DE102021001501A1 - Process and device for regenerating anolyte and catholyte in redox flow batteries - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung offenbart ein neuartiges elektrochemisches Verfahren zur Erhöhung der Energiedichte von Redox-Flow-Batterien (RFB), welches auch mittels einer neuartigen Vorrichtung zur Regeneration von Anolyt - und Katholyt - Flüssigkeiten traditioneller RFB eingesetzt werden kann. Dazu dienen bevorzugt organischen Redox-Polymere in fester Elektronenaustauscher-Harz-Form oder als gelöste Polymere als sog., die RFB-Speicher-Kapazitäts-bestimmende, Haupt-Redox-Systeme. Die neue elektrochemische Technik der „bi-polaren inneren Elektrolyse“ zusammen mit speziellen apparativen Anordnungen vermeidet beim Durchströmen vom Anolyt und Katholyt durch die korrespondierenden, Haupt-Redox-Systeme in den RFB-Vorratstanks den Aufbau eines hohen hydrostatischen Drucks. Speziell gestaltete Fließkanäle mit elektrisch leitenden Wandungen und speziellen Elektrolytbrücken vermeiden einen direkten stofflichen Kontakt der Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt mit den Haupt-Redox-Systemen und erlauben neben einen Austausch redox-inaktiver Ionen über die Elektrolytbrücken nur einen Elektronen-Austausch. Die Fließkanäle für Anolyt und Katholyt sind vorzugsweise so angeordnet, dass sich die Regenerationsvorrichtung wie eine Ionenaustauscher-Säule verhält, also bis zum Ende der Speicherkapazität stets elektrochemisch „voll-geladene“ Anolyten bzw. Katholyten austreten. Der Elektronenübergang in den Vorratsbehältern mit den nicht bewegten Haupt-Redox-Systemen wird durch Oberflächenvergrößernde elektronische Leiter in Kontakt mit den elektrisch leitfähigen FließkanalWandungen bewerkstelligt.The invention discloses a novel electrochemical method for increasing the energy density of redox flow batteries (RFB), which can also be used by means of a novel device for regenerating anolyte - and catholyte - liquids of traditional RFB. Organic redox polymers in solid electron exchange resin form or as dissolved polymers as so-called main redox systems that determine the RFB storage capacity are preferably used for this purpose. The new electrochemical technology of "bi-polar internal electrolysis" together with special equipment arrangements avoids the build-up of high hydrostatic pressure when the anolyte and catholyte flow through the corresponding main redox systems in the RFB storage tanks. Specially designed flow channels with electric Conductive walls and special electrolyte bridges avoid direct physical contact of the redox systems in the anolyte and catholyte with the main redox systems and, in addition to an exchange of redox-inactive ions via the electrolyte bridges, only allow an electron exchange. The flow channels for anolyte and catholyte are preferably arranged in such a way that the regeneration device behaves like an ion exchange column, ie electrochemically “fully charged” anolyte or catholyte always escape until the end of the storage capacity. The electron transfer in the reservoirs with the stationary main redox systems is brought about by surface-enlarging electronic conductors in contact with the electrically conductive flow channel walls.
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrochemischen Energie-Speicherung mit Hilfe der bekannten Redox-Flow-Batterien. Da hier die redox-aktiven Substanzen in einem Elektrolyten gelöst vorliegen und die Energie somit nicht mehr - wie bei vielen traditionellen Batterien - in den Batterie-Elektroden, sondern in zwei verschiedenen chemisch oxidierbaren bzw. reduzierbaren Verbindungen extern von den Batteriezellen gespeichert wird, gewinnt man konstruktive Freiheiten. Die speicherbare elektrische Energie hängt jetzt von der extern in Vorratstanks gespeicherten Menge an redox-aktiven Verbindungen (Redox-Systemen) ab und beeinflusst nicht länger das Volumen oder das Gewicht der eigentlichen Batterie mit den stromliefernden elektrochemischen Durchfluss-Zellen. Üblicherweise sind die verwendeten Redox-Systeme in einem guten Elektrolyten mit hoher Leitfähigkeit gelöst. Der Redox-Elektrolyt, welcher beim Entladevorgang an der Kollektor-Elektrode oxidiert wird, bezeichnet man als „Anolyt“ und derjenige, welcher beim Entladevorgang reduziert wird, als „Katholyt. Die vorliegende Erfindung offenbart ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Regenerations-Vorrichtung auf Basis bekannter Redox-Flow-Batterien mit dem Ziel, die noch mangelhafte Energiedichte der Redox-Flow-Batterien entscheidend zu vergrößern. Dazu sollen vorzugsweise bekannte bzw. noch zu synthetisierende neuartige Redox-Verbindungen auf organischer Basis dienen. Die Energiedichte wird durch die Menge an Redox-Gruppen pro Volumen oder Gewicht bestimmt. Da diese Menge i.d.R. durch die Löslichkeit der betreffenden Redox-Verbindung im Elektrolyten begrenzt wird, wurden und werden z.Z. laufend neue Verbindungen synthetisiert, die in einem organischen Makromolekül mehrere Redox-Gruppen enthalten. Einen Überblick über diese Redox-Polymere geben P. Novák, K. Müller, K. S. V. Santhanam, O. Haas, in „Electrochemically Active Polymers for Rechargeable Batteries“, Chem. Rev. 1997, 97, 207-281 und - aktueller - J. Winsberg, T. Hagemann, T. Janoschka, M.D. Hager und U.S. Schubert in „Redox-Flow-Batterien: von metallbasierten zu organischen Aktivmaterialien“, Angew. Chem. 2017, 129, 702 - 729. Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, alle diese neu-entwickelten und in Zukunft noch mit gezieltem Redox-Potential synthetisierten, energie-dichten, vorzugsweise organischen Redox-Verbindungen auf fester Redox-Polymer-Harz-Basis wie auch die, auf Basis gelöster und hoch viskoser Redox-Polymer- Elektrolyten, praktisch in Redox-Flow-Batterien zu nutzen, ohne entsprechend große Pump-Energie-Verluste zu erleiden, welche die Effizienz stark vermindern. Diese Aufgabe soll mit einem neuen Verfahren, das die neu entwickelte Technik der bi-polaren inneren Elektrolyse nutzt, und mit Hilfe einer neuen Vorrichtung zur Regeneration von Anolyt und Katholyt gelöst werden. Die neue Vorrichtung und Regenerationsanordnung besteht aus speziellen, vorzugsweise säulenförmig gestalteten Vorratstanks, die mit diesen neuartigen energiedichten organischen sog. Haupt-Redox-Systemen gefüllt sind, und von den zu regenerierenden Anolyten bzw. Katholyten durchströmt werden. Der zur Regeneration erforderliche Elektronen-Transfer zwischen den Redox-Systemen in Anolyt und Katholyt und den elektrochemisch genau passenden Haupt-Redox-Systemen wird durch unterschiedliche Anordnungen bewerkstelligt, je nachdem, ob ein festes sog. Elektronenaustauscher-Harz oder ein gelöstes organisches Redox-Polymer vorliegt. Beiden gemeinsam ist ein hydraulisch optimiertes, Leitungs-gebundenes „Durchströmen“ dieser Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-Systeme in verschiedenen Ausführungsformen, die vorzugsweise ein Verhalten, analog einer Ionenaustauscher-Säule, zeigen. Die hier offenbarte Lösung eines technischen Problems, die Energiedichte von Redox-Flow-Batterien entscheidend zu verbessern (Faktor > 10) weist das neuartige Verfahren noch weitere Vorteile auf, die weiter unten aufgeführt sind.The invention lies in the field of electrochemical energy storage using the known redox flow batteries. Since the redox-active substances are dissolved in an electrolyte here and the energy is no longer stored in the battery electrodes - as in many traditional batteries - but in two different chemically oxidizable or reducible compounds external to the battery cells, one wins constructive freedoms. The electrical energy that can be stored now depends on the amount of redox-active compounds (redox systems) stored externally in storage tanks and no longer affects the volume or weight of the actual battery with the current-supplying electrochemical flow-through cells. The redox systems used are usually dissolved in a good, high-conductivity electrolyte. The redox electrolyte, which is oxidized during the discharging process at the collector electrode, is called "anolyte" and that which is reduced during discharging is called "catholyte". The present invention discloses a novel method and a novel regeneration device based on known redox flow batteries with the aim of decisively increasing the still insufficient energy density of redox flow batteries. Novel organic-based redox compounds that are known or still to be synthesized should preferably be used for this purpose. Energy density is determined by the amount of redox groups per volume or weight. Since this amount is usually limited by the solubility of the relevant redox compound in the electrolyte, constantly synthesizing new compounds that contain several redox groups in an organic macromolecule. An overview of these redox polymers is given by P. Novák, K. Müller, KSV Santhanam, O. Haas, in "Electrochemically Active Polymers for Rechargeable Batteries", Chem. Rev. 1997, 97, 207-281 and - more recently - J. Winsberg, T. Hagemann, T. Janoschka, M.D. Hager and U.S. Schubert in "Redox Flow Batteries: From Metal-Based to Organic Active Materials", Angew. Chem. 2017, 129, 702 - 729. The object of the present invention is to transfer all of these newly developed energy-dense, preferably organic redox compounds, which will be synthesized in the future with a targeted redox potential, to a solid redox polymer resin Both the base and the one based on dissolved and highly viscous redox polymer electrolytes can be used practically in redox flow batteries without suffering correspondingly large pumping energy losses, which greatly reduce efficiency. This task is to be solved with a new process that uses the newly developed technology of bi-polar internal electrolysis and with the help of a new device for regenerating anolyte and catholyte. The new device and regeneration arrangement consists of special, preferably column-shaped storage tanks, which are filled with these new energy-dense organic so-called main redox systems, and through which the anolyte or catholyte to be regenerated flows. The electron transfer required for regeneration between the redox systems in anolyte and catholyte and the electrochemically precisely matching main redox systems is accomplished by different arrangements, depending on whether a solid so-called electron exchange resin or a dissolved organic redox polymer present. What they both have in common is a hydraulically optimised, line-bound “flow through” of these storage capacity-determining main redox systems in various embodiments, which preferably show a behavior analogous to an ion exchange column. The solution to a technical problem disclosed here of decisively improving the energy density of redox flow batteries (factor > 10), the new method has other advantages, which are listed below.
Nachdem weltweit die fossilen Energien durch umweltfreundliche regenerative Energien - insbesondere durch Solar- und Wind-Energie - ersetzt werden sollen, um das Klima zu schützen, besteht ein riesiger Bedarf an zuverlässigen und preiswerten Energiespeicher-Technologien. Für den Weltbedarf sind die bisherigen elektrochemischen Energiespeicher, die bevorzugt auf Basis anorganischer chemischer Elemente entwickelt wurden, wenig geeignet, da die Rohstoffe bei einer weltweiten Nachfrage knapp werden, sie nicht umweltfreundlich gewonnen oder entsorgt werden können, und weil sie zu teuer sind oder noch werden, wenn sie weltweit zunehmend eingesetzt werden sollten. Nachteile der klassischen Batteriearten, zu denen auch noch die Metallhydrid Batterien gezählt werden, sind - neben ihren hohen Anschaffungskosten - auch ihre begrenzte Lebensdauer (begrenzte Zyklenzahl) sowie die Verwendung toxischer oder aggressiver Chemikalien mit der damit gegebenen Entsorgungsproblematik. Ein totaler Wechsel weg von den fossilen Energie-Trägern zur Nutzung der erneuerbaren Energien - wie inzwischen weltweit politisch vorgegeben - sollte auch im Einsatzbereich „Speicherung regenerativer Energien im privaten häuslichen Bereich den Energiebedarf einer Durchschnittsfamilie von mehreren Tagen sicher abdecken können. Unter Berücksichtigung von elektrischen Verbrauchern und dem Verbot CO2 emittierende Heizungen zu betreiben, wären also bei einer solchen beispielhaften stationären häuslichen Anwendung ca. 300 kWh Speicherkapazität für ca. eine Woche ohne Wind- und ausreichendem Sonnenschein zu speichern. Um solche Energiemengen dezentral zu speichern, eignen sich besonders die inzwischen bereits seit längerem kommerziell angebotenen Redox-Flow-Batterien, die inzwischen jedem Fachmann/frau bekannt sind.After fossil energies are to be replaced worldwide by environmentally friendly regenerative energies - in particular by solar and wind energy - in order to protect the climate, there is a huge need for reliable and inexpensive energy storage technologies. The current electrochemical energy storage systems, which were primarily developed on the basis of inorganic chemical elements, are not very suitable for global requirements, since the raw materials are becoming scarce with global demand, they cannot be obtained or disposed of in an environmentally friendly manner, and because they are or will become too expensive , if they are to be increasingly used worldwide. Disadvantages of the classic battery types, which also include metal hydride batteries, are - in addition to their high acquisition costs - their limited service life (limited number of cycles) and the use of toxic or aggressive chemicals with the associated disposal problems. A total change away from fossil energy sources to the use of renewable energies - as is now politically stipulated worldwide - should also be able to cover the energy requirements of an average family for several days in the area of "storage of regenerative energies in the private domestic area. Taking into account electrical consumers and the ban on operating heating systems that emit CO 2 , in such an exemplary stationary domestic application, around 300 kWh of storage capacity would have to be stored for around a week without wind and sufficient sunshine. In order to store such amounts of energy in a decentralized manner, the redox flow batteries, which have been commercially available for a long time and are now known to every specialist, are particularly suitable.
Die
Die vorliegende Erfindung offenbart eine neuartige Regenerationstechnik für die Anolyten und Katholyten der meisten Redox-Flow-Batterien mittels eines neuen Verfahrens und einer neuartigen Vorrichtung. Die traditionellen Vorratstanks für Anolyt und Katholyt dieser Batterie-Art werden dazu erfindungsgemäß mit einem energiedichten elektrochemisch angepassten Haupt-Redox-System gefüllt und Anolyt bzw. Katholyt durchströmen das korrespondierende in einem großen stöchiometrischen Überschuss vorliegende Haupt-Redox-System zwecks Regeneration. Durch diese neue Bauweise (Anordnung und Aufbau) können erstmals zahlreiche neue, besonders energiedichte. organische Redox-Systeme ohne großen Effizienzverlust in Verbindung mit Redox-Flow-Batterien verwendet werden. Im Gegensatz zu den anorganischen, vorzugsweise auf metallischen Elementen basierenden Redox-Flow-Batterien, die nur eine sehr begrenzte Redox-Potential Auswahl erlauben, können organische Redox-Moleküle durch Variation der verschiedensten Substituenten zielgerichtet auf ein bestimmtes Standard-Redox-Potential hin synthetisiert werden. Sie lassen sich aus preiswerten Rohstoffen, die keiner Verknappung unterliegen, einfach und auch in größeren Mengen gewinnen.The present invention discloses a novel regeneration technique for the anolytes and catholytes of most redox flow batteries using a new method and apparatus. The traditional storage tanks for anolyte and catholyte of this type of battery are filled according to the invention with an energy-dense electrochemically adapted main redox system and anolyte or catholyte flow through the corresponding main redox system present in a large stoichiometric excess for the purpose of regeneration. This new design (arrangement and structure) allows for the first time numerous new, particularly energy-dense. organic redox systems can be used in conjunction with redox flow batteries without great loss of efficiency. In contrast to inorganic redox flow batteries, preferably based on metallic elements, which only allow a very limited choice of redox potential, organic redox molecules can be synthesized in a targeted manner towards a specific standard redox potential by varying the various substituents . They can be obtained easily and in large quantities from inexpensive raw materials that are not subject to shortages.
Redox-Flow-Batterien, die mit in einem Elektrolyten aufgelösten, komplett organischem niedermolekularem Redox-Systemen arbeiten, wurden in den letzten Jahren zunehmend in der Literatur und im Patentwesen beschrieben, doch sie können prinzipiell bezüglich ihrer Energiedichte nicht überzeugen. Die Energiedichte in den Dimensionen Amperestunden pro Kilogramm oder Liter (Ah/kg bzw. Ah/L) oder Wattstunden pro Kilogramm oder Liter (Wh/kg oder Wh/L) ist abhängig von den pro Gewicht oder pro Volumen der kompletten Batterie (einschließlich Vorratstanks) unterzubringenden chemischen Redox-Äquivalenten. Sie ist durch die Löslichkeit der organischen Redox-Verbindungen in einem flüssigen Elektrolyten, der wegen einer notwendigen hohen lonenleitfähigkeit (Einfluss auf den wichtigen inneren Widerstand) notwendig ist, begrenzt. Diese Packungsdichte an Redox-Molekülen lässt sich jedoch durch polymere Redox-Verbindungen mit zahlreichen aktiven, Elektronen-austauschenden Redox-Zentren pro Makromolekül um Größenordnungen erhöhen. Beim Einsatz derartiger Redox-Polymeren lassen sich so bei Redox-Flow-Batterien sehr hohe Energiedichten verwirklichen, die jene von Lithium-basierenden Akkus übersteigen können.Redox flow batteries, which work with completely organic, low molecular weight redox systems dissolved in an electrolyte, have been increasingly described in the literature and in patents in recent years, but in principle they are not convincing in terms of their energy density. The energy density in terms of ampere hours per kilogram or liter (Ah/kg or Ah/L) or watt hours per kilogram or liter (Wh/kg or Wh/L) depends on the per weight or per volume of the complete battery (including storage tanks ) chemical redox equivalents to be accommodated. It is limited by the solubility of the organic redox compounds in a liquid electrolyte, which is necessary because of the necessary high ion conductivity (influence on the important internal resistance). However, this packing density of redox molecules can be increased by orders of magnitude by using polymeric redox compounds with numerous active, electron-exchanging redox centers per macromolecule. When using such redox polymers, very high energy densities can be achieved in redox flow batteries, which can exceed those of lithium-based rechargeable batteries.
Besonders aussichtsreiche organische Redox-Polymere sind in diesem Zusammenhang, die bereits Mitte des letzten Jahrhunderts gezielt synthetisierten festen sog. Elektronenaustauscher-Harze, die wie klassische IonenaustauscherHarze in Säulen verwendet wurden. Als weitere vielversprechende Klasse wurden in den letzten Jahren wasserlösliche organische Redox-Polymere synthetisiert, die in neutralen, ungefährlichen Salzlösungen gelöst vorliegen. Beide Stoff-Klassen sind sehr umweltfreundlich; sowohl bei der Herstellung wie auch bei der Entsorgung, wo sie eine einfache „thermische Verwertung“ ermöglichen. Darüber hinaus kann man bei den wasserlöslichen organischen Redox-Polymeren - werden sie in traditionellen Redox-Flow-Batterien eingesetzt - auf die Verwendung größerer Mengen brennbarer organischer Lösungsmittel verzichten. Beide Redox-Polymer-Klassen sind auch bei weitverbreiteter Anwendung im Sinne des Umweltschutzes als äußerst nachhaltig zu bewerten. Es besteht daher auch ein großer Bedarf, diese organischen Redox-Stoff-Klassen in Redox-Flow-Batterien ohne große Effizienz-Verluste durch hohe Pump-Energien einsetzen zu können. Particularly promising organic redox polymers in this context are the solid so-called electron exchange resins that were specifically synthesized in the middle of the last century and were used in columns like classic ion exchange resins. Another promising class that has been synthesized in recent years is water-soluble organic redox polymers, which are neutral, harmless Salt solutions are dissolved. Both classes of fabric are very environmentally friendly; both in production and in disposal, where they enable simple "thermal recycling". In addition, with the water-soluble organic redox polymers - they are used in traditional redox flow batteries - the use of large amounts of flammable organic solvents can be dispensed with. Both redox polymer classes can be rated as extremely sustainable in terms of environmental protection, even if they are widely used. There is therefore also a great need to be able to use these organic redox substance classes in redox flow batteries without major losses in efficiency due to high pump energies.
Bei diesen - aus Energiedichte-Gründen - interessanten Redox-Polymer-Klassen (organische Feststoff-Harze und wasserlösliche Polymere) ist ein technisches Problem zu lösen: Derartige Redox-Polymere lassen sich nicht mehr, wie bei klassischen Redox-Flow-Batterien üblich, als dünnflüssige Lösungen im Kreisfluss durch die Vorratsbehälter und die stromliefernden elektrochemischen Zellen (oder in Serie geschaltet - Batterie-Zellen-Stacks) pumpen. Die Elektronenaustauscher-Harze würden eine Feststoff-Suspension verlangen, was bei längerem Betrieb zu Abrieb und Leitungsverstopfungen führt. Darüber hinaus ist der stromliefernde Elektronen-Transfer zu oder von den Kollektor-Elektroden-Oberflächen in den elektrochemischen Durchfluss-Zellen wegen der kurzen Kontaktzeit der festen Partikel mit redox-aktiven Gruppen stark gehindert. Bei den in einem Lösungsmittel auflösbaren organischen Redox-Polymeren verhindert eine mit zunehmender Energiedichte (Polymerisationsgrad) und/oder Konzentration stark zunehmende Viskosität der beiden Elektrolyte (Anolyt und Katholyt) ein energiesparendes Umpumpen, so dass der Wirkungsgrad gegen Null gehen kann. Diese bestehenden Probleme behindern die praktische, ökonomische Anwendung dieser neuen vielversprechenden Stoff-Klassen, mit denen sich die Energiedichte von Redox-Flow-Batterien entscheidend erhöhen lässt. Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme durch ein neuartiges Verfahren, welches die Anolyten und Katholyten der Redox-Flow-Batterien mittels einer neuartigen Regenerationsvorrichtung stets in einem nahezu vollgeladenen Zustand durch die „Batterie-Staks“ pumpt. Dadurch kann diese Erfindung auch bei den noch zu erwartenden zukünftigen Entwicklungen auf dem Gebiet der neuartigen organischen Redox-Polymeren eingesetzt werden. In den Ansprüchen werden daher keine bestimmten redox-aktiven Redox-Polymer-Stoff-Klassen aufgeführt. Die hier offenbarte Regenerations-Vorrichtung wird besonders vorteilhaft bei festen körnigen Redox-Systemen (Elektronenaustauscher-Harzen) sowie bei flüssigen hochpolymeren Redox-Systemen jeweils mit speziellen unterschiedlichen Ausführungsformen der Regenerationsvorrichtung angewandt.With these redox polymer classes (organic solid resins and water-soluble polymers), which are interesting for reasons of energy density, a technical problem has to be solved: Such redox polymers can no longer be used, as is usual with classic redox flow batteries, as Pump low-viscosity solutions in a circular flow through the reservoir and the current-supplying electrochemical cells (or connected in series - battery-cell stacks). The electron exchange resins would require a solid suspension, which leads to abrasion and line blockages over long periods of operation. In addition, current-yielding electron transfer to or from the collector-electrode surfaces in the electrochemical flow-through cells is severely hampered because of the short contact time of the solid particles with redox-active groups. In the case of the organic redox polymers that can be dissolved in a solvent, the viscosity of the two electrolytes (anolyte and catholyte), which increases sharply with increasing energy density (degree of polymerization) and/or concentration, prevents energy-saving pumping, so that the efficiency can approach zero. These existing problems hinder the practical, economical application of these new promising classes of substances, with which the energy density of redox flow batteries can be significantly increased. The present invention solves these problems with a new method that always pumps the anolytes and catholytes of the redox flow batteries through the “battery stacks” in a nearly fully charged state by means of a new type of regeneration device. As a result, this invention can also be used in the future developments still to be expected in the field of novel organic redox polymers. Therefore, no specific redox-active redox polymer substance classes are listed in the claims. The regeneration device disclosed here is used particularly advantageously in solid granular redox systems (electron exchange resins) and in liquid high-polymer redox systems, each with specific different embodiments of the regeneration device.
Die steigende Nachfrage nach den sog. erneuerbaren Energien hat zu einem steilen Anstieg alternativer Energie-Umwandlungstechniken geführt, wobei die Umwandlung von Solar- und Wind-Energie in elektrischem Strom am wichtigsten geworden ist, weil fast überall vorhanden. Wind- und Solar-Energie gehören zu denen mit den größten Steigerungsraten. Nachteilig bei beiden ist die Tatsache, dass sie nicht dauernd genutzt werden können, also intermittierend auftreten. Zu ihrer vollen und effizienten Nutzung gehört daher zwingend eine akzeptierbare (preislich wie umwelttechnisch nachhaltige) Energie-Speicherung, um auch in windlosen Zeiten oder nachts (einschließlich Dunkelflauten) diese alternativen Energien nutzen zu können. Sie haben weiterhin den großen Vorteil, auch dezentral ohne Effizienzverluste genutzt werden zu können. Hier wurden bisher die ersten kommerziell erhältlichen Redox-Flow-Batterien traditioneller Bauweise besonders vorteilhaft eingesetzt. Mittels einer derartigen dezentralen Energie-Speicherung werden zusammen mit der gerade entstehenden Smart-grid-Technologie große, aufwendige und strittige Überlandstromtrassen weniger dringlich. Lithium-basierte Akkus wurden bisher aus preislichen und sicherheitstechnischen Gründen weniger als stationärer Speicher mit hoher Kapazität eingesetzt. Darüber hinaus würde ein weitverbreiteter Einsatz als häuslicher Energiespeicher zu erheblichen Rohstoff-Engpässen führen, die sich im Preis widerspiegeln. Bei vielen traditionellen Redox-Flow-Batterien liegt auch ein erhebliches Umweltrisiko vor, weil toxische Verbindungen sowie starke Säuren oder Laugen - wegen der bisher limitierten Energiedichte - in größerer Menge in den Reservoirs vorliegen. Die erfindungsgemäße neuartige Bauweise von Redox-Flow-Batterien mit hoher Energiedichte löst diese Rohstoff- und Umweltprobleme dadurch, dass sie die elektrochemische Technik der „inneren Elektrolyse“ als neues Verfahren zur Regeneration von Anolyt und Katholyt prinzipiell aller Redox-Flow-Batterien unterschiedlichster Chemie anwendet und dazu umweltfreundliche und massenhaft produzierbare organische Verbindungen benutzt. Damit eröffnet sich auch ein neues Redox-Flow-Batterie Regenerator Geschäftsmodell mit einem großen Markt.The increasing demand for so-called renewable energies has led to a sharp rise in alternative energy conversion technologies, with the conversion of solar and wind energy into electricity becoming the most important because it is almost ubiquitous. Wind and solar energy are among those with the greatest growth rates. The disadvantage of both is the fact that they cannot be used continuously, i.e. they occur intermittently. For their full and efficient use, therefore, an acceptable (in terms of price and environmentally sustainable) energy storage is essential, in order to be able to use these alternative energies even in windless times or at night (including dark doldrums). They also have the great advantage of being able to be used decentrally without loss of efficiency. Here, the first commercially available redox flow batteries of traditional design have been used to particular advantage. With such decentralized energy storage, together with the smart grid technology that is just emerging, large, complex and contentious overland power lines are becoming less urgent. Lithium-based rechargeable batteries have so far been used less as stationary storage with high capacity for reasons of price and safety. In addition, widespread use as domestic energy storage would lead to significant raw material shortages, which are reflected in the price. Many traditional redox flow batteries also pose a significant environmental risk because toxic compounds and strong acids or alkalis are present in large quantities in the reservoirs due to the limited energy density to date. The novel design of redox flow batteries with high energy density according to the invention solves these raw material and environmental problems by using the electrochemical technology of “internal electrolysis” as a new method for regenerating anolyte and catholyte in principle of all redox flow batteries with a wide variety of chemistries and uses environmentally friendly and mass-producible organic compounds. This also opens up a new redox flow battery regenerator business model with a large market.
Die Redox-Flow-Technologie ist nicht neu. Bereits 1949 wurden erste Redox-Fluss-Batterien als Energiespeicher vorgeschlagen, die auf Metallionen basierten [W. Kangro, „Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie“,
Im Laufe des Entladevorgangs bei der Stromlieferung nimmt bei den herkömmlichen Redox-Flow-Batterien die Klemmspannung leider allerdings entsprechend dem fortschreitenden Gesamtumsatz im Vorratstank und - der Nernst-Gleichung folgend - ständig ab, bis sie bei vollständigem Umsatz beider Redox-Systeme (chemische Entladung von Anolyt und Katholyt in den Vorratstanks) rapide auf null abfällt. Das passiert, weil die in der Durchfluss-Zelle mehr oder weniger entladenen Anolyt und Katholyt im Kreisfluss durch die Vorratstanks gepumpt werden. Zur Wiederaufladung wird galvanostatisch an den Redox-Flow-Batterie-Klemmen (Kollektor-Elektroden) eine umgekehrt gepolte und höhere Spannung angelegt und die beiden die Speicher-Kapazität-bestimmenden Redox-Elektrolyt-Lösungen wieder solange im Kreisfluss durch die elektrochemische Zelle gepumpt, bis die gesamte Katholyt - und Anolyt - Menge wieder komplett aufgeladen ist, d.h. in ihrem Ausgangszustand zurückgeführt wurde. Bei einer üblichen galvanostatischen Aufladung ist dies an einem steilen Spannungsanstieg gegen Ende festzustellen. Dabei besteht die Gefahr, dass besonders bei wässrigen Elektrolyten Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, was sie sog. coulomb'sche Effizienz vermindert. Durch die getrennte Aufbewahrung von Anolyt und Katholyt in entsprechend großen Vorratsbehältern gibt es keine Selbstentladung. Sie werden dabei auch nicht verbraucht. Die Entlade- Lade-Zyklen können so theoretisch unendlich oft wiederholt werden, was einen gewaltigen Nachhaltigkeits-Vorteil der Redox-Flow-Batterien gegenüber anderen Batterie-Typen darstellt.Unfortunately, in the course of the discharging process when supplying electricity, the terminal voltage of conventional redox flow batteries decreases in accordance with the progressing total conversion in the storage tank and - following the Nernst equation - until it reaches full conversion of both redox systems (chemical discharge of anolyte and catholyte in the storage tanks) falls rapidly to zero. This happens because the anolyte and catholyte, more or less discharged in the flow cell, are pumped in a circular flow through the storage tanks. For recharging, a reversed polarity and higher voltage is applied galvanostatically to the redox flow battery terminals (collector electrodes) and the two redox electrolyte solutions that determine the storage capacity are again pumped in a circular flow through the electrochemical cell until the entire catholyte - and anolyte - amount is completely recharged, i.e. has been returned to its original state. With a normal galvanostatic charge, this can be seen from a steep rise in voltage towards the end. There is a risk that hydrogen and oxygen will form, especially with aqueous electrolytes, which reduces the so-called coulombic efficiency. Due to the separate storage of anolyte and catholyte in appropriately sized storage containers, there is no self-discharge. They are not consumed in the process. Theoretically, the discharging-charging cycles can be repeated indefinitely, which represents a huge sustainability advantage of redox flow batteries compared to other battery types.
Solange bei den traditionellen Redox-Flow-Batterien Anolyt und Katholyt im aufgeladenen Zustand durch die elektrochemischen Zellen gepumpt werden, liefert sie Strom. Die Batterie-Spannung hängt vom Unterschied der Standard-Redox-Potentiale zwischen den betreffenden Redox-Systemen in Katholyt und Anolyt ab. Die entnehmbare Stromstärke hängt von der Konzentration der elektro-aktiven Verbindungen, von den Kollektor-Elektroden-Oberflächen sowie der Elektrodenkinetik und vom Stofftransport von und zu den Kollektor-Elektroden-Oberflächen ab. Die insgesamt lieferbare Strommenge (Kapazität in Ah) hängt hingegen von der stofflichen Menge (g-Äquivalente), der in den beiden Vorratsbehältern gespeicherten Anolyt bzw., Katholyt, Redox-Systeme ab. Damit ist die Energiemenge, die in einer Redox-Flow-Batterie gespeichert werden kann, direkt proportional zur gespeicherten Menge an Redox-Systemen und durch das Faraday-Gesetz beschreibbar. Die maximal entnehmbare Leistung in Watt dagegen ist eine Funktion der Größe der Klemm-Spannung, der Größe des elektrochemischen Reaktors (Oberfläche der Kollektor-Elektroden) sowie der elektrochemischen Kinetik und des Stofftransportes an den Elektroden. Die zu speichernde Elektrizitätsmenge (Ah-Kapazität) ist im Gegensatz zu den bekannten traditionellen Batterien (Blei/Säure, Metall/Hydrid, Lithium/Polymer u.a.) getrennt von ihrer maximal zu liefernder Stromstärke (maximale Stromstärke in Ampere ohne kompletten Zusammenbruch der Zell-Spannung) einstellbar. Für stationäre Anwendungen im kWh-Bereich können bei den bisher üblichen Redox-Flow-Batterien die Vorratsbehälter auch leicht mehrere m3 fassen (ähnlich einem Heizöltank). Die Energiedichte aller bisher bekannten Redox-Flow-Batterien beträgt leider nur einen Bruchteil der von Heizöl. Letzteres wird aber bei der Energie-Nutzung verbraucht, während die elektrochemische Speicherung durch die reversiblen elektrochemischen Vorgänge verbrauchslos arbeitet. Übliche Baugrößen von Redox-Flow-Batterien bewegten sich bisher im Bereich von circa 2 bis 50 kW und übliche Energiedichten zwischen 5 und ca. 40 Ah/L.In traditional redox flow batteries, as long as the anolyte and catholyte are pumped through the electrochemical cells while they are charged, it supplies electricity. The battery voltage depends on the difference in standard redox potentials between the redox systems in question in catholyte and anolyte. The current intensity that can be drawn depends on the concentration of the electro-active compounds, the collector-electrode surfaces and the electrode kinetics and the mass transport from and to the collector-electrode surfaces. The total amount of electricity that can be delivered (capacity in Ah), on the other hand, depends on the material amount (g equivalents) of the anolyte or catholyte redox systems stored in the two storage tanks. This means that the amount of energy that can be stored in a redox flow battery is directly proportional to the stored amount of redox systems and can be described by Faraday's law. The maximum power that can be drawn in watts, on the other hand, is a function of the size of the clamping voltage, the size of the electrochemical reactor (surface of the collector electrodes) and the electrochemical kinetics and mass transport at the electrodes. In contrast to the well-known traditional batteries (lead/acid, metal/hydride, lithium/polymer, etc.), the amount of electricity to be stored (Ah capacity) is separate from the maximum current that can be supplied (maximum current in amperes without a complete collapse of the cell voltage ) adjustable. For stationary applications in the kWh range, the reservoirs of the previously standard redox flow batteries can also easily hold several m 3 (similar to a heating oil tank). Unfortunately, the energy density of all redox flow batteries known to date is only a fraction of that of heating oil. However, the latter is consumed when energy is used, while the electrochemical storage works without consumption due to the reversible electrochemical processes. The usual sizes of redox flow batteries have so far been in the range of around 2 to 50 kW and usual energy densities between 5 and around 40 Ah/L.
In der Literatur sind bisher zahlreiche Varianten des Redox-Flow-Systems bezüglich der verwendeten Redox-Chemikalien beschrieben worden, die alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben. Zur Übersicht sei hier nur auf einschlägige Review Artikel [z.B. P.Alotto, M. Guarnieri, F. Moro, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 29, Pages 325-335 (2014)] verwiesen. Bei Redox-Flow-Batterien auf der Basis von Übergangsmetallen kann die Löslichkeit und das Redox-Potential der betreffenden Metallkomplexe durch Variation der Metall-Liganden in Grenzen verändert werden. Es sind auch niedermolekulare metallorganische Verbindungen beschrieben worden [M.H. Chakrabartia, R.A.W. Dryfe, E.P.L. Roberts: „Evaluation of electrolytes for redox flow battery applications“, Electrochimica Acta, 52, 2189-2195 (2007)]. Hierbei kommen organische Liganden zum Einsatz, die redox-aktive anorganische Metall-Ionen komplexieren. Solche Liganden sind zum Beispiel Dipyridyl, Terpyridyl, Phenantrolin, oder Imidazole (
Zahlreiche anorganische, niedermolekulare Redox-Systeme wurden untersucht, um zu höheren Energiedichten zu gelangen. Allerdings basieren viele dieser Systeme auf stark saure oder stark alkalische Redox-Elektrolyten, welche giftig, teuer und umweltschädlich sind, was die Entsorgung und Akzeptanz erschweren. Bei allen bisher beschriebenen und/oder patentierten Innovationen ist man zu Kompromissen gezwungen, wenn man eine maximale Energiedichte zu einem günstigen Preis und mit einer maximalen elektrochemischen Kinetik erzielen möchte. Daher wurden Ansätze, die begrenzte Löslichkeit redox-aktiver Verbindungen auf Metall- bzw. Metallionen-Basis durch den Einsatz metallfreier Redox-Systeme auf organische Basis zu umgehen, in letzter Zeit verstärkt beschrieben. Rein organische Redox-Verbindungen werden seit 2011 verstärkt in Redox-Flow-Batterien eingesetzt. So wurde beispielsweise niedermolekulares 2,2,6,6-Tetramethyl-piperidinyloxyl (TEMPO) und N-Methylphthalimid in einer traditionellen Redox-Flow-Batterie mit einer ionenleitenden Trenn-Membran eingesetzt [Z. Li, S. Li, S. Q. Liu, K. L. Huang, D. Fang, F. C. Wang, S. Peng, Electrochem. Solid State Lett. 14, 2011, A171-A 73]. Pyrazin-basierte Cyanoazacarbone wurden in
Spezielle Bedeutung in Hinblick auf die vorliegende Erfindung haben polymere Redox-Systeme, weil durch die Polymerisation viele aktive Redox-Zentren innerhalb eines Makromoleküls (sozusagen auf engstem Raum) geschaffen werden, was die stöchiometrische Energiedichte erhöht. Die Synthese von Oxidations-Reduktions-Polymeren, die auch Redox-Polymere oder Elektronenaustauschpolymere oder elektronenübertragende Polymere genannt werden, wurde bereits Mitte des letzten Jahrhunderts intensiv erforscht [G. Manecke „Oxidation-Reduction Polymers“ in Macromolecular Microsymposia-XII and XIII, Prague, 1973, Book 1974, 181-199, Pure and Applied Chemistry, Vol. 38, Nos. 1-2 (1974); https://doi.org/10.1016/B978-0-408-70639-1.50014-1]. Zahlreichen Oxidations- und Reduktions-Verfahren von organischen oder anorganischen Substanzen sowohl im wässrigen Milieu als auch in anderen Lösungsmitteln wurden damals beschrieben. Derartige Redox-Polymere in Harz-Form wurden seinerzeit - analog wie bei Ionenaustauscher-Harzen - in Säulen (Kolonnen) gefüllt - Elektronenaustauscher-Säulen genannt - um quantitative Oxidationen oder Reduktionen ohne Einführung eines weiteren Stoffes (als Verunreinigung) in das Produkt durchzuführen. So kann eine Verunreinigung durch den dabei umgesetzten Redox-Partner vermieden werden. In der Literaturstelle „Synthesis, Electrochemistry and Application of some Oxidation Reduction Polymers“, in „Charged Gels and Membranes“, NATO Adv. Study Inst. Charged React. Polym. 2; Forges-les-eaux; 1973; D. Dordrecht; DA. Reidel; 1976; Vol. 2; pp. 173-189, beschreibt der Autor Georg Manecke beispielhaft die Synthese von Redox-Harzen, die in diesem Fall durch klassische Methoden der Makromolekularen Chemie, wie beispielsweise Polymerisation, Kondensation, polymer-analoge Reaktionen hergestellt werden. Dabei handelt es sich oft um Produkte mit vinylischer Struktur, die durch Polyaddition und nicht durch Oxidation erhalten wurden. Die meisten der seinerzeit vorgeschlagenen Redox-Polymere sind entweder Vinyl-Polymere, auf die man Chinon-Moleküle aufgepfropft hat, oder Kondensationspolymere Formaldehyd + Phenol + Hydrochinon. Als überzeugendes Beispiel für quantitative elektrochemische Umsetzungen mittels solcher Elektronenaustauscher-Säulen mit Redox-Harzen im Korndurchmesser Bereich 0,2 - 0,5 mm wurde die Reduktion von Fe3+ an einer Polypyrrol Elektronen-Austauscher-Säule beschrieben, die mit einer Ausbeute von 99% ablief. Als weiteres Beispiel wurde die Oxidation von Zinn-II-Chlorid mittels einer Polyacen-Benzochinon Elektronenaustauscher-Säule beschrieben, wobei eine Ausbeute von 98,5% erzielt werden konnte. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass der Oxidations- bzw. Reduktionsgrad dieser Elektronenaustauscher nach Erschöpfung der Elektronen-Austauscher-Säule (Durchbruch von nicht reagiertem Ausgangsmaterial - analog wie bei lonen-Austauscher-Säulen - mittels Durchleiten von gelösten Oxidations- oder Reduktionsmitteln passenden Redox-Potentials wieder vollständig regeneriert werden konnte [Myer Ezrin and H.G. Cassidy, Annals New York Academy of Sciences, 1749-6632 (1953)]. Die Regenerierfähigkeit derartiger Redox-Polymere ist also hinlänglich bekannt und auch Basis der vorliegenden Erfindung. In einer deutschen Patentanmeldung von 1976 (DE 2625443 C2) wird beispielsweise eine elektrochemische Regeneration von Redox-Austauscher-Harzen beschrieben. Des Weiteren wurden verschiedene Indigosulfonate, als weiteres Beispiel für geplante Synthesen zu einem gezielten Standard-Redox-Potential hin, aufgeführt [N. Grubhofer, Naturwiss. 12, 557 (1955)].Polymeric redox systems are of particular importance with regard to the present invention, because the polymerization creates many active redox centers within a macromolecule (in a very small space, so to speak), which increases the stoichiometric energy density. The synthesis of oxidation-reduction polymers, which are also called redox polymers or electron exchange polymers or electron-transferring polymers, has been intensively researched since the middle of the last century [G. Manecke "Oxidation-Reduction Polymers" in Macromolecular Microsymposia-XII and XIII, Prague, 1973, Book 1974, 181-199, Pure and Applied Chemistry, Vol. 38, Nos. 1-2 (1974); https://doi.org/10.1016/B978-0-408-70639-1.50014-1]. Numerous oxidation and reduction processes of organic or inorganic substances both in an aqueous environment and in other solvents were described at that time. Such redox polymers in resin form were at that time - analogous to ion exchange resins - packed in columns (columns) - called electron exchange columns - in order to carry out quantitative oxidations or reductions without introducing another substance (as an impurity) into the product. In this way, contamination by the redox partner converted in the process can be avoided. In the reference "Synthesis, Electrochemistry and Application of some Oxidation Reduction Polymers", in "Charged Gels and Membranes", NATO Adv. Study Inst. Charged React. polym. 2; Forges Les Eaux; 1973; D Dordrecht; THERE. reidel; 1976;
Die durch Polymerisation erhältlichen Redox-Harze sind unlösliche, begrenzt quellbare Hochpolymere, die reversible Redoxsysteme aufweisen. Je nachdem, ob sie in reduzierter oder oxidierter Form vorliegen, wirken sie als regenerierbare unlösliche Reduktions- bzw. Oxidationsmittel. Bei den damaligen Studien standen allerdings nicht die pro Zeiteinheit umgesetzten Stoffmengen im Vordergrund, was für eine Nutzung in Redox-Flow-Batterien wichtig wäre, sondern nur reversible, quantitative Oxidationen oder Reduktionen ohne Einführung eines weiteren - das Produkt verunreinigenden - Stoffes. Man ließ seinerzeit die zu reduzierende oder oxidierende Verbindung in gelöster Form - nur durch die Schwerkraft getrieben - durch die betreffende Elektronen-Austauscher-Säule laufen. Dies führte zu einem Durchsatz von wenigen Millilitern pro Minute, was allerdings zu wenig für eine Redox-Flow-Batterie mittlerer Leistung ist. Der Verwendung solcher bekannte Elektronen-Austauscher-Säulen in Verbindung mit Redox-Flow-Batterien stand bisher der immense Druckaufbau beim Durchströmen der mit einem unlöslichen, körnigen Material von nur wenigen Mikrometern Durchmesser gefüllten Säulen entgegen. Die dazu nötigen Pumpleistungen vermindern die Energie-Ausbeute einer Redox-Flow-Batterie erheblich.The redox resins obtainable by polymerisation are insoluble, limitedly swellable high polymers which have reversible redox systems. Depending on whether they are in reduced or oxidized form, they act as regenerable, insoluble reducing or oxidizing agents. In the studies at that time, however, the focus was not on the amounts of substance converted per unit of time, which would be important for use in redox flow batteries, but only on reversible, quantitative oxidation or reduction without the introduction of another substance that contaminates the product. At that time, the compound to be reduced or oxidized was allowed to run through the relevant electron exchange column in dissolved form, driven only by gravity. This resulted in a throughput of a few milliliters per minute, which is too little for a medium-power redox flow battery. The use of such known electron exchange columns in connection with redox flow batteries has hitherto been prevented by the immense pressure build-up when flowing through the columns filled with an insoluble, granular material with a diameter of only a few micrometers. The pumping power required for this reduces the energy yield of a redox flow battery considerably.
Im Zusammenhang mit laufend neu-synthetisierten organischen Redox-Systemen und stark ansteigender Publikationszahlen zu dieser Thematik wurde bereits im Falle von festen Redox-Systemen die Zwischenschaltung eines sogenannten Redox-Mediators zur „Energie-Übertragung“ zwischen einem Haupt-Redox-System im Vorratsbehälter und der elektrochemischen Zelle vorgeschlagen [WO 2013/012391 A1 und provisorische US-Anmeldung US 2014/0178735 A1 vom 26. 06.2014 (Pub. Date)]. Allerdings offenbaren diese Patentanmeldungen nicht, wie der unvermeidbare hydraulische Druckaufbau beim Durchströmen der Redox-Mediatorlösung durch große Schichten körniges Festkörper Materials (organische Polymer Harze mit redox-aktiven Gruppen) vermieden werden kann. Dazu müssen Hochdruckpumpen, ähnlich wie bei der sog. Hochdruckflüssigchromatographie verwendet, welche - wegen ihres Energie-Bedarfs - die Effizienz einer solchen „Mediator-gestützten“ Redox-Flow-Batterie gegen Null gehen lässt. In connection with the constantly newly synthesized organic redox systems and the sharp increase in the number of publications on this subject, the interposition of a so-called redox mediator for "energy transfer" between a main redox system in the storage tank and of the electrochemical cell [WO 2013/012391 A1 and provisional US application US 2014/0178735 A1 of Jun. 26, 2014 (Pub. Date)]. However, these patent applications do not disclose how the unavoidable hydraulic pressure build-up when the redox mediator solution flows through large layers of granular solid material (organic polymer resins with redox-active groups) can be avoided. For this purpose, high-pressure pumps must be used, similar to what is known as high-pressure liquid chromatography, which - because of its energy requirements - allows the efficiency of such a "mediator-supported" redox flow battery to approach zero.
Die Verwendung von Redox-Mediatoren als „Elektronen-Shuttle“ ist seit über 30 Jahren bei Biosensoren gut bekannt [Seite 534 in K. Cammann, U. Lemke, A. Rohen, J. Sander, H. Wilken, B. Winter in „Chemo- und Biosensoren - Grundlagen und Anwendungen“, Angew. Chem. 103 (1991) 519 - 541]. Wegen dieser hydraulischen Probleme sind Mediator-gestützte Redox-Flow-Batterien mit festem, körnigem Haupt-Redox-System bisher nicht kommerzialisiert worden.The use of redox mediators as “electron shuttles” has been well known in biosensors for over 30 years [page 534 in K. Cammann, U. Lemke, A. Rohen, J. Sander, H. Wilken, B. Winter in “ Chemo- and Biosensors - Basics and Applications”, Angew. Chem. 103 (1991) 519-541]. Because of these hydraulic problems, mediator-assisted redox flow batteries with a solid, granular main redox system have not been commercialized to date.
Organischen Redox-Polymere können sowohl in wässrigen Systemen [T. Janoschka, N. Martin, U. Martin, C. Friebe, S. Morgenstern, H. Hiller, M. D. Hager & U. S. Schubert „An aqueous, polymer-based redox-flow battery using noncorrosive, safe, and low-cost materials“, NATURE, Vol. 527, 5 November 2015, p. 78-81] als auch in nichtwässrigen Lösungsmitteln relativ hohe Konzentrationen ermöglichen, wobei im letzteren Fall sogar höhere Spannungen ermöglicht werden, weil die Wasser-Elektrolyse nicht auftreten kann.Organic redox polymers can be used both in aqueous systems [T. Janoschka, N Martin, U Martin, C Friebe, S Morgenstern, H Hiller, MD Hager & U S Schubert "An aqueous, polymer-based redox-flow battery using noncorrosive, safe, and low-cost materials", NATURE, Vol. 527, 5 November 2015, p. 78-81] as well as in non-aqueous solvents, allowing even higher voltages in the latter case because water electrolysis cannot occur.
In
Bezüglich der vorliegenden Erfindung kann es sich bei den eingesetzten gelösten hochmolekularen, redox-aktiven Komponenten um beliebige Verbindungen handeln, sofern diese in mindestens zwei unterschiedlichen stabilen Oxidationsstufen vorliegen können, und ein Molekulargewicht aufweisen, so dass sie die eingesetzte Größenausschluss-Membran nicht passieren können. Gelöste Redox-Polymer weisen gegenüber den festen Elektronenausstauscher-Harzen den großen Vorteil auf, dass die Redox-Gruppen besser für einen Elektronentransfer zugänglich sind. Ein bisher ungelöstes Problem bei hochkonzentrierten organischen Redox-Polymer-Elektrolyten ist die hohe Viskosität, die erstens einen hohen Effektivitätsverlust durch gesteigerte Pumpenergie und zweitens einen schlechteren Massentransport (hohe Diffusionsüberspannungen) in den beiden Halbzellen nach sich zieht. Wegen der mit dem Polymerisationsgrad und Konzentrations-Erhöhung stark ansteigenden Viskosität von Anolyt und Katholyt konnten auf dieser Basis bisher keine überragenden Energiedichten erreicht werden. Die Erfinder berichten über eine Energiedichte von ca. 10 Wh/L, obwohl theoretisch (Redox-Äquivalente) eine wesentlich höhere möglich sein sollte. Die ausgewählten Beispiele verdeutlichen den dringenden Bedarf an funktionstüchtigen technischen Lösungen, die geschilderten Probleme bei den wichtigsten Entwicklungen auf dem Gebiet der organischen Redox-Polymere zu lösen. Die Erfindung hat die Aufgabe, die Vielzahl an neuartigen Redox-Polymeren mit hoher Energiedichte allgemein in Redox-Flow-Batterien nutzbar zu machen, wozu die offenbarte spezielle Regenerations-Vorrichtung dienen soll.With regard to the present invention, the dissolved, high molecular weight, redox-active components used can be any compounds, provided they can be present in at least two different stable oxidation states and have a molecular weight such that they cannot pass through the size exclusion membrane used. Compared to solid electron exchange resins, dissolved redox polymers have the great advantage that the redox groups are more accessible for electron transfer. A previously unsolved problem with highly concentrated organic redox polymer electrolytes is the high viscosity, which firstly results in a high loss of effectiveness due to increased pump energy and secondly in poorer mass transport (high diffusion overvoltages) in the two half-cells. Because the viscosity of anolyte and catholyte increases sharply with the degree of polymerization and the increase in concentration, it has so far not been possible to achieve outstanding energy densities on this basis. The inventors report an energy density of about 10 Wh/L, although theoretically (redox equivalents) a much higher one should be possible. The selected examples illustrate the urgent need for functional technical solutions to solve the problems described in the most important developments in the field of organic redox polymers. The object of the invention is to make the large number of novel redox polymers with high energy density generally usable in redox flow batteries, for which purpose the special regeneration device disclosed is intended to serve.
Es wurden in der Literatur auch sog. Semi-Redox-Flow Batterien („Cambridge Crude“) vorgeschlagen, in denen eine anorganische Suspension der elektro-aktiven Lithium Batterien zusammen mit Graphitpulver in einem organischen Lösungsmittel an den Elektroden vorbeigeleitet werden, was die Energiedichte von Redox-Flow-Batterien nahezu verzehnfachen sollte [M. Duduta, B. Ho, V. C. Wood, P. Limthongkul, V. E. Brunini, W. C. Carter, Y. Chiang, Adv. Energy Mater. XX, 1-6 (2011)]. Die Umsetzung in ein Produkt verzögerte sich jedoch, vermutlich weil bei langzeitigem Umpumpen von Suspensionen Abriebverluste und Korngrößenveränderungen auftreten, die in der Praxis zu kapazitätsvermindernden Ablagerungen oder Verstopfungen führen.So-called semi-redox flow batteries (“Cambridge Crude”) have also been proposed in the literature, in which an inorganic suspension of the electro-active lithium batteries together with graphite powder in an organic solvent is conducted past the electrodes, which reduces the energy density of Redox flow batteries should increase almost tenfold [M. Duduta, B Ho, VC Wood, P Limthongkul, VE Brunini, WC Carter, Y Chiang Adv Energy Mater. XX, 1-6 (2011)]. However, the conversion into a product was delayed, presumably because abrasion losses and particle size changes occur during long-term pumping of suspensions, which in practice lead to capacity-reducing deposits or blockages.
In
Inzwischen wurde eine große Anzahl von Redox-Polymeren hergestellt. Durch gezielte Synthesen dieser Redox-Harze, die jedem Fachmann/frau geläufig sind, lassen sich Redox-Austauscher-Säulen mit den gewünschten Eigenschaften, zum Einsatz in Redox-Flow-Batterien wie z.B. unterschiedliche Standard-Redox-Potentiale und hohe Energiedichte leicht und preiswert herstellen. Dies ist allerdings nicht Gegenstand der Erfindung, die sich auf die apparative Anordnung der Vorratsbehälter beschränkt. Einschlägige Reviews unterstreichen die erzielbaren hohen Energiedichten [P. Novák, K. Müller, K.S.V. Santhanam, O. Haas, Chem. Rev., 97, 207-281 (1997)]. Nonylbenzohexaquinon weist beispielsweise eine theoretische Speicher-Kapazität von 488 Ah/kg auf. Benzoquinon beispielsweise weist eine theoretische Leistungsdichte von 1400 Wh/kg auf, basieren auf seinem Redox-Potential von 2,8 V in nicht-wässrigen Medien und seiner theoretischen Kapazität von 496 Ah/kg. Damit liegt sie höher als bei den üblichen anorganischen Materialien von entsprechenden Li-Batterien [Z. Song, H. Zhou, Energy Environ. Sci. 6, 2280-2301 (2013)]. Eine hochkonzentrierte hochviskose Lösung eines solchen Redox-Systems könnte theoretisch bei der e-Mobilität eingesetzt, zu PkW-Reichweiten um 800 km pro 100 Liter Redox-Haupt Systeme führen. Bei entsprechender Standarisierung lassen sich derartige entladene organische Haupt-Redox-Systeme an neuartigen Tankstellen in wenigen Minuten gegen geladene austauschen. Die entladenen werden dann vor Ort mittels alternativer Energien wieder in den aufgeladenen Zustand überführt und stehen wieder zum „Betanken“ zur Verfügung. Mittels derartigen energiedichten wasserlöslichen Redox-Polymeren könnten umweltfreundliche Redox-Flow-Batterien, mit preiswerten, nicht knapp werdenden Rohstoffen erstmals auch nicht-stationär eingesetzt werden. Langwierige Ladezeiten, wie sie Li-basierende Batterien verlangen können so vermieden werden. Es müssen nur zwei „entladene“, hochviskose Flüssigkeiten simultan gegen „geladene“ ausgetauscht werden. Die neuartigen organischen Redox-Polymere wurden trotz ihrer idealen elektrochemischen Voraussetzungen (hohe Energiedichte) bisher nicht bei Redox-Flow-Batterien eingesetzt, weil die Energie-Verluste beim Durchpumpen von Anolyt und Katholyt durch eine mit diesen Materialien gefüllte Säule exorbitant hoch sind. Diese Vorbehalte ändern sich durch die hier offenbarte Erfindung.A large number of redox polymers have now been produced. Targeted syntheses of these redox resins, which are familiar to every specialist, allow redox exchange columns with the desired properties for use in redox flow batteries, such as different standard redox potentials and high energy densities, to be easily and inexpensively created manufacture. However, this is not the subject of the invention, which is limited to the apparatus arrangement of the storage containers. Relevant reviews underline the achievable high energy densities [P. Novák, K. Müller, KSV Santhanam, O. Haas, Chem. Rev., 97, 207-281 (1997)]. Nonylbenzohexaquinone, for example, has a theoretical storage capacity of 488 Ah/kg. Benzoquinone, for example, has a theoretical power density of 1400 Wh/kg based on its redox potential of 2.8 V in non-aqueous media and its theoretical capacity of 496 Ah/kg. It is thus higher than with the usual inorganic materials of corresponding Li batteries [Z. Song, H. Zhou, Energy Environment. science 6, 2280-2301 (2013)]. A highly concentrated, highly viscous solution of such a redox system could theoretically be used in e-mobility leads to car ranges of around 800 km per 100 liters of redox main systems. With appropriate standardization, such discharged organic main redox systems can be exchanged for charged ones in a few minutes at new filling stations. The discharged ones are then recharged on site using alternative energies and are again available for "filling up". By means of such energy-dense, water-soluble redox polymers, environmentally friendly redox flow batteries with inexpensive raw materials that are not becoming scarce could also be used non-stationarily for the first time. Lengthy charging times, as required by Li-based batteries, can thus be avoided. Only two "discharged", highly viscous liquids have to be exchanged for "charged" ones at the same time. Despite their ideal electrochemical requirements (high energy density), the novel organic redox polymers have not been used in redox flow batteries to date because the energy losses when pumping anolyte and catholyte through a column filled with these materials are exorbitantly high. These caveats are changed by the invention disclosed herein.
Die vorliegende Erfindung löst in erster Linie das Effizienz-Problem durch zu hohe Pump-Energie-Verluste, wenn generell Mediatoren zwischen einem Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-System und den elektrochemischen Durchfluss-Zellen verwendet werden. Die technische Lösung der oben geschilderten Probleme basiert auf dem elektrochemischen Prinzip der inneren Elektrolyse, allerdings bei einem bevorzugten neuartigen bi-polaren Aufbau und führt zu der Möglichkeit, die Anolyten und Katholyten vieler, unterschiedlicher Redox-Flow-Batterien regenerieren zu können, was zu eine stark erhöhten Energiedichte führen kann. Der entscheidende Unterschied zu bekannten Mediator-gestützten Redox-Flow-Batterien, die klein-volumige Redox-Mediator-Elektrolyte als „Elektronen-Shuttle“ zwischen den Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-Systemen in den Vorratstanks und der elektrochemischen Durchfluss-Zelle, bzw. dem „Batterie-Zellen-Stack“ verwenden, liegt in der Vermeidung eines hohen hydraulischen Druckaufbaus sowie eines größeren molekularen stofflichen Kontaktes der Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt beim Durchströmen der entsprechenden Haupt-Redox-Systeme. Diese Probleme löst die Erfindung durch eine neuartige, spezielle Vorrichtung (apparative Anordnung) der hier offenbarten bi-polaren inneren Elektrolyse.The present invention primarily solves the efficiency problem caused by pump energy losses that are too high if mediators are generally used between a main redox system that determines the storage capacity and the electrochemical flow cells. The technical solution to the problems outlined above is based on the electrochemical principle of internal electrolysis, but with a preferred novel bi-polar structure, and leads to the possibility of being able to regenerate the anolytes and catholytes of many different redox flow batteries, which leads to a greatly increased energy density. The decisive difference to well-known mediator-supported redox flow batteries, the small-volume redox mediator electrolytes as an "electron shuttle" between the storage capacity-determining main redox systems in the storage tanks and the electrochemical flow cell , or the "battery cell stack" is to avoid a high hydraulic pressure build-up and a larger molecular material contact of the redox systems in anolyte and catholyte when flowing through the corresponding main redox systems. The invention solves these problems by means of a novel, special device (apparatus arrangement) of the bipolar internal electrolysis disclosed here.
Das Problem, eines zu hohen hydraulischen Druck-Aufbaus, wird durch eine hydraulisch optimierte Leitungs- oder Fließkanal-gebundene „Durchströmung“ der beteiligten vorzugsweise säulenförmig gelagerten Haupt-Redox-Systeme gelöst. Eine hydraulisch vorteilhafte Flüssigkeitsführung durch die festen oder hochviskosen Haupt-Redox-Systeme, die sich stationär in den Vorratstanks befinden, ist neuartig. Das erfindungsgemäße Verfahren der bi-polaren inneren Elektrolyse verlangt elektrisch leitfähige Wandungen (nur Elektronen leitend). Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise mit einer weiteren Innovation verbunden werden, indem die Durchleitung von Anolyt und Katholyt durch die Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-Systeme mit der hohem Energiedichte so durchgeführt wird, dass die Redox-Reaktionen zwischen beiden lokal begrenzt bleibt und in Fließ-Richtung schichtweise bzw. zonenartig durch eine vorzugsweise säulenförmige Vorrichtung (Vorratstank) verläuft. Dazu wird erfindungsmäßig die elektrisch leitfähige Wandung der Anolyt- und Katholyt-Fließkanäle in Fließrichtung mehrfach isolierend unterbrochen. Zusätzlich werden die äußeren Fließkanal-Wandungsoberflächen mit oberflächenvergrößernder elektrischer Leiter vorzugsweise nur senkrecht zur Fließrichtung in Kontakt gebracht. Unter solchen Bedingungen verlassen Anolyt und Katholyt bei geeignet gewählten Strömungsgeschwindigkeiten derartig aufgebaute Vorratstanks bis zur völligen Erschöpfung (vollständige Entladung des gesamten Haupt-Redox-Systems) stets bei Batterie-Entladung nahezu voll regeneriert und bei Wiederaufladung der Haupt-Redox-Systeme elektrochemisch nahezu voll umgesetzt.The problem of an excessively high hydraulic pressure build-up is solved by a hydraulically optimized line or flow channel-bound “flow” through the main redox systems involved, which are preferably mounted in columns. A hydraulically advantageous liquid flow through the solid or highly viscous main redox systems, which are stationary in the storage tanks, is new. The process of bi-polar internal electrolysis according to the invention requires electrically conductive walls (only electrons are conductive). The invention can advantageously be combined with a further innovation in that the passage of anolyte and catholyte through the storage capacity-determining main redox systems with the high energy density is carried out in such a way that the redox reactions between the two remain locally limited and runs in layers or zones in the direction of flow through a preferably columnar device (storage tank). For this purpose, according to the invention, the electrically conductive wall of the anolyte and catholyte flow channels is interrupted several times in the flow direction in an insulating manner. In addition, the outer flow channel wall surfaces are preferably only brought into contact with surface-enlarging electrical conductors perpendicular to the direction of flow. Under such conditions, anolyte and catholyte leave storage tanks constructed in this way at suitably selected flow speeds until they are completely exhausted (complete discharge of the entire main redox system) always almost fully regenerated when the battery is discharged and electrochemically almost fully converted when the main redox systems are recharged .
Die Erfindung offenbart mindestens zwei Möglichkeiten, einen solchen Effizienzmindernden Druckaufbau in vorzugsweise säulenförmigen Vorratstanks zu vermeiden. In einer bevorzugten apparativen Anordnung wird der direkte stoffliche molekulare Kontakt zwischen den beiden umgepumpten Anolyt und Katholyt-Lösungen und den korrespondierenden Haupt-Redox-Systemen in den Vorratstanks durch eine - nur Elektronen-leitende - Leitungsumhüllung (metallisches Rohr oder elektrisch leitfähiger flexibler Schlauch) weitestgehend vermieden. Erfindungsgemäß wird dieser hydraulisch optimierte Anolyt- bzw. Katholyt-Fließkanal mit Elektronen-leitenden Wandungen bei der konstruktiven Durchleitung durch die korrespondierenden Elektronenaustauscher-Harze mehrfach durch isolierende Abschnitte unterbrochen, um eine zusammenhängende Äquipotentialfläche zu vermeiden. Auf diese Weise hat der letzte Abschnitt des Fließ-Kanals vor dem Weitertransport der austretenden Anolyten bzw. Katholyten in die elektrochemische Zelle bis zum sog. Durchbruch (völlige Erschöpfung der im Haupt-Redox-System gespeicherten Energie-Menge) stets das gleiche, konstante Redox-Potential, das eines geladenen Haupt-Redox-Systems, bzw. das, des noch nicht entladenen letzten Säulen Abschnitts. Eine chemisch erforderliche Umorientierung nicht-redox-aktiver Ionen und Schließung des inneren Elektrolyse-Stromkreises wird durch Elektrolytbrücken oder Stromschlüssel bewerkstelligt, was in den Beispielen noch näher beschrieben wird. Vorteilhaft ist es, die notwendigen isolierenden Unterbrechungen in der Fließkanal-Leitung als Elektrolytbrücke zu nutzen. Sie können an diesen Stellen eine ionenselektive Membran-Umhüllung aufweisen (s.
Zur Erläuterung der Funktionsweise: Die quantitativ (stöchiometrisch) weit größere Menge des Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-Systems in der externen Austauscher-Säule (Vorratstank als Regenerator-Vorrichtung) prägt der Elektronen-leitfähigen Umhüllung (Fließkanal-Wandung) des betreffenden, dieses Haupt-Redox-System durchströmenden Anolyten bzw. Katholyten ihr charakteristisches und elektrochemisch passendes Redox-Potential (gleiches oder beim Anolyten etwas negativeres bzw. beim Katholyten etwas positiveres Standard-Redox-Potential) auf und die betreffende Umhüllung (metallisch oder leitfähiger, flexibler Schlauch) transportiert die Elektronen bei reduzierenden Eigenschaften weiter zum im Katholyten gelösten Redox-System im Fließkanal und bei oxidierenden Eigenschaften in umgekehrter Richtung zum im Anolyten gelösten Redox-System. Elektrochemisch gesehen, liegen so analoge Verhältnisse wie bei der bewährten sog. „inneren Elektrolyse“ vor. Die elektrisch leitenden Bereiche der Fließkanal-Wandungen - durch isolierende Abschnitte voneinander getrennt - werden gegen Ende der Durchströmung immer länger, um die elektrochemisch aktive innere Oberfläche zu vergrößern und damit der exponentiellen Verarmung an reaktionsfähigen Redox-Spezies in Anolyt- und Katholyt-Lösung Rechnung zu tragen. Als weitere Maßnahme zur Vermeidung von Konzentrationspolarisationen kann die relative Fließgeschwindigkeit durch Querschnittsverengung erhöht werden, was die Nernst'sche Diffusionsschichtdicke verkleinert. Unter optimalen Bedingungen verlassen Anolyt und Katholyt die erfindungsgemäß konstruierten Vorratstanks bis zur vollständigen Entladung beider Haupt-Redox-Systeme stets nahezu quantitativ regeneriert, was zu einer sehr vorteilhaften konstanten Batterie-Spannung während der Entladung führt. Umgekehrt, bei der Wiederaufladung der Haupt-Redox-Systeme treten Anolyt und Katholyt bis zur vollständigen Aufladung der betreffenden Haupt-Redox-Systeme stets nahezu quantitativ entladen aus einer solchen Regenerationsvorrichtung aus und halten bei galvanostatischer Auflade-Charakteristik der Redox-Flow-Batterie-Zellen die Ladespannung konstant.To explain how it works: The quantitatively (stoichiometrically) much larger amount of the storage capacity-determining main redox system in the external exchange column (storage tank as a regenerator device) characterizes the electron-conductive envelope (flow channel wall) of the relevant , the anolyte or catholyte flowing through this main redox system has its characteristic and electrochemically appropriate redox potential (same or slightly more negative for the anolyte or slightly more positive for the standard redox potential for the catholyte) and the relevant coating (metallic or more conductive, more flexible tube) transports the electrons further to the redox system dissolved in the catholyte in the flow channel in the case of reducing properties and in the opposite direction to the redox system dissolved in the anolyte in the case of oxidizing properties. From an electrochemical point of view, the conditions are analogous to those of the tried and tested so-called "internal electrolysis". The electrically conductive areas of the flow channel walls - separated from each other by insulating sections - become longer and longer towards the end of the flow in order to increase the electrochemically active inner surface and thus to account for the exponential depletion of reactive redox species in the anolyte and catholyte solution wear. As a further measure to avoid concentration polarization, the relative flow velocity can be increased by narrowing the cross section, which reduces the Nernstian diffusion layer thickness. Under optimal conditions, anolyte and catholyte always leave the storage tanks designed according to the invention almost quantitatively regenerated until the two main redox systems are completely discharged, which leads to a very advantageous constant battery voltage during discharge. Conversely, when the main redox systems are recharged, the anolyte and catholyte always emerge almost quantitatively discharged from such a regeneration device until the relevant main redox systems are fully charged and remain with the galvanostatic charging characteristics of the redox flow battery cells the charging voltage is constant.
Die Lade- und Entlade-Vorgänge sind leicht durch einfache Redox-Potential-Messungen mittels sog. Platin-Einstab-Messketten am Eingang und Ausgang der betreffenden Fließkanal-Leitung zu messen. Wenn es sich beispielsweise bei der betrachteten Redox-Reaktion um eine, mit nur einem Transfer-Elektron handelt, würden bei einem 99%igem Redox-Umsatz beide Platin-Elektroden eine Spannungsdifferenz von ca. 120 mV zeigen. Um diese beiden elektrochemischen Vorgänge (Entladung und Wiederaufladung von Anolyt und Katholyt) bei einem einmaligen Durchfluss durch die Vorrichtung quantitativ zu gestalten, werden die Strömungsgeschwindigkeiten entsprechend empirisch angepasst, wobei die Redox-Potential-Messungen zur Steuerung verwendet wird. Je nach Effizienz (elektrochemische Ausbeute beim einmaligen Säulendurchfluss) wird der Durchfluss, Durchmesser und die Anzahl der Fließkanäle sowie die elektrochemisch aktive Gesamtlänge ebenfalls empirisch bestimmt. Bewährt haben sich schlangenförmige Bauweisen analog zu einem Schlangenkühler bei Destillationen; aber auch viele andere Formen (z.B. spiralförmige, mäanderförmige, etc.), die die erforderliche innere Oberfläche bieten, sind möglich. Zur Vergrößerung der inneren Oberfläche und Kompensation von Massetransport Limitationen bei Anolyt- und Katholyt-Leitungen können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, die dem Fachmann/frau geläufig sind. Man kann beispielsweise den freien Durchmesser dieser Leitungen durch zusätzliche leitfähige Zwischenwände füllen und so Mehrkammer-Leitungen /Multilumen-Schläuche) erhalten. Hydrodynamisch vorteilhaft ist auch eine Riffelung der inneren Oberfläche in Längsrichtung. Um auf der Außenseite dieser Mediator-Elektrolyt-Leitungen Limitierungen durch Massetransport-Effekte zu vermeiden - da dort keine Konvektion möglich ist - wird dieser Bereich erfindungsgemäß mit zusätzlichen Elektronisch-leitenden Partikeln, Netzen oder andere Materialien (z.B. Graphitfilz, Graphen-Papier, -Fäden oder -Gewebe) zusätzlich befüllt. Dazu können auch die Mediator-Leitungen mit metallischen Stacheln oder Drahtbürsten-ähnlichen Vorrichtungen in die Säulen gebracht werden. Häufig reicht es aus, wenn die - mit der inneren Fließkanal-Wandung in direktem elektrischem Kontakt stehende - äußere Oberfläche um den Faktor >100 größer ist, um die Diffusionslimitierung dort zu kompensieren. Die
Ein solcher Transport der zu regenerierenden Anolyt- und Katholyt-Lösungen innerhalb von elektrisch leitfähigen, gegenüber redox-aktiven Stoffen stofflich dichten Rohrleitungen - ohne größere hydraulische Restriktionen - ermöglicht völlig neue elektrochemische Kombinationsmöglichkeiten. Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt u.a. einen problemlosen Lösungsmittel-Wechsel zwischen Anolyt und Katholyt und dem korrespondierenden Haupt-Redox-System. So kann beispielsweise der Anolyt - und Katholyt - Kreislauf auf nicht-wässriger Basis ablaufen, um Effizienz-vermindernde Nebenreaktionen (z.B. Wasserstoff oder Sauerstoff-Entwicklung) an den Kollektor-Elektroden zu vermeiden, was höhere Klemmspannungen als ca. 1,2 Volt ermöglicht. So erzielt man bei nicht-wässrigen Elektrolyten höhere Klemmspannungen ohne - wie bei einem traditionellen Aufbau einer Redox-Flow-Batterie - als Kapazitäts-bestimmendes Redox-System größere Mengen dünnflüssiger und leicht entzündlicher organischer Lösungsmittel verwenden zu müssen. Hier kann das Haupt-Redox-System beispielsweise aus einem schwer entflammbaren organischen Gel bestehen (z.B. Diphenylether). Die Diffusionsprobleme der Redox-Zentren in den Makromolekülen entsprechen dann denen bei den Lithium Polymer Batterien, die auch ohne mechanische Elektrolytbewegung gut funktionieren. Die Erfindung erlaubt auch den stabilen Aufbau von Vorrichtungen, die auf dem elektrochemischen Forschungsgebiet „Interface of two immiscible electrolytes (I.T.I.E.S) liegen. Es wurde bereits gezeigt [D. Henn, K. Cammann, Electroanalysis 2000, 12, No. 16, 1263-1271 (2000)], dass sich diese Grenzflächen beispielsweise durch Dialysemembranen oder Membranen mit kleinen Poren (z.B. Diaphragmen) stabilisieren lassen. Diese Grenzflächen zwischen zwei nicht mischbaren Elektrolytlösungen verhalten sich elektrochemisch so, wie Metallelektroden, d.h. man kann mittels einer von außen angelegten Spannungsdifferenz an diesen Phasengrenzen den Übergang von Ladungsträgern in beiden Richtungen steuern. Man kann so auch einen elektrolytischen „Stromschlüssel“ mit einem Lösungsmittel zwischen zwei Diaphragmen in Kontakt mit Anolyt und Katholyt herstellen, dass mit dem der Anolyt- und Katholyt-Lösung nicht mischbar ist. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit verwendet man in dieser nicht-wässrigen Lösung vorzugsweise die bekannten lipophilen Salze, die wegen ihres Verteilungskoeffizienten wässrige Anolyt - und Katholyt - Lösungen nicht verunreinigen. Zum notwendigen Ladungstransport bei Elektrolytbrücken verwendet man in diesem Fall selektive Komplexbilder für zu transferierenden nicht-redox aktive Ionen.Such a transport of the anolyte and catholyte solutions to be regenerated within electrically conductive pipelines that are materially sealed against redox-active substances - without larger hydraulic ones Restrictions - enables completely new electrochemical combinations. The arrangement according to the invention allows, inter alia, a problem-free change of solvent between anolyte and catholyte and the corresponding main redox system. For example, the anolyte and catholyte cycle can run on a non-aqueous basis in order to avoid efficiency-reducing side reactions (e.g. evolution of hydrogen or oxygen) at the collector electrodes, which enables higher clamping voltages than approx. 1.2 volts. In this way, higher terminal voltages can be achieved with non-aqueous electrolytes without having to use large amounts of low-viscosity and highly flammable organic solvents as the capacity-determining redox system, as is the case with a traditional redox flow battery design. Here, the main redox system can consist, for example, of a flame-retardant organic gel (e.g. diphenyl ether). The diffusion problems of the redox centers in the macromolecules then correspond to those in lithium polymer batteries, which function well even without mechanical electrolyte movement. The invention also allows the stable construction of devices that are in the electrochemical research field "Interface of two immiscible electrolytes (ITIES). It has already been shown [D. Henn, K. Cammann, Electroanalysis 2000, 12, no. 16, 1263-1271 (2000)] that these interfaces can be stabilized, for example, by dialysis membranes or membranes with small pores (eg diaphragms). These interfaces between two immiscible electrolyte solutions behave electrochemically like metal electrodes, ie one can control the transfer of charge carriers in both directions by means of an externally applied voltage difference at these phase boundaries. It is also possible to create an electrolytic "current key" with a solvent between two diaphragms in contact with the anolyte and catholyte that is immiscible with that of the anolyte and catholyte solution. In order to increase the conductivity, the known lipophilic salts are preferably used in this non-aqueous solution, which, because of their distribution coefficient, do not contaminate aqueous anolyte and catholyte solutions. In this case, selective complexing agents for non-redox-active ions to be transferred are used for the necessary charge transport in the case of electrolyte bridges.
Ein weiterer Vorteil der hier offenbarten neuartigen apparativen Anordnung ist die unbeschränkte Nutzung neuerer organischer Redox-Polymere mit sehr hoher Energiedichte. Es lassen sich organische Redox-Feststoffe (Elektronenaustauscher-Harze) sowie hochvisköse wasserlösliche Redox-Polymere herstellen, deren molare Konzentrationen weit über 20 molar liegen. Damit können Redox-Flow-Batterien auf umweltfreundlicherer Basis und aus preiswerten, wohlfeilen organischen Vorstufen gewonnen, sogar höhere Energiedichten als die der Lithium-basierenden Batterien aufweisen.Another advantage of the novel apparatus arrangement disclosed here is the unrestricted use of newer organic redox polymers with very high energy density. Organic redox solids (electron exchange resins) and highly viscous water-soluble redox polymers can be produced with molar concentrations well over 20 molar. This means that redox flow batteries on a more environmentally friendly basis and made from inexpensive, cheap organic precursors can even have higher energy densities than lithium-based batteries.
Feste, unlösliche Redox-Harze verlangen eine besondere Ausführungsform des Verfahrens. Sie benötigen einen Redox-Mediator, um die Elektronen mit den - mit der äußeren leitfähigen Fließkanal-Wandungen in Kontakt stehenden - elektrischen Leitern austauschen zu können. Dazu kann das betreffende, in einem Lösungsmittel aufgelöste Redox-Monomer dienen. So wurde bei den ersten synthetisierten Elektronenaustauscher-Harzen beispielsweise das Redox-Potential des festen Redox-Harzes gemessen [G. Manecke, Z.EI.Ch, 57, 89-94 (1953)]. Diese Mediator Lösung braucht die festen Redox-Partikel und die eingebetteten elektrischen Leiter nur benetzen.Solid, insoluble redox resins require a special embodiment of the process. You need a redox mediator in order to be able to exchange the electrons with the electrical conductors that are in contact with the outer conductive flow channel walls. The relevant redox monomer dissolved in a solvent can serve for this purpose. For example, when the electron exchange resins were first synthesized, the redox potential of the solid redox resin was measured [G. Manecke, Z.EI.Ch, 57, 89-94 (1953)]. This mediator solution only needs to wet the solid redox particles and the embedded electrical conductors.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrochemisch an das Haupt-Redox-System angepassten Redox-System in Anolyt und Katholyt diese Elektronen-„Shuttle“-Aufgabe übernehmen. Dann werden erfindungsgemäß die Fließkanal-Wandungen elektrisch leitend, aber porös verwendet, mit Porengrößen, die kleiner sind als die Durchmesser der kleinsten Redox-Polymer-Harze. Diese Ausführungsform der bi-polaren inneren Elektrolyse benötigt auch voneinander isolierte Bereiche der elektrisch leitfähigen Fließkanal-Wandungen, um eine schichtenweise Regeneration senkrecht zur Fließrichtung zu garantieren. aber keine zusätzliche Elektrolytbrücke. Dies ist ein konstruktiver Vorteil.It is particularly advantageous if the redox systems in the anolyte and catholyte, which are electrochemically adapted to the main redox system, take on this electron “shuttle” task. Then, according to the invention, the flow channel walls are used in an electrically conductive but porous manner, with pore sizes that are smaller than the diameters of the smallest redox polymer resins. This embodiment of the bi-polar internal electrolysis also requires areas of the electrically conductive flow channel walls that are insulated from one another in order to guarantee layered regeneration perpendicular to the direction of flow. but no additional electrolyte bridge. This is a constructive advantage.
Ähnlich vorteilhafte Ausführungsformen sind bei den gelösten Redox-Polymeren als Haupt-Redox-System möglich, wenn als Fließkanal neuartige, elektronisch leitfähige Größenausschluss-Membran-Schläuche verwendet werden, die durch kleine elektrisch isolierende Bereiche im Millimeter-Bereich durch die Vorratstanks geführt werden. Hier können als Anolyt und Katholyt die mit dem betreffenden Haupt-Redox-System identischen Polymere in einer wesentlich verdünnteren Lösung verwendet werden. Auf längere Sicht gesehen, ist es besser bei höherer Stromstärke Abnahme die Kollektor-Elektroden-Oberflächen in der Batterie größer auszulegen, als eine Viskositätszunahme bei Konzentrationserhöhung in Kauf zu nehmen. Diese Bauweise der Regenerationsvorrichtung hat auch den konstruktiven Vorteil. fertigungstechnisch keine separaten Größenausschluss-Membranen einbauen zu müssen. Allerdings muss durch einen Zusatz von nicht redox-aktiven Salzen in Anolyt und Katholyt eine gleiche Osmolarität wie die vom betreffenden Haupt-Redox-System eingestellt werden.Similarly advantageous embodiments are possible with the dissolved redox polymers as the main redox system if novel, electronically conductive size exclusion membrane hoses are used as the flow channel, which are guided through the storage tanks through small electrically insulating areas in the millimeter range. Here, the polymers identical to the relevant main redox system can be used as anolyte and catholyte in a much more dilute solution. In the longer term, it is better to design the collector-electrode surfaces in the battery larger when the current decreases more than to accept an increase in viscosity when the concentration increases. This construction of the regeneration device also has the structural advantage. no need to install separate size exclusion membranes in terms of production technology. However, by adding non-redox-active salts to the anolyte and catholyte, the same osmolarity must be set as that of the relevant main redox system.
Durch Variation der Oberflächen der elektronischen Leiter außerhalb der Strömungskanäle werden die unterschiedlichen Diffusions- und Kinetik-bedingten Limitationen empirisch angepasst. So kann beispielsweise eine unterschiedliche elektrochemische Phasengrenz-Kinetik und ein unterschiedliches Stofftransport-Verhalten der Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt mit dem betreffenden Haupt-Redox-System im Vorratstank durch entsprechend größerer Oberflächen der äußeren Elektronen-Leiter kompensiert werden. Der Vorratstank muss dabei nicht immer eine säulen- oder tonnenähnliche Form aufweisen; je nach Einsatz-Ort sind auch rechteckige, flache Tanks z.B. vor Raumwänden möglich. Durch eine konstruktive Parallelität von vielen Anolyt und Katholyt Fließkanälen mit anschließender Vereinigung zum Transport durch die stromerzeugenden elektrochemischen Batterie-Zellen (s.
Erfindungsgemäß ergibt sich demnach für den Aufbau der betreffenden Elektronenaustauscher-Säule auf Basis von Redox-Polymer-Harzen eine elektrochemische Anordnung wie folgt: Haupt-Redox-Elektrolyt in unlöslicher Harz-Form / flüssiger, stationärer Redox-Mediator / fester elektronische Leiter (leitfähige Fließkanal-Wandung) / Anolyt bzw. Katholyt im Fließkanal. Bei flüssigen oder hochviskosen Haupt-Redox-Systemen entfällt ein zusätzlich flüssiger Mediator. Vorteilhaft ist für die Fließkanäle die Verwendung von bekannten elektrisch leitfähigen Schläuchen, z.B. Kunststoff-Schläuche, deren Wandungen elektrisch leitende Teilchen enthalten, z. B. in der Form, dass die ihre Wandungen bildenden Gummimischungen Rußpulver oder eingemischte Kohlenstoff-Kurzfasern enthalten oder Schläuche, in deren Wandungen metallische Leiter, wie Metallfäden, -drähte oder -litzen, eingearbeitet sind [G. Batrinescu, L. A. Constantin, A. Cuciureanu, M. A. Constantin „Conductive Polymer-Based Membranes“, InTech http://dx.doi.org/10.5772/63560]. Besonders gute elektrische Leitfähigkeit erhält man durch die Einarbeitung moderner reißfester Kohlenstoff-Fäden, die teilweise eine mit Kupfer vergleichbare elektrische Leitfähigkeit aufweisen (
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist ferner, dass alle übrigen Bauteile einer herkömmlichen Redox-Flow-Batterie (elektrochemische Durchfluss-Zelle oder Zellen- „Stacks“) sowie der Umpump-Mechanismus und die Art der verwendeten chemischen Spezies) nicht von einer Speicher-Kapazitätserhöhung betroffen sein müssen, die Erfindung also eine Ergänzung bzw. Kapazitätserweiterung bekannter Redox-Flow-Batterien darstellen kann. Dies ist ohne Verunreinigung von Anolyt und Katholyt möglich, wenn letztere bei der Durchleitung durch die Säule mit den Haupt-Redox-Systemen außer dem Austausch von Elektronen über die elektrisch leitfähigen Fließkanal-Wandungen und dem Austausch nicht-redox-aktiver Ionen durch eine ionenselektive Elektrolytbrücke keinen stofflichen Kontakt haben.Another advantage of this invention is that all other components of a conventional redox flow battery (electrochemical flow cell or cell "stacks") as well as the pumping mechanism and the type of chemical species used) are not affected by a storage capacity increase must be affected, so the invention can represent an addition or capacity expansion of known redox flow batteries. This is possible without contamination of the anolyte and catholyte if the latter, while passing through the column, contains the main redox systems other than the exchange of electrons across the electrically conductive flow channel walls and the exchange of non-redox-active ions through an ion-selective electrolyte bridge have no physical contact.
Eine besondere wirtschaftliche Bedeutung kommt der Erfindung dadurch zu, dass sie den Grundstock für ein völlig neues Geschäftsmodell legt, wenn die erfindungsgemäßen, neuartigen Vorratstanks elektrochemisch bezüglich des Standard-Redox-Potentials der jeweils verwendeten energiedichten, organischen Haupt-Redox-Systeme an vorhandene Redox-Flow-Batterien unterschiedlichster Stoff-Basis angepasst werden. Der Hersteller dieser neuartigen „elektrochemischen in-situ Regeneratoren“ von Anolyt- und Katholyt-Lösung herkömmlicher Redox-Flow-Batterien kann sich voll auf die Optimierung der angeschlossenen, neuartig konstruierten Vorratstanks, gefüllt mit neuartigen Redox-Systemen hoher Energiedichte, konzentrieren. Durch die erfindungsgemäße, weitestgehende stoffliche Trennung von der Chemie der betreffenden herkömmlichen Redox-Flow-Batterie, bieten sich bedeutend mehr konstruktive Freiheiten an. Probleme mit der speziellen Elektrochemie der Anolyt- und Katholyt-Lösungen (jetzt als Redox-Mediatoren wirkend) in den elektrochemischen Durchfluss-Zellen-Stacks werden verhindert, da Anolyt- und Katholyt nicht durch Fremdstoffe verunreinigt werden. Die konstruktive Aufgabe beschränkt sich darauf, zu sorgen, dass die betreffenden, unterschiedlichsten Anolyten und Katholyten bei einer vorgegebenen Konzentration die erfindungsgemäße Regenerations-Einheit bis zur endgültigen Entladung (quantitativer Umsatz der gesamten Haupt-Redox-System Menge) oder Aufladung dieser Einheit entweder im Zustand vollgeladen oder vollentladen verlassen, bevor sie durch die Batteriezellen geleitet werden. Dies kann durch die Kontaktzeit der betreffenden Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt mit dem elektrochemisch korrespondierendem Haupt-Redox-System in der Regenerations-Einheit leicht reguliert werden. Der neuartige apparative Aufbau der Vorratstanks ermöglicht wegen der Möglichkeit einer kompletten stofflichen Trennung auch Kombinationen von anorganischen mit organischen Redox-Systemen, was vorher schwer möglich war.The invention is of particular economic importance because it lays the foundation for a completely new business model when the novel storage tanks according to the invention are electrochemically connected to existing redox systems with regard to the standard redox potential of the energy-dense, organic main redox systems used. Flow batteries can be adapted to a wide variety of material bases. The manufacturer of these new "electrochemical in-situ regenerators" of anolyte and catholyte solution from conventional redox flow batteries can concentrate fully on optimizing the connected, newly designed storage tanks, filled with new redox systems with high energy density. The material separation from the chemistry of the conventional redox flow battery in question, which is as extensive as possible according to the invention, offers significantly more design freedom. Problems with the specific electrochemistry of the anolyte and catholyte solutions (now acting as redox mediators) in the electrochemical flow cell stacks are avoided since the anolyte and catholyte are not contaminated by foreign matter. The design task is limited to ensuring that the various anolytes and catholytes in question at a given concentration, the regeneration unit according to the invention until the final discharge (quantitative conversion of the entire main redox system amount) or charging of this unit either in the state fully charged or fully discharged before passing through the battery cells. This can easily be regulated by the contact time of the relevant redox systems in anolyte and catholyte with the electrochemically corresponding main redox system in the regeneration unit. Due to the possibility of a complete material separation, the novel apparatus structure of the storage tanks also enables combinations of inorganic and organic redox systems, which was previously difficult to achieve.
Ein Regenerationsverhalten analog der Arbeitsweise von lonen-Austauscher-Säulen erreicht man dadurch, dass die elektrochemische Redox-Reaktion des Anolyten und Katholyten mit dem elektrochemisch korrespondierenden Haupt-Redox-System nur innerhalb einer örtlich begrenzten Ausdehnung im Haupt-Redox-System, bevorzugt senkrecht zur Fließrichtung von Anolyt und Katholyt (schichtenförmig) erfolgt. Dazu dienen die voneinander elektrisch isolierten Fließkanal-Wandungsbereiche ebenso wie eine bevorzugte Ausrichtung der äußeren elektrischen Leiter senkrecht zu Fließrichtung und gegebenenfalls zusätzliche isolierende Zwischenwände in den Haupt-Redox-Systemen (s.
Das Ziel, Regenerationsvorrichtungen für beliebige Redox-Flow-Batterien unterschiedlichster stofflicher Elektrochemie zu fertigen, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein nennenswerter direkter stofflicher (molekularer) Kontakt zwischen den in Anolyt und Katholyt enthaltenen Redox-Systemen und den betreffenden elektrochemisch angepassten Haupt-Redox-Systemen in den Vorratstanks weitgehend vermieden wird und vorzugsweise nur ein elektronischer Kontakt (Elektronen-Shuttle) über die elektrisch leitfähigen Fließkanal-Wandungen ermöglicht wird. Erst durch diese innovativen, konstruktiven, apparativen Maßnahmen können solche Mediator- (oder Redox-Shuttle-) gestützten Redox-Flow-Batterien in der Praxis ohne enorme Pump-Energie-Verluste eingesetzt werden. Neben diesem entscheidenden, Effizienz-steigerndem, hydraulischem Vorteil, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weitere technologische Vorteile auf, die weiter unten erläutert werden.The aim of producing regeneration devices for any redox flow batteries with a wide variety of material electrochemistry is achieved according to the invention in that there is significant direct material (molecular) contact between the redox systems contained in the anolyte and catholyte and the relevant electrochemically adapted main redox Systems in the storage tanks is largely avoided and preferably only electronic contact (electron shuttle) is enabled via the electrically conductive flow channel walls. Only through these innovative, constructive, technical measures can such mediator (or redox shuttle) supported redox flow batteries be used in practice without enormous pumping energy losses. In addition to this decisive, efficiency-increasing, hydraulic advantage, the device according to the invention has further technological advantages, which are explained further below.
Die vorliegende Erfindung beschreibt oder bevorzugt keine bestimmte Redox-Flow-Batterie-Art (auf rein anorganischer, metall-organischer oder rein organischer Redox-System-Basis). Die hier offenbarte Anordnung schafft Vorteile für alle bisher beschriebenen Redox-Flow-Batterien unabhängig von der jeweils angewandten Redox-Chemie. Sie ist auch unabhängig von der Art der elektrochemischen Durchfluss-Zelle. Die große Anwendungsbreite ist konstruktionsmäßig von Vorteil, weil dann in größeren Stückzahlen und modular gefertigt werden kann (s.
Zusammenfassung: Die vorliegende Erfindung vermeidet also alle bekannten, oben näher erwähnten, Nachteile klassischer Redox-Flow-Batterien und weist demgegenüber folgende Vorteile auf:
- a) drastische Erhöhung der Energiedichte (Faktor > 10) in den Haupt-Redox-Elektrolyt-Reservoirs (hier Elektronenaustauscher-Säulen auf Basis von Redox-Polymeren in fester, unlöslicher Harz-Form oder gelöst in Form von hochviskosen Lösungen), verglichen zum Stand der Technik bei Redox-Flow-Batterien;
- b) stabile Batterie-Klemm-Spannung im Verlauf des Entlade-Vorgangs und bei der Wiederaufladung durch Einhaltung von Bedingungen analog denen von lonen-Austauscher-Säulen in der Regenerationsvorrichtung;
- c) Trennung der wichtigen elektrochemischen Elektroden-Kinetik (Austauschstromdichte pro Kollektor-Elektroden-Oberfläche) von den elektrochemisch-stofflichen Eigenschaften der Haupt-Redox-Systemen, die die Energiedichte bestimmen;
- d) Weitgehende Vermeidung eines direkten stofflichen Kontaktes - falls nötig - von Anolyt und Katholyt mit dem Speicher-Kapazitäts-liefernden Haupt-RedoxSystemen in den speziellen Vorratsbehältern, was den konstruktiven und planerischen Spielraum erhöht;
- e) Ermöglichung von nicht-wässrigen Anolyten und Katholyten zur Erzielung höherer Klemm-Spannungen (Leistungen) bei verminderter Verwendung brennbarer organischer Lösungsmittel nur für die klein-volumigen Mediator-Kreisflüsse niedriger Viskosität, während als Hauptspeicher Lösungsmittel in den Vorratstanks ein organisches, schwer entflammbares, hoch-viskoses verwendet werden kann;
- f) Einfache Ermöglichung eines Wechsels der Lösungsmittel (wässrig - nichtwässrig oder umgekehrt) für den Anolyt und Katholyt-Kreislauf und die Haupt-Redox-Systeme;
- g) Eine direkte molekulare, stoffliche Trennung der Reaktionspartner in der Regenerationssäule ermöglicht Elektronenaustauscher-Säulen, die bei völlig unterschiedlichen pH-Werten arbeiten, was die Verwendung ein und derselben Redox-Verbindung - pH-mäßig auf das optimale Standard-Redox-Potential eingestellt - in Anolyt- und Katholyt-Tank ermöglicht;
- h) Basis einer neuen Geschäftsidee als in situ Anolyt - und Katholyt - Regenerator bei vielen klassischen Redox-Flow-Batterien unterschiedlichster Elektrochemie (Redox-Systeme) mit dem Vorzug: höhere Energiedichte, modulare Bauweise mit leichter Veränderung der Speicher-Kapazität;
- i) Die Kosten für die Chemikalien fallen weniger ins Gewicht, weil das Volumen der umgepumpten Anolyt- und Katholyt-Lösungen und die darin gelöste Menge an elektrochemisch besonders reversiblen Redoxsystemen nur einen kleinen Bruchteil (ca. 1/10
bis 1/100.000) der bisher in den Vorratsbehältern gespeicherten Redox-Chemikalien ausmacht. Als Anolyt und Katholyt Redox-Systeme können daher auch teurere anorganische Übergangsmetalle, metallorganische Verbindungen (wie beispielsweise Ferrocen) mit hoher Austauschstromdichte an den Kollektor-Elektroden Einsatz finden. Auch können Edelmetalle bei den Kollektor-Elektroden in der Durchfluss-Zelle verwendet werden, wenn die Mediatorlösung insgesamt nicht aggressiv ist und Membran und Zelle nicht angegriffen wird; - j) Bei den großen Mengen an Haupt-Redox-Systemen in den Vorratstanks (Elektronenaustauscher-Säulen) hat der organische Chemiker eine große Freiheit, nach besonders preiswerten und stabilen Verbindungen mit maximal unterschiedlichem Standard-Redox-Potential zu suchen und die Frage einer ausreichenden Elektrodenkinetik weniger Bedeutung zuzumessen, da die größere Oberfläche der elektrischen Leiter in Kontakt mit den elektrisch leitfähigen äußeren Fließkanal-Wandungen im Vergleich zur elektrochemisch aktiven inneren Fließkanal-Oberfläche in dieser Hinsicht kompensierend wirkt.
- a) Drastic increase in energy density (factor > 10) in the main redox electrolyte reservoirs (here electron exchange columns based on redox polymers in solid, insoluble resin form or dissolved in the form of highly viscous solutions) compared to the status quo the technology of redox flow batteries;
- b) stable battery terminal voltage during the discharging process and during recharging by maintaining conditions analogous to those of ion exchange columns in the regeneration device;
- c) Separation of the important electrochemical electrode kinetics (exchange current density per collector-electrode surface) from the electrochemical-material properties of the main redox systems, which determine the energy density;
- d) Extensive avoidance of direct material contact - if necessary - of anolyte and catholyte with the storage capacity-delivering main redox systems in the special storage tanks, which increases the constructive and planning scope;
- e) Enabling non-aqueous anolytes and catholytes to achieve higher clamping voltages (powers) with reduced use of flammable organic solvents only for the small-volume, low-viscosity mediator circuit flows, while the main storage solvent in the storage tanks is an organic, flame-retardant, high-viscosity can be used;
- f) Easily enabling a change of solvents (aqueous - non-aqueous or vice versa) for the anolyte and catholyte circuit and the main redox systems;
- g) A direct molecular, material separation of the reaction partners in the regeneration column enables electron exchange columns that work at completely different pH values, which means that one and the same redox compound can be used - pH-wise adjusted to the optimal standard redox potential - Allowed in anolyte and catholyte tank;
- h) Basis of a new business idea as an in situ anolyte - and catholyte - regenerator for many classic redox flow batteries of different electrochemistry (redox systems) with the advantage: higher energy density, modular design with easy change of the storage capacity;
- i) The costs for the chemicals are less significant because the volume of the anolyte and catholyte solutions pumped around and the amount of electrochemically particularly reversible redox systems dissolved therein is only a small fraction (approx. 1/10 to 1/100,000) of the previously redox chemicals stored in the reservoirs. Expensive inorganic transition metals and organometallic compounds (such as ferrocene, for example) with a high exchange current density at the collector electrodes can therefore also be used as anolyte and catholyte redox systems. Precious metals can also be used for the collector electrodes in the flow cell if the mediator solution is not aggressive overall and the membrane and cell are not attacked;
- j) With the large amounts of main redox systems in the storage tanks (electron exchange columns), the organic chemist has a great deal of freedom to look for particularly inexpensive and stable compounds with a maximum of different standard redox potentials and the question of sufficient electrode kinetics less importance, since the larger surface area of the electrical conductors in contact with the electrically conductive outer flow channel walls compared to the electrochemically active inner flow channel surface has a compensating effect in this respect.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich bei einer Umsetzung des in
Sollen die Überspannungen gegen Ende der Kapazität der Haupt-Redox-Systeme nicht so schnell zusammenbrechen, werden die zum Anolyten und Katholyten passenden Haupt-Redox-Systeme beim Anolyten so ausgewählt, dass einmal ihr Standard-Redox-Potential negativer als das des V(2/3) Systems und das für die Regeneration des Katholyten positiver liegt. Die betreffenden Standard-Redox-Potentiale der beiden Haupt-Redox-Systeme sind für diesen Fall in
Die folgenden Beispiele sollen nur das erfindungsgemäße neuartige Prinzip der bipolaren inneren Elektrolyse verdeutlichen. Das Prinzip zusammen mit der Vorgabe einer chromatographischen Arbeitsweise (bzw. analog einer Ionenaustauscher Säule) kann in den verschiedensten Fließkanal Führungen durch das Reservoir mit dem Haupt-Redox-System und Formen verwirklicht werden. Alle Variationsmöglichkeiten können hier nicht komplett aufgeführt werden. Wegen der technischen Neuheit der bi-polaren inneren Elektrolyse sollen das Prinzip sowie erste Mess-Ergebnisse in den folgenden Beispielen auch näher beschrieben werden.The following examples are only intended to illustrate the novel principle of bipolar internal electrolysis according to the invention. The principle together with the specification of a chromatographic working method (or analogous to an ion exchange column) can be implemented in a wide variety of flow channel guides through the reservoir with the main redox system and shapes. All possible variations cannot be fully listed here. Due to the technical novelty of the bi-polar internal electrolysis, the principle and the first measurement results should also be described in more detail in the following examples.
Beispiel 1: Beschreibung des Prinzips „Innere Elektrolyse“Example 1: Description of the "internal electrolysis" principle
Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Regenerations-Vorrichtung soll mit Hilfe eines historischen Versuchsaufbau zur „Inneren Elektrolyse“ in
Der historische Versuchsaufbau von
In diesem Versuchsaufbau wurde dazu anstelle einer Zinksulfat-Lösung im inneren Kompartment (4) ein lösliches Redox-System, hier eine schwefelsaure Eisen(II)sulfat-Lösung (0,01 M) eingefüllt. Eine solche Lösung könnte z.B. der komplett entladene Redox-Elektrolyt eines Eisen(lll)sulfat Elektrolyten, der in einer Fe-Ti- oder Fe-Cr-Redox-Flow-Batterie benutzt wird, um Ti(III)sulfat zu Ti(IV)sulfat bzw. Cr(ll) zu Cr(III) zu oxidieren, darstellen. Das Eisen(III) wird bei diesen speziellen Redox-Flow-Batterie Arten in der elektrochemischen Durchflusszelle zum zweiwertigen reduziert. Um letzteres wieder zum dreiwertigen Eisen mittels eines geeigneten Redox-Systems zu oxidieren, wurde in der Vorrichtung von
Beispiel 2: Innere Elektrolyse mit bipolaren ElektrodenExample 2: Internal electrolysis with bipolar electrodes
Im Versuchsaufbau der
Beispiel 3: Primäre Redox-Mediatoren und Haupt-Redox-Systeme in VorratsbehälternExample 3: Primary redox mediators and main redox systems in reservoirs
Optimal ist es, wenn die äußere Oberfläche, der mit der leitfähigen Fließkanal-Wandung in elektrischem Kontakt stehende Leiter-Oberfläche dieses Stromdichte-Verhältnis widerspiegelt, die äußere Oberfläche also um dieses Verhältnis größer ist als die korrespondierende innere Oberfläche in dem betrachteten Fließkanal-Abschnitt.It is optimal if the outer surface of the conductor surface in electrical contact with the conductive flow channel wall reflects this current density ratio, i.e. the outer surface is larger by this ratio than the corresponding inner surface in the flow channel section under consideration.
Ein Fachmann/frau wird leicht noch weitere Möglichkeiten verwirklichen können, die geeignet sind, senkrecht zur Fließrichtung von Anolyt und Katholyt eine große Oberfläche aus einem leitfähigen Material herzustellen, das in einem innigen stofflichen Kontakt mit dem Haupt-Redox-System (in Harz- oder Flüssigkeitsform) steht. Beispiele können sein: Graphitgewebe, Graphitfilz, Graphen-basierende fester Leiter (ideal, wenn bei anisotropen Leitern die beste Leitfähigkeit senkrecht zur Fließrichtung platziert wird), Carbon-Nanotubes (CNT) mit extrem großer Oberfläche und ähnliche Materialien, wie z.B. „Polymers of intrinsic microporosity (oder PIMs)“ [https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/ acs.analchem.0c04554&ref=pdf]. Letztere stellen poröse Materialien mit einer verzerrten und starren makromolekularen Struktur. Sie erlauben robuste mikroporöse Beschichtungen mit sehr großer Oberfläche. Bei einem typischen Mikroporengrößenbereich von etwa 1 Nanometer können sie eine zugängliche Oberfläche von 700-1000 m2/g ergeben. Auch mehrschichtiges Graphen (MLG) weist hervorragende Eigenschaften auf, wie hohe elektrische / thermische Leitfähigkeiten und eine Stromtragfähigkeit, die die von Kupfer übersteigt [H. Murata, Y. Nakajima, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, K. Toko „High-Electrical-Conductivity Multilayer Graphene Formed by Layer Exchange with Controlled Thickness and Interlayer“, http://www.nature.com/scientificreports, (2019) 9:4068 [https://doi.org/10.1038/s41598-019-40547-0].A person skilled in the art will easily be able to implement other possibilities that are suitable for producing a large surface perpendicular to the direction of flow of anolyte and catholyte from a conductive material that is in intimate material contact with the main redox system (in resin or liquid form). Examples can be: Graphite fabric, graphite felt, graphene-based solid conductors (ideal when placing the best conductivity perpendicular to the flow direction for anisotropic conductors), carbon nanotubes (CNT) with extremely large surface area and similar materials, such as “polymers of intrinsic microporosity (or PIMs)” [https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acs.analchem.0c04554&ref=pdf]. The latter represent porous materials with a distorted and rigid macromolecular structure. They allow robust microporous coatings with a very large surface. With a typical micropore size range of about 1 nanometer, they can give an accessible surface area of 700-1000 m 2 /g. Multilayer graphene (MLG) also has excellent properties, such as high electrical/thermal conductivity and a current-carrying capacity that exceeds that of copper [H. Murata, Y Nakajima, N Saitoh, N Yoshizawa, T Suemasu, K Toko "High-Electrical-Conductivity Multilayer Graphene Formed by Layer Exchange with Controlled Thickness and Interlayer", http://www.nature.com/ scientific reports, (2019) 9:4068 [https://doi.org/10.1038/s41598-019-40547-0].
Vorteilhaft für eine Arbeitsweise analog zu einer lonen-Austauscher-Säule mit örtlich fortschreitender Umwandlung (Regeneration von Anolyt und Katholyt) ist, wenn der Redox-Umsatz bevorzugt zunächst schichtenförmig und senkrecht zur Fließrichtung stattfindet. Dieser Anspruch verlangt eine elektrische Unterbrechung der elektronisch leitenden Fließkanal-Wandungen, um eine zu große nachteilige Äquipotentialfläche zu vermeiden. Vorteilhafterweise werden die leitfähigen Wandungsbereiche in Fließrichtung länger, um der Konzentrationsverarmung der betreffenden Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt entgegen zu wirken. Zur Unterstützung dieser Anforderung kann es auch notwendig werden, elektrisch isolierende Trennwände senkrecht zur Fließrichtung von Anolyt und Katholyt anzubringen. Die Fließkanäle für Anolyt und Katholyt können auch andere Formen haben, um die Durchfluss-Strecke durch das Haupt-Redox-System zu verlängern und gleichzeitig mit einer maximalen Menge an Haupt-Redox-System in Kontakt zu treten. So können sie beispielsweise auch schlangen-, spiral- (s.
Je nach der Art der Haupt-Redox-Systeme werden unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewählt. Bei festen, unlöslichen Elektronenaustauscher-Harzen wird vorzugsweise eine kleine Menge des elektrochemisch korrespondierenden Anolyten oder Katholyten als Elektronen-Zwischen-Überträger zwischen fester Harz-Oberfläche und den benachbarten elektrischen Leitern verwendet. In diesem Fall können die Anolyt und Katholyt Strömungskanäle auch porös sein. Dann entfällt die Verwendung spezieller ionenleitender Stromschlüssel zwischen beiden Kompartimenten (innerhalb und außerhalb der Strömungskanäle). Bei den festen Redox-Harzen können auch die entsprechenden monomere Redox-Systeme als Anolyt und Katholyt Lösung verwendet werden.Depending on the nature of the main redox systems, different versions of the device according to the invention are selected. In the case of solid, insoluble electron exchange resins, a small amount of the electrochemically corresponding anolyte or catholyte is preferably used as an electron intermediate carrier between the solid resin surface and the adjacent electrical conductors. In this case, the anolyte and catholyte flow channels can also be porous. Then there is no need to use special ion-conducting current keys between the two compartments (inside and outside the flow channels). In the case of the solid redox resins, the corresponding monomeric redox systems can also be used as anolyte and catholyte solution.
Wenn als Haupt-Redox-Systeme polymere und hochviskose organische Redox-Systeme verwendet werden, dürfen die Anolyt- und Katholyt-Fließkanäle nicht porös und für alle gelösten Stoffe durchgängig sein. Hier erfolgt eine stoffliche Trennung dieser Mediator-Redox-Systeme von den betreffenden Haupt-Redox-Systemen analog, wie in der elektrochemischen Durchflusszelle entweder mit elektrolytischen Stromschlüssel (s.
Die Membran-basierenden Stromschlüssel sind bei Anordnungen nach
Je Bedarf können das Volumen der Elektronenaustauscher-Säule, welche die Gesamt-Speicher-Kapazität bestimmt, sowie die Anzahl und Durchmesser der Mediator-Kanäle gestaltet werden. Die im Haupt-Redox-System zusätzlich einzubringen elektronischen Leiter mit Kontakt zu den Fließkanal-Außenwänden sind der Übersichtlichkeit wegen (und der Vielzahl von naheliegenden Möglichkeiten) nur schematisch und beispielhaft für einen Mediatorkanal in
Eine elektrochemisch klassische Elektrolytbrücke zwischen Anolyt bzw. Katholyt und korrespondierendem Haupt-Redox-System ist ebenfalls der Übersichtlichkeit wegen in
Beispiel 4: Verwendung von mehreren Redox-Systemen im Anolyt bzw. Katholyt -KreisflussExample 4: Use of several redox systems in the anolyte or catholyte cycle
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauweise von Mediator-gestützten Redox-Flow-Batterien ist die Möglichkeit einer Regeneration von Anolyt und Katholyt ohne, dass dabei die elektrochemisch korrespondierenden Haupt-Redox-Systeme die erstgenannten chemisch verunreinigen. Um die Wiederaufladung der Haupt-Redox-Systeme durch die elektrochemisch angepassten (gleiches Standard-Redox-Potential) Redox-Systeme von Anolyt und Katholyt quantitativer und schneller zu gestalten, wird jedem von beiden ein weiteres sog. Hilfs-Redox-System mit einem negativeren bzw. positiveren Standard-Redox-Potential als das des betreffenden Haupt-Redox-Systems zugefügt. Vom Hilfs-Redox-System reichen bereits kleine Mengen (z.B. 10 % der jeweils primären Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt) aus.A particular advantage of the construction of mediator-supported redox flow batteries according to the invention is the possibility of regeneration of anolyte and catholyte without the electrochemically corresponding main redox systems chemically contaminating the former. In order to make the recharging of the main redox systems more quantitative and faster through the electrochemically adapted (same standard redox potential) redox systems of anolyte and catholyte, each of them is equipped with another so-called auxiliary redox system with a more negative one or more positive standard redox potential than that of the relevant main redox system. Small amounts of the auxiliary redox system (e.g. 10% of the respective primary redox systems in anolyte and catholyte) are sufficient.
Beispielhaft soll hier eine Titan/Eisen Redox-Flow-Batterie in einem stark sauren Elektrolyten betrachtet werden. Bei dieser Batterie reduzieren die dreiwertig positiven Titanium-Ionen die dreiwertig positiven Eisen-Ionen in der elektrochemischen Durchfluss-Zelle zu zweiwertig positiven Eisen-Ionen und werden dabei selbst zu vierwertig positiven Titanium-Ionen (hier vereinfacht unter Vernachlässigung der Wasser-Koordination) oxidiert. Die chemische Reaktion skizziert folgende Gleichung:
Bei einer regenerationsfähigen Version dieser Redox-Kombination wird eine Fe(III)-Lösung und eine Ti(III)-Lösung durch die Batterie-Zellen geleitet, wo das dreiwertige Eisen zu Fe(ll) reduziert und das dreiwertige Titan zu Ti(IV) unter Stromlieferung oxidiert wird. Nach dem Durchströmen der elektrochemischen Durchfluss-Zellen wird das vierwertige Titan (Ti4+-Ionen) und das zweiwertige Eisen (Fe2+- Ionen) unterschiedlichen, erfindungsgemäßen Regenerations-Säulen zugefügt.In a regenerative version of this redox combination, a Fe(III) solution and a Ti(III) solution are passed through the battery cells where the ferric iron is reduced to Fe(II) and the ferric titanium to Ti(IV). is oxidized under power supply. After flowing through the electrochemical flow cells, the tetravalent titanium (Ti 4+ ions) and the divalent iron (Fe 2+ ions) are added to different regeneration columns according to the invention.
In diesem Beispiel besteht in einer bestimmten Ausführungsform die Regenerationssäule (Haupt-Redox-System) aus einem organischen Elektronenaustauscher-Harz, das bezüglich seiner elektrochemischen Eigenschaften dem Ti4+/Ti3+ Standard-Redox-Potential angepasst ist, was synthetisch leicht möglich ist. Im geladenen Zustand entspricht das Redox-Potential dieser Austauscher-Säule dem einer reinen Ti3+-Ionen Lösung, die - im Überschuss angewandt - die durchströmenden Ti4+- Ionen im elektrochemischen Gleichgewicht wieder zu Ti3+- Ionen reduziert und damit regeneriert. Analoge gilt für das aus den elektrochemischen Durchflusszellen austretende zweiwertige Eisen. Die Fe2+- Ionen werden ebenfalls beim Durchströmen eines entsprechenden Redox-Austauscher-Harzes mit dem Standard-Redox-Potential des Fe3+/Fe2+- Systems wieder zum dreiwertigen Eisen (Fe3+- Ionen) aufoxidiert und stehen zur erneuten Energiegewinnung zur Verfügung.In this example, in a specific embodiment, the regeneration column (main redox system) consists of an organic electron exchange resin, which is matched in terms of its electrochemical properties to the Ti 4+ /Ti 3+ standard redox potential, which is synthetically easily possible . In the charged state, the redox potential of this exchange column corresponds to that of a pure Ti 3+ ion solution, which - if used in excess - reduces the Ti 4+ ions flowing through to Ti 3+ ions in electrochemical equilibrium and thus regenerates them. The same applies to the divalent iron emerging from the electrochemical flow cells. The Fe 2+ ions are also oxidized back to trivalent iron (Fe 3+ ions) when flowing through a corresponding redox exchange resin with the standard redox potential of the Fe 3+ /Fe 2+ system and are available again energy generation available.
Im vorliegenden Beispiel (bei festen, unlöslichen Elektronenaustauscher-Harzen) müssen Anolyt bzw. Katholyt nicht stofflich von den betreffenden elektrochemisch angepassten Haupt-Redox-System getrennt werden. Eine poröse elektrisch leitfähige Fließkanal-Leitung mit isolierten Abschnitten genügt. Die Anolyt bzw. Katholyt Elektrolyte benetzen die stationär zusammen mit elektrischen Leitern geschichteten Elektronenaustauscher-Harze und ermöglichen dort den Elektronen-Transfer zwischen Redox-Polymer-Harz über die elektrischen Leiter zur äußeren Fließkanal-Wandung. Wie in
Um die Anolyt und Katholyt Regeneration quantitativer ablaufen zu lassen, ist es vorteilhaft, weitere sogenannte Hilfs-Redox-Systeme mit jeweils einem negativerem und einem positiveren Standard-Redox-Potential, als das betreffende primäre Anolyt bzw. Katholyt Redox-System aufweist, zuzufügen. Im vorliegenden Beispiel wird dem Ti4+/Ti3+- System eine kleine Menge einer Cr3+- Verbindung und dem Fe3+/Fe2*- System eine kleine Menge einer Ce3+- Verbindung zugesetzt. Die Zugesetzte Menge kann zwischen 1 % und maximal gesättigt liegen. Im Wiederauflade-Vorgang der beiden Haupt-Redox-Systeme (Redox-AustauscherHarze) werden in den elektrochemischen Durchfluss-Zellen, wenn das Redox-System des primären Anolyten oder Katholyten nahezu quantitativ wieder in ihren geladenen Zustand überführt wurden und beim galvanostatischen Ladevorgang die Gefahr einer unerwünschten Wasserelektrolyse auftritt die Hilfs-Redox-Systeme zuvor elektrochemisch umgesetzt. Aus der dreiwertigen ChromVerbindung wird eine Cr(II)-Verbindung, die ihrerseits ein negativeres Redox-Potential als das des fast vollständig geladenen korrespondierenden Haupt-Redox-System aufweist. Sie sorgt bei Durchströmen wegen der Kompensation von Durchtritts- und Konzentrations-Überspannungen zu einer quantitativeren Regeneration der Elektronen-Austauscher-Säule. Analog wirkt das dreiwertige Cer, dass beim Durchfluss durch die Batteriezellen beim Wiederaufladen nach der quantitativen Oxidation der zweiwertigen Eisen-Ionen zum Fe(III) zu Ce(IV) oxidiert wird, welches beim Durchströmen der korrespondierenden Regenerationssäule dieses Haupt-Redox-System quantitativ regeneriert (wieder auflädt).In order to allow the anolyte and catholyte regeneration to proceed more quantitatively, it is advantageous to add other so-called auxiliary redox systems, each with a more negative and a more positive standard redox potential than the primary anolyte or catholyte redox system in question has. In the present example, a small amount of a Cr 3+ compound is added to the Ti 4+ /Ti 3+ system and a small amount of a Ce 3+ compound is added to the Fe 3+ /Fe 2* system. The added amount can be between 1% and maximum saturated. In the recharging process of the two main redox systems (redox exchanger resins) in the electrochemical flow cells, when the redox system of the primary anolyte or catholyte has been almost quantitatively returned to their charged state and during the galvanostatic charging process, there is a risk of a unwanted water electrolysis occurs in the auxiliary redox systems previously electrochemically converted. The trivalent chromium compound becomes a Cr(II) compound, which in turn has a more negative redox potential than that of the almost completely charged corresponding main redox system. It ensures a more quantitative regeneration of the electron exchange column during flow-through because of the compensation of flow-through and concentration overvoltages. The trivalent cerium has a similar effect, which when flowing through the battery cells during recharging after the quantitative oxidation of the divalent iron ions to Fe(III) is oxidized to Ce(IV), which quantitatively regenerates this main redox system when flowing through the corresponding regeneration column (recharges).
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von mindestens je einem weiteren Redox-System in jedem Anolyt bzw. Katholyt-Kreislauf mit einem mehr negativeren bzw. mehr positiveren Standard-Redox-Potential verglichen zum korrespondierenden primären Redox-System ist dadurch gegeben, dass gegen Ende der Wiederaufladung eine Wasserzersetzung vermieden wird, wenn coulometrisch 100 % der primären Redox-Systeme beim Ladevorgang in der elektrochemischen Durchfluss-Zelle umgesetzt sind. Selbstverständlich sind auch analoge elektrochemische Situationen dadurch erzielbar, dass beispielsweise bei anorganisch Metall-basierenden Redox-Systemen unterschiedliche Komplexbildner zugegeben werden, die das betreffende Metall-Kation teilweise stöchiometrisch komplexieren und so das Standard-Redox-Potential für diesen komplexierten Teil in die gewünschte Richtung verschieben. Die Hilfs-Redox-Systeme treten elektrochemisch nur bei der Wiederaufladung der Haupt-Redox-Systeme in Aktion. Beim Entladevorgang spielen sie keine Rolle außer, dass sie die Leitfähigkeit von Anolyt und Katholyt erhöhen, was erwünscht ist.Another advantage of using at least one additional redox system in each anolyte or catholyte circuit with a more negative or more positive standard redox potential compared to the corresponding primary redox system is that towards the end of the recharge water decomposition is avoided if coulometrically 100% of the primary redox systems are converted during the charging process in the electrochemical flow cell. Of course, analogous electrochemical situations can also be achieved by adding different complexing agents, for example to inorganic metal-based redox systems, which partially stoichiometrically complex the relevant metal cation and thus shift the standard redox potential for this complexed part in the desired direction . The auxiliary redox systems come into action electrochemically only when the main redox systems are recharged. They play no part in the discharge process other than increasing the conductivity of the anolyte and catholyte, which is desirable.
In einer weiteren Umsetzung der hier offenbarten Vorrichtung werden diese sog. Hilfs-Redox-System mit jeweils einem positiveren bzw. negativeren Redox-Potential als die korrespondierenden Haupt-Redox-Systeme in den Vorratstanks nicht dem Anolyten bzw. Katholyten beigemischt, sondern separat und mit einer höheren Konzentration mit eigener Fließkanal-Leitung analog der Anolyt- bzw. Katholyt-Leitung (unterbrochene elektrisch leitfähige Wandungen) durch das Volumen der Haupt-Redox-Systeme geführt, wobei diese aber bezüglich ihres Redox-Potentials auch jeweils um mindestens 10 mV positiver bzw. negativer als die betreffenden Haupt-Redox-Systeme in den Vorratstanks ausgelegt sind. Dies kann vorzugsweise durch mehrkanalige Fließ-Leitungen (Multilumenschläuche) geschehen, die nach außen, wie eine einzige Leitung wirken. Dieser Kreisfluss des Hilfs-Redox-Systems fließt nur bei Wiederaufladung der Haupt-Redox-Systeme und kompensiert, wie im obigen - in Anolyt und Katholyt aufgelöst - Fall, auftretende Überspannungen (Diffusions- und Reaktionsüberspannungen).In a further implementation of the device disclosed here, these so-called auxiliary redox systems, each with a more positive or more negative redox potential than the corresponding main redox systems in the storage tanks, are not mixed with the anolyte or catholyte, but separately and with a higher concentration with its own flow channel line analogous to the anolyte or catholyte line (interrupted electrically conductive walls) through the volume of the main redox systems, although these are also at least 10 mV more positive or are designed to be more negative than the relevant main redox systems in the storage tanks. This can preferably be done using multi-channel flow lines (multi-lumen hoses) that act like a single line to the outside. This circulatory flow of the auxiliary redox system only flows when the main redox systems are recharged and compensates, as in the above case - dissolved in anolyte and catholyte - occurring overvoltages (diffusion and reaction overvoltages).
Die
Im gezeigten Beispiel könnte bei kompletter Verhinderung eines stofflichen Kontaktes auch ein Wechsel von einem organischen auf ein anorganisches Redox-System ermöglicht werden. Beispielsweise würde eine traditionelle Vanadium-Redox-Flow-Batterie, die bezüglich ihrer jeweiligen Redox-Potentiale noch innerhalb des Potential-Fensters 3 - 3' liegt, auf diese Weise bezüglich ihrer Energiedichte massiv erweitert werden können. Ein Umstieg von einem organischen auf ein anorganisches Redox-System beim stromerzeugenden Durchleiten durch die elektrochemischen Durchfluss-Zellen kann vorteilhaft sein, wenn dadurch ein Elektroden-Fouling vermieden werden kann.In the example shown, a change from an organic to an inorganic redox system could also be made possible if material contact was completely prevented. For example, a traditional vanadium redox flow battery, which still lies within the potential window 3-3' with regard to its respective redox potential, could be massively expanded in this way with regard to its energy density. A switch from an organic to an inorganic redox system when passing the current through the electrochemical flow cells can be advantageous if it can prevent electrode fouling.
Beispiel 5: Anordnung bei flüssigen organischen Haupt-Redox-SystemenExample 5: Arrangement in liquid organic main redox systems
Beispielhaft soll hier nur zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine potenzielle Anwendung bei der aussichtsreichen Erfindung
Sollten als Anolyt und Katholyt anorganische Redox-Systeme verwendet werden, die auf diese Weise mit organischen Haupt-Redox-Systemen regeneriert werden sollen, bestehen die Membranen (4) aus ionenselektiven Membranen, die keine redox-aktive Stoffe passieren lassen. Die ionenselektive Membran wird entsprechend des elektrochemischen Umsatzes und der dabei über einen Stromschlüssel fließenden Ionen (kationen- oder anionen-selektiv) gewählt. Entsprechende Membranen sind leicht herstellbar (K. Cammann: Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden, Springer-Verlag, 1996). Zur mechanischen Verstärkung können Metall- oder Stoff-Netze oder auch Fließpapier beim Membran-Aufbau verwendet werden. Wird die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit festen Elektronenaustauschern als Haupt-Redox-System betrieben, so ist der Fließkanal porös gehalten und eine zusätzliche Elektrolytbrücke entfällt.If inorganic redox systems are used as the anolyte and catholyte, which are to be regenerated in this way with the main organic redox systems, the membranes (4) consist of ion-selective membranes which do not allow any redox-active substances to pass through. The ion-selective membrane is selected according to the electrochemical conversion and the ions flowing over a current key (cation- or anion-selective). Corresponding membranes are easy to produce (K. Cammann: Working with ion-selective electrodes, Springer-Verlag, 1996). For mechanical reinforcement, metal or fabric mesh or blotting paper can be used when constructing the membrane. If the configuration of the device according to the invention is operated with solid electron exchangers as the main redox system, the flow channel is kept porous and an additional electrolyte bridge is not required.
Vorteilhaft ist, wenn gegen Ende der Mediator-Elektrolyt-Regeneration Module verwendet werden, die mehr als 2 spiralförmige Fließkanäle mit verringertem Durchmesser enthalten, weil so der Verarmung an den noch umzusetzenden Redox-Systemen mit einer verringerten Diffusionsschichtdicke entgegengewirkt wird. Da gegen Ende der Fließstrecke bis zum kompletten Umsatz (völlige Regeneration) entsprechend wenig elektrochemisch umgesetzt wird, können auch die ionenselektiven Membranen (als Elektrolytbrücke) dort kleiner gehalten werden.It is advantageous if, towards the end of the mediator-electrolyte regeneration, modules are used that contain more than 2 spiral flow channels with a reduced diameter, because this counteracts the depletion of the redox systems that are still to be converted with a reduced diffusion layer thickness. Since there is correspondingly little electrochemical conversion towards the end of the flow section until complete conversion (complete regeneration), the ion-selective membranes (as an electrolyte bridge) can also be kept smaller there.
Bei einer fertigungstechnischen Standardisierung lassen sich so leicht beliebig viele Regenerationsmodule hintereinander „anflanschen“. Der Übersichtlichkeit wegen sind die unterschiedlich langen voneinander isolierten Abschnitte des Fließkanals nicht eingezeichnet. In
In Anlehnung an
In einer weiteren Ausführungsform, die wahrscheinlich die optimale ist, werden als Fließkanal-Leitungen durch die mit dem Haupt-Redox-System gefüllten Regeneratoren einfach elektronisch leitfähig gemachte Größenausschluss-Membran-Schläuche oder entsprechende Schläuche aus einer ionenselektiven Membran verwendet (
Die Haupt-Redox-Systeme, die sich stationär in den erfindungsgemäßen Regenerationseinheiten (Vorratstanks) befinden, können dann so konzentriert angesetzt werden, das hoch-viskose Flüssigkeiten entstehen. Zusammen mit einem höheren Polymerisationsgrad lassen sich so extrem hohe Energiedichten verwirklichen, die alles Bekannte übertreffen.The main redox systems, which are stationary in the regeneration units (storage tanks) according to the invention, can then be prepared in such a concentrated manner that highly viscous liquids are formed. Together with a higher degree of polymerization, extremely high energy densities can be achieved that surpass everything known.
Wasserlösliche organische Redox-Polymere, die gerade noch förderbar sind, können zusammen mit korrespondierenden Haupt-Redox-System Aufbauten nach dem Modulsystem auch für nicht stationäre Anwendungen benutzt werden. Dabei bleiben die Batteriezellen sowie die angeschlossenen umgepumpten Anolyten und Katholyten sowie eventuell weitere Hilf-Redox-Systeme im Kreislauf durch die Regenerations-Einheit stationär im Wagen. Die einzelnen Regenerationsmodule erhalten zusammengefasste Einfüll- und Auslass-Öffnungen nur zum Austausch entladener Haupt-Redox-Systeme. An besonderen Tankstellen mit 4-kanaligen Zapfhähnen werden entladene Redox-Flow-Batterie Reservoirs durch Austausch der verbrauchten Haupt-Redox-Systeme gegen „voll-geladene“ Systeme (in Form dickflüssiger, nicht toxischer Lösungen nach dem Verdränger-Prinzip; geladenes System drückt entladenes aus der Vorrichtung) wieder aktiviert. Dieser Vorgang verläuft analog dem herkömmlichen Tanken mit Benzin oder Diesel ab. Bei Verwendung der wässrigen organischen Redox-Polymere als Haupt-Redox-System und als Anolyt und Katholyt besteht keine Brennbarkeit mehr und es ist keine Toxizität (kein Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole, Ethyl-tert-butylether (ETBE) und Methyl-tert-butylether (MTBE)) mehr vorhanden.Water-soluble organic redox polymers, which can just about be pumped, can also be used for non-stationary applications together with the corresponding main redox system structures based on the modular system. The battery cells and the connected pumped anolytes and catholytes and any other auxiliary redox systems remain stationary in the circuit through the regeneration unit. The individual regeneration modules receive combined filling and outlet openings only for the exchange of discharged main redox systems. At special filling stations with 4-channel taps, discharged redox flow battery reservoirs are replenished by replacing the used main redox systems with "fully charged" systems (in the form of viscous, non-toxic solutions according to the displacer principle; charged system pushes discharged from the device) reactivated. This process is analogous to conventional refueling with petrol or diesel. When using the aqueous organic redox polymers as the main redox system and as the anolyte and catholyte, there is no longer any flammability and there is no toxicity (no benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes, ethyl tert-butyl ether (ETBE) and methyl tert -butyl ether (MTBE)) is no longer present.
Gemäß der möglichen hohen Energiedichte kann beispielsweise ein PkW mit einer 100 kg Füllung über 1000 km fahren, bevor wieder getankt oder aufgeladen werden muss. Die Tankstelle regeneriert dann die entladenen umweltfreundlichen Redox-Systeme an Ort und Stelle mittels Solar- oder Wind-Energie. Ein Transport gefährlicher Güter würde entfallen. Wichtig ist, dass das Zellen-Stacks sowie die primären Anolyten und Katholyten dabei unverändert bleiben. Bei einer geschickten verfahrenstechnischen Konstruktion sind auch Reserve-Redox-Systeme in standardisierter Modulform denkbar, die der Funktion eines traditionellen Reserve-Benzin-Kanisters entsprechen.According to the possible high energy density, a car with a 100 kg filling can drive over 1000 km before it has to be refueled or recharged. The gas station then regenerates the discharged green redox systems on-site using solar or wind energy. A transport of dangerous goods would be omitted. It is important that the cell stack and the primary anolyte and catholyte remain unchanged. With a clever process engineering design, reserve redox systems in standardized modular form are also conceivable, which correspond to the function of a traditional reserve petrol canister.
Beispiel 6: Einsatz der neuartigen Vorrichtung als häuslicher stationärer Solarstrom-SpeicherExample 6: Use of the new device as a domestic stationary solar power storage
Viele der neuartigen synthetisierten wasserlöslichen Redox-Polymere sind besonders vorteilhaft auch als lokale, dezentrale Energie-Speicher mit großer Speicher-Kapazität geeignet. Die energiedichten hochviskosen Haupt-Redox-Elektrolyte bleiben stationär in Vorratsbehältern, die im Fall von häuslichen SolarStrom-Speicher auch eine flache rechteckige Kellerwandgroße Form haben können, in der die elektrisch leitfähigen Dialysier-Schläuche so verlegt sind, dass wieder Regenerationsbedingungen für Anolyt und Katholyt existieren, wie bei Ionenaustauscher-Säulen. Besonders vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform der Regenerations-Vorrichtung, dass Anolyt und Katholyt nicht aggressiv reagieren, da nur aus Kochsalzlösung und gelöstem organischen Redox-Polymer bestehend. Deswegen können die bei Warmwasser-Heizungen oder Solarkreispumpen üblichen sehr stromsparenden Umwälzpumpen auch hier zum Umpumpen von Anolyt und Katholyt verwendet werden. Der Energieverbrauch einer solchen Solarkreispumpe ca. bis zu 5 % der Batterie-Effizienz ausmachen. Diesem Verlust steht aber die gewonnene hohe Energiedichte gegenüber.Many of the new synthesized water-soluble redox polymers are particularly advantageous as local, decentralized energy storage with large storage capacity. The energy-dense, highly viscous main redox electrolytes remain stationary in reservoirs, which in the case of domestic solar power storage can also have a flat, rectangular basement wall-sized shape, in which the electrically conductive dialysis hoses are laid in such a way that regeneration conditions for anolyte and catholyte exist again , as with ion exchange columns. In this embodiment of the regeneration device, it is particularly advantageous that anolyte and catholyte do not react aggressively, since they only consist of common salt solution and dissolved organic redox polymer. For this reason, the very energy-saving circulating pumps that are common in hot water heaters or solar circuit pumps can also be used here to pump anolyte and catholyte. The energy consumption of such a solar circuit pump accounts for up to 5% of the battery efficiency. However, this loss is offset by the high energy density gained.
Eine Redox-Flow-Batterie mit derartigen Regeneratoren mit einem Volumen von üblichen Heizöltanks (beispielsweise 3000 Liter Katholyt und 3000 Liter Anolyt System) kann bei den umweltfreundlichen wasserlöslichen Redox-Polymeren ca. 1.500 kWh Energie zwischenspeichern. Dies entspricht bereits ca. 25 % des jährlichen Stromverbrauchs einer 4-köpfigen Familie. Damit eröffnet sich auch die Möglichkeit ältere Bauten mittels einer Solaranlage und Wärmepumpe komplett autark zu gestalten. Wird dazu auch Wind-Energie in Form des neuartigen Windrad-Baumes [https://www.vattenfall.de/infowelt-energie/oekostrom-aus-demwindbaum-der-firma-newwind] oder mittels einer Windkanal-gestützten Hausgiebels (
Es versteht sich von selbst, dass eine genaue und abschließende Aufzählung der als Anolyt bzw. Katholyt geeigneten Redox-System und der als Speicher-Kapazität-liefernde Haupt-Redox-Systeme in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht möglich ist, da laufend neue geeignete Systeme entdeckt werden. Ebenso können Verfahrenstechniker andere Details des offenbarten Verfahrens: bi-polare innere Elektrolyse kombiniert mit einem chromatographischem Durchströmungsverhalten (analog einer Ionenaustauscher-Säule) und niedrigem hydrostatischen Druck-Aufbau leicht durchführen.It goes without saying that a precise and exhaustive list of the redox systems suitable as anolyte or catholyte and the main redox systems providing storage capacity in the device according to the invention is not possible, since new suitable systems are constantly being discovered . Likewise, process engineers can easily perform other details of the disclosed process: bi-polar internal electrolysis combined with chromatographic flow-through behavior (analogous to an ion exchange column) and low hydrostatic pressure build-up.
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Owner name: CMBLU ENERGY AG, DE Free format text: FORMER OWNER: CAMMANN, KARL, PROF. DR., 48155 MUENSTER, DE |