second half-cell by an electrically conductive, liquid-permeable structure (porous solid, bulk material, fiber fabric, non-woven, foam, mesh or the like) is formed, in which the hollow fiber (s) of the are embedded in the described radial arrangement, liquid-permeable structure or disposed therein hollow fiber membranes are each used as each equipped with an electrode electrolyte flow path for the respective half-cell. In this case, the hollow-fiber membranes of the first half-cell are radially flowed through by a first electrolyte and the liquid-permeable structure flows through between the outer and inner retaining ring in the axial or preferably likewise radial direction. In the case of radial flow, a gap between the liquid-permeable structure and the inner or outer retaining ring serves as the electrolyte inlet or electrolyte outlet.
Als Stromabnehmer für die Elektroden im Innern der Hohlfasermembranen kann jeweils ein elektrisch leitender Draht (Stab) eingeführt oder aber das Hohlfaserende der mit einer porösen Elektrode beschichteten Hohlfasermembran auf ein elektrisch leitendes Röhrchen bzw. eine Klemmhülse aufgepfropft sein, wobei in jeder der Varianten alle Stromabnehmer einer Halbzelle elektrisch parallel miteinander verbunden sind.As the current collector for the electrodes in the interior of the hollow fiber membranes, an electrically conductive wire (rod) can be introduced or the hollow fiber end of the coated with a porous electrode hollow fiber membrane grafted onto an electrically conductive tube or a clamping sleeve, wherein in each of the variants all current collector of a Half cell electrically connected in parallel.
Als Stromabnehmer für die zweite Halbzelle kann mindestens ein elektrisch leitender stab-, streifen- oder plattenförmiger Festkörper in die flüssigkeitsdurchlässige Struktur eingeführt sein oder von oben bzw. unten ein flächiges, zum Beispiel scheiben- oder ringförmiges Gebilde an die flüssigkeitsdurchlässige Struktur angepresst oder aufgelegt sein.As a current collector for the second half-cell can be at least one electrically conductive rod, strip or plate-shaped solid introduced into the liquid-permeable structure or from above or below a flat, for example, disc or annular structure pressed or placed on the liquid-permeable structure.
Im zweiten Fall, wenn beide Halbzellen aus Hohlfasermembranen mit innerlich angeordneten rauen oder porösen Elektroden und Stromabnehmern gebildet sind, werden die von unterschiedlichen Elektrolyten (entweder Katholyt oder Anolyt) durchströmten Hohlfasermembranen, getrennt nach Halbzellenzugehörigkeit zusammengefasst, radial zwischen mindestens je zwei konzentrischen Halteringen in einer flüssigkeitsdurchlässigen Struktur alternierend benachbart angeordnet eingebettet, wobei die sie umgebende flüssigkeitsdurchlässige Struktur mit einer elektrisch leitenden Salzlösung, einem ionenleitenden Festkörper, einem ionenleitenden Gel oder einer ionischen Flüssigkeit ausgefüllt, durchtränkt oder durchströmt ist. Die flüssigkeitsdurchlässige Struktur kann, wie im ersten Fall, als poröser Festkörper, Schüttung, Fasergewebe, Vlies, Schaum, Gitter oder Ähnliches ausgeführt sein oder allein durch die zwischen den Hohlfasermembranen der beiden Halbzellen liegenden Hohlräume gebildet werden. Dabei sind die Hohlfasermembranen vorzugsweise aus unterschiedlichen, die redoxaktiven Komponenten sperrenden Materialien gebildet, wie beispielsweise Kunststoffen in Form von Polymeren (z. B. Polyethersulfon) oder anderen organischen Verbindungen und Biopolymeren, wie z. B. Cellulose, regenerierter Cellulose (RC) und weiteren Derivaten, oder einer Keramik.In the second case, if both half-cells are formed of hollow-fiber membranes with inwardly arranged rough or porous electrodes and current collectors, the hollow-fiber membranes through which different electrolytes (either catholyte or anolyte) are collected, separated according to half-cell association, are radially between at least two concentric retaining rings in a liquid-permeable one Structure arranged adjacent to another embedded, wherein the liquid-permeable structure surrounding it is filled, impregnated or flowed through with an electrically conductive salt solution, an ion-conducting solid, an ion-conducting gel or an ionic liquid. The liquid-permeable structure may, as in the first case, be in the form of a porous solid, bulk, fibrous web, non-woven, foam, mesh or the like, or be formed solely by the cavities lying between the hollow-fiber membranes of the two half-cells. The hollow-fiber membranes are preferably formed from different materials which block the redox-active components, for example plastics in the form of polymers (for example polyethersulfone) or other organic compounds and biopolymers, such as, for example, As cellulose, regenerated cellulose (RC) and other derivatives, or a ceramic.
In der erfindungsgemäßen RFC können grundsätzlich alle denkbaren Membrantypen Verwendung finden. Unter der erfindungsgemäß als „Membran“ bezeichneten Grenzfläche zwischen den beiden Elektrolyten oder einer zwischengelagerten Salzbrücke 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 durch die Grenzfläche hindurch idealerweise vollständig unterdrückt. Besonders bevorzugt sind nach diesen Maßgaben solche Membranen, die nach dem Prinzip des lonentypausschlusses oder nach dem Prinzip des Größenausschlusses wirken. Aber auch Flächengebilde aus anderen Materialien, welche die letztgenannten Eigenschaften nicht mitbringen, sind hier als die Halbzellen begrenzende Grenzfläche denkbar, solange sie die vorgenannten Mindestvoraussetzungen erfüllen. Obwohl die Formulierung „Membran“ im Hinblick auf die vorgenannten Funktionen einschränkend wirkt, wird das Flächengebilde - der Einfachheit halber und da es zugleich die bevorzugte Variante ist - im Folgenden weiterhin als „Membran“ bezeichnet.In principle, all conceivable types of membranes can be used in the RFC according to the invention. In this context, the boundary surface between the two electrolytes or an interposed salt bridge, referred to as "membrane" according to the invention, is understood to be a planar structure which is principally characterized 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 On the other hand, at the same time excludes the transition of the redox-active substances of the two electrolytes in the other half cell crucial for energy storage or ideally completely suppressed electrochemical reactions of the redox-active substances of the two half-cells through the interface. According to these provisos, those membranes which act on the principle of ion-type exclusion or on the principle of size exclusion are particularly preferred. But also fabrics made of other materials, which do not bring the latter properties, are here as the half-cell limiting interface conceivable, as long as they meet the above minimum requirements. Although the term "membrane" has a limiting effect in view of the above-mentioned functions, for the sake of simplicity and since it is also the preferred variant, the sheet will be referred to as "membrane" hereinafter.
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 gewählter poröser 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%) innerhalb eines definierten Zeitraums (z. B. 24 h) 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 beim Einsatz solcher Membranen in Redox-Flow-Zellen makromolekulare redoxaktive Substanzen mit einer größeren Molmasse als dem MWCO mit der angegebenen Wahrscheinlichkeit zurückgehalten, während die kleineren Ionen der Leitsalzlösung 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 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, which acts on the principle of size exclusion, the Size exclusion achieved by using redox-active macromolecules (eg, oligomers and polymers) and correspondingly selected porous membranes, whose pore size distribution is such that molecules of a certain geometric size (ie, from a certain hydrodynamic volume) or molecular mass with high probability (> 90%) within a defined period of time (eg 24 h). 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 having a molecular weight greater than the MWCO are retained with the stated probability when using such membranes in redox flow cells, while the smaller ions of the electrolyte solution can pass through the membrane for charge equalization. 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 choice of materials according to the invention for the redox-active macromolecules and the membranes is basically arbitrary and limited only by the fact that the materials must be chemically compatible with each other and no unwanted chemical reactions with each other, so no decomposition, dissolution or otherwise dysfunctional change of the membrane material or of the electrolyte occurs.
Mit Membranen, die nach dem Prinzip des lonentypausschlusses wirken, sind solche Membranen gemeint, welche Ionen einer bestimmten Ladung selektiv hindurchlassen bzw. abhalten. Dieser lonentypausschluss wird dabei durch elektrisch isolierende, poröse Membranmaterialien erreicht, welche 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 beispielsweise Nafion®-Membranen.By membranes which operate on the ion exclusion principle is meant those membranes which selectively pass ions of a given charge. This ion 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, for example, Nafion® membranes.
Aber auch andere Membrantypen, die den vorgenannten Mindestvoraussetzungen genügen, sind denkbar. Ein weiteres 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.). 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 tubulären RFC aus Moduleinheiten mit Hohlfasermembranen in radialer Anordnung profitieren.But also other types of membranes, which meet the above minimum requirements, are conceivable. Another example is ceramics, which are also commonly referred to as solid electrolyte and whose conductivity is - possibly at elevated temperature - realized by thermally mobilized ions in the solid state structure of the ceramic (eg Na 2 O, MgO, NaAl 11 O 17 , etc.). Thus, in particular, all those membrane and electrolyte materials whose utility for conventional RFCs in flat construction of the prior art is already known, can profit from the additional, material-independent advantages of a tubular RFC according to the invention from module units with hollow-fiber membranes in a radial arrangement.
Als ein Elektrolyt wird dabei erfindungsgemäß ein flüssiger oder verflüssigter lonenleiter verstanden, welcher mindestens eine redoxaktive Komponente wenigstens teilweise in Substanz oder gelöst und optional weitere Additive enthält. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die zuvor beschriebenen Vorteile einer tubulären Moduleinheit mit Hohlfasermembranen in radialer Anordnung unabhängig von den konkret verwendeten Elektrolyten und Redox-Paaren gegeben sind, wodurch die konkret eingesetzte Redoxchemie prinzipiell unerheblich für die Kerngedanken der Erfindung ist.According to the invention, an electrolyte is understood as meaning a liquid or liquefied ion conductor which contains at least one redox-active component at least partially in substance or dissolved and optionally further additives. In principle, however, that the advantages described above of a tubular modular unit with hollow-fiber membranes are given in a radial arrangement regardless of the specific electrolytes and redox pairs used, whereby the redox chemistry actually used is in principle irrelevant to the core ideas of the invention.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine neuartige tubuläre Redox-Flow-Zelle aus radialtubulären Moduleinheiten (RFC-Modulen) zur Speicherung elektrischer Energie zu realisieren, mit denen flexibel skalierbare RFCs hoher Leistungsdichte und Energieeffizienz mit stabilen und zuverlässigen Elektrolytumlaufströmungen modular zusammensetzbar sind. Außerdem wird eine einfache Stapelbarkeit von beliebig vielen RFC-Modulen in einem Gehäuse mit Elektrolytanschlüssen für Ein- und Auslass, sowie nach außen geführten elektrischen Kontaktierungsmöglichkeiten für die polaritätsspezifischen Halbzellen zu einer kompakten Röhre als einfach skalierbare RFC ermöglicht, wobei eine Vielzahl solcher RFCs - mit einfachen Rohranschlüssen und einer gemeinsamen elektrischen Verschaltung versehen - flexibel zu einer RFB arrangierbar sind.With the invention, it is possible to realize a novel tubular redox flow cell of radially tubular module units (RFC modules) for storing electrical energy, with which flexibly scalable RFCs of high power density and energy efficiency can be modularly assembled with stable and reliable electrolyte recirculation flows. In addition, a simple stackability of any number of RFC modules in a housing with electrolyte connections for inlet and outlet, as well as outwardly managed electrical contacting possibilities for the polarity-specific half-cells to a compact tube as easily scalable RFC allows a variety of such RFCs - with simple Pipe connections and a common electrical interconnection - flexibly arranged to a RFB are.
Die Verwendung einer Salzbrücke zwischen gleichartig aus Hohlfasermembranen zusammengesetzten Halbzellen stellt darüber hinaus eine neuartige Betriebsart für RFBs dar, die es insbesondere erlaubt, beide Halbzellen einer tubulären RFB noch effektiver (mit gleichem Druckgradienten und höherer Betriebssicherheit) 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 Salzen ausgebildet ist, aber auch ein ionenleitender Feststoff, ein ionenleitendes Gel oder eine ionische Flüssigkeit sein kann. Durch die sich ergebende doppelte Membran (jede Halbzelle bringt eine Hohlfasermembran mit) wird der unerwünschte, aber nie vollständig unterdrückbare Austausch der redoxaktiven Substanzen zwischen den beiden Halbzellen über die Membran hinweg („Cross-over“ bzw. „Kreuzkontamination“) verringert bzw. praktisch nahezu vollständig unterdrückt. Außerdem führt die Beschädigung einer Membran nicht mehr zu einer unwillkürlichen Vermischung der beiden Elektrolyten, solange nicht mindestens zwei Hohlfasermembranen unterschiedlicher Halbzellen gleichzeitig beschädigt sind. Dadurch führen eine oder mehrere defekte Hohlfasermembranen einer Halbzelle nicht sofort zum Versagen der Funktionsfähigkeit der gesamten Batterie, sondern im schlimmsten Fall nur zu einer Leistungsminderung.The use of a salt bridge between similarly composed of hollow fiber membranes half-cells also represents a novel mode for RFBs, which in particular allows both half-cells of a tubular RFB to operate more effectively (with the same pressure gradient and higher reliability). A salt bridge according to the invention is understood to mean an ion conductor which permits an efficient exchange of ions between the half-cells and is preferably in the form of a liquid with dissolved salts, but can also be an ion-conducting solid, an ion-conducting gel or an ionic liquid. Due to the resulting double membrane (each half cell brings a hollow fiber membrane with) the undesirable, but never completely suppressible exchange of the redox-active substances between the two half-cells across the membrane away ("cross-over" or "cross-contamination") is reduced or practical almost completely suppressed. In addition, the damage of a membrane no longer leads to an involuntary mixing of the two electrolytes, as long not at least two hollow fiber membranes of different half-cells are simultaneously damaged. As a result, one or more defective hollow-fiber membranes of a half cell do not immediately lead to the failure of the functioning of the entire battery, but in the worst case, only to a reduction in performance.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1a : eine schematische Darstellung im Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen RFC-Moduls mit einer Vielzahl von radial zwischen zwei konzentrischen Halteringen angeordneten Hohlfasermembranen einer ersten Halbzelle, die in eine elektrisch leitende flüssigkeitsdurchlässige Struktur einer zweiten Halbzelle eingebettet sind; -
1b : eine schematische Perspektivdarstellung der Ausführung des RFC-Moduls von1a mit Andeutung der Elektrolytströmungsverläufe beider Halbzellen; -
1c : eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen RFC-Moduls mit zwei gleichartigen Halbzellen in Form von radial zwischen je zwei konzentrischen Halteringen fixierten Hohlfasermembranen, die abwechselnd benachbart jeweils eine Halbzelle bilden und in eine gemeinsame flüssigkeitsdurchlässige Struktur eingebettet sind; -
2a : eine schematische Perspektivdarstellung eines Sektors des erfindungsgemäßen RFC-Moduls nach1b in einer Ausführungsvariante mit zwei konzentrischen Halteringen, die mit elektrisch leitenden Beschichtungen versehen sind, wobei die Beschichtungen sowohl eine elektrische Parallelschaltung der inneren Stromabnehmer der ersten Halbzelle als auch von gestapelten RFC-Modulen untereinander sicherstellen; -
2b : eine schematische Perspektivdarstellung mit zwei Axialschnitten des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen RFC-Moduls nach1c mit zwei zusätzlichen konzentrischen Halteringen für Hohlfasermembranen der zweiten Halbzelle, wobei ein innerer und ein äußerer Haltering elektrisch leitende Beschichtungen aufweisen, die entweder den elektrischen Kontakt zu den inneren Stromabnehmern der ersten Halbzelle bzw. der zweiten Halbzelle herstellen; -
2c : eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausschnitts der Hohlfasermembrandurchführung durch einen Haltering als Gestaltungsvariante zu den vorherigen2a bis2b mit elektrisch leitender Beschichtung, die in Kontakt zu einem als elektrische Klemmhülse ausgeführten Stromabnehmer für eine poröse Elektrode steht; -
3a : eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines rohrförmigen Modulgehäuses für eine RFC aus mehreren gestapelten RFC-Modulen, wobei das Modulgehäuse aus einem Gehäuseinnenrohr und einem Gehäuseaußenrohr mit Innengewinde und zwei darin verschraubbaren Gehäusekappen mit Außengewinde und eingearbeiteten Stromanschlussklemmen gefertigt ist; -
3b : eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines rohrförmigen Modulgehäuses für eine RFC aus mehreren gestapelten RFC-Modulen, wobei das Modulgehäuse aus einem Gehäuseinnenrohr mit Außengewinden und einem Gehäuseaußenrohr mit Innengewinden und zwei darin verschraubbaren Gehäusekappen mit Außen- und Innengewinden und eingearbeiteten Stromanschlussklemmen gefertigt ist; -
4a : eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt einer ersten Ausführung eines Paares von Gehäusekappen zum Verschließen der Enden eines Modulgehäuses (ohne Stromanschlussklemmen); -
4b : eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt einer zweiten Ausführung eines Paares von Gehäusekappen für das Modulgehäuse mit eingearbeiteten Stromanschlussklemmen und Kontaktisolator, um jede der Halbzellen für einen RFC-Modul-Stapel nach außen kontaktierbar zu machen; -
4c : eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt einer dritten Ausführung eines Paares von Gehäusekappen gemäß4b und mit konzentrischer kreisförmiger Vertiefung in der Mitte für ein Gehäuseinnenrohr gemäß3a und3b zur Eingrenzung des Elektrolyt-Volumens innerhalb des Modulgehäuses dient; -
4d : eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt einer vierten Ausführung eines Paares von Gehäusekappen für die zwei Enden des Modulgehäuses mit eingearbeiteten Stromanschlussklemmen gemäß4b und mit konzentrischer kreisförmiger Öffnung in der Mitte, um ein Gehäuseinnenrohr gemäß3a und3b aufzunehmen, das der Eingrenzung des vom aus den Hohlfasermembranen strömenden Elektrolyten ausgefüllten Volumens innerhalb des Modulgehäuses dient; -
5a :eine schematische Perspektivdarstellung mit Axialschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Redox-Flow-Zelle, die aus neun in einem rohrförmigen Modulgehäuse gestapelten erfindungsgemäßen RFC-Modulen gefertigt ist, wobei das Modulgehäuse durch ein Paar einschraubbarer Gehäusekappen gemäß4d hermetisch abgeschlossen wird; -
5b : eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausführungsbeispiels zur Realisierung einer mechanischen und elektrischen Kopplung von mindestens zwei aus jeweils mehreren erfindungsgemäßen RFC-Modulen aufgebauten RFC (beispielsweise gemäß5a ), die in je einem zusätzlichen Modulgehäuse fixiert sind, wobei durch eine Verschraubung die gegensätzlich gepolten, flächig ausgebildeten Stromanschlussklemmen beider RFCs aufeinander gepresst und die Zellen so elektrisch in Reihe geschaltet werden; -
5c : eine schematische Darstellung einer RFB-Ausführung im Querschnitt aus einem Stapel mehrerer erfindungsgemäßer RFC-Module, wobei die flüssigkeitsdurchlässige Struktur für mehrere RFC-Module als ein Gebilde entweder axial oder radial von einem Elektrolyten durchströmt wird; -
5d :eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer RFB als Zellenstapel aus drei einfach gestapelten oder gestapelt verschraubten erfindungsgemäßen RFCs (beispielsweise gemäß5a ) mit hydrodynamisch paralleler Verknüpfung der einzelnen RFCs und elektrisch serieller Kopplung -
5e :eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer RFB aus benachbart aufgestellten RFCs gemäß5a mit hydrodynamisch paralleler Verknüpfung der einzelnen RFCs und elektrisch serieller Kopplung flächige, gegensätzlich gepolten Stromanschlussklemmen benachbarter RFCs -
6a : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer RFB in Form einer Zellen-Elektrolytreservoir-Einheit aus zwei sich konzentrisch umgebenden Elektrolytreservoiren, die wiederum konzentrisch von einer RFC aus acht erfindungsgemäßen RFC-Modulen umgeben ist und deren Halbzellen in separaten Elektrolytkreisläufen mit je einem gemeinsamen zugehörigen Elektrolytreservoir verbunden sind; -
6b : eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer RFB in Form von zwei sich konzentrisch umgebenden Elektrolytreservoiren, die wiederum konzentrisch von wenigstens zwei gestapelten RFCs gemäß5a ,5b bzw.5c umgeben sind und deren unterschiedlich gepolte Halbzellen jeweils in separaten Elektrolytkreisläufen mit dem gemeinsamen zugehörigen Elektrolytreservoir verbunden sind; -
6c : eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer RFB in Form von wenigstens zwei gestapelten RFCs gemäß5a ,5b bzw.5c mit einer konzentrisch um ein erstes Elektrolytreservoir herum angelegten ersten Halbzelle und einem zweiten, ebenfalls konzentrischen zweiten Elektrolytreservoir,.
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1a a schematic representation in cross section of a first embodiment of an RFC module according to the invention with a plurality of radially arranged between two concentric retaining rings hollow fiber membranes of a first half-cell, which are embedded in an electrically conductive liquid-permeable structure of a second half-cell; -
1b FIG. 2 is a schematic perspective view of the embodiment of the RFC module of FIG1a with indication of the electrolyte flow courses of both half-cells; -
1c a schematic representation of a second embodiment of an RFC module according to the invention with two similar half-cells in the form of radially fixed between two concentric retaining rings hollow fiber membranes alternately adjacent each form a half-cell and are embedded in a common liquid-permeable structure; -
2a : A schematic perspective view of a sector of the RFC module according to the invention1b in an embodiment with two concentric retaining rings, which are provided with electrically conductive coatings, the coatings ensure both an electrical parallel connection of the inner current collector of the first half-cell and stacked RFC modules with each other; -
2 B : A schematic perspective view with two axial sections of the second embodiment of an RFC module according to the invention1c with two additional concentric ferrule retaining rings for the second half-cell, wherein an inner and an outer retaining ring have electrically conductive coatings that either make electrical contact with the inner current collectors of the first half cell and the second half cell, respectively; -
2c : A schematic perspective view of a section of the hollow fiber membrane bushing through a retaining ring as a design variant of the previous2a to2 B electrically conductive coating in contact with a porous electrode current collector designed as an electrical clamping sleeve; -
3a : A schematic perspective view with axial section of a first embodiment of a tubular module housing for an RFC of a plurality of stacked RFC modules, the module housing is made of a housing inner tube and a housing outer tube with internal thread and two screwed therein housing caps with external thread and incorporated power connection terminals; -
3b : A schematic perspective view with axial section of a second embodiment of a tubular module housing for an RFC of several stacked RFC modules, wherein the module housing is made of a housing inner tube with external threads and a housing outer tube with internal threads and two screwed therein housing caps with male and female threads and incorporated power connection terminals ; -
4a a schematic perspective view with axial section of a first embodiment of a pair of housing caps for closing the ends of a module housing (without power terminals); -
4b Fig. 2 is a schematic perspective view in axial section of a second embodiment of a pair of housing caps for the module housing with incorporated power terminals and contact insulator to make each of the half cells for a RFC module stack externally contactable; -
4c FIG. 2 is a schematic perspective view in axial section of a third embodiment of a pair of housing caps according to FIG4b and with a concentric circular recess in the middle for a housing inner tube according to3a and3b serves to limit the volume of electrolyte within the module housing; -
4d FIG. 2 is a schematic perspective view, with an axial section, of a fourth embodiment of a pair of housing caps for the two ends of the module housing with built-in power connection terminals according to FIG4b and with concentric circular opening in the middle, according to a housing inner tube according to3a and3b which serves to confine the volume filled by the electrolyte flowing from the hollow-fiber membranes within the module housing; -
5a FIG. 2: shows a schematic perspective view with an axial section of an exemplary embodiment of a redox flow cell, which is manufactured from nine RFC modules stacked in a tubular module housing, wherein the module housing is formed by a pair of screw-in housing caps according to FIG4d hermetically sealed; -
5b : A schematic perspective view of an exemplary embodiment for realizing a mechanical and electrical coupling of at least two RFCs constructed in each case from a plurality of inventive RFC modules (for example according to FIG5a ), which are fixed in each case an additional module housing, wherein pressed by a screw the oppositely poled, flat-shaped power supply terminals of both RFCs to each other and the cells are electrically connected in series; -
5c a schematic representation of a RFB embodiment in cross section of a stack of several inventive RFC modules, wherein the liquid-permeable structure for a plurality of RFC modules is flowed through as an entity either axially or radially by an electrolyte; -
5d FIG. 2: shows a schematic perspective view of an embodiment of an RFB as a cell stack of three RFCs according to the invention, simply stacked or stacked in a stack (for example according to FIG5a ) with hydrodynamically parallel connection of the individual RFCs and electrical serial coupling -
5e FIG. 2: shows a schematic perspective illustration of an embodiment of an RFB from adjacent RFCs according to FIG5a with hydrodynamically parallel connection of the individual RFCs and electrical serial coupling, flat, oppositely poled current connection terminals of adjacent RFCs -
6a : A schematic representation of an embodiment of an RFB in the form of a cell electrolyte reservoir unit of two concentrically surrounding electrolyte reservoirs, which in turn is surrounded concentrically by an RFC from eight RFC modules according to the invention and their half cells connected in separate electrolyte circuits, each with a common associated electrolyte reservoir are; -
6b 5a .5b respectively.5c are surrounded and their differently polarized half-cells are each connected in separate electrolyte circuits with the common associated electrolyte reservoir; -
6c FIG. 2 is a schematic perspective view of an embodiment of an RFB in the form of at least two stacked RFCs according to FIG5a .5b respectively.5c with a first half-cell concentrically arranged around a first electrolyte reservoir and a second, also concentric second electrolyte reservoir.
Eine erfindungsgemäße tubuläre Redox-Flow-Zelle (RFC)
Die radial angeordneten Hohlfasermembranen
Das in
Die Funktion der RFB
Beispiele für Membranen und Elektrolyte nach dem Prinzip des Größenausschlusses sind eine Regeneratzellulosemembran (RC) mit einem MWCO von 1 kDa in einem Elektrolyt
Ein Beispiel für eine auf dem Prinzip des lonentypausschlusses basierende tubuläre RFC
Die zuvor aufgeführten Elektrolyt- und Membranmaterialien stellen aus diesem Grund nur mehr oder weniger willkürlich gewählte Beispiele dar, deren Funktionsfähigkeit bereits in der Literatur (siehe z. B.
Für die zweite Halbzelle
In einer leicht modifizierten (nicht gezeichneten) Variante dieser Ausführung eines RFC-Moduls
Eine leicht modifizierte (nicht gezeichnete) Variante dieser Ausführung eines RFC-Moduls
Im Allgemeinen ist ein einschichtiges RFC-Modul
Weiterhin ist die genannte radiale Anordnung der Hohlfasermembranen
Bei der Stapelung mehrerer RFC-Module
Die zuvor beschriebene Lösung aus elektrisch nichtleitenden Halteringen
Darüber hinaus ist in
Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß
Die nichtleitenden Teile des Modulgehäuses
In
Durch die Stapelung der RFC-Module
Eine Ausführung einer Redox-Flow-Batterie
Außerdem zeigt
Darüber hinaus ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer RFB
In
Es ist auch möglich, eine solche Zellen-Elektrolytreservoir-Einheit aus mehreren RFCs 1 zu bilden, wobei die RFCs
In einer zweiten Variante, die in
Es ist auch denkbar, mehrere solcher Zellen-Elektrolytreservoir-Einheiten gemäß
Für alle dargestellten Ausführungsbeispiele einer RFC
Die folgenden Ausführungen sollen beispielhafte Möglichkeiten zur Realisierung von Elektroden
Es wird eine RFC
Darüber hinaus können in einer zweiten Ausgestaltungsform der Elektroden
Auch in einer RFC
Im Inneren der Hohlfasermembranen
Ferner können die porösen Elektroden
Als Stromabnehmer
Die Dimensionen der einzelnen RFC-Module
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Redox-Flow-Zelle (RFC)Redox Flow Cell (RFC)
- 1111
- Redox-Flow-Zellen-Modul (RFC-Modul)Redox Flow Cell Module (RFC Module)
- 1212
- RFC-Modul-StapelRFC-modulus staple
- 1313
- Modulgehäusemodule housing
- 131131
- GehäuseinnenrohrHousing inner tube
- 132132
- GehäuseaußenrohrHousing outer tube
- 133133
- obere Gehäusekappeupper housing cap
- 134134
- untere Gehäusekappelower housing cap
- 135135
- Gewinde (von Gehäuseinnen-/außenrohr oder Gehäusekappe)Thread (from the housing inner / outer tube or housing cap)
- 136136
- innere Öffnung (der Gehäusekappe)inner opening (the housing cap)
- 22
- erste Halbzellefirst half cell
- 2121
- (erste) Hohlfasermembran(first) hollow fiber membrane
- 2222
- (poröse) (erste) Elektrode(porous) (first) electrode
- 2323
- (erster) Stromabnehmer(first) pantograph
- 2424
- (erste) Stromanschlussklemme(first) power connection terminal
- 2525
- innerer Elektrolytein-/-auslass (für ersten Elektrolyten)internal electrolyte inlet / outlet (for first electrolyte)
- 2626
- äußerer Elektrolytein-/-auslass (für ersten Elektrolyten)outer electrolyte inlet / outlet (for first electrolyte)
- 33
- (konzentrische) Halteringe(concentric) retaining rings
- 3131
- (erster) innerer Haltering (für erste Halbzelle)(first) inner retaining ring (for first half cell)
- 3232
- (erster) äußerer Haltering (für erste Halbzelle)(first) outer retaining ring (for first half cell)
- 3333
- (zweiter) innerer Haltering (für zweite Halbzelle)(second) inner retaining ring (for second half cell)
- 3434
- (zweiter) äußerer Haltering (für zweite Halbzelle)(second) outer retaining ring (for second half cell)
- 3535
- Symmetrieachseaxis of symmetry
- 3838
- Beschichtung (der Halteringe für erste Halbzelle)Coating (the retaining rings for the first half-cell)
- 3939
- Beschichtung (der Halteringe für zweite Halbzelle)Coating (the retaining ring for second half-cell)
- 44
- zweite Halbzellesecond half cell
- 4141
- (zweite) Hohlfasermembran(second) hollow fiber membrane
- 4242
- (poröse) (zweite) Elektrode(porous) (second) electrode
- 4343
- (zweiter) Stromabnehmer(second) pantograph
- 4444
- (zweite) Stromanschlussklemme(second) power connector
- 4545
- innerer Elektrolytein-/-auslass (für zweiten Elektrolyten)internal electrolyte inlet / outlet (for second electrolyte)
- 4646
- äußerer Elektrolytein-/-auslass (für zweiten Elektrolyten)outer electrolyte inlet / outlet (for second electrolyte)
- 4747
- flüssigkeitsdurchlässige Strukturliquid-permeable structure
- 55
- Elektrolyt (der ersten Halbzelle)Electrolyte (the first half-cell)
- 5151
- (erster) Elektrolytkreislauf(first) electrolyte circuit
- 5252
- (erstes) Elektrolytreservoir(first) electrolyte reservoir
- 5353
- Pumpepump
- 66
- Elektrolyt (der zweiten Halbzelle)Electrolyte (the second half-cell)
- 6161
- (zweiter) Elektrolytkreislauf(second) electrolyte circuit
- 6262
- (zweites) Elektrolytreservoir(second) electrolyte reservoir
- 6363
- Pumpepump
- 77
- Redox-Flow-Batterie (RFB)Redox Flow Battery (RFB)
- 71 71
- Stackgehäuse (zur Verschraubung mehrerer RFCs)Stack housing (for screwing several RFCs)
- 88th
- Stromanschlusspower connection
- 8181
- (flächiger) Anschlusskontakt(flat) connection contact
- 8282
- KontaktisolatorContact insulator
- 8383
- KontaktbrückeContact bridge
- 8484
- Leitsalzlösungconducting salt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2015/035427 A1 [0005]WO 2015/035427 A1 [0005]
- WO 2015/007382 A1 [0006]WO 2015/007382 A1 [0006]
- WO 2015/074764 A1 [0006]WO 2015/074764 A1 [0006]
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- J. Noack et al., in: Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9776-9809, oder J. Winsberg et al., in: Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201604925R1 [0048]J. Noack et al., In: Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9776-9809, or J. Winsberg et al., In: Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002 / anie.201604925R1 [0048]
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