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Bei den verschiedenen Arten der Fluss-Batterien insbesondere Redox-Flow, Organic-Flow entstehen in den Stacks über die Zulaufkanäle und Rücklaufkanäle durch die lonenleitfähigkeit bei den verwendeten Elektrolyten sogenannte Shunt-Ströme. Diese Shunt-Ströme führen zu Verlusten aber auch in den meisten Fällen zu unerwünschten Nebenreaktionen, die dann zum Beispiel Korrosion an den Elektroden hervorrufen können.
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Des Weiteren werden für die Zuführung der Elektrolyten aus den Tanks drehzahlvariable Pumpen, eine entsprechende Verrohrung, Sensorik, Ventile, Absperrhähne und viele weitere Komponenten benötigt, die zu hohen Anschaffungskosten für Fluss-Batterien führen. Da die Basis für die Elektrolyten meist auf einer Säure oder Lauge aufbaut, sind hier entsprechend geeignete und zertifizierte Komponenten zu verwenden, die kostenintensiv sind.
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Die Verluste und unerwünschten Nebenreaktionen aufgrund der Shunt-Ströme sowie die sehr kostenintensiven Komponenten für die Elektrolytversorgung können dadurch vermieden werden, dass jede einzelne elektrochemische Zelle seinen eigenen Vorrat an Elektrolyt besitzt. Dieser Vorrat an Elektrolyt kann auf beiden Seiten der Membran bzw. dem Separator in den elektrochemischen Zellen vorhanden sein und wird zu den jeweiligen Elektroden bzw. Reaktionszentren bzw. in die Membran-Elektrodeneinheit transportiert. Dieser Transport kann durch mehrere Mechanismen, wie Diffusion, Konvektion und ggf. noch weitere Transportmechanismen erfolgen.
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Die Elektrode besteht meist zu einem großen Anteil aus leitenden Materialien wie Metalle, Legierungen oder auch Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffverbindungen. Zusätzlich kann die Elektrode eine besondere Beschichtung bzw. Durchdringung mit Katalysatoren oder auch speziellen Kohlenstoffformen besitzen, was die Reaktionen in der Zelle begünstigt. Des Weiteren kann die Elektrode eine spezielle Struktur besitzen, in der Elektrolyt vorhanden sein oder auch durchströmen kann.
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Eine Membran-Elektrodeneinheit besteht in der Regel aus mind. 2 Elektroden mit einer dazwischen liegenden selektiven Membran, die nur für bestimmte Ionen bzw. Moleküle durchlässig ist, oder einem Separator, der nur für bestimmte Ionen bzw. Moleküle durchlässig ist. Zusätzlich kann diese Membran-Elektrodeneinheit noch elektrische Anschlüsse sowie weitere Komponenten wie spezielle Fliese bzw. Abstandshalter besitzen. Zusätzlich können die Membranelektrodeneinheiten Katalysatoren wie z.B. Platin oder spezielle Formen von Stoffen z.B. Kohlenstoff enthalten, die die Reaktion begünstigen bzw. für eine Vergrößerung der aktiven Fläche bzw. des aktiven Volumens sorgen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin den Stofftransport, wie dieser von mindestens einem Elektrolytvorrat zu der Elektrode hin bzw. in diese oder in die Membranelektrodeneinheit bzw. zwischen Membran und Elektrode transportiert wird. Hierfür umfasst die Erfindung vorteilhafte Ausführungen, von denen einige im Folgenden erklärt werden.
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Bei der ersten möglichen Ausführung werden die Elektrolyten mit Hilfe eines forcierten Gastransportes von dem Vorratsbereich der elektrochemischen Zelle zu den Elektroden bzw. zwischen die Elektroden und die Membran transportiert bzw. zur Membranelektrodeneinheit. Hierzu wird zunächst das Gas bzw. Gasgemisch über dem Elektrolyten in der elektrochemischen Zelle angesaugt, dann in einer Pneumatikpumpe, Verdichter, Kompressor, Lüfter oder ähnliches verdichtet und dann der elektrochemischen Zelle so zugeführt, dass dieser Gasstrom ein Elektrolyttransport in der elektrochemischen Zelle verursacht. Dieser Elektrolyttransport kann dadurch hervorgerufen werden, indem das Gas zwischen Elektrode und Membran bzw. in die Membranelektrodeneinheit unterhalb der Füllstandshöhe des jeweiligen Elektrolyten zugeführt wird. Wenn das Gas aus der Zuführung in den Elektrolyten ausströmt, können Gasblasen entstehen, die dann nach oben steigen, da die Dichte des Gases deutlich kleiner als die der Elektrolyten ist. Durch das Aufsteigen des Gases in den Elektrolyten, wird eine Elektrolytströmung entstehen. Die Elektrolyten werden dann zwischen der Membran und der Elektrode bzw. in der Elektrode oder Membranelektrodeneinheit nach oben transportiert bzw. fließen und gelangen von dort aus wieder in den oder die Vorratsbereich der jeweiligen elektrochemischen Zellen. Um den Transport der Elektrolyten aufgrund der aufsteigenden Gasblasen zu erhöhen, ist es vorteilhaft, die Elektroden oder mögliche weitere Komponenten zwischen Elektroden und Membranen so zu strukturieren, dass die aufsteigenden Gasblasen eine möglichst hohe Menge an Elektrolyt z.B. durch den aktiven Teil der elektrochemischen Zelle befördern. Durch diesen von den Gasblasen hervorgerufen Stofftransporte können dann die elektrochemischen Zellen ausreichend mit Elektrolyten versorgt werden und es sind dann auch genügend Reaktionspartner an den Elektroden und Membranen vorhanden.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist die Verwendung von Systemen, bei denen ein Gasstrom eine Flüssigkeitsströmung dadurch hervorruft, dass das Gas in ein mit Elektrolyt gefülltes Bauteil z.B. ein Rohr hineinströmt und dadurch eine Strömung des Elektrolyten verursacht. Hierfür sind verschiedene Ausführungsformen denkbar, wie z.B. ein mit Elektrolyt gefülltes Rohr, oder Röhre, in die das Gas z.B. in der Mitte hineintransportiert wird und dann den Elektrolyten durch das austretende Gas beschleunigt, so dass es zu einer Elektrolytströmung inklusive der Gasströmung kommt.
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Dadurch dass jetzt keine ionenleitfähige Verbindung der Elektrolyten der einzelnen elektrochemischen Zellen untereinander mehr besteht, können beliebig viele elektrochemische Zellen elektrisch in Reihe geschaltet werden, ohne dass es zu Shunt-Strömen über den Elektrolyten kommen kann. Durch die Reihenschaltung ist es möglich eine ausreichend hohe Spannung z.B. 250 Volt bis 1000 Volt für die nachfolgenden elektrischen Komponenten wie z.B. Wechselrichter und/oder Gleichspannungswandler zur Verfügung zu stellen, so dass diese sehr effizient arbeiten können.
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Die elektrische Reihenschaltung der Zellen kann dann sehr einfach außerhalb der elektrochemischen Zelle über elektrische Leiter wie z.B. Kupferverbindungen, Kabel, usw. erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist bei diesem Aufbauprinzip der Zellen, dass es jetzt sehr einfach möglich ist die Zellspannung sowie den Lade- und Entladevorgang zu überwachen und nach entsprechend vorgegebenen Kriterien zu regeln. Dies kann mit rein passiven elektrischen Bauteilen wie z.B. mit Dioden, Widerstände oder weiteren sehr kostengünstigen elektrischen Bauteilen erfolgen.
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Für den Gastransport, der dann wie bereits erklärt zu dem Stofftransport von dem Elektrolyten führt, kann bis zu einer bestimmten Anzahl von Zellen mindestens eine Pneumatikpumpe, ein Verdichter, ein Kompressor, ein Lüfter oder etwas ähnliches zum Einsatz kommen. Eine Ausführungsvariante könnte sein, dass der Gastransport verursacht durch eine Pneumatikpumpe, einen Verdichter, einen Kompressor, einen Lüfter oder etwas ähnlichem zu jeweils einem Elektrolyttransport der verschieden Zellen separat erfolgt oder auch für die beiden ggf. verschiedenen Elektrolyten gemeinsam erfolgt.
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Je nach verwendetem Elektrolyt in der elektrochemischen Zelle bzw. Fluss-Batterie ist es vorteilhaft, diese Zellen separat oder gemeinsam oder in Gruppen unter einer bestimmten ggf. geschlossenen Gasatmosphäre mit einem inerten Gas wie z.B. Stickstoff, Argon oder auch Gasgemisch zu betreiben. Auch kann es vorteilhaft sein, dass beide verwendeten Elektrolyten jeweils getrennte Gasatmosphären haben, die separat oder gemeinsam oder in Gruppen unter einer bestimmten ggf. geschlossenen Gasatmosphäre mit einem inerten Gas wie z.B. Stickstoff, Argon oder auch Gasgemisch betrieben werden.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann für den Stofftransport auch pro Halbzelle eine hydraulische Pumpe wie z.B. Membranpumpe, Kreiselpumpe, Pumpen mit Spaltrohrmotor bzw. Kugelmotor zum Einsatz kommen, die dann den Elektrolyt aus dem Vorratsbereich zwischen die Membran und die Elektrode bzw. zur Membranelektrodeneinheit befördert. Diese Pumpen können drehzahlgeregelt ausgeführt sein, damit der Volumenstrom an Elektrolyt an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst werden kann. Um die Ansteuerung der Pumpen kosteneffizient zu gestalten, können mehrere Pumpen elektrisch in Reihe oder auch Parallel oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung verwendet werden, die dann mit Energie aus mindestens einer Drehzahlregeleinheit versorgt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der abhängigen Ansprüche beschränkt. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellten Figuren nimmt. Es zeigt:
- 1: eine schematische Ansicht einer Fluss-Batterie (Flow-Battery) gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
- 2: eine schematische Ansicht einer Fluss-Batterie (Flow-Battery) gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
- 3: eine schematische Ansicht einer Fluss-Batterie (Flow-Battery) gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
- 4: eine schematische Ansicht einer Fluss-Batterie (Flow-Battery) gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung insbesondere für mehrere Batteriezellen, die in Form einer elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung ausgeführt sein kann.
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Aus 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluss-Batterie entsprechend einer ersten bevorzugten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ersichtlich. Wie zu erkennen ist, umfasst diese mindestens eine Membran (1) bzw. einen Separator (1), welcher sich zwischen den beiden gegebenenfalls verschiedenen Elektrolyten (12, 13) befindet. Des Weiteren ist auf beiden Seiten der Membran bzw. des Separators mind. eine Elektrode (2) vorhanden, die dann die Elektronen während der Reaktion aufnimmt bzw. abgibt. Zusätzlich besitzt diese Elektrode die Möglichkeit, die Elektronen bzw. der Strom direkt oder über weitere elektrisch leitende Verbindungen aus dem Gehäuse (17) der Batteriezelle heraus zu transportieren. Die Elektroden können spezielle Strukturen haben, damit zum einen die Reaktion sehr gut ablaufen kann und zum anderen die Elektrolyten zwischen Membran bzw. Separator und Elektrode oder auch teilweise in der Elektrode durchfließen bzw. durchtransportiert werden kann. Optional können weitere Komponenten (3, 4) zwischen der Membran bzw. dem Separator vorhanden sein, die die Funktion haben, die aktive Oberfläche zu vergrößern und/oder den Elektrolytfluss möglichst gut über den Zellflächen zu verteilen bzw. durch die Zellen zu transportieren.
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Der Transport der Elektrolyten aus mindestens einem Vorratsbereich der Zelle zwischen Membranen (1) bzw. Separatoren (1) und Elektroden (2) bzw. auch in die Elektroden oder ggf. weitere Komponenten (3, 4), wie in 1 dargestellt, wird hervorgerufen dadurch, dass Gase bzw. Gasgemische, die in die Elektroden (2), zwischen Elektroden (2) und Membran (1) bzw. Separator (1) oder in die weitere Komponenten (3, 4), an der in 1 dargestellten Position (15) hineingebracht werden. An den Auslässen (15) entstehen Gasblasen, die dann aufgrund ihrer geringeren Dichte als die Elektrolyten nach oben steigen und dabei auch Elektrolyt vergleichbar dem Prinzip der Mammutpumpe nach oben transportieren. Die Gase bzw. Gasgemische werden dabei über Pneumatikpumpen (10, 11), Verdichter (10, 11), Kompressoren (10, 11) oder Lüfter (10, 11) bereitgestellt und dann über eine entsprechende Verrohrung (16) mindesten einer Halbzelle oder mindestens einer Zelle zugeführt. Dabei können die Gase oder Gasgemische an einer beliebigen Stelle z.B. an Position (14) angesaugt werden.
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Aus 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluss-Batterie entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ersichtlich. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsvariante in 1 dadurch, dass das Gas bzw. die Gase oder Gasgemische in den Elektrolyten in einer derart ausgeführten Komponente z.B. in ein mit Elektrolyt gefülltes Rohr (20) eingeleitet (21) werden, dass dies zu mindestens einer Elektrolytströmung führt.
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Aus 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluss-Batterie entsprechend einer dritten bevorzugten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ersichtlich. Wie zu erkennen ist, umfasst diese mindestens eine Membran (1) bzw. einen Separator (1), welcher sich zwischen den beiden Elektrolyten (12, 13) befindet. Des Weiteren ist auf beiden Seiten der Membran bzw. des Separators mind. eine Elektrode (2) vorhanden, die dann die Elektronen während der Reaktion aufnimmt bzw. abgibt. Zusätzlich besitzt diese Elektrode die Möglichkeit die Elektronen bzw. den Strom direkt oder über weitere elektrisch leitende Verbindungen aus dem Gehäuse (17) der Batteriezelle heraus zu transportieren. Die Elektroden können spezielle Strukturen haben, damit zum einen die Reaktion sehr gut ablaufen kann und zum anderen die Elektrolyten zwischen Membran bzw. Separator und Elektrode oder auch teilweise in der Elektrode durchfließen bzw. durchtransportiert werden kann. Optional können weitere Komponenten (3, 4) zwischen der Membran bzw. dem Separator vorhanden sein, die die Funktion haben, die aktive Oberfläche zu vergrößern und/oder den Elektrolytfluss möglichst gut über den Zellflächen zu verteilen bzw. durch die Zellen zu transportieren. Bei dieser Ausführungsvariante in 3 wird der Elektrolyt in jeder Zelle jeweils durch eine Pumpe (7,8) zwischen dem Vorratsbereich und dem Bereich in dem die Reaktion stattfindet transportiert.
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Aus 4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluss-Batterie insbesondere für mehrere Batteriezellen, die in Form einer elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung ausgeführt sein kann, ersichtlich. Für eine geregelte Leistungsabgabe bzw. Aufnahme sind Spannungen oberhalb von 250 Volt vorteilhaft, da dann die Ströme bei gleicher Leistung entsprechend kleiner sind. Hierfür ist es dann notwendig, Batteriezellen elektrisch in Reihe zu schalten, wie in 4 dargestellt. Um auch bei einer gewünschten Spannung einen ausreichend hohen Strom liefern zu können, ist dann eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung zielführend. Um den Aufwand für die Bereitstellung der Gase bzw. Gasgemische möglichst klein zu halten, werden dann mehrere Halbzellen bzw. mehrere Zellen an einer Pneumatikpumpe, Verdichter, Kompressor bzw. Lüfter und über Verbindungen (16) wie z.B. Rohre und/oder Schläuche angeschlossen. Aufgrund der Übersichtlichkeit sind die Komponenten nur beispielhaft an einer Zelle der möglicherweise baugleichen Batteriezellen bezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membran bzw. Separator
- 2
- Elektrode
- 3
- Komponente zwischen Membran und Elektrode bzw. Teil der Elektrode bzw. der Elektroden
- 4
- Komponente zwischen Membran und Elektrode bzw. Teil der Elektrode bzw. der Elektroden
- 7
- Pumpe
- 8
- Pumpe
- 10
- Hydraulikpumpe, Pneumatikpumpe, Verdichter, Kompressoren oder Lüfter
- 11
- Hydraulikpumpe, Pneumatikpumpe, Verdichter, Kompressoren oder Lüfter
- 12
- Elektrolyt bzw. Elektrolytlösung
- 13
- Elektrolyt bzw. Elektrolytlösung
- 14
- mögliche Position(en) für die Ansaugung der Gasgemische bzw. Gase
- 15
- mögliche Position(en) für den Gasaustritt in den/die Elektrolyten, die Elektrode(n) bzw. weitere Komponente(n) der elektrochemischen Zellen
- 16
- Verbindungen der Zellen untereinander für die Gase bzw. Gasgemische
- 17
- Gehäuse einer elektrochemischen Zelle bzw. Flussbatteriezelle
- 20
- Komponente, z.B. in ein mit Elektrolyt gefülltes Rohr, derart ausgeführt, dass bei Gas- bzw. Gasgemischeinströmung dies zu mindestens einer Elektrolytströmung führt
- 21
- Position der Gas- bzw. Gasgemischeinströmung in eine Komponente z.B. ein mit Elektrolyt gefülltes Rohr
