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 3 zeigt sehr schematisch in Anlehnung an einen traditionellen Aufbau das Prinzip, allerdings mit einer hier offenbraten vorteilhaften Ausführungsvariante: Anwendung der bi-polaren inneren Elektrolyse zur Regeneration von Anolyt und Katholyt. Allgemein gilt bei Redox-Flow-Batterien: Die zur Potentialeinstellung an den sog. Kollektor-Elektroden (2) einer elektrochemischen Durchfluss-Zelle benötigen Verbindungen sind in einem Lösungsmittel gelöste, redox-aktive Spezies, die beim Lade- bzw. Entladevorgang in einem elektrochemischen Durchfluss-Reaktor (= elektrochemische Zelle) in ihre jeweils andere Redox-Stufe überführt werden. Eine elektrochemische Redox-Flow-Zelle enthält zwei polaritätsspezifische Kammern (4, 5) mit elektronenleitenden Kollektor-Elektroden, die von jeweils einer Lösung (Anolyt) mit einer elektrochemisch oxidierbaren chemischen Verbindung bzw. einer Lösung mit einer elektrochemisch reduzierbaren Verbindung (Katholyt) durchströmt wird. Dazu dienen zwei Umwälzpumpen (3), deren Energie-Verbrauch in die Gesamt-Effizienz der betreffenden Redox-Flow-Batterie eingeht. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit enthalten diese Lösungen auch noch Salze, stellen also gute Elektrolyte (lonenleiter) dar. Beide Elektrolyte (Anolyt und Katholyt) stehen bei traditionellen Redox-Flow-Batterien je mit einem externen größeren Vorratsspeicher in Verbindung. Auf diese Weise werden zwei unabhängige Kreisläufe für die beispielsweise in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel gelösten redox-aktiven Verbindungen gebildet. Sie sind in der elektrochemischen Durchfluss-Zelle durch eine ionenleitende Membran (1), die eine direkte stoffliche Vermischung der beiden Redox-Verbindungen verhindern soll, zwischen den polaritätsspezifischen Kammern (= Halbzellen) getrennt. Der zu vermeidende Redox-Kurzschluss bedeutet, Elektronen-Austausch von Molekül zu Molekül ohne den „Umweg“ über die Kollektor-Elektroden und den externen Verbraucher. Über diese Membran muss allerdings entsprechend dem entnommenen Strom gemäß dem Faraday'schen Gesetz ein lonenaustausch von nicht-redox-aktiven Ionen zwischen den beiden Kammern stattfinden. Die Leichtigkeit dieses Ionen-Transports durch die Trenn-Membran bestimmt maßgebend den inneren Widerstand der betreffenden elektrochemischen Zelle, der gemäß U = i x R die Batterie-Spannung mit steigender Stromstärke verkleinert. Die Batterie-Spannung hängt von den Unterschieden der Standard-Redox-Potentiale von Anolyt und Katholyt ab. In dieser Anmeldung wird der Begriff Standard-Redox-Potential verwendet, obwohl strenggenommen Standard-Formal-Potentiale gemeint sind, welche praktisch in dem betreffenden Elektrolyten gemessen werden, wenn die Konzentrationen beider Redox-Formen des betreffenden Systems gleich sind (]Ox} = [Red] in der Nernst-Gleichung ohne Rücksicht auf Aktivitätskoeffizienten, Solvations-Effekte oder Komplexierungen, etc.).the 3 shows the principle very schematically, based on a traditional structure, but with an advantageous variant here: use of bi-polar internal electrolysis for the regeneration of anolyte and catholyte. In general, the following applies to redox flow batteries: The compounds required to set the potential at the so-called collector electrodes (2) of an electrochemical flow cell are redox-active species dissolved in a solvent, which during the charging or discharging process in an electrochemical Flow reactor (= electrochemical cell) are converted into their respective other redox stage. An electrochemical redox flow cell contains two polarity-specific chambers (4, 5) with electron-conducting collector electrodes, through which a solution (anolyte) with an electrochemically oxidizable chemical compound or a solution with an electrochemically reducible compound (catholyte) flows . Two circulating pumps (3) are used for this purpose, the energy consumption of which is included in the overall efficiency of the relevant redox flow battery. In order to increase the electrical conductivity, these solutions also contain salts, so they are good electrolytes (ion conductors). Both electrolytes (anolyte and catholyte) in traditional redox flow batteries are each connected to a larger external reservoir. In this way, two independent circuits are formed for the redox-active compounds dissolved, for example, in water or an organic solvent. In the electrochemical flow cell, they are separated between the polarity-specific chambers (= half-cells) by an ion-conducting membrane (1), which is intended to prevent direct material mixing of the two redox compounds. The redox short circuit to be avoided means electron exchange from molecule to molecule without the "detour" via the collector electrodes and the external consumer. However, according to Faraday's law, an ion exchange of non-redox-active ions between the two chambers must take place via this membrane in accordance with the current drawn. The ease of this ion transport through the separating membrane decisively determines the internal resistance of the relevant electrochemical cell, which according to U = ix R reduces the battery voltage with increasing current strength. The battery voltage depends on the difference in standard redox potentials of anolyte and catholyte. In this application, the term standard redox potential is used, although strictly speaking standard formal potentials are meant, which are practically measured in the electrolyte in question when the concentrations of both redox forms of the system in question are the same (]Ox} = [ Red] in the Nernst equation regardless of activity coefficients, solvation effects or complexations, etc.).

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“, DE914264C (1949)]. 1970 beschäftigte sich die NASA erstmals mit der Erforschung der Redox-Systeme von Eisen und Titan. Dabei wurde Eisen(III)chlorid (FeCl3) in saurer Lösung als Oxidationsmittel und Chrom(II)chlorid (CrCl2) als Reduktionsmittel im alkalischen Milieu erforscht. Ende der 70er Jahre bis Anfang der 80er Jahre wurden erstmals als Redox-Paar Vanadium-Verbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen eingesetzt und 1988 zum amerikanischen Patent angemeldet [ US 4,786,567 ]. Die Ein-Element Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist bis heute der am weitesten verbreitete Typus. Obwohl die Vanadium-Redox-Flow-Batterien bereits in den 80er Jahren entwickelt wurden, blieb bis vor kurzem ein größerer kommerzieller Erfolg bisher aus. Weitere bekannte Beispiele von kommerziell angebotenen Batterien sind die Zink-Bromid, Polysulfid-Bromid und Eisen-Chrom „Flow“- Batterien.Redox flow technology is not new. The first redox flow batteries based on metal ions were proposed as energy storage devices as early as 1949 [W. Kangro, "Method for storing electrical energy", DE914264C (1949)]. In 1970, NASA began researching the redox systems of iron and titanium. Iron(III) chloride (FeCl 3 ) in acidic solution was researched as an oxidizing agent and chromium(II) chloride (CrCl 2 ) as a reducing agent in an alkaline environment. late 70s Years up to the beginning of the 80s, vanadium compounds in different oxidation states were used for the first time as a redox pair and an American patent was applied for in 1988 [ U.S. 4,786,567 ]. The one-element vanadium redox flow battery is the most common type to date. Although the vanadium redox flow batteries were developed in the 1980s, they have not had any major commercial success until recently. Other well-known examples of commercially available batteries are the zinc bromide, polysulfide bromide and iron-chromium "flow" batteries.

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 ( US 2012/0171541 A1 ). Durch die Komplexbildung wird das Redox-Potential der betreffenden Metallionen gegenüber einer Situation in rein wässriger oder saurer bzw. alkalischer Lösung verschoben. Bei der Frage der elektrochemischen Kinetik und der Energiedichte müssen Kompromisse geschlossen werden. Nicht alle gut löslichen Redox-Verbindungen anorganischer Natur weisen eine ausreichende elektrochemische Elektrodenkinetik auf. Die vorliegende Erfindung zeigt auch Möglichkeiten auf, diese kinetisch bedingten Nachteile zu umgehen.Numerous variants of the redox flow system have been described in the literature with regard to the redox chemicals used, all of which have their specific advantages and disadvantages. For an overview, please refer to relevant review articles [e.g. P. Alotto, M. Guarnieri, F. Moro, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 29, Pages 325-335 (2014)]. In the case of redox flow batteries based on transition metals, the solubility and the redox potential of the relevant metal complexes can be changed within limits by varying the metal ligands. Small molecule organometallic compounds have also been described [MH Chakrabartia, RAW Dryfe, EPL Roberts: "Evaluation of electrolytes for redox flow battery applications", Electrochimica Acta, 52, 2189-2195 (2007)]. Here, organic ligands are used that complex redox-active inorganic metal ions. Such ligands are, for example, dipyridyl, terpyridyl, phenanthroline, or imidazoles ( U.S. 2012/0171541 A1 ). Due to the formation of the complex, the redox potential of the relevant metal ions is shifted compared to a situation in a purely aqueous or acidic or alkaline solution. Compromises have to be made when it comes to the question of electrochemical kinetics and energy density. Not all readily soluble redox compounds inorganic nature show sufficient electrochemical electrode kinetics. The present invention also shows ways of avoiding these kinetically related disadvantages.

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 US 8,080,327 B1 sowohl als Anolyt und als auch als Katholyt eingesetzt, wobei die Elektrodenräume trennende ionenleitende Membranen auf Basis von nieder-ohmigen Kationen-Austauschern und AnionenAustauschern zum Einsatz kamen. Im Jahr 2014 publizierten Yang et al. die erste vollorganische wässrige Redox-Flow-Batterie. In dieser wurden die wasserlösliche 1,2-Benzochinon-3,5-disulfonsäure als organischer Katholyt und Anthrachinon-2-sulfonsäure sowie Anthrachinon-2,6-disulfonsäure als organischer Anolyt verwendet [ B. Yang, L. Hoober-Burkhardt, F. Wang, G. K. S. Prakash, S. R. Narayanan, J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A1371-A1380.128]. Wasser als Lösungsmittel bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber organischen Lösungsmitteln: Es ist nicht brennbar, kostengünstig und erlaubt hohe IonenBeweglichkeiten, was zu niedrigeren ohmschen Innenwiderständen führt. Der größte Vorteil rein organischer Redox-Systeme ist allerdings dadurch gegeben, dass der Synthetiker gezielt auf ein gewünschtes Standard-Redox-Potential hinarbeiten kann. Eine Literaturstelle von 2017 [J. Winsberg, T. Hagemann, T. Janoschka, M. D. Hager, U.S. Schubert; Angew.Chem. 2017, 129, 702-729] zeigt Beispiele erfolgreicher und stabiler organischer Redox-Verbindungen, deren Redox-Potential in wässriger Lösung zwischen -1,39 V und + 1,34 V gegenüber einer Standard-Wasserstoff-Elektrode gezielt variiert werden kann. Problematisch ist auch bei komplett aus organischen Redox-Systemen bestehenden Anolyten und Katholyten die physikochemisch limitierte Löslichkeit in einem geeigneten Lösungsmittel, die dadurch letztlich die Energiedichte begrenzt. Die Energiedichte hängt von der Anzahl der redox-aktiven Gruppierungen pro Einheitsvolumen ab. Die Redox-Gruppen-Dichte lässt sich wiederum dadurch erhöhen, dass man pro Molekül mehrere dieser Gruppen synthetisch einbaut. Dann liegen Makromoleküle mit Multi-Redox-Zentren vor. die dann eine entsprechend höhere Energiedichte aufweisen, wobei die molekulare Zugänglichkeit für einen Elektronen-Austausch mit einem Redox-Partner oder eine Elektrodenoberfläche bedeutsam werden kann, was wiederum problematisch bei den Elektronenaustauscher-Harzen werden kann..Numerous inorganic, small-molecule redox systems have been explored in order to reach higher energy densities. However, many of these systems are based on strongly acidic or strongly alkaline redox electrolytes, which are toxic, expensive and harmful to the environment, making disposal and acceptance difficult. With all of the innovations described and/or patented up to now, one is forced to make compromises if one wants to achieve maximum energy density at a favorable price and with maximum electrochemical kinetics. For this reason, attempts to circumvent the limited solubility of redox-active compounds based on metals or metal ions by using organic-based metal-free redox systems have recently been increasingly described. Purely organic redox compounds have been increasingly used in redox flow batteries since 2011. For example, low molecular weight 2,2,6,6-tetramethyl-piperidinyloxyl (TEMPO) and N-methylphthalimide were used in a traditional redox flow battery with an ion-conducting separating membrane [Z. Li, Li S, Liu SQ, Huang KL, Fang D, Wang FC, Peng S Electrochem. Solid State Lett. 14, 2011, A171-A73]. Pyrazine-based cyanoazacarbons have been reported in US 8,080,327 B1 used both as an anolyte and as a catholyte, with the electrode spaces separating ion-conducting membranes based on low-impedance cation exchangers and anion exchangers. In 2014, Yang et al. the first fully organic aqueous redox flow battery. In this, the water-soluble 1,2-benzoquinone-3,5-disulfonic acid was used as the organic catholyte and anthraquinone-2-sulfonic acid and anthraquinone-2,6-disulfonic acid were used as the organic anolyte [B. Yang, L. Hoober-Burkhardt, F. Wang, GKS Prakash, SR Narayanan, J. Electrochem. society 2014, 161, A1371-A1380.128]. Water as a solvent offers a number of advantages over organic solvents: it is non-flammable, inexpensive and allows high ionic mobility, which leads to lower ohmic internal resistances. The greatest advantage of purely organic redox systems, however, is that the synthesizer can work towards a desired standard redox potential. A 2017 reference [J. Winsberg, T Hagemann, T Janoschka, MD Hager, US Schubert; Angew.Chem. 2017, 129, 702-729] shows examples of successful and stable organic redox compounds whose redox potential in aqueous solution can be varied between -1.39 V and +1.34 V compared to a standard hydrogen electrode. The physicochemically limited solubility in a suitable solvent is also problematic in the case of anolytes and catholytes consisting entirely of organic redox systems, which ultimately limits the energy density. The energy density depends on the number of redox active groups per unit volume. The redox group density can in turn be increased by synthetically incorporating several of these groups per molecule. Then there are macromolecules with multi-redox centers. which then have a correspondingly higher energy density, whereby the molecular accessibility for an electron exchange with a redox partner or an electrode surface can become important, which in turn can be problematic with the electron exchange resins..

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; volume 2; pp. 173-189, the author Georg Manecke describes the synthesis of redox resins, which in this case are produced by classic methods of macromolecular chemistry, such as polymerization, condensation, polymer-analogous reactions. These are often products with a vinylic structure, obtained by polyaddition and not by oxidation. Most of the redox polymers proposed at the time are either vinyl polymers onto which quinone molecules have been grafted, or formaldehyde + phenol + hydroquinone condensation polymers. As a convincing example of quantitative electrochemical transformations The reduction of Fe 3+ on a polypyrrole electron exchange column was described using such electron exchange columns with redox resins in the particle diameter range of 0.2-0.5 mm, with a yield of 99%. As a further example, the oxidation of tin(II) chloride using a polyacene-benzoquinone electron exchange column was described, with a yield of 98.5% being able to be achieved. In this context, it is important that the degree of oxidation or reduction of these electron exchangers after exhaustion of the electron exchanger column (breakthrough of unreacted starting material - analogous to ion exchanger columns - by passing through dissolved oxidizing or reducing agents suitable redox potential could be completely regenerated [Myer Ezrin and HG Cassidy, Annals New York Academy of Sciences, 1749-6632 (1953)].The regenerability of such redox polymers is therefore well known and is also the basis of the present invention 1976 (DE 2625443 C2), for example, an electrochemical regeneration of redox exchange resins is described. In addition, various indigo sulfonates were listed as another example of planned syntheses towards a targeted standard redox potential [N. Grubhofer, Naturwiss. 12 , 557 (1955)].

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 WO2014026728 A1 vom 20.02.2014 werden neuartige, sehr aussichtsreiche wasserlösliche Redox-Polymer Verbindungen für Anolyt und Katholyt beschrieben, bei denen die Trenn-Membran in den elektrochemischen Durchfluss-Zellen aus preiswerten Größenausschluss-Membranen (z.B. Dialysiermembranen) bestehen. Sie lassen die kleineren, nicht-redox-aktiven Ionen des Elektrolyten leichter passieren und führen daher zu einem sehr vorteilhaften kleineren inneren Widerstand der Batterie. Bei der Wahl eines geeigneten „Cut-offs“ vermeiden sie den Durchtritt der gelösten Redox-Polymeren so gut, dass über 104 Entlade- und Lade-Zyklen möglich wurden.In WO2014026728 A1 from February 20th, 2014, new, very promising water-soluble redox polymer compounds for anolyte and catholyte are described, in which the separating membrane in the electrochemical flow cells consists of inexpensive size exclusion membranes (e.g. dialysis membranes). They allow the smaller, non-redox-active ions of the electrolyte to pass through more easily and therefore lead to a very advantageous lower internal resistance of the battery. When choosing a suitable "cut-off", they avoid the passage of the dissolved redox polymers so well that more than 10 4 discharge and charge cycles became possible.

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 WO 2013/012391 A1 und einer provisorischen US-Anmeldung US 2014/0178735 A1 vom 26. Juni 2014 (Pub. Date) wird eine Redox-Flow-Batterie beschrieben, welche - die von Biosensoren bereits bekannten - Redox-Mediatoren benutzt. Letztere werden aber stets zusammen mit den Kapazitäts-liefernden Haupt-Redox-Systemen in einer gemeinsam umgepumpten Elektrolyt-Lösung verwendet. Als wichtigste elektro-aktiven Verbindungen werden vorzugsweise Lithiumverbindungen erwähnt. Ein Beispiel für den Stand der Technik bei sogenannten Mediator-gestützten Redox-Flow-Batterien findet sich in: Feng Pan and Qing Wang [Molecules 2015, 20, 20499-20517; doi:10.3390/ molecules 201119711]. Die 5 in dieser Publikation zeigt deutlich, dass hier ein Mediator-Elektrolyt in direktem molekularem stofflichem Kontakt durch die Feststoff-PartikelSchicht gepresst werden muss. Ebenso in US 2014/0178735 A1 , Pub. Date: Jun. 26, 2014 ist kein Hinweis zu finden, dass die verwendeten Redox-Mediatoren nicht in einem direkten molekularen stofflichen Kontakt treten dürfen, um die zahlreichen Vorteile dieser Anordnung auszunutzen. Es werden hier auch Suspensionen von elektro-aktiven Verbindungen mit speziellen Redox-Mediatoren beschrieben. Die Auswahl der zu verwendenden Verbindungen, elektro-aktiven Komponenten, Mediatoren und Elektrolytsalze ist in dieser Anmeldung eng umschrieben. Über eine besondere vorteilhafte konstruktive Anordnung, die eine Sedimentation der Suspension oder ein Zusammenkumpen und Verstopfen der Leitungen verhindert, wird nichts Näheres ausgeführt. Auch Vorkehrungen, die dazu führen, dass die Batterie-Spannung über eine längere Entlade-Zeit konstant bleibt, werden nicht erwähnt. Die vorliegende Erfindung will all diese Nachteile beseitigen und offenbart vorteilhaftere Anordnungen auch für zukünftige Entwicklungen auf dem Gebiet der Redox-Polymeren und Mediatoren. Die Verwendung von Redox-Mediatoren als „Elektronen-Shuttle“ ist, wegen zahlreicher Vorveröffentlichungen vor allem bei Biosensoren, nicht neu und ist nicht Kern der vorliegenden Erfindung.In WO 2013/012391 A1 and a US provisional application US 2014/0178735 A1 from June 26, 2014 (Pub. Date) describes a redox flow battery which uses redox mediators, which are already known from biosensors. However, the latter are always used together with the capacity-providing main redox systems in a jointly circulated electrolyte solution. Lithium compounds are preferably mentioned as the most important electro-active compounds. An example of the state of the art in so-called mediator-supported redox flow batteries can be found in: Feng Pan and Qing Wang [Molecules 2015, 20, 20499-20517; doi:10.3390/ molecules 201119711]. the 5 in this publication clearly shows that a mediator-electrolyte has to be pressed through the solid-particle layer in direct molecular contact. Likewise in US 2014/0178735 A1 , Pub. Date: Jun. 26, 2014 there is no indication that the redox mediators used must not come into direct molecular contact in order to exploit the numerous advantages of this arrangement. Suspensions of electro-active compounds with special redox mediators are also described here. The selection of the compounds to be used, electro-active components, mediators and electrolyte salts is closely defined in this application. No further details are given about a particularly advantageous structural arrangement which prevents sedimentation of the suspension or clogging and clogging of the lines. Precautions that lead to the battery voltage remaining constant over a longer discharge time are also not mentioned. The present invention wants to eliminate all these disadvantages and discloses more advantageous arrangements also for future developments in the field of redox polymers and mediators. The use of redox mediators as “electron shuttles” is not new due to numerous previous publications, especially for biosensors, and is not the core of the present invention.

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. 5). Dadurch können dort nur die elektrochemisch nicht aktiven Ionen (z.B. OH- oder H+ oder andere Ionen, wie Liganden etc.), die bei der inneren Elektrolyse rein elektrolytisch den Stromkreis schließen, durchtreten.The invention discloses at least two possibilities for avoiding such an efficiency-reducing pressure build-up in preferably column-shaped storage tanks. In a preferred arrangement of the equipment, the direct material molecular contact between the two anolyte and catholyte solutions pumped around and the corresponding main redox systems in the storage tanks is largely achieved by a cable sheathing (metallic pipe or electrically conductive flexible hose) that only conducts electrons avoided. According to the invention, this hydraulically optimized anolyte or catholyte flow channel with electron-conducting walls is interrupted several times by insulating sections during the constructive passage through the corresponding electron exchange resins in order to avoid a continuous equipotential surface. In this way, the last section of the flow channel before the exiting anolytes or catholytes are transported further into the electrochemical cell until the so-called breakthrough (complete exhaustion of the amount of energy stored in the main redox system) always has the same, constant redox -Potential that of a charged main redox system, or that of the not yet discharged last column section. A chemically required reorientation of non-redox-active ions and closure of the internal electrolysis circuit is accomplished by electrolyte bridges or current keys, which is described in more detail in the examples. It is advantageous to use the necessary isolating interruptions in the flow channel line as an electrolyte bridge. They can have an ion-selective membrane coating at these points (see Fig. 5 ). As a result, only the electrochemically inactive ions (e.g. OH- or H+ or other ions such as ligands, etc.) that close the circuit purely electrolytically during the internal electrolysis can pass through there.

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 3 deutet diese Oberflächenvergrößerung schematisch an: einmal dienen metallische Bürsten mit Stacheln senkrecht zur Fließrichtung von Anolyt und Katholyt und als weiteres Beispiel ein gewelltes metallischen Blech dazu, den Elektronen-Transfer vom Haupt-Redox-System auf diese Leiter bevorzugt nur senkrecht zur Fließrichtung ablaufen zu lassen. Dadurch kommt es beim Durchströmen von Anolyt und Katholyt zu einem schichtweise verlaufenden Umsatz analog wie bei Ionenaustauscher-Säulen.The charging and discharging processes can be easily measured by simple redox potential measurements using so-called platinum single-rod measuring chains at the entrance and exit of the relevant flow channel line. If, for example, the redox reaction under consideration is one with only one transfer electron, both platinum electrodes would show a voltage difference of approx. 120 mV with a 99% redox conversion. In order to make these two electrochemical processes (discharging and recharging of anolyte and catholyte) quantitative in a single flow through the device, the flow rates are adjusted accordingly empirically, using the redox potential measurements for control. Depending on the efficiency (electrochemical yield with a single column flow), the flow, diameter and number of flow channels as well as the total electrochemically active length are also determined empirically. Snake-shaped constructions analogous to a snake cooler in distillation have proven themselves; but many other shapes (eg, spiral, meander, etc.) that provide the required inner surface are also possible. To enlarge the inner surface and to compensate for mass transport limitations in anolyte and catholyte lines, various measures that are familiar to the person skilled in the art can be taken. For example, the free diameter of these lines can be filled with additional conductive intermediate walls and thus multi-chamber lines/multi-lumen hoses can be obtained. Corrugation of the inner surface in the longitudinal direction is also hydrodynamically advantageous. In order to avoid limitations due to mass transport effects on the outside of these mediator-electrolyte lines - since no convection is possible there - this area is covered according to the invention with additional electronically conductive particles, nets or other materials (e.g. graphite felt, graphene paper, -threads or fabric) additionally filled. For this purpose, the mediator lines can also be brought into the columns with metal spikes or devices similar to wire brushes. It is often sufficient if the outer surface - which is in direct electrical contact with the inner flow channel wall - is larger by a factor of >100 in order to compensate for the diffusion limitation there. the 3 indicates this surface enlargement schematically: on the one hand, metallic brushes with spikes perpendicular to the direction of flow of anolyte and catholyte and, as a further example, a corrugated metallic sheet serve to allow the electron transfer from the main redox system to these conductors to proceed preferably only perpendicular to the direction of flow . As a result, when the anolyte and catholyte flow through, there is a layered conversion similar to that in ion exchange columns.

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. 3) lassen sich die zur Erzeugung einer bestimmten Stromstärke (Batterie-Leistung) erforderlichen umzusetzenden Redox-Äquivalente pro Zeiteinheit leicht anpassen.By varying the surfaces of the electronic conductors outside the flow channels, the different diffusion and kinetics-related limitations are adjusted empirically. For example, a different electrochemical phase boundary kinetics and a different mass transport behavior of the redox systems in anolyte and catholyte can be compensated with the relevant main redox system in the storage tank by correspondingly larger surfaces of the outer electron conductors. The storage tank does not always have to have a columnar or barrel-like shape; Depending on the place of use, rectangular, flat tanks are also possible, for example in front of room walls. Through a constructive parallelism of many anolyte and catholyte flow channels with subsequent combination for transport through the power-generating electrochemical battery cells (see Fig. 3 ) the redox equivalents per time unit required to generate a certain current (battery power) can be easily adjusted.

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 ( EP 0 882 924 B1 ). Sie sind auch hervorragend als äußere elektrische Leiter quer zur Fließrichtung verwendbar.According to the invention, the electrochemical arrangement for the construction of the relevant electron exchange column based on redox polymer resins is as follows: main redox electrolyte in insoluble resin form / liquid, stationary redox mediator / solid electronic conductor (conductive flow channel -wall) / anolyte or catholyte in the flow channel. In the case of liquid or highly viscous main redox systems, there is no need for an additional liquid mediator. It is advantageous for the flow channels to use known electrically conductive hoses, eg plastic hoses, the walls of which contain electrically conductive particles, e.g. B. in the form that the rubber mixtures forming their walls contain soot powder or mixed carbon short fibers or hoses, in the walls of which metallic conductors, such as metal threads, wires or strands, are incorporated [G. Batrinescu, LA Constantin, A. Cuciureanu, MA Constantin "Conductive Polymer-Based Membranes", InTech http://dx.doi.org/10.5772/63560]. Particularly good electrical conductivity is obtained through the incorporation of modern tear-resistant carbon threads, some of which have an electrical conductivity comparable to copper ( EP 0 882 924 B1 ). They can also be used excellently as external electrical conductors transverse to the direction of flow.

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. 6). Die Wiederaufladung (Regenerationsvorgang) und Entladung der Anolyt- und Katholyt-Lösungen erfolgt dadurch beim Durchströmen der Vorratstanks mit den beiden Haupt-Redox-Systemen schichtweise bis zu einem nahezu kompletten Umsatz beim Austritt. Dies führt automatisch zu einer besonders vorteilhaften, konstanten Lade- und Entlade-Spannung der betreffenden Redox-Flow-Batterie. Dies stellt ein Novum dar und bietet für angeschlossene Verbraucher besondere Vorteile. Da wegen des Prinzips auch die Wiederaufladung bei einer konstanten Spannung bis zur völligen Aufladung der Haupt-Redox-Systeme abläuft, werden Effizienz-vermindernde Nebenreaktionen (z.B. Wasser-Elektrolyse), die bei klassischer Redox-Flow-Batterie Bauweise auftreten können, verhindert.A regeneration behavior analogous to the operation of ion exchange columns is achieved in that the electrochemical redox reaction of the anolyte and catholyte with the electrochemically corresponding main redox system only within a localized expansion in the main redox system, preferably perpendicular to the Flow direction of anolyte and catholyte (layered) takes place. The flow channel wall areas, which are electrically isolated from one another, serve this purpose, as does a preferred one Alignment of the outer electrical conductors perpendicular to the direction of flow and, if necessary, additional insulating partitions in the main redox systems (see Fig. 6 ). The recharging (regeneration process) and discharging of the anolyte and catholyte solutions takes place in layers as they flow through the storage tanks with the two main redox systems until almost complete conversion occurs at the outlet. This automatically leads to a particularly advantageous, constant charging and discharging voltage of the relevant redox flow battery. This represents a novelty and offers special advantages for connected consumers. Because of the principle, recharging also takes place at a constant voltage until the main redox systems are fully charged, side reactions that reduce efficiency (e.g. water electrolysis), which can occur with classic redox flow battery designs, are prevented.

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. 6).The present invention does not describe or preferably describe any specific type of redox flow battery (on a purely inorganic, metal-organic or purely organic redox system basis). The arrangement disclosed herein provides advantages for all previously described redox flow batteries regardless of the particular redox chemistry employed. It is also independent of the type of electrochemical flow cell. The wide range of applications is an advantage in terms of construction, because it can then be manufactured in larger quantities and in a modular manner (see Fig. 6 ).

Zusammenfassung: Die vorliegende Erfindung vermeidet also alle bekannten, oben näher erwähnten, Nachteile klassischer Redox-Flow-Batterien und weist demgegenüber folgende Vorteile auf:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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;
  5. 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;
  6. f) Einfache Ermöglichung eines Wechsels der Lösungsmittel (wässrig - nichtwässrig oder umgekehrt) für den Anolyt und Katholyt-Kreislauf und die Haupt-Redox-Systeme;
  7. 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;
  8. 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;
  9. 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;
  10. 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.
Summary: The present invention thus avoids all known disadvantages of classic redox flow batteries, which have been mentioned in more detail above, and in contrast has the following advantages:
  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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;
  5. 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;
  6. f) Easily enabling a change of solvents (aqueous - non-aqueous or vice versa) for the anolyte and catholyte circuit and the main redox systems;
  7. 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;
  8. 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;
  9. 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;
  10. 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 9 gezeigten Prinzips. Diese Variante des neuen Verfahrens benutzt insgesamt mindestens sechs Redox-Systeme mit unterschiedlichen Standard-Redox-Potentialen. Die Wirkungsweise beruht darauf, dass zur Kompensation von Konzentrations- und Durchtritts-Überspannungen, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu regenerierenden Anolyten und Katholyten mindestens ein zusätzliches, weiteres Redox-System enthalten, dass ein negativeres bzw. positiveres Standard-Redox-Potential, als das des betreffenden Haupt-Redox-Systems aufweist. Wird beispielsweise eine traditionelle Vanadium-Redox-Flow-Batterie anhand 9 betrachtet, wo die betreffenden Standard-Redox-Potentiale von Anolyt und Katholyt mit Markierungen V(2/3) und V(4/5) eingezeichnet sind so sollen die zur Regeneration zu verwendenden Haupt-Redox-Systeme in im einfachsten Fall genau diesen Redox-Potentialen entsprechen. Ein zu 99 % geladenes Haupt-Redox-System für den Anolyten V(2/3) weist ein Redox-Potential von ca. 120 mV negativer als das Standard-Redox-Potential (mit [Ox] = [Red] in der Nernst-Gleichung) auf. Sollte der Anolyt nach dem Durchfluss durch die Batterie-Zellen beispielsweise nur zu 50 % ungesetzt worden sein, dann durchfließt er in der erfindungsgemäßen Regenerations-Vorrichtung Elektroden, die ein um ca. 120 mV negativeres Redox-Potential aufweisen und damit das dreiwertige Vanadium-Ion wieder zu zweiwertigen reduzieren. Da er im Verlauf seines Durchströmens des Haupt-Redox-System bis zur kompletten Entladung des Haupt-Redox-Systems stets neue Fließkanal-Abschnitte mit dieser negativen Überspannung passiert, wird er quantitativ regeneriert. Dann zeigt er das gleiche Redox-Potential als das betreffende Haupt-Redox-System an. Analoges gilt für den Katholyten und das korrespondierende Haupt-Redox-System mit einem Redox-Potential von V(4/5), welches auch im Zustand 99%iger Voll-Ladung um ca. 120 mV positiver als das Standard Redox-Potential von V(4/5) ist.A further advantageous embodiment results from an implementation of the in 9 shown principle. This variant of the new process uses a total of at least six redox systems with different standard redox potentials. The mode of action is based on the fact that, to compensate for concentration and transition overvoltages, the anolytes and catholytes to be regenerated in the device according to the invention contain at least one additional, further redox system that has a more negative or more positive standard redox potential than that of the relevant main redox system. For example, using a traditional vanadium redox flow battery 9 considered, where the relevant standard redox potentials of anolyte and catholyte are marked with V(2/3) and V(4/5), the main redox systems to be used for regeneration should in the simplest case be exactly this redox - match potentials. A 99% charged main redox system for the anolyte V(2/3) has a redox potential of approx. 120 mV more negative than the standard redox potential (with [Ox] = [Red] in the Nernst equation) on. If, for example, only 50% of the anolyte has been reacted after flowing through the battery cells, then it flows through electrodes in the regeneration device according to the invention, which have a redox potential that is approx. 120 mV more negative and thus the trivalent vanadium ion reduce again to divalent. Since it constantly passes new flow channel sections with this negative overvoltage in the course of its flow through the main redox system until the main redox system is completely discharged, it is quantitatively regenerated. Then it shows the same redox potential as the main redox system in question. The same applies to the catholyte and the corresponding main redox system with a redox potential of V(4/5), which is approx. 120 mV more positive than the standard redox potential of V even in the state of 99% full charge (4/5) is.

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 9 mit den Pfeilen 3 bzw. 3' angedeutet. Bei der Wiederaufladung dieser Haupt-Redox-Systeme werden in diesem Fall weitere Redox-Systeme benötigt, deren Standard-Redox-Potential ca. bei 2 bzw. 2' liegen sollte. Solche Hilfs-Redox-Systeme können bei chemischer Verträglichkeit zusätzlich in Anolyt und Katholyt gelöst vorliegen oder mittels eines eigenen Fließkanals (z.B. Multilumenschlauch) durch die Haupt-Redox-Systeme geleitet werden. Ein besonders vorteilhaftes Beispiel wird weiter unten beschrieben. Gerade eine Regenerations-Vorrichtung die mit wasserlöslichen organischen Redox-Polymeren auch als Anolyt und Katholyt arbeitet, ergibt sehr vorteilhafte Kombinations- und Konstruktions-Möglichkeiten.If the overvoltages are not to collapse so quickly towards the end of the capacity of the main redox systems, the main redox systems that are suitable for the anolyte and catholyte are selected for the anolyte in such a way that their standard redox potential is more negative than that of the V(2 /3) system and which is more positive for the regeneration of the catholyte. The relevant standard redox potentials of the two main redox systems are in for this case 9 indicated by the arrows 3 and 3'. In this case, when these main redox systems are recharged, further redox systems are required whose standard redox potential should be around 2 or 2'. If they are chemically compatible, such auxiliary redox systems can also be dissolved in anolyte and catholyte or can be routed through the main redox systems by means of a separate flow channel (eg multi-lumen hose). A particularly advantageous example is described below. A regeneration device that also works as an anolyte and catholyte with water-soluble organic redox polymers results in very advantageous combination and construction options.

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 1 gezeigt werden. An einem Platin-Netz (1) wird aus einer äußeren Kupfersulfatlösung (5) mittels eines Zink-Stabes (2) in einer in einem inneren Kompartment sich befindenden Zinksulfatlösung (4) - und durch ein Diaphragma, hier Keramik-Filterkerze (3) getrennt - mittels einer elektrischen Verbindung zwischen Zink-Stab und Platin-Netz (elektrischer Kurzschluss) am letztgenannten Netz ohne eine weitere, von außen angelegter Spannung metallisches Kupfer abgeschieden. Das unedlere Redox-System Zn/Zn2+ im Vergleich zum Cu/Cu2+System liefert über den elektrischen Leiter Elektronen in Richtung Platin-Netz, die dort Cu2+ zum metallischen Kupfer reduzieren. Es fließen, wie bei einer Redox-Flow-Batterie, Elektronen (ohne hier allerdings zur äußeren Arbeit genutzt zu werden) vom metallischen Zink zum Platin-Netz, um dort Kupfer(II)-lonen zum metallischem Kupfer zu reduzieren, während bei der Zink-Elektrode eine äquivalente Menge Zink(II)-lonen in Lösung gehen. Liegt das Zink in einem stöchiometrischen Überschuss vor, erfolgt die Kupferabscheidung quantitativ. Dies ist auch die Grundlage der analytischen Technik der Elektro-Gravimetrie. Das stöchiometrische Überschuss Prinzip eines der beiden miteinander reagierenden Redox-Systemen ist die chemische Grundlage der quantitativen Arbeitsweise. The functional principle of the regeneration device according to the invention is to be explained with the help of a historical experimental setup for "internal electrolysis" in 1 to be shown. On a platinum mesh (1), an outer copper sulphate solution (5) is separated by means of a zinc rod (2) into a zinc sulphate solution (4) in an inner compartment - and by a diaphragm, here a ceramic filter candle (3). - Metallic copper is deposited on the latter network by means of an electrical connection between the zinc rod and the platinum network (electrical short circuit) without any further externally applied voltage. The baser redox system Zn/Zn 2+ compared to the Cu/Cu 2+ system supplies electrons via the electrical conductor in the direction of the platinum network, where they reduce Cu 2+ to metallic copper. As in a redox flow battery, electrons flow (without being used here for external work, however) from the metallic zinc to the platinum mesh, in order to reduce copper(II) ions there to metallic copper, while in the zinc -electrode an equivalent amount of zinc(II) ions go into solution. If the zinc is present in a stoichiometric excess, the copper is deposited quantitatively. This is also the basis of the analytical technique of electro-gravimetry. The stoichiometric excess Principle of one of the two redox systems reacting with each other is the chemical basis of the quantitative working method.

Der historische Versuchsaufbau von 1 zur inneren Elektrolyse kann auch bei gelösten Redox-Systemen verwendet werden, um beispielsweise beliebige Redox-Zustandsänderungen ohne das Anlegen einer äußeren Spannung durchzuführen. In diesem Fall ersetzt man die Elektroden 1 und 2 (Platin-Netz und Zink-Stab) durch inerte elektrische Leiter (z.B. nicht korrodierende Edelmetalle, Kohle, Graphit, etc.). Interessant wird diese innere Elektrolyse, wenn in beiden Kompartments das gleiche Redox-System oder ein ähnliches mit gleichem Standard-Redox-Potential vorliegt. Wegen des Redox-Potential-prägenden Charakters desjenigen Redox-Systems, welches in der höheren Konzentration vorliegt (stöchiometrischer Überschuss), werden durch den Kurzschluss beider Elektroden solange Elektronen von der Elektrode mit dem negativeren Redox-Potential zur anderen Elektrode fließen, bis beide ein gleiches Redox-Potential aufweisen (Einstellung des elektrochemischen Gleichgewichtes). Daher wurde im Vorfeld dieser Erfindung versucht, Eisen(II)-lonen, wie sie bei einigen Redox-Flow-Batterien mit dem Redox-System Fe(III)/Fe(II) bei völliger Entladung des Katholyten anfallen, durch einen Überschuss von Fe(III)-Ionen wieder aufzuoxidieren, was in diesem Beispiel einer Regeneration gleichkommt.The historical experimental setup 1 for internal electrolysis can also be used with dissolved redox systems, for example to carry out any redox state changes without applying an external voltage. In this case, electrodes 1 and 2 (platinum mesh and zinc rod) are replaced by inert electrical conductors (eg non-corrosive precious metals, carbon, graphite, etc.). This internal electrolysis becomes interesting if the same redox system or a similar one with the same standard redox potential is present in both compartments. Due to the character of the redox system that is present in the higher concentration (stoichiometric excess), which influences the redox potential, the short circuit of both electrodes will cause electrons to flow from the electrode with the more negative redox potential to the other electrode until both have the same Have redox potential (adjustment of the electrochemical equilibrium). Therefore, in the run-up to this invention, an attempt was made to replace iron(II) ions, as they occur in some redox flow batteries with the redox system Fe(III)/Fe(II) when the catholyte is completely discharged, with an excess of Fe (III) ions to oxidize again, which in this example is equivalent to a regeneration.

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 1 im Kompartment (5) das gleiche Volumen einer Eisen(III)sulfat-Lösung in einer wesentlich höheren Konzentration (0,1 M) eingefüllt. Im stationären Zustand (keine Durchfluss-Bedingungen) zeigte die Elektrode (2) - diesmal eine Platin-Elektrode anstelle des Zinkstabes - in einer reinen schwefelsauren Eisen(II)sulfat-Lösung (0,01 M) ein Redox-Potential gegenüber einer Standard-Wasserstoff-Bezugselektrode von ca. +400 mV. Die Elektrode (1) in einer reinen schwefelsauren Eisen(III)sulfat-Lösung zeigte ein Redox-Potential von ca. +900 mV. Wegen des Kurzschusses zwischen beiden Elektroden können nun Elektronen von der Elektrode (2) zur Elektrode (1) fließen. Dabei werden äquivalente Mengen zweiwertig positive Eisen-Ionen im Kompartment (4) zu dreiwertigen aufoxidiert, während im Kompartment (5) eine aliquote Menge zu Eisen(II)-lonen reduziert wird. Im vorliegenden Versuch betrug die im Kompartment (4) vorhandene Eisen(II)-Menge nur 1/10 der Eisen(III)-Menge im Kompartment (5). Beide Lösungen wurden mittels Durchleiten von Stickstoff gerührt. Nach einiger Zeit wurde ein Gleichgewicht erreicht und es floss über die Kurzschluss-Brücke kein Strom mehr. Die Potentiale beider Elektroden gegenüber einer Standard-Wasserstoff-Elektrode haben sich angeglichen und in beiden Kompartments liegen gleiche Konzentrations-Verhältnisse von Eisen(III)-Ionen zu Eisen(II)-lonen vor. Eine chemische Analyse ergab ein Verhältnis von Eisen(III)-Ionen zu Eisen(II)-lonen von 9 im beiden Kompartments. Dieser Wert in die betreffende Nernst-Gleichung eingesetzt ergab für beide Elektroden ein Potential gegenüber der Standard-Wasserstoff-Elektrode von 826 mV. Gemessen wurde 830 mV. Allerdings benötigten diese Versuche ein sehr dichtes Diaphragma, damit sich die beiden Redox-Partner nicht über diesen notwendigen Stromschlüssel vermischen und so den Elektronentransport über den elektrischen Leiter unterminieren. Hier wurde eine keramische Filterkerze, die zusätzlich noch mit einem Agar-Agar-Gel abgedichtet wurde, verwendet. Unter stationären Bedingungen konnten in einem Becherglas wie in 1 gezeigt - trotz des Überschusses des oxidierenden Redox-Systems - nur 90% der Eisen(II)-lonen oxidiert werden. Daher wurde für die äußere Eisen(III)sulfat-Lösung durch Vergrößerung des Volumens ein 100-facher stöchiometrischer Fe3+-Ionen Überschuss verwendet. Durch diesen stöchiometrischen Überschuss konnte schließlich das gesamte zweiwertige Eisen im Kompartment (4) dann zu 99 % zum dreiwertigen aufoxidiert werden. Das belegt die Möglichkeit einer quantitativen Regeneration des Redox-Systems im Kompartiment (4).In this test setup, instead of a zinc sulfate solution, a soluble redox system, here a sulfuric iron(II) sulfate solution (0.01 M), was introduced into the inner compartment (4). Such a solution could be, for example, the completely discharged redox electrolyte of a ferric sulfate electrolyte used in a Fe-Ti or Fe-Cr redox flow battery to convert Ti(III) sulfate to Ti(IV) to oxidize sulfate or Cr(II) to Cr(III). In these special redox flow battery types, the iron(III) is reduced to bivalent in the electrochemical flow cell. In order to oxidize the latter back to the trivalent iron by means of a suitable redox system, in the device from 1 in compartment (5) filled the same volume of iron (III) sulfate solution in a much higher concentration (0.1 M). In the stationary state (no flow-through conditions), the electrode (2) - this time a platinum electrode instead of the zinc rod - showed a redox potential in a pure sulfuric iron(II) sulfate solution (0.01 M) compared to a standard Hydrogen reference electrode of approx. +400 mV. The electrode (1) in a pure sulfuric iron(III) sulfate solution showed a redox potential of approx. +900 mV. Because of the short circuit between the two electrodes, electrons can now flow from electrode (2) to electrode (1). Equivalent amounts of bivalent positive iron ions are oxidized to trivalent ones in compartment (4), while an aliquot amount is reduced to iron(II) ions in compartment (5). In the present experiment, the amount of iron(II) present in compartment (4) was only 1/10 of the amount of iron(III) in compartment (5). Both solutions were stirred by bubbling nitrogen through them. Equilibrium was reached after some time and no more current flowed through the short-circuit bridge. The potentials of both electrodes compared to a standard hydrogen electrode have equalized and the concentration ratios of iron(III) ions to iron(II) ions are the same in both compartments. Chemical analysis revealed a ferric ion to ferrous ion ratio of 9 in both compartments. Inserting this value into the relevant Nernst equation resulted in a potential for both electrodes of 826 mV compared to the standard hydrogen electrode. 830 mV was measured. However, these experiments required a very dense diaphragm so that the two redox partners do not mix via this necessary current key and thus undermine the electron transport via the electrical conductor. A ceramic filter cartridge, which was additionally sealed with an agar-agar gel, was used here. Under stationary conditions, in a beaker as in 1 shown - despite the excess of the oxidizing redox system - only 90% of the iron(II) ions are oxidized. Therefore, by increasing the volume, a 100-fold stoichiometric Fe 3+ ion was obtained for the outer ferric sulfate solution surplus used. Due to this stoichiometric excess, 99% of the bivalent iron in compartment (4) could then be oxidized to trivalent iron. This proves the possibility of a quantitative regeneration of the redox system in compartment (4).

Beispiel 2: Innere Elektrolyse mit bipolaren ElektrodenExample 2: Internal electrolysis with bipolar electrodes

Im Versuchsaufbau der 1 wurden die beiden Arbeitselektroden (1) und (2) elektronisch kurzgeschlossen. Den gleichen Effekt erzielt man, wenn man die zwei Oberflächen eines Leiters jeweils in getrennten Kompartments, die mit einer Elektrolytschlüssel verbunden sind, in Röhrenform verwendet. Dann ergibt sich aus einem Versuchsaufbau nach 1 ein Aufbau, der in 2 skizziert wird, wobei gleichzeitig ein preiswertigerer Elektronenleiter als Elektroden-Material verwendet wurde. Die zylinderförmige bi-polare Elektrode (1) bestand aus einem Elektronen-leitenden pyrolytischen Graphitrohr, so wie es beispielsweise in der flammenlosen Atomabsorptionsspektroskopie verwendet wird. Im inneren Kompartment (2) befand sich eine schwach schwefelsaure Eisen(II)sulfat-Lösung (0,01 M) und im äußeren (3) eine ebenfalls schwach schwefelsaure 10 mal konzentriertere Eisen(III)sulfat-Lösung (0,1 M) gleichen Volumens wie innen. Anstelle eines Diaphragmas wurde eine - Anionen selektiv durchlassende - Membran verwendet, die das Graphitrohr semipermeabel abschließt. Zusätzlich wurde zur Beschleunigung des Stofftransportes zu und von den beiden Elektrodenoberflächen (innen und außen vom Graphitrohr) noch mittels Magnetrührer (5) gerührt. Unter stationären Bedingungen wurden identische Ergebnisse, wie im Beispiel 1 erzielt, was beweist, dass der Versuchsaufbau mit bi-polaren Elektroden und semipermeabler Membran ebenfalls wie eine innere Elektrolyse arbeitete. In einem weiteren Versuch wurde das Volumen der äußeren Redox-Elektrolyt-Lösung (Kompartment 3) um den Faktor 10 erhöht. Im Kompartment (2) konnte so eine 99-prozentige Regeneration des primären Redox-Systems (hier Eisen(II)sulfat) erreicht werden. Damit konnte die prinzipielle Möglichkeit bewiesen werden, mit einem identischen Redox-System in einem anderen Oxidationszustand und im Überschuss, einen primären Redox-Mediator wieder zu regenerieren. Analoge Versuche wurden auch mit der Reduktion von Ti4+-Verbindungen mittels überschüssigen Titan3+- Verbindungen durchgeführt. Sie beweisen, dass eine Regeneration durch das gleiche Redox-System im stöchiometrischen Überschuss möglich ist. Es zeigte sich jedoch, dass die Zeit, bis zur Einstellung des elektrochemischen Gleichgewichts, relativ lang war. Dies lag am behinderten Ionenfluss durch die ionenselektive Membran und an Diffusions- und Reaktionsüberspannungen an den beiden Phasengrenzen, wo der Elektronenübergang stattfindet. Um die letztgenannten zu kompensieren, wurde versucht, diese Regenration auch mit einem anderen Redox-System mit einem mehr positiveren Redox-Potential durchzuführen. Daher wurde In einem weiteren Versuch im Falle des Eisen(II)sulfat im Kompartment (2) als Regeneration-Redox-System im Kompartment (3) eine 0,1 M Lösung von Cer(IV)sulfat verwendet. Es verhielt redox-mäßig sich genau wie das Eisen(III)sulfat allerdings mit schnellerer Gleichgewichtseinstellung. Damit ist erwiesen, dass man zur Regeneration von Katholyt oder Anolyt auch andere Redox-Systeme mit geeignetem Redox-Potential verwenden kann. Eine solche bi-polare innere Elektrolyse wurde bisher nicht beschrieben und ist der Kern dieser Patentanmeldung. Die Merkmale dieser Technik sind: Mindestens zwei elektrisch miteinander verbundene elektronenleitende Oberflächen, die jeweils mit mindestens einem Kompartment in Kontakt stehen, wobei die betreffenden Kompartments über eine elektrolytische Brücke (Stromschlüssel, permselektive oder ionenselektive Membran) verbunden sind, um den Stromkreis zu schließen. Die Permselektivität verhindert, dass die miteinander regierenden redox-aktive Verbindungen sich über diese elektrolytische Verbindung zwischen den Kompartimenten vermischen. Nicht redox-aktive Ionen, wie z.B. H+- oder OH-Ionen ist der Durchtritt erlaubt.In the experimental setup 1 the two working electrodes (1) and (2) were electronically short-circuited. The same effect can be achieved by using the two faces of a conductor, each in separate compartments connected with an electrolytic key, in tubular form. Then, from an experimental setup, 1 a build that in 2 is sketched, while at the same time cheaper electron-conductor was used as electrode-material. The cylindrical bi-polar electrode (1) consisted of an electron-conducting pyrolytic graphite tube such as is used, for example, in flameless atomic absorption spectroscopy. In the inner compartment (2) there was a weak sulfuric acid iron(II) sulfate solution (0.01 M) and in the outer compartment (3) there was also a weak sulfuric acid iron(III) sulfate solution (0.1 M) that was 10 times more concentrated. same volume as inside. Instead of a diaphragm, a membrane - selectively allowing anions through - was used, which seals off the graphite tube in a semipermeable manner. In addition, to accelerate the mass transfer to and from the two electrode surfaces (inside and outside of the graphite tube), stirring was also carried out using a magnetic stirrer (5). Identical results as in example 1 were obtained under stationary conditions, which proves that the experimental setup with bi-polar electrodes and semi-permeable membrane also worked like an internal electrolysis. In another experiment, the volume of the outer redox electrolyte solution (compartment 3) was increased by a factor of 10. In compartment (2) a 99 percent regeneration of the primary redox system (here iron(II) sulphate) could be achieved. This proved the fundamental possibility of regenerating a primary redox mediator with an identical redox system in a different oxidation state and in excess. Analogous experiments were also carried out with the reduction of Ti 4+ compounds using excess titanium 3+ compounds. They prove that regeneration by the same redox system in stoichiometric excess is possible. It turned out, however, that the time it took for the electrochemical equilibrium to be established was relatively long. This was due to impeded ion flow through the ion selective membrane and diffusion and reaction overpotentials at the two phase boundaries where electron transfer occurs. In order to compensate for the latter, an attempt was made to carry out this regeneration with another redox system with a more positive redox potential. Therefore, in a further experiment, a 0.1 M solution of cerium(IV) sulfate was used in compartment (2) as the regeneration redox system in compartment (3) in the case of iron(II) sulfate. In terms of redox, it behaved exactly like iron(III) sulfate, albeit with a faster establishment of equilibrium. This proves that other redox systems with a suitable redox potential can also be used to regenerate catholyte or anolyte. Such a bi-polar internal electrolysis has not previously been described and is the core of this patent application. The features of this technique are: At least two electrically interconnected electron-conducting surfaces, each in contact with at least one compartment, the compartments in question being connected via an electrolytic bridge (current key, permselective or ion-selective membrane) to complete the circuit. Permselectivity prevents the reacting redox-active compounds from mixing across the compartments via this electrolytic connection. Ions that are not redox-active, such as H + - or OH - ions, are allowed to pass through.

Beispiel 3: Primäre Redox-Mediatoren und Haupt-Redox-Systeme in VorratsbehälternExample 3: Primary redox mediators and main redox systems in reservoirs

3 zeigt stark vereinfacht (ohne Stromschlüssel) und schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Version der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine neuartige Redox-Flow-Batterie Technologie. Sie benutzt einen klein-volumigen Anolyt- und Katholyt-Kreisfluss mit überwiegender stofflicher Trennung und vorzugsweise rein elektronischem Kontakt (Elektronenaustausch überwiegend nur über elektrische Leiter) zu dem betreffenden, Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-System (flüssige Redox-Polymere oder feste Redox-Polymer-Harze). Die Ähnlichkeit mit typischen Redox-Flow-Batterie Anordnungen und in Anlehnung an Röhrenbündel Wärme-Austauschern ist hier gewollt, um das Prinzip zu verdeutlichen. Man beachte aber, dass der hier gezeigte Strömungskreislauf von Anolyt und Katholyt (4) und (5) nur den klein-volumigen Teil, der RedoxSysteme auf Anolyt und Katholyt Seite darstellt und die elektronisch-leitende Fließkanal-Leitung durch die Elektronenaustauscher-Säulen (hier Vorratstanks) in 3 nur eine beispielhafte und nicht optimale Ausführungsform ohne vorgegebenen Maßstab bezüglich Länge und Innendurchmesser darstellt. Das Volumen der Haupt-Redox-Systeme (hell gezeichnet) muss real wesentlich größer sein als hier dargestellt. Die beiden Anolyt und Katholyt Elektrolyte brauchen wegen ihrer Regeneration beim Durchfluss durch die Haupt-Redox-Systeme nicht bis zum Löslichkeitsmaximum der betreffenden Redox-Verbindungen angesetzt werden. Sie können beispielsweise bei gelösten organischen Redox-Polymeren so angesetzt werden, dass noch keine hohe Viskosität entsteht, um die Pump-Energie-Verluste gering zu halten. Im Allgemeinen liegt die elektrochemische Kapazität (ausgerückt in Ah) des Haupt-Redox-Systems um Größenordnungen über der Redox-Kapazität der umgepumpten Anolyt - und Katholyt - Lösungen. Die Umwälzpumpen (3) fördern die Anolyt und Katholyt wie traditionell durch die Vorratsbehälter hier aber mittels rohrförmiger Leitungen mit elektrisch leitfähigen Wandungen und anschließend an den Kollektor-Elektroden (2) der elektrochemischen Durchfluss-Zelle mit einer Trenn-Membran (1), die eine direkte Vermischung der Redox-Partner verhindern soll, nicht redox-aktiven Ionen aber ein Passieren erlaubt. Die elektrochemische Durchfluss-Zelle (oder Batterie-Zellen-Stacks) entspricht denen, die traditionell bei den Redox-Flow-Batterien verwendet werden; sie ist nicht Gegenstand der hier offenbarten Erfindung. Innerhalb der elektrisch leitfähigen Fließkanäle ist der Elektronen-Transfer von und zur Oberfläche der Kanalwandungen durch die Strömung dahingehend optimiert, dass dadurch eine Konzentrationspolarisation und eine Zellspannungvermindernde Diffusionsüberspannung herabgesetzt wird. Außerhalb dieser Kanäle ist das nicht der Fall und es könnten bei unbewegten Redox-Systemen im Elektrolyten dort nachteilige Konzentrationspolarisationen stattfinden. Um diesen elektrochemischen Effekt zu minimieren, wird die äußere Oberfläche der elektrisch leitfähigen Fließkanäle durch elektrischen Kontakt zu weiteren elektronischen Leitern - eingebettet im Haupt-Redox-System - vergrößert. 3 (Ausschnitt Vergrößerung) zeigt ein Beispiel mit einer Drahtbürsten-artigen OberflächenVergrößerung mittels nicht-korrodierender metallischer Leiter, die die Haupt-Redox-Systeme vorzugsweise senkrecht zur Mediator-Strömungsrichtung durchdringen, um chromatographische Bedingungen zu erhalten und die Äquipotentialfläche nicht über einen begrenzten gewünschten Bereich längst der Fließrichtung auszudehnen. Ein weiteres Beispiel für die eine gerichtete Elektronen-Leitung zur Fließkanalwandung ist durch einen gefalteten Metall-Kranz daneben angedeutet. Für jeden Fachmann/-frau ist es naheliegend, die optimale Oberflächenvergrößerung elektronischer Leiter auf der Außenseite der Mediator-Fließkanäle abzuschätzen und geeignetes Material zu finden. Wegen des unbewegten Haupt-Redox-Systems stellt sich dort bei der inneren Elektrolyse eine stationäre Stromdichte ein, die um Größenordnungen geringer ist als die an der inneren Oberfläche, wo Anolyt und Katholyt mit Konvektion vorbeiströmen. 3 shows in a highly simplified (without current key) and schematic manner the basic structure of a version of the device according to the invention for a novel redox flow battery technology. It uses a small-volume anolyte and catholyte circulatory flow with predominantly material separation and preferably purely electronic contact (electron exchange predominantly only via electrical conductors) to the relevant main redox system that determines storage capacity (liquid redox polymers or solid redox polymer resins). The resemblance to typical redox flow battery arrangements and based on tube bundle heat exchangers is intentional here in order to clarify the principle. Note, however, that the flow circuit of anolyte and catholyte (4) and (5) shown here only represents the small-volume part, the redox systems on the anolyte and catholyte side and the electronically conductive flow channel line through the electron exchange columns (here storage tanks) in 3 only represents an exemplary and non-optimal embodiment without a predetermined scale with regard to length and inner diameter. The volume of the main redox systems (light colored) must be much larger in real terms than shown here. The two anolyte and catholyte electrolytes do not need to reach the maximum solubility of the relevant redox compounds because of their regeneration when flowing through the main redox systems be set. In the case of dissolved organic redox polymers, for example, they can be prepared in such a way that a high viscosity does not yet develop in order to keep the pump energy losses low. In general, the electrochemical capacity (expressed in Ah) of the main redox system is orders of magnitude higher than the redox capacity of the pumped anolyte and catholyte solutions. The circulating pumps (3) convey the anolyte and catholyte as traditionally through the reservoir, but here by means of tubular lines with electrically conductive walls and then to the collector electrodes (2) of the electrochemical flow cell with a separating membrane (1), which has a should prevent direct mixing of the redox partners, but does not allow redox-active ions to pass through. The electrochemical flow cell (or battery cell stack) corresponds to those traditionally used in redox flow batteries; it is not the subject of the invention disclosed here. Within the electrically conductive flow channels, the electron transfer from and to the surface of the channel walls is optimized by the flow in such a way that concentration polarization and cell voltage-reducing diffusion overvoltage are reduced. Outside of these channels, this is not the case and disadvantageous concentration polarizations could take place in the electrolyte in stationary redox systems. In order to minimize this electrochemical effect, the outer surface of the electrically conductive flow channels is increased by electrical contact to other electronic conductors - embedded in the main redox system. 3 (detail enlargement) shows an example with a wire brush-like surface enlargement by means of non-corrosive metallic conductors, which penetrate the main redox systems preferably perpendicular to the mediator flow direction in order to obtain chromatographic conditions and the equipotential surface does not long over a limited desired area to expand the direction of flow. Another example for directed electron-line to flow-canal-wall is indicated by folded metal-rim next to it. It is obvious for every expert to estimate the optimal surface enlargement of electronic conductors on the outside of the mediator flow channels and to find suitable material. Due to the immobile main redox system, a stationary current density is established there during the inner electrolysis, which is orders of magnitude lower than that on the inner surface, where anolyte and catholyte flow past with convection.

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. 6, 7, 8) oder mäanderförmig sein.It is advantageous for a procedure analogous to an ion exchange column with locally progressive conversion (regeneration of anolyte and catholyte) if the redox conversion preferably initially takes place in layers and perpendicular to the direction of flow. This requirement requires an electrical interruption of the electronically conductive flow channel walls in order to avoid an excessively large, disadvantageous equipotential surface. Advantageously, the conductive wall areas become longer in the direction of flow in order to counteract the depletion of the concentration of the relevant redox systems in the anolyte and catholyte. To support this requirement, it may also be necessary to place electrically insulating partitions perpendicular to the direction of flow of anolyte and catholyte. The flow channels for anolyte and catholyte can also have other shapes in order to increase the flow distance through the main redox system and at the same time contact a maximum amount of the main redox system. For example, they can also be serpentine, spiral (see 6 , 7 , 8th ) or be meandering.

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. 4), ionenselektiven Membranen oder Größenausschluss-Membranen (z.B. Dialysemembranen, etc.) wobei im letzten Fall Anolyt- und Katholyt-Redox-System und Haupt-Redox-System identisch sein können, aber in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen. Anolyt und Katholyt weisen geringere Konzentrationen der wasserlöslichen organischen Redox-Polymere auf, deren Viskosität noch keine exzessive Pumpenergie benötigt. Ein Ausgleich des osmotischen Drucks zwischen den hochpolymeren zirkulierenden Redox-Systemen und den stationären hochviskosen Haupt-Redox-Systemen geschieht durch entsprechende Zugaben gut leitfähiger Elektrolyte (Neutrale Salze). Als Elektrolytbrücke mit größerem Wirkungsquerschnitt können hierbei die einzelnen elektrisch leitenden Fließkanal Abschnitte auch mit parallel geschalteten Dialysier-Schlauch-Bündel getrennt sein. Die Verwendung von ionenselektiven Membranen zur Passage von nicht redox-aktiven Ionen (vorzugsweise H+ - oder OH-- Ionen) ist empfehlenswert bei einem Lösungsmittelwechsel zwischen Anolyt bzw. Katholyt und dem korrespondierenden Haupt-Redox-System oder bei einem Wechsel von einem anorganischen auf ein organisches Redox-System zwischen beiden.If polymeric and high-viscosity organic redox systems are used as the main redox systems, the anolyte and catholyte flow channels must be non-porous and permeable for all solutes. Here, a material separation of these mediator redox systems from the relevant main redox systems takes place, analogous to that in the electrochemical flow cell, either with an electrolytic current key (see Fig. 4 ), ion-selective membranes or size-exclusion membranes (e.g. dialysis membranes, etc.), in which case the anolyte and catholyte redox system and main redox system can be identical in the latter case, but are present in different concentrations. Anolyte and catholyte have lower concentrations of the water-soluble organic redox polymers whose viscosity does not yet require excessive pumping energy. The osmotic pressure between the highly polymeric circulating redox systems and the stationary, highly viscous main redox systems is balanced by the appropriate addition of highly conductive electrolytes (neutral salts). As an electrolyte bridge with a larger effective cross section, the individual electrically conductive flow channel sections can also be separated with dialysis tubing bundles connected in parallel. The use of ion-selective membranes for the passage of non-redox-active ions (preferably H + - or OH - - ions) is recommended when changing the solvent between anolyte or catholyte and the corresponding main redox system or when changing from an inorganic to one an organic redox system between the two.

Die Membran-basierenden Stromschlüssel sind bei Anordnungen nach 5 ebenfalls schlauch- oder röhrenförmig und unterbrechen die elektrisch leitfähigen Fließkanal-Abschnitte in unterschiedlich großen Teilen. Diese Unterbrechung der elektrischen Leitfähigkeit der Fließkanal-Wandung hat den Zweck, zu lange Äquipotentialflächen zu vermeiden, um so in Fleißrichtung stets neue Abschnitte mit dem Redox-Potential von geladenem Haupt-Redox-System zu erhalten. Da im Verlauf des Durchströmens innerhalb der Vorratsbehälter mit dem betreffenden Haupt-Redox-System die Redox-Systeme im Anolyten und Katholyten während des Entladevorgangs zunehmend regeneriert werden und die Menge an noch nicht umgesetztes Redox-Material in Strömungsrichtung abnimmt, verringert sich auf Grund der stattfindenden Konzentrationspolarisation der entsprechende Elektronenfluss zur oder von der Wandung weg, was unerwünscht ist, da es eine quantitative Regeneration verzögert. Zur Kompensation werden erfindungsgemäß die elektrisch leitfähigen Abschnitte der Fließkanäle in Fließrichtung größer. Getrennt werden diese Abschnitte durch kanalförmige Isolatoren. Vorzugsweise können hierzu schlauchförmige ionenselektive oder Molekularfilter-Membranen verwendet werden. 5 zeigt schematisch, wie der Anolyt- und Katholyt-Fließkanal (1) mit elektrisch leitenden Wandungsbereichen und isolierenden (kein Fluss von Elektronen möglich) Bereichen aufgebaut ist. Die elektrisch leitfähigen Abschnitte (3) werden in Durchflussrichtung länger. Die isolierenden Bereiche (2) werden durch schlauchförmige ionenselektive Membranen oder bei wässrigen hoch-polymeren Haupt-Redox-Systemen durch entsprechende, Redox-System blockierende Dialysiere-Schläuche ausgebildet. Je nach Anforderungen an diese Elektrolytbrücke (notwendiger Ionenfluss zum Strom-Ausgleich des elektrochemischen Umsatzes) können hier auch längere, nur ionenleitende Fließkanal-Abschnitte oder auch Dialyseschlauch-Bündel geeigneter Durchlässigkeit verwendet werden.The membrane-based power keys are in arrangements after 5 also hose-like or tubular and interrupt the electrically conductive flow channel sections in parts of different sizes. The purpose of this interruption of the electrical conductivity of the flow channel wall is to avoid equipotential surfaces that are too long, so that new sections with the redox potential of the charged main redox system are always obtained in the direction of flow. As the redox systems in the anolyte and catholyte are increasingly regenerated during the discharging process as they flow through within the reservoir with the relevant main redox system, and the amount of redox material that has not yet been converted in the direction of flow decreases, due to the taking place Concentration polarization the corresponding flow of electrons to or from the wall, which is undesirable as it retards quantitative regeneration. To compensate, according to the invention, the electrically conductive sections of the flow channels become larger in the direction of flow. These sections are separated by channel-shaped insulators. Tubular ion-selective or molecular filter membranes can preferably be used for this purpose. 5 shows schematically how the anolyte and catholyte flow channel (1) is constructed with electrically conductive wall areas and insulating (no flow of electrons possible) areas. The electrically conductive sections (3) become longer in the flow direction. The isolating areas (2) are formed by tubular ion-selective membranes or, in the case of aqueous, high-polymer main redox systems, by corresponding dialysis tubes that block the redox system. Depending on the requirements of this electrolyte bridge (necessary ion flow for current equalization of the electrochemical conversion), longer, only ion-conducting flow channel sections or dialysis tubing bundles with suitable permeability can also be used here.

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 3 skizziert. Ebenso, wegen der Übersichtlichkeit, sind die isolierenden Kanalabschnitte, die vorzugsweise aus einer ionenselektiven Membran bestehen, und die in Durchflussrichtung länger werdenden elektronisch leitenden Bereiche der Mediator-Fließkanal-Wandungen nicht explizit eingezeichnet.The volume of the electron exchange column, which determines the total storage capacity, and the number and diameter of the mediator channels can be designed as required. The additional electronic conductors to be introduced in the main redox system with contact to the outer walls of the flow channel are, for the sake of clarity (and the large number of obvious possibilities), only schematic and exemplary for a mediator channel in 3 sketched. Likewise, for the sake of clarity, the isolating channel sections, which preferably consist of an ion-selective membrane, and the electronically conductive areas of the mediator flow channel walls, which become longer in the direction of flow, are not shown explicitly.

Eine elektrochemisch klassische Elektrolytbrücke zwischen Anolyt bzw. Katholyt und korrespondierendem Haupt-Redox-System ist ebenfalls der Übersichtlichkeit wegen in 3 nicht dargestellt. Sie können mittels üblicher Stromschlüssel-Elektrolyte, die mit den in elektrolytischem Kontakt stehenden angrenzenden Phasen verträglich sind, hergestellt werden. Die 4 skizziert eine Möglichkeit, bei der ein durch engporige Fritten begrenzter Raum zwischen Anolyt bzw. Katholyt und einem harzförmigen Haupt-Redox-System hergestellt werden kann, der den Stromkreis während der Regeneration elektrolytisch schließt. Anolyt bzw. Katholyt durchströmen parallel angeordnete Fließkanäle (1), die hier idealisierend gerade verlaufend und ohne die elektrisch isolierenden Abschnitte dargestellt sind, und werden nach der Regeneration wieder vereinigt. Im Kompartment (2), das in Wirklichkeit ein wesentlich größeres Volumen hat und mit nicht (aber als Ausschnittsvergrößerung daneben gezeichnet) eingezeichneten elektrischen Leitern versehen ist, befindet sich das betreffende Haupt-Redox-System, hier in Form von Elektronen-Austauscher-Harzen und elektrischen Leitern in Kontakt mit den leitfähigen Fließkanal-Wandungen sowie benetzt mit einem Mediator (hier das entsprechende Redox-Monomer, dass sich nicht mit Anolyt oder Katholyt vermischen sollte). Eine traditionelle elektrochemische Salzbrücke (4) gefüllt mit einer gut leitfähigen, die beteiligten Redox-Systeme nicht störenden Salzlösung. Mittels äußerer Zu- und Ableitungen kann dieser Stromschlüssel-Elektrolyt erneuert oder sauber gehalten werden. Eine derartige Konstruktion kann besonders vorteilhaft auch eingesetzt werden, um wässrige Anolyt- und Katholyt-Lösungen durch eine flüssige Schicht eines mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel von den korrespondierenden wässrigen Redox-Polymer Haupt-Redox-Systemen zu trennen. Im Interesse eines geringen inneren Widerstandes sollte die Schichtdicke der flüssigen organischen Matrix so gering wie möglich gehalten werden. Viskose organische, mit Wasser nicht mischbare Elektrolyte können auch innerhalb einer einzigen Diaphragma Strecke stabilisiert werden. Neben einer guten Leitfähigkeit, die mit Hilfe bekannter lipophiler Salze erreicht werden kann, können auch spezifische Carrier-Moleküle, für die durch diese Phasengrenze zu transportierenden Ionen hinzugefügt werden (z.B. Valinomycin, wenn Kalium-Ionen zu transferieren sind oder Aliquat S, wenn Anionen über diese Grenze transportiert werden müssen). Aber auch eine elektrolytische Trennung von zwei organischen Lösungsmitteln, die in Wasser nicht löslich sind, ist mit einer solchen Anordnung möglich. Hier kann eine wässrige Elektrolytbrücke mit gut leitfähigen Salzen, wie z.B. Kaliumchlorid oder Lithiumsulfat gute Dienste leisten. Sollten bei der elektrochemischen Reaktion während des Entlade- oder Ladevorgangs Protonen oder Hydroxyl-Ionen durch die Elektrolytbrücke fließen müssen, kann auch ein zusätzlicher pH-Puffer dort gute Dienste leisten. Ein solcher Diaphragma Stromschlüssel ist auch gut geeignet, wenn Anolyt und Katholyt wässrig sind und die korrespondierende Haupt-Redox-Systeme in einem organischen, mit Wasser nicht mischbaren organischen Lösungsmittel gelöst sind oder umgekehrt. Bei der Verwendung einer derartigen Elektrolytbrücke mit angeschlossenem Elektrolyt-Reservoir ist die Möglichkeit, eines schnellen Elektrolyt-Austausches gegeben. Die Platzierung mindestens einer derartigen Elektrolytbrücke ist dem Konstrukteur freigestellt, ebenso die Form (ringförmig oder planar). Sollte hingegen Anolyt und Katholyt selbst als Redox-Mediator im Kompartment (2) dienen, können die elektrisch leitfähigen Fließkanal-Wandungs-Abschnitte auch porös sein und auf eine Elektrolytbrücke kann komplett verzichtet werden.An electrochemical classic electrolyte bridge between anolyte or catholyte and the corresponding main redox system is also included for the sake of clarity 3 not shown. They can be prepared using standard current key electrolytes compatible with the adjacent phases in electrolytic contact. the 4 outlines a possibility in which a narrow-pored Frits limited space can be made between anolyte or catholyte and a resinous main redox system that closes the circuit electrolytically during regeneration. Anolyte and catholyte flow through parallel flow channels (1), which are shown here as ideal straight lines and without the electrically insulating sections, and are reunited after regeneration. The relevant main redox system is located in compartment (2), which in reality has a much larger volume and is provided with electrical conductors that are not drawn in (but are shown as an enlarged detail), here in the form of electron exchange resins and electrical conductors in contact with the conductive flow channel walls and wetted with a mediator (here the corresponding redox monomer that should not mix with anolyte or catholyte). A traditional electrochemical salt bridge (4) filled with a highly conductive salt solution that does not interfere with the redox systems involved. This current key electrolyte can be renewed or kept clean by means of external supply and discharge lines. Such a construction can also be used particularly advantageously in order to separate aqueous anolyte and catholyte solutions from the corresponding aqueous redox polymer main redox systems by a liquid layer of a water-immiscible solvent. In the interest of a low internal resistance, the layer thickness of the liquid organic matrix should be kept as small as possible. Viscous organic, water-immiscible electrolytes can also be stabilized within a single diaphragm section. In addition to good conductivity, which can be achieved with the help of known lipophilic salts, specific carrier molecules can also be added for the ions to be transported through this phase boundary (e.g. valinomycin if potassium ions are to be transferred or Aliquat S if anions are to be transferred via have to be transported over this limit). However, an electrolytic separation of two organic solvents that are not soluble in water is also possible with such an arrangement. An aqueous electrolyte bridge with highly conductive salts such as potassium chloride or lithium sulphate can do a good job here. If protons or hydroxyl ions have to flow through the electrolyte bridge during the electrochemical reaction during the discharging or charging process, an additional pH buffer can also be of good service there. Such a diaphragm current key is also well suited when the anolyte and catholyte are aqueous and the corresponding main redox systems are dissolved in an organic, water-immiscible organic solvent or vice versa. When using such an electrolyte bridge with an attached electrolyte reservoir, there is the possibility of rapid electrolyte exchange. The placement of at least one such electrolyte bridge is up to the designer, as is the shape (annular or planar). If, on the other hand, anolyte and catholyte themselves serve as redox mediators in compartment (2), the electrically conductive flow channel wall sections can also be porous and an electrolyte bridge can be completely dispensed with.

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: H 2 TiCl 6 + FeCl 2 TiCl 3 + FeCl 3 + 2 HCl Zellspannung = 0,74  V

Figure DE102021001501A1_0001
A titanium/iron redox flow battery in a strongly acidic electrolyte is to be considered here as an example. In this battery, the trivalent positive titanium ions reduce the trivalent positive iron ions in the electrochemical flow cell to bivalent positive iron ions and are themselves oxidized to tetravalent positive titanium ions (simplified here, neglecting the water coordination). The chemical reaction outlines the following equation: H 2 TiCl 6 + FeCl 2 TiCl 3 + FeCl 3 + 2 HCl cell voltage = 0.74 V
Figure DE102021001501A1_0001

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 3 (Ausschnitts-Vergrößerung) gezeigt, befinden sich elektrische Leiter mit ihrer Oberfläche vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung der Mediator-Elektrolyte, um die elektrochemische Reaktion vorzugsweise lokal und senkrecht (schichtweise) zur Fließrichtung zu begrenzen.In the present example (in the case of solid, insoluble electron exchange resins), the anolyte and catholyte do not have to be materially separated from the relevant electrochemically adapted main redox system. A porous electrically conductive flow channel line with insulated sections will suffice. The anolyte or catholyte electrolytes wet the stationary layered electron exchange resins together with electrical conductors and enable electron transfer there between the redox polymer resin via the electrical conductors to the outer flow channel wall. As in 3 (Enlargement of detail), electrical conductors are preferably located with their surface perpendicular to the direction of flow of the mediator electrolytes in order to limit the electrochemical reaction preferably locally and perpendicularly (in layers) to the direction of flow.

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 9 soll das Prinzip der Verwendung weiterer Hilfs-Redox-Systeme anhand einer Darstellung verschiedener Standard-Redox-Potentiale von anorganischen und organischen Redox-Systemen verdeutlichen. Sie zeigt Beispiele von Standard-Redox-Potentialen verschiedener anorganischer und organischer Redox-Systeme auf einer Volt-Skala gegenüber einer Normal-Wasserstoff-Elektrode (NHE) als Bezugselektrode. Die mit Zahlen charakterisierten Pfeile zeigen mögliche Standard-Redox-Potentiale von Hilfs-Redox-System (1 und 1'), Speicher-Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-System (2 und 2') sowie von Anolyt und Katholyt (3 und 3') an. Die Redox-Potential-Unterschiede sind hier nur beispielhaft eingezeichnet. Die Hilfs-Redox-Systeme wirken durch Anlegen der Ladespannung an die Batteriezellen nur dann elektrochemisch auf die Haupt-Redox-Systeme bei deren Wiederaufladung. Die stromliefernden Anolyten und Katholyten liegen bezüglich ihres Standard-Redox-Potentials bei 3 bzw. 3'. Durch den Unterschied zu den Standard-Redox-Potentialen der betreffenden Haupt-Redox-Systeme bei 2 und 2' existiert in beiden Fällen eine Überspannung zum Ausgleich kinetischer und Diffusions-bedingter Limitationen. Werden mehr als ein Hilfs-Redox-System pro Anolyt und Katholyt gelöst, so sind sie bei der Entladung der Stromspeicher (Haupt-Redox-Systeme) außer zur Steigerung einer elektrolytischen Leitfähigkeit elektrochemisch nicht beteiligt. Bei der Wiederaufladung der der Haupt-Redox-Systeme können sie jedoch die pro Zeit umgesetzte Menge an den Haupt-Redox-Systemen erhöhen.the 9 is intended to illustrate the principle of using additional auxiliary redox systems by means of a representation of various standard redox potentials of inorganic and organic redox systems. It shows examples of standard redox potentials of various inorganic and organic redox systems on a volt scale versus a standard hydrogen electrode (NHE) as reference electrode. The arrows marked with numbers show possible standard redox potentials of the auxiliary redox system (1 and 1'), storage capacity-determining main redox system (2 and 2') and of anolyte and catholyte (3 and 3 ') on. The redox potential differences are only shown here as examples. By applying the charging voltage to the battery cells, the auxiliary redox systems only have an electrochemical effect on the main redox systems during their recharging. The current-yielding anolytes and catholytes are 3' and 3', respectively, with respect to their standard redox potential. Due to the difference to the standard redox potentials of the relevant main redox systems at 2 and 2', there is an overvoltage in both cases to compensate for kinetic and diffusion-related limitations. If more than one auxiliary redox system is dissolved per anolyte and catholyte, they are not electrochemically involved in the discharge of the electricity storage (main redox systems) except for increasing an electrolytic conductivity. However, when recharging the main redox systems, they can increase the amount of the main redox systems converted per time.

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 WO2014026728 A1 skizziert werden. Hier werden Redox-Flow-Batterien beschrieben, bei denen durch die Verwendung neuer Materialien und Membranen möglichst ohne großen Aufwand kostengünstige und langlebige Redox-Flow-Batterien zu schaffen sind. Hier werden als Anolyt und Katholyt redox-aktive Komponenten wasserlöslicher organischer hochmolekularer Verbindungen und als Membran eine Größenausschlussmembran (z.B. Dialysemembran) zur Vermeidung von Durchmischung („chemischer Kurzschluss“ von Anolyt und Katholyt) der in gelöster oder in dispergierter Form vorliegenden hochmolekularen redox-aktiven Komponenten eingesetzt. Ein Hauptproblem aller wasserlöslichen organischen Redox-Polymere ist die mit dem Polymerisationsgrad ansteigende Viskositätserhöhung der betreffenden Haupt-Redox-Systeme. Die Erfinder achteten bei der Synthese der bevorzugten Anolyten und Katholyten besonders auf das rheologische Verhalten. Die Viskosität sollte unter 20 mPas betragen, um nicht zu hohe Pumpenergie-Verluste zu erzeugen. Als Grund-Elektrolyt wurde sowohl beim Anolyten als auch beim Katholyten eine pH-neutrale NatriumchloridLösung verwendet. Diese vor einigen Jahren offenbarte neue sehr preiswerte und umweltfreundliche Redox-Flow-Batterie-Art konnte bisher wegen der Viskositätsproblematik nur mit Energiedichten um ca. 10Ah/L verwirklicht werden. Sie lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders gut in einer in 6 gezeigten beispielhaften Bauversion verwirklichen. Bei Benutzung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verwendung von Analyt- und Katholyt-Elektrolyten mit geringeren Konzentrationen an den betreffenden Redox-Polymeren können die korrespondierenden identischen Haupt-Redox-Systeme hochkonzentriert und damit auch hochviskos (sirupartig) sein. In diesem Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden eher waagerecht und nur schwach zu einem leichten Gefälle geneigte Spiral-ähnliche Strömungskanäle (s. 7 und 8) verwendet. 6 soll nur schematisch und nicht maßstab-gerecht das Prinzip verdeutlichen. Die zu regenerierenden Anolyten bzw. Katholyten treten bei Position (1) in die spiralförmige Fließkanal-Strecke (3) mit unterbrochenen elektrisch leitfähigen Wandungen ein und bei Position (5) aus bzw. in ein nächstes Haupt-Redox-System Spiral-Modul ein. Die Module sind in diesem Beispiel mit einem hochviskosen - sehr energiedichten - Haupt-Redox-System sowie mit einem elektrisch leitfähigen Netzwerk (2) gefüllt. Letzteres soll bevorzugt die Elektronenleitung in senkrechter Richtung zur Fließrichtung in Kontakt mit der Fließkanal-Wandung fördern. Anolyt und Katholyt fließen durch die elektrisch leitfähigen Spiral-Kanäle (3), die in 8 nur flächig (von der Seite betrachtet, nicht im Sinne einer detaillierten technischen Zeichnung) und ohne eingezeichnete isolierende Abschnitte angedeutet sind. Nach zwei Spiral-Durchläufen, wenn die Anolyt und Katholyt Flüsse wieder zentral angekommen sind, treten sie bei Position (5) aus oder in eine weiteres Regenerationsmodul. Nach jeweils 2 Spiraldurchläufen von Anolyt und Katholyt befinden sich hier Ein- und Ablaufkanal wieder senkrecht übereinander, was zu einem leichten Verbindungsaufbau mit weiteren Doppelspiral-Modulen führt. Im diskutierten Beispiel mit identischen, wasserlöslichen Redox-Polymer-Systemen als Anolyt und Katholyt und Haupt-Redox-System aber in jeweils stark unterschiedlichen Konzentrationen, dürfen im Gegensatz zu den Systemen mit festen Elektronenaustauscher-Harzen keine porösen Mediator Fließkanäle verwendet werden, um eine direkte Aufkonzentrierung von Anolyt und Katholyt und eine Verdünnung der Haupt-Redox-Systeme oder eine Aufkonzentrierung von Anolyt und Katholyt zu vermeiden. In jedem Regenerationsmodul von Anolyt und Katholyt ist eine Elektrolytbrücke in Form einer Größenausschluss-Membran (4) vorhanden, die die gleichen Spezifikationen wie die Trenn-Membran in der elektrochemischen Durchfluss-Zelle aufweist. Allerdings ist an dieser Stelle auf eine gleiche Osmolarität von Anolyt und Katholyt verglichen zum korrespondierenden Haupt-Redox-System zu achten. Dazu dient eine entsprechende Salzzugabe beim verdünnteren System.A potential application in the promising invention is intended here as an example only to illustrate the device according to the invention WO2014026728 A1 be sketched. Redox flow batteries are described here, in which cost-effective and long-lasting redox flow batteries can be created with as little effort as possible by using new materials and membranes. Here, redox-active components of water-soluble organic high-molecular compounds are used as anolyte and catholyte and a size exclusion membrane (e.g. dialysis membrane) as membrane to avoid mixing ("chemical short circuit" of anolyte and catholyte) of the high-molecular redox-active components present in dissolved or dispersed form deployed. A major problem with all water-soluble organic redox polymers is the increase in viscosity of the relevant main redox systems, which increases with the degree of polymerization. The inventors paid particular attention to the rheological behavior in synthesizing the preferred anolytes and catholytes. The viscosity should be below 20 mPas in order not to generate excessive pumping energy losses. A pH-neutral sodium chloride solution was used as the basic electrolyte for both the anolyte and the catholyte. This new, very inexpensive and environmentally friendly type of redox flow battery, which was revealed a few years ago, could only be implemented with energy densities of around 10Ah/L due to the viscosity problem. With the device according to the invention, it can be installed particularly well in an in 6 Realize the exemplary construction version shown. When using a device according to the invention and using analyte and catholyte electrolytes with lower concentrations of the relevant redox polymers, the corresponding identical main redox systems can be highly concentrated and thus also highly viscous (syrupy). In this example of a device according to the invention, spiral-like flow channels (see Fig. 7 and 8th ) used. 6 is only intended to illustrate the principle schematically and not to scale. The anolytes or catholytes to be regenerated enter the spiral flow channel section (3) with interrupted electrically conductive walls at position (1) and exit or enter a next main redox system spiral module at position (5). In this example, the modules are filled with a highly viscous - very energy-dense - main redox system and with an electrically conductive network (2). The latter should preferably promote electron conduction in the direction perpendicular to the flow direction in contact with the flow channel wall. Anolyte and catholyte flow through the electrically conductive spiral channels (3) in 8th are only indicated flat (viewed from the side, not in the sense of a detailed technical drawing) and without drawn isolating sections. After two spiral passes, when the anolyte and catholyte flows are central again are, they exit at position (5) or into another regeneration module. After 2 spiral passages of anolyte and catholyte, the inlet and outlet channels are again vertically above one another, which leads to an easy connection with other double spiral modules. In the discussed example with identical, water-soluble redox polymer systems as anolyte and catholyte and main redox system, but in very different concentrations, no porous mediator flow channels may be used, in contrast to the systems with solid electron exchange resins, in order to achieve a direct To avoid concentration of anolyte and catholyte and dilution of the main redox systems or concentration of anolyte and catholyte. In each anolyte and catholyte regeneration module there is an electrolyte bridge in the form of a size exclusion membrane (4) which has the same specifications as the separation membrane in the electrochemical flow cell. However, at this point it is important to ensure that the anolyte and catholyte have the same osmolarity compared to the corresponding main redox system. A corresponding addition of salt to the more diluted system is used for this purpose.

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 6 sind die äußeren Behälterwandungen elektrisch nicht-leitend; ebenso die jeweiligen Ein- (1) und Auslässe (5). Bei einer hier beispielhaft gezeigten kaskaden-förmigen Anordnung der Haupt-Redox-Systeme erfolgt die Entladung und Aufladung ebenfalls modulweise vom ersten bis zum letzten Modul vor dem Wieder-Eintritt von Anolyt und Katholyt in die elektrochemische Durchfluss-Zelle. Erst wenn das letzte Modul mit dem Haupt-Redox-System auch entladen ist, bricht die Batterie-Spannung zusammen. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsvariante ist, dass die Gesamt-Kapazität der Haupt-Redox-Systeme leicht veränderbar ist und auch Vorteile bei der Wartung entstehen.With a standardization of production technology, any number of regeneration modules can be "flanged on" one behind the other. For the sake of clarity, the sections of the flow channel that are isolated from one another and have different lengths are not shown. In 6 the outer container walls are electrically non-conductive; as are the respective inlets (1) and outlets (5). In a cascaded arrangement of the main redox systems shown here as an example, the discharging and charging also takes place in modules from the first to the last module before the anolyte and catholyte re-enter the electrochemical flow cell. Only when the last module with the main redox system is also discharged does the battery voltage collapse. The advantage of this embodiment variant is that the total capacity of the main redox systems can be easily changed and there are also advantages in terms of maintenance.

In Anlehnung an 6 sind auch andere spiralförmige Bauweisen der Anolyt und Katholyt Fließkanal-Führung möglich. Die 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung aus einem festen elektronischen Leiter mit spiralförmig verkaufenden Einschnitten, die dann einseitig oder beidseitig mit einer Größenausschluss - oder ionenselektiven Membran verschlossen (Klebung oder dichtender Pressdruck) werden. Diese Version einer Elektrolytbrücke ist leichter zu fertigen. Weiterer Vorteil ist die große Fläche für einen lonenaustausch.Based on 6 other spiral designs of the anolyte and catholyte flow channel guide are also possible. the 7 shows an exemplary arrangement of a solid electronic conductor with spiral-shaped incisions, which are then sealed on one or both sides with a size exclusion or ion-selective membrane (glue or sealing pressure). This version of an electrolytic bridge is easier to manufacture. Another advantage is the large area for an ion exchange.

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 (8). Im Prinzip ist auch möglich mit Hilfe von Dialysier-Schlauch-Bündeln, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik eingesetzt werden, allerdings mit nicht zu engen inneren Durchmessern und mit elektrisch leitfähigen Größenausschluss-Membranen besonders effiziente und umsatzstarke Anordnungen ohne zusätzlicher, separater Elektrolytbrücke zu bauen. Entsprechende elektrisch leitfähige Größenausschluss-Membranen wurden bereits entwickelt, um ein Biofouling bei Wasseraufbereitungsanlagen zu vermeiden [P. Formoso, E. Pantuso, G.i De Filpo, F. P. Nicoletta „Electro-Conductive Membranes for Permeation Enhancement and Fouling Mitigation: A Short Review“, http://dx.doi.org/10.3390/membranes7030039]. Auch in der Medizintechnik wurden derartige Membranen bereits entwickelt [Shih-Chieh Yen, Zhao-Wei Liu, Ruey-Shin Juang, Sravani Sahoo, Chi-Hsien Huang, Peilin Chen,Yu-Sheng Hsiao, Ji-Tseng Fang „Carbon Nanotube/Conducting Polymer Hybrid Nanofibers as Novel Organic Bioelectronic Interfaces for Efficient Removal of Protein-Bound Uremic Toxins“, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 43843-43856]. Mit diesen elektrisch leitenden Größenausschluss-Membranen oder ionenselektiven Membranen als Schlauchbündel erspart man sich fertigungstechnisch den Aufbau separater Elektrolytbrücken. Bei einer Arbeitsweise mit vorgefertigten leitfähigen Dialysier-Schlauch-Bündeln können beispielsweise das Hilfs-Redox-System und der Anolyt bzw. Katholyt so durch ein Schlauchbündel fließen, dass sie zu je 50% gemischt (gleiche Anzahl aber unterschiedlich gefüllter Einzel-Schläuche) angeschlossen werden. Eine solcher Aufbau entspricht dann einem, wie bei festen harzförmigen Elektronenaustauschern beschrieben, der wegen der porösen Fließkanal-Wandung ebenfalls keinen besonderen Stromschlüssel bedarf.In a further embodiment, which is probably the optimal one, simply electronically made conductive size exclusion membrane tubing or corresponding tubing made of an ion-selective membrane are used as flow channel lines through the regenerators filled with the main redox system ( 8th ). In principle, it is also possible with the help of dialysis tubing bundles, such as those used in medical technology, but with internal diameters that are not too narrow and with electrically conductive size exclusion membranes, to build particularly efficient and high-revenue arrangements without an additional, separate electrolyte bridge. Corresponding electrically conductive size exclusion membranes have already been developed to avoid biofouling in water treatment plants [P. Formoso, E. Pantuso, Gi De Filpo, FP Nicoletta "Electro-Conductive Membranes for Permeation Enhancement and Fouling Mitigation: A Short Review", http://dx.doi.org/10.3390/membranes7030039]. Such membranes have also already been developed in medical technology [Shih-Chieh Yen, Zhao-Wei Liu, Ruey-Shin Juang, Sravani Sahoo, Chi-Hsien Huang, Peilin Chen, Yu-Sheng Hsiao, Ji-Tseng Fang “Carbon Nanotube/Conducting Polymer Hybrid Nanofibers as Novel Organic Bioelectronic Interfaces for Efficient Removal of Protein-Bound Uremic Toxins”, ACS Appl. mater Interfaces 2019, 11, 43843-43856]. With these electric lei tending size-exclusion membranes or ion-selective membranes as hose bundles saves the construction of separate electrolyte bridges in terms of production technology. When working with prefabricated conductive dialysis hose bundles, for example, the auxiliary redox system and the anolyte or catholyte can flow through a hose bundle in such a way that they are each 50% mixed (the same number but differently filled individual hoses) are connected . Such a structure then corresponds to one as described for solid resinous electron exchangers, which also does not require a special current key because of the porous flow channel wall.

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 ( EP2513471A2 vom 24.10.2012) genutzt, können Millionen derartig zu Passiv-Häusern umgewandelter Altbauten sogar noch Strom ins Netz abgeben und die E-Mobilität überhaupt erst möglich machenA redox flow battery with such regenerators with a volume of conventional heating oil tanks (e.g. 3000 liters of catholyte and 3000 liters of anolyte system) can temporarily store around 1,500 kWh of energy with the environmentally friendly, water-soluble redox polymers. This already corresponds to approx. 25% of the annual electricity consumption of a family of four. This also opens up the possibility of making older buildings completely self-sufficient using a solar system and heat pump. If wind energy is also used in the form of the innovative wind wheel tree [https://www.vattenfall.de/infowelt-energie/oekostrom-aus-demwindbaum-der-firma-newwind] or by means of a wind tunnel-supported house gable ( EP2513471A2 from October 24th, 2012), millions of old buildings that have been converted into passive houses in this way can even supply electricity to the grid and make e-mobility possible in the first place

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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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (9)

Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration von Anolyt- und Katholyt-Flüssigkeiten von Redox-Flow-Batterien, in denen elektrischer Energie in chemischen Redox-Verbindungen gespeichert wird, wobei ein Anolyt und Katholyt Kreisfluss durch elektrochemische Durchfluss-Zellen zwecks Strom-Erzeugung gepumpt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrochemischen Regeneration der in Anolyt und Katholyt benutzten Redox-Systeme das elektrochemische Verfahren der „Inneren Elektrolyse“ so angewandt wird, dass die zu regenerierenden Redox-Systeme in Anolyt und Katholyt durch einen vorzugsweisen nur elektronischen Kontakt mit Hilfe elektronischen Leiter mit dem elektrochemisch genau korrespondierendem, und in einem stöchiometrischen Überschuss vorliegenden, Kapazitäts-bestimmenden energiedichten Haupt-Redox-System in speziellen Regenerationsvorrichtungen in Verbindung treten (Elektronen austauschen) und dadurch regeneriert werden;A method and apparatus for regenerating anolyte and catholyte liquids from redox flow batteries in which electrical energy is stored in redox chemical compounds, wherein an anolyte and catholyte recycle flow is pumped through electrochemical flow cells to generate electricity, thereby characterized in that for the electrochemical regeneration of the redox systems used in the anolyte and catholyte, the electrochemical process of "internal electrolysis" is applied in such a way that the redox systems to be regenerated in the anolyte and catholyte by a preferred only electronic contact using electronic conductors with the electrochemically exactly corresponding, and present in a stoichiometric excess, capacity-determining, energy-dense main redox system in special regeneration devices (exchange electrons) and are thereby regenerated; Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Regeneration von Anolyt und Katholyt mittels der Methode der bi-polaren inneren Elektrolyse durchgeführt wird, wobei Katholyt und Anolyt nach dem Durchfluss durch das elektrochemische Batteriezellen-Stack mittels hydraulisch vorteilhafter Fließkanäle variabler Formgebung mit elektrisch leitenden - und in Fließrichtung länger werdenden Wandungsabschnitten - leitungsgebunden durch die mit dem elektrochemisch korrespondierendem Haupt-Redox-System gefüllten Vorratstanks geführt werden und die elektrisch leitfähigen Fließkanalwandungsabschnitte je nach Art des Haupt-Redox-System mit ionenselektiven oder Größenausschluss-Membran-Abschnitten - als Elektrolytbrücke wirkend und für redox-aktive Verbindungen undurchlässig - unterbrochen sind. und die elektrisch leitfähigen Fließkanalwandungsabschnitte in einem elektrischen Kontakt mit weiterem stark Oberflächen-vergrößernden Elektronen-leitenden Material stehen, welches vorzugsweise senkrecht zur Fließrichtung von Anolyt und Katholyt in die Haupt-Redox-Systeme hineinragt und die Fließkanäle für Anolyt und Katholyt so durch die elektrochemisch korrespondierenden Haupt-Redox-Systeme in vorzugsweise säulenförmig gefüllten Vorratstanks geführt werden, dass die elektrochemische Reaktion zwischen den Redox-Systemen in Anolyt und Katholyt und dem betreffenden Haupt-Redox-System vorzugsweise nur aus einem Elektronen-Transfer über elektrische Leiter abläuft und vorzugsweise nur senkrecht zur Strömungsrichtung abläuft und dadurch lonenaustauscher-Säulen- analoge Bedingungen eingehalten werden und Anolyt und Katholyt die Regenerationsvorrichtung stets nahezu voll geladen oder entladen verlassen;Method and device according to claim 1 ., characterized in that the electrochemical regeneration of anolyte and catholyte is carried out using the method of bi-polar internal electrolysis, with catholyte and anolyte after flowing through the electrochemical battery cell stack by means of hydraulically advantageous flow channels of variable shape with electrically conductive - and in Wall sections that become longer in the direction of flow - are conducted by line through the storage tanks filled with the electrochemically corresponding main redox system and the electrically conductive flow channel wall sections, depending on the type of main redox system with ion-selective or size-exclusion membrane sections - acting as an electrolyte bridge and for redox -active connections impermeable - are interrupted. and the electrically conductive flow channel wall sections are in electrical contact with further strongly surface-enlarging electron-conducting material, which preferably protrudes perpendicularly to the flow direction of anolyte and catholyte into the main redox systems and the flow channels for anolyte and catholyte through the electrochemically corresponding ones Main redox systems are performed in preferably columnar filled storage tanks that the electrochemical reaction between the redox systems in anolyte and catholyte and the main redox system in question preferably only from an electron transfer via electrical conductors and preferably only perpendicular to the Flow direction expires and thereby ion exchange column analogous conditions are maintained and anolyte and catholyte always leave the regeneration device almost fully charged or discharged; Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als energiedichte Haupt-Redox-Systeme vorzugsweise gezielt auf ein zu Anolyt und Katholyt elektrochemisch passendem (gleichen) Standard-Redox-Potential hin synthetisierte organische Redox-Polymere verwendet werden, die entweder in fester harzförmiger Form oder als in einem Lösungsmittel gelöste hochpolymere Redox-Verbindung vorliegen;Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy-dense main redox systems used are preferably specifically synthesized organic redox polymers, which are either in in a solid resinous form or as a redox high polymer dissolved in a solvent; Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu regenerierenden Anolyten und Katholyten von beliebigen Redox-Flow-Batterie-Arten zur Kompensation von Diffusions- und Durchtritts-Überspannungen beim Wiederaufladen der betreffenden Haupt-Redox-Systeme in der Vorrichtung jeweils mindestens je ein weiteres Hilfs-Redox-System gelöst enthalten mit einem negativeren Standard-Redox-Potential als das Standard-Redox-Potential des betreffenden Anolyten und einem positiveren Standard-Redox-Potential als das Standard-Redox-Potential des Katholyten;Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the anolyte and catholyte to be regenerated from any redox flow battery types to compensate for diffusion and passage overvoltages when recharging the relevant main redox systems in the device respectively at least one further auxiliary redox system in dissolved form with a more negative standard redox potential than the standard redox potential of the anolyte in question and a more positive standard redox potential than the standard redox potential of the catholyte; Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wirksame, Kapazitäts-bestimmenden Haupt-Redox-System auf der Anolyt-Seite ein negativeres Standard-Redox-Potential als das Redox-System im Anolyten und auf der Katholyt-Seite ein positiveres Standard-Redox-Potential als das im Katholyten aufweist und zum Wiederaufladen der beiden Haupt-Redox-Systeme mindestens je ein zusätzliches Hilfs-Redox-System in einem vom standardmäßigen Anolyt und Katholyt getrenntem Fließkanal-System - vorzugsweise in Form mehrkanaliger Leitungen - verwendet wird, welches auf der Anolyt-Seite ein Standard-Redox-Potential aufweist, welches negativer als das Standard-Redox-System des betreffenden Haupt-Redox-Systems ist und auf der Katholyt-Seite ein Standard-Redox-Potential aufweist, welches positiver als das Standard-Redox-Potential des betreffenden Haupt-Redox-Systems ist;Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the effective, capacity-determining main redox system on the anolyte side has a more negative standard redox potential than the redox system in the anolyte and on the catholyte side has a more positive standard redox potential than that in the catholyte and at least one additional auxiliary redox system each in a flow channel system separate from the standard anolyte and catholyte - preferably in the form of multi-channel lines - is used to recharge the two main redox systems , which on the anolyte side has a standard redox potential which is more negative than the standard redox system of the main redox system in question and on the catholyte side has a standard redox potential which is more positive than that is the standard redox potential of the main redox system in question; Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fließkanäle für Anolyt und Katholyt sowie alle Hilfs-Redox-Systeme abschnittsweise elektrisch leitfähige Multilumenschläuche mit ionenselektiven Membran-Eigenschaften bzw. Größenausschluss-Membran Eigenschaften (als integrierte, redox-aktive Verbindungen blockierende Elektrolytbrücke) verwendet werden und Anolyt bzw. Katholyt zusammen mit dem korrespondierendem Hilfs-Redox-System durch unterschiedliche Lumen desselben Schlauchs durch die betreffenden Haupt-Redox-Systeme geleitet werden.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that, as flow channels for anolyte and catholyte and all auxiliary redox systems, electrically conductive multilumen hoses with ion-selective membrane properties or size-exclusion membrane properties (as integrated, redox-active compounds blocking Electrolyte bridge) are used and anolyte or catholyte, together with the corresponding auxiliary redox system, are passed through different lumens of the same hose through the relevant main redox systems. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei festen Elektronenaustauscher-Harzen als Haupt-Redox-System die betreffenden Monomere als Anolyt bzw. Katholyt Redox-System verwendet werden, die auch mittels poröser elektrisch leitender Fließkanalwandungen die Redox-Polymer-Harze sowie die weiteren elektrischen Leiter benetzen, was zusätzlicher Elektrolytbrücken entbehrlich macht und bei flüssigen Redox-Polymeren als Haupt-Redox-System eine weniger viskose, verdünntere Lösung des betreffenden Redox-Polymers mit einem geeigneten Standard-Redox-Potential als Anolyt bzw. Katholyt zusammen mit geeigneten Größenausschluss-Membranen verwendet wird und die Osmolarität, der des betreffenden flüssigen Haupt-Redox-Systems mittels Salzzugabe angepasst ist;Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of solid electron exchange resins as the main redox system, the relevant monomers are used as the anolyte or catholyte redox system, which also uses porous, electrically conductive flow channel walls to transfer the redox polymer Resins and the other electrical conductors wet, which makes additional electrolyte bridges unnecessary and, with liquid redox polymers as the main redox system, a less viscous, more dilute solution of the relevant redox polymer with a suitable standard redox potential as anolyte or catholyte together is used with appropriate size exclusion membranes and the osmolarity is adjusted to that of the main liquid redox system in question by means of salt addition; Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die speziellen Fließkanäle für Anolyt und Katholyt bzw. weiterer Hilfs-Redox-Systeme spiralförmig durch das Haupt-Redox-Systeme geführt werden und jeweils 2xn (n = 1, 2,3, usw.) mit Zu- und Ablauf senkrecht und mittig zu einer leicht austauschfähigen Kolonne inklusiv Elektrolytbrücke aufgebaut sind, so dass diese Regenerationskolonne als komplett austauschbares Modul gestaltet sind, die je nach gewünschter Speicherkapazität hintereinander geschaltet die GesamtKapazität ergeben;Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the special flow channels for anolyte and catholyte or other auxiliary redox systems are guided spirally through the main redox system and each have 2xn (n = 1, 2,3, etc.) with inlet and outlet vertical and central to an easily exchangeable column including electrolyte bridge, so that this regeneration column is designed as a completely exchangeable module which, when connected in series depending on the desired storage capacity, results in the total capacity; Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von in einem Lösungsmittel einschließlich Wasser aufgelösten organischen Redox-Polymeren als energiedichte Haupt-Redox-System die elektrochemisch korrespondierenden Anolyten und Katholyten aus Redox-Polymeren der gleichen Molekülklasse aber in verdünnterer Form bestehen und als Hilfs-Redox-Systeme diese Redox-Polymer Molekülklasse des Haupt-Redox-Systems in einer Form mit anderen Substituenten, die das Standard-Redox-Potential in der gewünschten Weise verändern und davon mehr als ein Hilfs-Redox-System in Form einer Redox-Kaskade mit um mindesten 5 mV Unterschied je Kaskaden-Stufe im Standard-Redox-Potential sowohl für Anolyt als auch für Katholyt enthält.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that when using organic redox polymers dissolved in a solvent including water as the energy-dense main redox system, the electrochemically corresponding anolytes and catholytes from redox polymers of the same molecule class but in more dilute form exist and as auxiliary redox systems this redox polymer molecule class of the main redox system in a form with other substituents that change the standard redox potential in the desired way and more than one auxiliary redox system in form a redox cascade with at least 5 mV difference per cascade stage in the standard redox potential for both anolyte and catholyte.
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