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Die Erfindung bezieht sich auf ein System mit einem ersten Behälter zur Aufnahme eines ersten Elektrolyten, einem zweiten Behälter zur Aufnahme eines zweiten Elektrolyten und einer Redox-Flow-Batterie, ein Kraftfahrzeug mit einer Redox-Flow-Batterie und ein Verfahren zum Austausch von Elektrolyten bei einem Kraftfahrzeug
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Eine Redox-Flow-Batterie ist beispielsweise in der
US 3 996064 A beschrieben. Eine solche Redox-Flow-Batterie oder Redox-Flussbatterie speichert in chemischen Verbindungen in Flüssigkeiten elektrische Energie. Diese elektrolytischen Flüssigkeiten befinden sich in zwei getrennten Kreisläufen innerhalb der Vorrichtung, und strömen in einer Ladungstauscherkammer laminar aneinander vorbei. Dabei sind die Flüssigkeiten im Bereich des laminaren Strömungsbereichs durch mindestens eine Membran voneinander getrennt. Die Membran ist durchlässig für elektrische Ladungsträger, die z.B. in Form von Elektronen und/oder Protonen und/oder Ionen in der Flüssigkeit vorliegen. Daher werden Ladungsträger zwischen den Flüssigkeiten ausgetauscht, und ein Strom in die Vorrichtung oder aus der Vorrichtung herausgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ein Austausch der Elektrolyte zuverlässig möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Ein System umfasst einen ersten Behälter zur Aufnahme eines ersten Elektrolyten, einen zweiten Behälter zur Aufnahme eines zweiten Elektrolyten und einem dritten Behälter zur Aufnahme mindestens eines Restprodukts, wobei die drei Behälter mit einer Redox-Flow-Batterie zur Freisetzung elektrischer Energie aus dem positiv geladenen ersten Elektrolyten und dem negativ geladenen zweiten Elektrolyten und zum Auffangen des mindestens einen Restprodukts in Verbindung stehen und mit einer Tankeinrichtung zur Befüllung des ersten Behälters und des zweiten Behälters sowie zur Entleerung des dritten Behälters verbindbar sind.
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Nachdem ein Austausch der Ladungsträger zwischen den flüssigen oder gasförmigen Elektrolyten in der Redox-Flow-Batterie zur Erzeugung elektrischen Stroms, insbesondere zum Antrieb eines Elektromotors eines Kraftfahrzeugs, stattgefunden hat sind die beiden Elektrolyten quasi verbraucht und stellen Restprodukte dar. Das oder die Restprodukte werden in einem Behälter gesammelt, der entweder eine Kammer oder zwei getrennte zum Auffangen der Elektrolyte aufweist. Die Ladungsträger können Ionen und/oder Elektronen und/oder Protonen und/oder ionisierte Moleküle und/oder polare Moleküle und/oder geladene Granulatteilchen sein. Flüssige Elektrolyte enthalten insbesondere eine Salzlösung und/oder eine Säure und/oder eine Base. Die Elektrolyte können vanadiumhaltig und/oder bromhaltig und/oder zinkhaltig und/oder natriumhaltig sein. Es können auch weitere Elemente des Periodensystems zum Einsatz kommen. Um mittels der Redox-Flow-Batterie erneut elektrische Energie, beispielsweise zur Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, bereitzustellen, erfolgt mit der Tankvorrichtung ein Betanken des ersten Behälters mit dem ersten Elektrolyten und des zweiten Behälters mit dem zweiten Elektrolyten, wobei dieses Betanken entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander erfolgen kann. Darüber hinaus wird mittels der Tankeinrichtung entweder gleichzeitig mit der Befüllung des einen oder anderen oder der beiden Behälter die Entleerung des dritten Behälters, in dem sich das Restprodukt befindet, vorgenommen. Das Leeren des dritten Behälters kann beispielsweise mittels einer dem dritten Behälter oder der Tankeinrichtung zugeordneten Pumpe bewerkstelligt werden. Das Restprodukt kann einer Aufarbeitung zugeführt und anschließend wieder als Elektrolyt in der Redox-Flow-Batterie verwendet. Das Betanken und Entleeren bzw. Leeren der Behälter kann relativ schnell erfolgen, beispielsweise innerhalb einer Zeitspanne, in der ein Kraftstofftank eines konventionellen Kraftfahrzeugs mit Kraftstoff zu füllen ist. Relativ lange Zeiten und Pausen zum Laden eines Akkumulators fallen nicht an, da das Restprodukt außerhalb des Kraftfahrzeugs bzw. des System-Bereichs das die Redox-Flow-Batterie umfasst aufbereitet wird. Hierdurch die Akzeptanz für Elektromobilität wesentlich vergrößert werden.
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Um das Leeren des dritten Behälters relativ schnell vornehmen zu können, ist zweckmäßigerweise zur Entleerung des dritten Behälters mindestens ein Drucklufteingang und Auslass für das Restprodukt vorgesehen, wobei das Restprodukt mittels in den dritten Behälter eingeleiteter Druckluft aus dem dritten Behälter beförderbar ist. Die in den dritten Behälter eingeleitete Druckluft schiebt das Restprodukt aus dem dritten Behälter. Selbstverständlich kann eine Ventilsteuerung vorgesehen sein, die beispielswiese in einem Tankmodus eine Abdichtung gegenüber der Redox-Flow-Batterie vornimmt und lediglich einen Strömungskreislauf zwischen dem dritten Behälter und der Tankeinrichtung öffnet.
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In Ausgestaltung sind die drei Behälter über Leitungen mit einem Anschlusssystem zur lösbaren Kopplung einer Zapfeinrichtung der Tankeinrichtung verbunden, Die Zapfeinrichtung kann nach der Art einer Zapfpistole mit einem Auslöser zum Starten des Tankvorgangs des ersten und des zweiten Behälters und/oder des Entleerens des dritten Behälters versehen sein.
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Damit weder Elektrolyte noch das Restprodukt oder die Druckluft unkontrolliert bei dem Tankvorgang das System verlässt und ins Freie gelangt und darüber hinaus die jeweiligen Anschlüsse korrekt miteinander verbunden werden, sind bevorzugt das Anschlusssystem und die Zapfeinrichtung codiert und/oder mittels einer lösbaren Verriegelung abgedichtet miteinander verbindbar. Beispielsweise sind die Rohrstutzen der Zapfeinrichtung in ihrem Durchmesser und oder ihrer Beabstandung derart, dass sie mit kraftfahrzeugseitigen Anschlüssen korrelieren. Zweckmäßigerweise ist die Zapfeinrichtung der Tankeinrichtung über Verbindungsleitungen mit einem ersten Tank für den ersten Elektrolyten, mit einem zweiten Tank für den zweiten Elektrolyten und mit einem dritten Tank für das mindestens eine Restprodukt verbunden. Um Druckluft bereitzustellen bzw. zu erzeugen, ist die Zapfeinrichtung über eine Druckluftleitung mit mindestens einem Kompressor und/oder einem Windkessel verbunden.
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Damit eine relativ große Ladungstauscher- bzw. Membranfläche zur Verfügung steht, umfasst die Redox-Flow-Batterie als Ladungstauscher mehrere rohrförmige Tubularelemente, wobei der erste oder zweite Elektrolyt die Tubularelemente durchströmt und der zweite oder erste Elektrolyt die Tubularelemente umströmt. Die Elektrolyte beinhalten die Ladungsträger und strömen in durch die Membranfläche getrennten Bereichen wenigstens einmal im Bereich des Ladungstauschers aneinander vorbei. Die Tubularelemente sind in einem Fluidkreislauf, in dem ein Elektrolyt geführt wird, derart angeordnet, dass es in der Strömung wenigstens eines der Fluidkreisläufe - vorzugsweise des ersten Elektrolyten - angeordnet ist, so dass es von dem darin enthaltenen Elektrolyten durchströmt wird. Da die Tubularelemente an ihren Außenflächen von dem anderen Elektrolyten des weiteren Fluidkreislaufs umströmt werden, ergibt sich ebenfalls eine höhere Kontaktflächendichte für den Kontakt von außen. Somit ist die Kontaktflächenraumdichte zwischen dee Elektrolyten, die die Tubularelemente durchströmen bzw. umströmen durch den kreisförmigen Querschnitt der Tubularelemente größer als bei einem als eine ebene Membran ausgebildeten Ladungstauscher. Die Kontaktflächenraumdichte ist das Verhältnis zwischen der Kontaktfläche des Elektrolyten mit den Tubularelementen und dem Raum, den die Tubularelemente einnehmen. Es ist möglich eine Mehrzahl an Ladungstauschern in die Fluidkreisläufe einzubauen. Ein installiertes Tubularelement weist einen mittleren Durchmesser von 0,01 bis 100 mm, insbesondere von 0,1 bis 5 mm, im Speziellen von in etwa 1 mm auf. Der Abstand zwischen den einzelnen Tubularelementen kann im Nanometerbereich bis hin zum Zentimeterbereich liegen.
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In Ausgestaltung sind die Tubularelemente aus einem keramischen und/oder kunststoffhaltigen und/oder einem metallischen und/oder einem fetthaltigen und/oder einem cellulosehaltigen Material gefertigt, das zumindest teilweise für Ladungsträger durchlässig ist. Bevorzugt sind die Tubularelemente in einem Matrixmaterial angeordnet, das Kunststoff, Kunstharz und/oder Glas umfasst und als ein Gewirke und/oder ein Gestrick und/oder ein Gewebe und/oder ein Geflecht ausgebildet ist. Dadurch können die Tubularelemente in der Redox-Flow-Batterie ausgerichtet und fixiert werden. Das Matrixmaterial liegt vorzugsweise in zwei planparallelen Platten vor, die jeweils an einem Ende der Tubularelemente angeordnet und zweckmäßigerweise zueinander beabstandet sind, sodass die Tubularelemente bis zum äußeren Rand der Platten reichen, und von außen durchströmt werden können. Zwischen den planparallelen Platten ist ein Spalt oder Strömungsraum ausgebildet der durch den Abstand der Platten bestimmt ist, und der von den Tubularelementen durchsetzt ist. Den Spalt kann der eine Elektrolyt durchströmen und Ladungsträger mit dem anderen Elektrolyten austauschen.
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Um die Elektrolyten in laminarer Strömung durch die Redox-Flow-Batterie zu führen, ist zwischen dem ersten Behälter und der Redox-Flow-Batterie und dem zweiten Behälter und der Redox-Flow-Batterie jeweils eine Pumpe zur Erzeugung einer Strömung angeordnet.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines im Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug angewandten Systems und
- 2 eine schematische Darstellung einer Redox-Flow-Batterie gemäß Einzelheit II nach 1.
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Das vorliegende System umfasst zum einem Komponenten die insbesondere mobil angeordnet und vorzugsweise Bestandteile eines durch die gestrichelte Linie angedeuteten Kraftfahrzeugs 1 und zum anderen Komponenten die insbesondere stationär angeordnet und vorzugsweise Bestandteile einer durch die gestrichelte Linie angedeuteten Tankeinrichtung 2 sind, wobei Darstellungen lediglich schematisch und keinesfalls maßstabsgerecht sind oder Größenverhältnisse erkennen lassen.
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Innerhalb des Kraftfahrzeugs ist eine Redox-Flow-Batterie 3 zur Freisetzung elektrischer Energie aus einem positiv geladenen ersten Elektrolyten und einem negativ geladenen zweiten Elektrolyten angeordnet, wobei die elektrische Energie in erster Linie zur Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs 1 verwendet wird. Der erste Elektrolyt befindet sich in einem ersten Behälter 4 und der zweite Elektrolyt in einem zweiten Behälter 5. Beide Behälter 4, 5 sind über Versorgungsleitungen 6 mit der Redox-Flow-Batterie 3 gekoppelt, wobei die Elektrolyten mittels Pumpen in separaten Kreisläufen durch die Redox-Flow-Batterie 3 gefördert werden.
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Vorliegend kommt eine Redox-Flow-Batterie 3 zum Einsatz, die gemäß 1 mehrere Tubularelemente 7 als Ladungstauscherflächen umfasst, wobei selbstverständlich auch eine Redox-Flow-Batterie 3 mit einer ebenen Membranfläche als Ladungstauscherfläche verwendet werden kann, um elektrische Energie zu erzeugen bzw. freizusetzen.
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Im Einzelnen wird einer der Elektrolyten gemäß dem Pfeil 8 durch das Innere der Tubularelemente 7 geleitet, deren Außenumfang gemäß dem Pfeil 9 von dem anderen Elektrolyten umströmt wird. Selbstverständlich können die Elektrolyten mittels einer entsprechenden Leitungs- und Ventilanordnung mehrmals die Redox-Flow-Batterie 3 durchströmen bzw. an den entsprechenden Ladungstauscherflächen der Tubularelemente 7 oder der Membrane vorbeigeführt werden. Da der eine Elektrolyt durch die Tubularelemente 7 strömt und der andere Elektrolyt die Tubularelemente 7 außenseitig umströmt, erfolgt ein Austausch elektrischer Ladungen zwischen den Elektrolyten in der Redox-Flow-Batterie 3 bis zu einer Sättigung. Nachdem der Sättigungszustand eingetreten ist, stellen die Elektrolyten ein Restprodukt im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, das in diesem Zustand nicht mehr zur Freisetzung bzw. Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann und zur Wiederverwendung aufbereitet werden muss. Das Restprodukt wird in einem dritten Behälter 12 aufgefangen, der zwei voneinander getrennte Kammern aufwiesen kann, die zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
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Der erste Behälter 4, der zweite Behälter 5 und der dritte Behälter 12 sind über Leitungen 17 mit einem Anschlusssystem 13 strömungstechnisch gekoppelt, das im Bereich eines Kotflügels 14 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet sein kann und mit einer Zapfeinrichtung 15 verbindbar ist. Da vorliegend das Restprodukt mittels Druckluftbeaufschlagung aus dem dritten Behälter 12 ausgetrieben wird, ist dieser dritte Behälter 12 mit einer Druckluftleitung 16 gekoppelt, die ebenfalls in das Anschlusssystem 13 mündet.
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Wünscht ein Benutzer des Systems die Elektrolyte in dem ersten Behälter 4 und/oder dem zweiten Behälter 5 aufzufüllen und/oder das Restprodukt aus dem dritten Behälter 12 zu entfernen, verbindet er das Anschlusssystem 13 des Kraftfahrzeugs 1 mit der Zapfeinrichtung 15. Vorzugswiese erfolgt die Verbindung mittels einer lösbaren Kopplungseinrichtung abgedichtet und zwischen dem Anschlusssystem 13 des Kraftfahrzeugs 1 und der Zapfeinrichtung 15 liegt eine Steck-Codierung vor, damit ein verlustfreies Betanken bzw. Leeren und ein bestimmungsgemäßes und Fügen gewährleistet ist.
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Die Zapfeinrichtung 15 umfasst zu dem Anschlusssystem 13 korrespondierende Anschlusszapfen 16, die über entsprechende Verbindungsleitungen 18 mit einem ersten Tank 19 für den ersten Elektrolyten, mit einem zweiten Tank 20 für den zweiten Elektrolyten und mit einem dritten Tank 21 für das mindestens eine Restprodukt verbunden. Im Weiteren ist eine Druckluftleitung 22 zur Kopplung des entsprechenden Anschlusszapfens 16 der Zapfeinrichtung 15 mit einem Windkessel 23 und einem Kompressor 24 vorgesehen, um Druckluft in den dritten Behälter 12 zu leiten und das Restprodukt von dem dritten Behälter 12 in den dritten Tank 21 zu befördern, wobei selbstverständlich der dritte Tank 21 eine der Anzahl der Kammern des dritten Behälters 12 entsprechende Anzahl von Kammern aufweist und eine getrennte Beförderung der Restprodukte möglich ist.
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Der gesamte Vorgang des Betankens, bei dem nach der Kopplung des kraftfahrzeugseitigen Anschlusssystems 13 mit der Zapfeinrichtung 15 der Tankeinrichtung 2 der erste Behälter 4 mit dem ersten Elektrolyten aus den ersten Tank 19 und/oder der zweite Behälter 5 mit dem zweiten Elektrolyten aus den zweiten Tank 20 befüllt und/oder das mindestens eine Restprodukt aus dem dritten Behälter 12 entfernt und in den dritten Tank 21 gefördert wird, wird durch das Betätigen einer Ventileinrichtung 25 der Zapfeinrichtung 15 gestartet.
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Die Tubularelemente 7 der Redox-Flow-Batterie 3 nach 2 in einer plattenförmigen Matrixmaterial 10 den Enden der Tubularelemente 7 im Bereich von deren Öffnungen angeordnet. Das plattenförmige Matrixmaterial 10 ist im Wesentlichen planparallel sowie zueinander beabstandet angeordnet. Das plattenförmige Matrixmaterial 10 umfasst Bänder 11, zwischen denen eine Vielzahl von röhrchenförmigen Tubularelementen 7 mit zylindrischem Querschnitt angeordnet sind. Die Bänder 11 können selbstverständlich durch ein flächiges, sich um die Tubularlemente 7 erstreckendes Gewirk oder Gestrick oder dergleichen ersetzt werden, dessen Wirkung, nämlich eine gerichtete Anordnung der Tubularlemente 7 zueinander, äquivalent ist. Zweckmäßigerweise sind die Tubularlemente 8 nicht nur in der Ebene des plattenförmigen Matrixmaterials 10, sondern auch in der Längsrichtung der Tubularelemente 7 gehalten, sodass eine Ausrichtung in allen drei Raumrichtungen erfolgt. Das plattenförmige Matrixmaterial 10 ist beispielsweise ein Kunststoff, in den die Tubularelemente 7 abschnittweise eingebettet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Kraftfahrzeug
- 2.
- Tankeinrichtung
- 3.
- Redox-Flow-Batterie
- 4.
- erster Behälter
- 5.
- zweiter Behälter
- 6.
- Versorgungsleitung
- 7.
- Tubularelement
- 8.
- Pfeil
- 9.
- Pfeil
- 10.
- Matrixmaterial
- 11.
- Band
- 12.
- dritter Behälter
- 13.
- Anschlusssystem
- 14.
- Kotflügel
- 15.
- Zapfeinrichtung
- 16.
- Anschlusszapfen
- 17.
- Leitung
- 18.
- Verbindungsleitung
- 19.
- Tank
- 20.
- Tank
- 21.
- Tank
- 22.
- Druckluftverbindung
- 23.
- Windkessel
- 24.
- Kompressor
- 25.
- Ventileinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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