DE102021213675A1 - Method for operating a redox flow battery cell, method for operating a redox flow battery, redox flow battery and use of a redox flow battery - Google Patents

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Csongor Horvath
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batteriezelle (102) beschrieben, wobei zumindest einer Elektrode (112, 122) der Redox-Flow-Batteriezelle (102) ein Elektrolyt mit einem Volumenstrom (v112, v122) zugeführt wird, wobei der Volumenstrom (v112, v122) einer periodischen, insbesondere kontinuierlichen Veränderung unterliegt.A method for operating a redox flow battery cell (102) is described, in which at least one electrode (112, 122) of the redox flow battery cell (102) is supplied with an electrolyte at a volume flow rate (v112, v122), the Volume flow (v112, v122) is subject to a periodic, particularly continuous change.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batteriezelle, ein Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batterie sowie eine Redox-Flow-Batterie und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a method for operating a redox flow battery cell, a method for operating a redox flow battery and a redox flow battery and their use according to the preamble of the independent patent claims.

Stand der TechnikState of the art

Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wieder aufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind neben Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen auch Redox-Flow-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Selbstentladung und langen Lebensdauer geeignet. Dabei ist der Begriff Redox eine abgekürzte Kombination aus Reduktion, also Elektronenaufnahme, und Oxidation, also Elektronenabgabe. Die Redox-Flow-Batterien werden auch als Redox-Fluss-Batterien bezeichnet.To implement electromobility, rechargeable batteries are used for multiple conversion of chemical into electrical energy. In addition to lithium-ion batteries and fuel cells, redox flow batteries are also suitable for this due to their comparatively low self-discharge and long service life. The term redox is an abbreviated combination of reduction, i.e. taking up electrons, and oxidation, i.e. giving up electrons. The redox flow batteries are also referred to as redox flow batteries.

Eine Redox-Flow-Batterie umfasst in der Regel mehrere Redox-Flow-Batteriezellen, die wiederum beispielsweise eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnete Membran aufweisen. Die Membran ist hierbei beispielsweise eine dünne Schicht, die einerseits die beiden Elektroden räumlich voneinander trennt und andererseits einen lonenaustausch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ermöglicht. Die erste Elektrode ist beispielsweise an einem ersten Behälter angeschlossen, in welchem ein erster Elektrolyt aufgenommen ist. Die zweite Elektrode ist z.B. an einem zweiten Behälter angeschlossen, welcher einen zweiten Elektrolyten enthält. Durch das Zirkulieren des ersten und des zweiten Elektrolyten innerhalb der Redox-Flow-Batteriezelle wird ein Gleichstrom erzeugt, welcher zur elektrischen Versorgung eines Verbrauchers vorgesehen ist. Im Rahmen der Elektromobilität gelten als Verbraucher vorzugsweise elektrische Maschinen, welche für ihren Motorbetrieb einen Mehrphasenstrom benötigen. Daher wird üblicherweise eine Anzahl von Wechselrichtern mit den Redox-Flow-Batterien verbunden, um einen Gleichstrom aus den Redox-Flow-Batterien zu einem Wechselstrom umzuwandeln.A redox flow battery generally includes a number of redox flow battery cells, which in turn have, for example, a first electrode, a second electrode and a membrane arranged between the first and the second electrode. In this case, the membrane is, for example, a thin layer which, on the one hand, spatially separates the two electrodes from one another and, on the other hand, enables an ion exchange between the first and the second electrode. The first electrode is connected to a first container, for example, in which a first electrolyte is accommodated. For example, the second electrode is connected to a second container containing a second electrolyte. By circulating the first and the second electrolyte within the redox flow battery cell, a direct current is generated, which is provided for the electrical supply of a consumer. In the context of electromobility, consumers are preferably electrical machines that require a multi-phase current for their motor operation. Therefore, a number of inverters are commonly connected to the redox flow batteries to convert a direct current from the redox flow batteries to an alternating current.

Aus den Dokumenten WO 2012/063385 A1 und EP 17 829 89 B1 ist jeweils ein Wechselrichter bekannt, der zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine angeschlossen ist.From the documents WO 2012/063385 A1 and EP 17 829 89 B1 an inverter is known in each case, which is connected between a battery and an electric machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batteriezelle, ein Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batterie, eine Redox-Flow-Batterie und eine Verwendung einer solchen Redox-Flow-Batterie mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.According to the present invention, a method for operating a redox flow battery cell, a method for operating a redox flow battery, a redox flow battery and a use of such a redox flow battery with the characterizing features of the independent claims provided.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batteriezelle wird zumindest einer Elektrode der Redox-Flow-Batteriezelle ein Elektrolyt mit einem Volumenstrom zugeführt. Dabei unterliegt der Volumenstrom einer periodischen Veränderung. Vorzugsweise unterliegt der Volumenstrom einer periodischen kontinuierlichen Veränderung.In the method according to the invention for operating a redox flow battery cell, an electrolyte is supplied at a volume flow rate to at least one electrode of the redox flow battery cell. The volume flow is subject to a periodic change. The volume flow is preferably subject to a periodic, continuous change.

Auf diese Weise ergibt sich eine periodisch ändernde Potentialdifferenz zwischen der einen Elektrode und der anderen Elektrode der Redox-Flow-Batteriezelle, wenn der anderen Elektrode ein weiterer Elektrolyt mit einem konstanten Volumenstrom zugeführt wird. Dadurch wird ein einphasiger Wechselstrom ohne Wechselrichter aus der betroffenen Redox-Flow-Batteriezelle erzeugt.In this way, there is a periodically changing potential difference between one electrode and the other electrode of the redox flow battery cell when the other electrode is supplied with a further electrolyte at a constant volume flow. This generates a single-phase alternating current without an inverter from the affected redox flow battery cell.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batterie mit einer ersten und einer zweiten Redox-Flow-Batteriezelle wird in einem ersten Zeitraum einer ersten Elektrode der ersten Redox-Flow-Batteriezelle ein erster Elektrolyt mit einem ersten Volumenstrom zugeführt während einer zweiten Elektrode einer zweiten Redox-Flow-Batteriezelle ein zweiter Elektrolyt mit einem zweiten Volumenstrom zugeführt wird. In einem zweiten Zeitraum wird der ersten Elektrode der ersten Redox-Flow-Batteriezelle der erste Elektrolyt mit einem dritten Volumenstrom zugeführt während der zweiten Elektrode der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle der zweite Elektrolyt mit einem vierten Volumenstrom zugeführt wird. Dabei ist der erste Volumenstrom größer als der zweite Volumenstrom, während der dritte Volumenstrom kleiner als der vierte Volumenstrom ist. Alternativ ist der erste Volumenstrom kleiner als der zweite Volumenstrom, während der dritte Volumenstrom größer als der vierte Volumenstrom ist. Der zweite Zeitraum erfolgt beispielsweise nach dem ersten Zeitraum.In the method according to the invention for operating a redox flow battery with a first and a second redox flow battery cell, a first electrolyte is supplied with a first volume flow during a first period of time to a first electrode of the first redox flow battery cell, while a second electrode a second electrolyte is fed to a second redox flow battery cell with a second volume flow. In a second period, the first electrolyte is supplied to the first electrode of the first redox flow battery cell at a third volume flow rate, while the second electrolyte is supplied at a fourth volume flow rate to the second electrode of the second redox flow battery cell. In this case, the first volume flow is greater than the second volume flow, while the third volume flow is smaller than the fourth volume flow. Alternatively, the first volume flow is smaller than the second volume flow, while the third volume flow is larger than the fourth volume flow. For example, the second period occurs after the first period.

Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass die Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle durch das Variieren der Volumenströme der Elektrolyten je nach Anwendungsfall angepasst wird. Die Skalierbarkeit der betroffenen Redox-Flow-Batterie im Hinblick auf deren Spannung und Leistung wird relativ einfach realisiert.This measure offers the advantage that the potential difference between the first and the second redox flow battery cell is adjusted depending on the application by varying the volume flows of the electrolytes. The scalability of the affected redox flow battery in terms of its voltage and power is relatively easy to implement.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject matter of the dependent claims.

Vorteilhaft ist es, wenn der erste oder der zweite Volumenstrom in dem ersten Zeitraum konstant ist und der dritte oder der vierte Volumenstrom in dem zweiten Zeitraum konstant ist.It is advantageous if the first or the second volume flow is constant in the first time period and the third or the fourth volume flow is constant in the second time period.

Dadurch, dass der ersten Elektrode der ersten Redox-Flow-Batteriezelle oder der zweiten Elektrode der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle ein Elektrolyt mit einem konstanten Volumenstrom zugeführt wird, entspricht der Verlauf der Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden und weiterhin zwischen den beiden Redox-Flow-Batterizellen dem Verlauf des Volumenstroms, welcher einer periodischen Änderung unterliegt. Dies setzt voraus, dass die andere Elektrode ein Elektrolyt mit einem Volumenstrom zugeführt wird, welcher einer periodischen Veränderung unterliegt. Somit wird ein Wechselstrom aus der Redox-Flow-Batterie erzeugt.Because the first electrode of the first redox flow battery cell or the second electrode of the second redox flow battery cell is supplied with an electrolyte at a constant volume flow, the curve corresponds to the potential difference between the two electrodes and also between the two redox flow -Battery cells the course of the volume flow, which is subject to a periodic change. This presupposes that the other electrode is supplied with an electrolyte at a volume flow rate which is subject to periodic changes. Thus, an alternating current is generated from the redox flow battery.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Volumenströme einer periodischen Veränderung unterliegen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Volumenströme einer periodischen kontinuierlichen Veränderung unterliegen. Beispielsweise unterliegt der erste Volumenstrom einer periodischen kontinuierlichen Veränderung in dem ersten Zeitraum, während der zweite Volumenstrom konstant ist. In dem zweiten Zeitraum ist der dritte Volumenstrom beispielsweise konstant, während der vierte Volumenstrom einer periodischen kontinuierlichen Veränderung unterliegt.It is also advantageous if the volume flows are subject to periodic changes. It is particularly advantageous if the volume flows are subject to periodic, continuous changes. For example, the first volume flow is subject to a periodic, continuous change in the first period of time, while the second volume flow is constant. In the second period of time, the third volume flow is constant, for example, while the fourth volume flow is subject to a periodic, continuous change.

Somit ist der Verlauf der Potentialdifferenz zwischen den beiden Redox-Flow-Batterizellen abhängig vom Verlauf des ersten Volumenstroms in dem ersten Zeitraum und des dritten Volumenstroms in dem zweiten Zeitraum, welche einer periodischen Änderung unterliegen. Auf diese Weise ergibt sich ein Wechselstrom ohne Verwendung eines Wechselrichters aus der betroffenen Redox-Flow-Batterie, wenn die erste Elektrode der ersten Redox-Flow-Batteriezelle und die zweite Elektrode der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle parallel miteinander elektrisch verschaltet sind.The course of the potential difference between the two redox flow battery cells is therefore dependent on the course of the first volume flow in the first time period and the third volume flow in the second time period, which are subject to a periodic change. In this way, an alternating current results from the affected redox flow battery without using an inverter if the first electrode of the first redox flow battery cell and the second electrode of the second redox flow battery cell are electrically connected to one another in parallel.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich der erste und der zweite Zeitraum nacheinander während der Betriebsdauer der Redox-Flow-Batterie wiederholen.Furthermore, it is advantageous if the first and the second period of time are repeated one after the other during the service life of the redox flow battery.

Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass die Redox-Flow-Batterie einen Wechselstrom ohne Wechselrichter über der gesamten Betriebsdauer abgibt.This measure offers the advantage that the redox flow battery emits an alternating current over the entire service life without an inverter.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Volumenstrom mittels zumindest eines Ventils eines Behälters geregelt wird, an dem die Redox-Flow-Batteriezelle angeschlossen ist. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Volumenströme mittels zumindest eines Ventils eines Elektrolytbehälters geregelt werden, an dem die Redox-Flow-Batteriezellen angeschlossen sind. Dabei entspricht die Redox-Flow-Batteriezelle beispielsweise der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle der Redox-Flow-Batterie.Furthermore, it is advantageous if the volume flow is regulated by means of at least one valve of a container to which the redox flow battery cell is connected. It is also advantageous if the volume flows are regulated by means of at least one valve of an electrolyte container to which the redox flow battery cells are connected. In this case, the redox flow battery cell corresponds, for example, to the first and the second redox flow battery cell of the redox flow battery.

Alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Volumenstrom bzw. die Volumenströme mittels einer Pumpe geregelt werden, an der die Redox-Flow-Batteriezelle bzw. die Redox-Flow-Batteriezellen angeschlossen sind. Dabei ist die Pumpe vorzugsweise eine Axialkolbenpumpe.Alternatively, it is advantageous if the volume flow or the volume flows are regulated by means of a pump to which the redox flow battery cell or the redox flow battery cells are connected. The pump is preferably an axial piston pump.

Da eine Axialkolbenpumpe typischerweise sechs Kolben aufweist, können bis zu sechs Redox-Flow-Batteriezellen an der Axialkolbenpumpe angeschlossen werden. Da je zwei Redox-Flow-Batteriezellen einen einphasigen Wechselstrom abgeben, kann ein dreiphasiger Wechselstrom mittels der Axialkolbenpumpe auf Basis der sechs Redox-Flow-Batteriezellen ohne Verwendung eines Wechselrichters erzeugt werden.Since an axial piston pump typically has six pistons, up to six redox flow battery cells can be connected to the axial piston pump. Since every two redox flow battery cells emit a single-phase alternating current, a three-phase alternating current can be generated using the axial piston pump based on the six redox flow battery cells without using an inverter.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Redox-Flow-Batterie bereitgestellt.According to another aspect of the present invention, a redox flow battery is provided.

Die erfindungsgemäße Redox-Flow-Batterie umfasst zumindest eine erste und eine zweite Redox-Flow-Batteriezelle, die jeweils eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator aufweisen. Dabei ist ein elektronisches Mittel zum Durchführen des offenbarten Verfahrens in der Redox-Flow-Batterie vorgesehen.The redox flow battery according to the invention comprises at least a first and a second redox flow battery cell, each of which has a positive electrode, a negative electrode and a separator arranged between them. In this case, an electronic means for carrying out the disclosed method is provided in the redox flow battery.

Vorteilhaft ist es, wenn die positiven Elektroden der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle parallel miteinander elektrisch verschaltet sind. Alternativ ist es vorteilhaft, wenn die negativen Elektroden der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle parallel miteinander elektrisch verschaltet sind.It is advantageous if the positive electrodes of the first and the second redox flow battery cell are electrically connected to one another in parallel. Alternatively, it is advantageous if the negative electrodes of the first and the second redox flow battery cell are electrically connected to one another in parallel.

Die erfindungsgemäße Redox-Flow-Batterie lässt sich vorteilhaft in E-Bikes, Elektrofahrzeugen oder in der stationären Speicherung elektrischer Energie einsetzen.The redox flow battery according to the invention can be used advantageously in e-bikes, electric vehicles or in the stationary storage of electrical energy.

Figurenlistecharacter list

In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1a eine Schnittansicht einer Redox-Flow-Batteriezelle mit zwei Elektrolytbehältern gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 1b ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Volumenstroms eines Elektrolyten über der Betriebsdauer der Redox-Flow-Batteriezelle gemäß 1a,
  • 1c ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Volumenstroms eines weiteren Elektrolyten über der Betriebsdauer der Redox-Flow-Batteriezelle gemäß 1a,
  • 2a eine Schnittansicht einer Redox-Flow-Batterie mit einer Axialkolbenpumpe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2b ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines ersten Volumenstroms eines ersten Elektrolyten über der Betriebsdauer der Redox-Flow-Batterie gemäß 2a und
  • 2c ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines zweiten Volumenstroms eines zweiten Elektrolyten über der Betriebsdauer der Redox-Flow-Batterie gemäß 2a.
Advantageous embodiments of the present invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows:
  • 1a a sectional view of a redox flow battery cell with two electrolyte containers according to an exemplary embodiment of the present invention,
  • 1b an exemplary flow chart of a volume flow of an electrolyte over the operating time of the redox flow battery cell according to 1a ,
  • 1c an exemplary flowchart of a volume flow of a further electrolyte over the operating time of the redox flow battery cell according to 1a ,
  • 2a a sectional view of a redox flow battery with an axial piston pump according to an exemplary embodiment of the present invention,
  • 2 B an exemplary flow chart of a first volume flow of a first electrolyte over the service life of the redox flow battery according to 2a and
  • 2c an exemplary flow chart of a second volume flow of a second electrolyte over the service life of the redox flow battery according to 2a .

In 1a ist eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batteriezelle 102 mit zwei Elektrolytbehältern 182, 192 schematisch dargestellt.In 1a an exemplary embodiment of a redox flow battery cell 102 according to the invention with two electrolyte containers 182, 192 is shown schematically.

Die Redox-Flow-Batteriezelle 102 umfasst z.B. eine positive Elektrode 112, eine negative Elektrode 122 und eine zwischen der positiven und der negativen Elektrode 112, 122 angeordnete Membran 113. Dabei weisen die positive und die negative Elektrode 112, 122 beispielsweise Graphit auf. Die beiden Elektroden 112, 122 sind hierbei z.B. porös ausgeführt. Die positive Elektrode 112 ist beispielsweise mittels einer ersten Kontrolleinheit 141 an einem ersten Elektrolytbehälter 182 angeschlossen, in welchem ein positiver Elektrolyt wie z.B. Wasserstoffgas aufgenommen ist. Die erste Kontrolleinheit 141 umfasst beispielsweise ein erstes Ventil und eine damit verbundene erste Steuereinheit. Dabei ist die erste Kontrolleinheit 141 dafür ausgelegt, den Volumenstrom des positiven Elektrolyten aus dem ersten Elektrolytbehälter 182 zu regulieren. Ferner sind eine erste und eine zweite Rohrleitung 132, 142 zwischen der positiven Elektrode 112 der Redox-Flow-Batteriezelle 102 und dem ersten Elektrolytbehälter 182 angeordnet, über welche der positive Elektrolyt der positiven Elektrode 112 zugeführt und wieder abgeführt wird.The redox flow battery cell 102 comprises, for example, a positive electrode 112, a negative electrode 122 and a membrane 113 arranged between the positive and the negative electrode 112, 122. The positive and the negative electrode 112, 122 have graphite, for example. The two electrodes 112, 122 are, for example, made porous. The positive electrode 112 is connected, for example, by a first controller 141 to a first electrolyte container 182 in which a positive electrolyte such as hydrogen gas is stored. The first control unit 141 comprises, for example, a first valve and a first control unit connected thereto. In this case, the first control unit 141 is designed to regulate the volume flow of the positive electrolyte from the first electrolyte container 182 . Furthermore, a first and a second pipeline 132, 142 are arranged between the positive electrode 112 of the redox flow battery cell 102 and the first electrolyte container 182, via which the positive electrolyte is supplied to the positive electrode 112 and removed again.

Analog wie die positive Elektrode 112 ist die negative Elektrode 122 z.B. mittels einer zweiten Kontrolleinheit 143 an einem zweiten Elektrolytbehälter 192 angeschlossen, welcher einen negativen Elektrolyten wie z.B. eine flüssige Bromidwasserstofflösung enthält. Die zweite Kontrolleinheit 143 umfasst hierbei beispielsweise ein zweites Ventil und eine damit verbundene zweite Steuereinheit. Dabei ist die zweite Kontrolleinheit 143 dafür ausgelegt, den Volumenstrom des negativen Elektrolyten aus dem zweiten Elektrolytbehälter 192 zu regulieren. Ferner sind eine dritte und eine vierte Rohrleitung 152, 162 zwischen der negativen Elektrode 122 der Redox-Flow-Batteriezelle 102 und dem zweiten Elektrolytbehälter 192 angeordnet, über welche der negative Elektrolyt der negativen Elektrode 122 zugeführt und wieder abgeführt wird.Analogously to the positive electrode 112, the negative electrode 122 is connected, for example by means of a second control unit 143, to a second electrolyte container 192 which contains a negative electrolyte such as a liquid hydrogen bromide solution. The second control unit 143 includes, for example, a second valve and a second control unit connected thereto. In this case, the second control unit 143 is designed to regulate the volume flow of the negative electrolyte from the second electrolyte container 192 . Furthermore, a third and a fourth pipeline 152, 162 are arranged between the negative electrode 122 of the redox flow battery cell 102 and the second electrolyte container 192, via which the negative electrolyte is fed to the negative electrode 122 and removed again.

Sind die erste und die zweite Elektrode 112, 122 der Redox-Flow-Batteriezelle 102 an eine externe Stromquelle 172 in einem Stromkreis angeschlossen, werden die chemischen Reaktionen zwischen den beiden Elektroden 112, 122 gestartet und somit wird ein Strom aus der Redox-Flow-Batteriezelle 102 erzeugt. Anstatt der externen Stromquelle 172 kann auch ein Verbraucher in dem Stromkreis angeschlossen werden, welcher von dem erzeugten Strom elektrisch versorgt wird.If the first and second electrodes 112, 122 of the redox flow battery cell 102 are connected to an external power source 172 in a circuit, the chemical reactions between the two electrodes 112, 122 are started and thus a current from the redox flow Battery cell 102 generated. Instead of the external power source 172, a consumer can also be connected in the circuit, which is electrically supplied by the generated power.

In 1b ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Volumenstroms v112 des positiven Elektrolyten aus dem ersten Elektrolytbehälter 182 über der Betriebsdauer t der Redox-Flow-Batteriezelle 102 gemäß 1a dargestellt. Die Betriebsdauer t teilt sich beispielsweise in vier miteinander übereinstimmende Zeiträume T1, T2, T3, T4 auf. In einem ersten Zeitraum T1 weist der Volumenstrom v112 des positiven Elektrolyten beispielsweise einen sinusförmigen Verlauf auf. Folglich bleibt der Volumenstrom v112 des positiven Elektrolyten in einem zweiten Zeitraum T2 konstant. Die Abläufe des Volumenstroms v112 des positiven Elektrolyten in den ersten zwei Zeiträumen T1, T2 wiederholen sich beispielsweise in einem dritten Zeitraum T3 und in einem vierten Zeitraum T4.In 1b FIG. 12 is an exemplary flow chart of a volume flow v 112 of the positive electrolyte from the first electrolyte container 182 over the operating time t of the redox flow battery cell 102 according to FIG 1a shown. The operating time t is divided, for example, into four corresponding periods of time T 1 , T 2 , T 3 , T 4 . In a first time period T 1 , the volume flow v 112 of the positive electrolyte has a sinusoidal curve, for example. Consequently, the volume flow v 112 of the positive electrolyte remains constant in a second time period T 2 . The processes of the volume flow v 112 of the positive electrolyte in the first two time periods T 1 , T 2 are repeated, for example, in a third time period T 3 and in a fourth time period T 4 .

In 1c ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Volumenstroms v122 des negativen Elektrolyten aus dem zweiten Elektrolytbehälter 192 über der Betriebsdauer t der Redox-Flow-Batteriezelle 102 gemäß 1a dargestellt. Der negativen Elektrode 122 wird der negative Elektrolyt mit dem Volumenstrom v122 zugeführt, während der positiven Elektrode 112 der positive Elektrolyt mit dem Volumenstrom v112 gemäß 1b zugeführt wird. In dem ersten Zeitraum T1 weist der Volumenstrom v122 des negativen Elektrolyten beispielsweise einen konstanten Wert vmin auf. Dabei ist der konstante Wert vmin beispielsweise ein vorbestimmter Wert, welcher derart bestimmt wird, dass ein kontinuierlicher lonenaustausch zwischen den beiden Elektroden 112, 122 stattfindet. In dem zweiten Zeitraum von T2 weist der Volumenstrom v122 des negativen Elektrolyten beispielsweise einen sinusförmigen Verlauf auf. Die Abläufe des Volumenstroms v122 des negativen Elektrolyten in den ersten zwei Zeiträumen T1, T2 wiederholen sich beispielsweise in einem dritten Zeitraum T3 und in einem vierten Zeitraum T4.In 1c 12 is an exemplary flow chart of a volume flow v 122 of the negative electrolyte from the second electrolyte container 192 over the operating time t of the redox flow battery cell 102 according to FIG 1a shown. The negative electrode 122 is supplied with the negative electrolyte at the volume flow v 122 , while the positive electrode 112 is supplied with the positive electrolyte at the volume flow v 112 according to FIG 1b is supplied. In the first time period T 1 , the volume flow v 122 of the negative electrolyte has a constant value v min , for example. In this case, the constant value v min is, for example, a predetermined value which is determined in such a way that a continuous exchange of ions between the two electrodes 112, 122 takes place. In the second time period of T 2 , the volume flow v 122 of the negative electrolyte has a sinusoidal curve, for example. The processes of the volume flow v 122 of the negative electrolyte in the first two time periods T 1 , T 2 are repeated, for example in a third time period T 3 and in a fourth time period T 4 .

Somit weist die Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 112, 122 der Redox-Flow-Batteriezelle 102 in allen vier Zeiträumen T1, T2, T3, T4 der Betriebsdauer t der Redox-Flow-Batteriezelle 102 gemäß 1a einen sinusförmigen Verlauf auf. Auf diese Weise wird ein einphasiger Wechselstrom ohne Wechselrichter aus der Redox-Flow-Batteriezelle 102 erzeugt.Thus, the potential difference between the first and the second electrode 112, 122 of the redox flow battery cell 102 in all four time periods T 1 , T 2 , T 3 , T 4 corresponds to the operating time t of the redox flow battery cell 102 1a a sinusoidal curve. In this way, a single-phase alternating current is generated from the redox flow battery cell 102 without an inverter.

In 2a ist eine Schnittansicht einer Redox-Flow-Batterie 20 mit einer Axialkolbenpumpe 206 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1a, 1b und 1c.In 2a A sectional view of a redox flow battery 20 with an axial piston pump 206 according to an exemplary embodiment of the present invention is shown schematically. The same reference symbols designate the same component parts as in FIG 1a , 1b and 1c .

Die Redox-Flow-Batterie 20 umfasst beispielsweise eine erste Redox-Flow-Batteriezelle 102 und eine zweite Redox-Flow-Batteriezelle 204. Dabei sind die erste und die zweite Redox-Flow-Batteriezelle 102, 204 beispielsweise gleichartig aufgebaut. Die erste Redox-Flow-Batteriezelle 102 umfasst beispielsweise eine erste Elektrode 112 und eine zu der ersten Elektrode 112 gegenpolig ausgeführte dritte Elektrode 122, während die zweite Redox-Flow-Batteriezelle 204 beispielsweise eine zweite Elektrode 214 und eine zu der zweiten Elektrode 214 gegenpolig ausgeführte vierte Elektrode 224 umfasst. Die erste Elektrode 112 der ersten Redox-Flow-Batteriezelle 102 ist hierbei beispielsweise über eine erste und eine zweite Rohrleitung 132, 142 an einem ersten Kolben 226 der Axialkolbenpumpe 206 angeschlossen. Die dritte Elektrode 122 der ersten Redox-Flow-Batteriezelle 102 ist beispielsweise über eine dritte und eine vierte Rohrleitung 152, 162 an einer nicht dargestellten Pumpe angeschlossen, die dafür ausgelegt ist, einen Elektrolyten mit einem konstanten Volumenstrom der dritten Elektrode 122 zuzuführen. Die zweite Elektrode 214 der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle 204 ist hierbei über eine fünfte und eine sechste Rohrleitung 234, 244 an einem zweiten Kolben 236 der Axialkolbenpumpe 206 angeschlossen. Die Axialkolbenpumpe 206 weist beispielsweise neben dem ersten, dem zweiten und einem dritten Kolben 226, 236, 246 noch weitere drei Kolben, an denen jeweils eine weitere Redox-Flow-Batteriezelle angeschlossen werden kann. Ferner umfasst die Axialkolbenpumpe 206 beispielsweise eine Stützscheibe 216, worauf der erste, der zweite und der dritte Kolben 226, 236, 246 angeordnet sind. Des Weiteren ist die Axialkolbenpumpe 206 dafür ausgelegt, der ersten Elektrode 112 der ersten Redox-Flow-Batteriezelle 102 einen ersten Elektrolyten und der zweiten Elektrode 214 der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle 204 einen zweiten Elektrolyten zuzuführen. Die Volumenströme aus dem ersten, dem zweiten, dem dritten Kolben 226, 236, 246 sind beispielsweise mittels einer Steuereinheit 284 geregelt.The redox flow battery 20 includes, for example, a first redox flow battery cell 102 and a second redox flow battery cell 204. The first and the second redox flow battery cell 102, 204 are constructed, for example, in the same way. The first redox flow battery cell 102 comprises, for example, a first electrode 112 and a third electrode 122 with opposite polarity to the first electrode 112, while the second redox flow battery cell 204 has, for example, a second electrode 214 and one that has opposite polarity to the second electrode 214 fourth electrode 224 includes. The first electrode 112 of the first redox flow battery cell 102 is in this case connected to a first piston 226 of the axial piston pump 206 via a first and a second pipeline 132, 142, for example. The third electrode 122 of the first redox flow battery cell 102 is connected, for example, via a third and a fourth pipeline 152, 162 to a pump, not shown, which is designed to supply an electrolyte to the third electrode 122 at a constant volume flow. The second electrode 214 of the second redox flow battery cell 204 is connected to a second piston 236 of the axial piston pump 206 via a fifth and a sixth pipeline 234 , 244 . In addition to the first, the second and a third piston 226, 236, 246, the axial piston pump 206 has, for example, three more pistons, to each of which a further redox flow battery cell can be connected. Furthermore, the axial piston pump 206 includes, for example, a support disk 216, on which the first, the second and the third piston 226, 236, 246 are arranged. Furthermore, the axial piston pump 206 is designed to supply a first electrolyte to the first electrode 112 of the first redox flow battery cell 102 and a second electrolyte to the second electrode 214 of the second redox flow battery cell 204 . The volume flows from the first, second, and third pistons 226, 236, 246 are regulated, for example, by means of a control unit 284.

In 2b ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Volumenstroms VI des ersten Elektrolyten über der Betriebsdauer t der Redox-Flow-Batterie 20 gemäß 2a dargestellt. Die Betriebsdauer t teilt sich beispielsweise in vier miteinander übereinstimmende Zeiträume T1, T2, T3, T4 auf. In einem ersten Zeitraum T1 weist ein erster Volumenstrom v1 des ersten Elektrolyten beispielsweise einen sinusförmigen Verlauf auf. In einem zweiten Zeitraum T2 wird der ersten Elektrode 112 der ersten Redox-Flow-Batteriezelle 102 der erste Elektrolyt mit einem konstanten dritten Volumenstrom v3 zugeführt. Der dritte Volumenstrom v3 entspricht beispielsweise einen vorbestimmten Wert vmin. Die Abläufe des ersten und des dritten Volumenstroms v1, v3 des ersten Elektrolyten in den ersten zwei Zeiträumen T1, T2 wiederholen sich beispielsweise in einem dritten Zeitraum T3 und in einem vierten Zeitraum T4. Während dessen wird der dritten Elektrode 122 der ersten Redox-Flow-Batteriezelle 102 ein dritter Elektrolyt mit einem konstanten Volumenstrom vmin zugeführt.In 2 B FIG. 12 is an exemplary flow chart of a volume flow V I of the first electrolyte over the operating time t of the redox flow battery 20 according to FIG 2a shown. The operating time t is divided, for example, into four corresponding periods of time T 1 , T 2 , T 3 , T 4 . In a first time period T 1 , a first volume flow v 1 of the first electrolyte has a sinusoidal curve, for example. In a second time period T 2 the first electrode 112 of the first redox flow battery cell 102 is supplied with the first electrolyte at a constant third volume flow v 3 . The third volume flow v 3 corresponds to a predetermined value v min , for example. The sequences of the first and the third volume flow v 1 , v 3 of the first electrolyte in the first two time periods T 1 , T 2 are repeated, for example, in a third time period T 3 and in a fourth time period T 4 . During this, a third electrolyte is fed to the third electrode 122 of the first redox flow battery cell 102 at a constant volume flow v min .

In 2c ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Volumenstroms VII des zweiten Elektrolyten über der Betriebsdauer t der Redox-Flow-Batterie 20 gemäß 2a dargestellt. Der zweite Elektrolyt wird der zweiten Elektrode 214 der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle 204 zugeführt. In dem ersten Zeitraum T1 weist ein zweiter Volumenstrom v2 des zweiten Elektrolyten beispielsweise einen konstanten Wert von vmin auf. In dem zweiten Zeitraum T2 weist ein vierter Volumenstrom v4 des zweiten Elektrolyten beispielsweise einen sinusförmigen Verlauf auf. Die Abläufe des zweiten und des vierten Volumenstroms v2, v4 des zweiten Elektrolyten in den ersten zwei in den ersten zwei Zeiträumen T1, T2 wiederholen sich beispielsweise in einem dritten Zeitraum T3 und in einem vierten Zeitraum T4. Während dessen wird der vierten Elektrode 224 ein vierter Elektrolyt mit einem konstanten Volumenstrom vmin zugeführt.In 2c FIG. 12 is an exemplary flow chart of a volume flow V II of the second electrolyte over the operating time t of the redox flow battery 20 according to FIG 2a shown. The second electrolyte is supplied to the second electrode 214 of the second redox flow battery cell 204 . In the first time period T 1 , a second volume flow v 2 of the second electrolyte has a constant value of v min , for example. In the second time period T 2 , a fourth volume flow v 4 of the second electrolyte has a sinusoidal curve, for example. The sequences of the second and the fourth volume flow v 2 , v 4 of the second electrolyte in the first two time periods T 1 , T 2 are repeated, for example, in a third time period T 3 and in a fourth time period T 4 . During this, a fourth electrolyte is supplied to the fourth electrode 224 with a constant volume flow v min .

Da je zwei Redox-Flow-Batteriezellen 102, 204 einen einphasigen Wechselstrom erzeugen, wird eine einphasige Wechselspannung als Klemmenspannung U12 der Redox-Flow-Batterie 20 abgegriffen, da der jeweilige Innenwiderstand der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle 102, 204 unverändert bleibt.Since every two redox flow battery cells 102, 204 generate a single-phase alternating current, a single-phase alternating voltage is tapped as terminal voltage U 12 of the redox flow battery 20, since the respective internal resistance of the first and the second redox flow battery cell 102, 204 remains unchanged.

Die Redox-Flow-Batterie 20 findet Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.The redox flow battery 20 is used in e-bikes or motor vehicles and in the stationary storage of electrical energy.

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Claims (10)

Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batteriezelle (102), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer Elektrode (112, 122) der Redox-Flow-Batteriezelle (102) ein Elektrolyt mit einem Volumenstrom (v112, v122) zugeführt wird, wobei der Volumenstrom (v112, v122) einer periodischen, insbesondere kontinuierlichen Veränderung unterliegt.Method for operating a redox flow battery cell (102), characterized in that at least one electrode (112, 122) of the redox flow battery cell (102) is supplied with an electrolyte at a volume flow (v 112 , v 122 ), wherein the volume flow (v 112 , v 122 ) is subject to a periodic, in particular continuous, change. Verfahren zum Betrieb einer Redox-Flow-Batterie (20) mit einer ersten und einer zweiten Redox-Flow-Batteriezelle (102, 104), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Zeitraum einer ersten Elektrode (112) der ersten Redox-Flow-Batteriezelle (102) ein erster Elektrolyt mit einem ersten Volumenstrom (v1) zugeführt wird während einer zweiten Elektrode (214) der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle (104) ein zweiter Elektrolyt mit einem zweiten Volumenstrom (v2) zugeführt wird und in einem zweiten Zeitraum der ersten Elektrode (112) der ersten Redox-Flow-Batteriezelle (102) der erste Elektrolyt mit einem dritten Volumenstrom (v3) zugeführt wird während der zweiten Elektrode (214) der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle (104) der zweite Elektrolyt mit einem vierten Volumenstrom (v4) zugeführt wird, wobei der erste Volumenstrom (v1) größer als der zweite Volumenstrom (v2) ist, während der dritte Volumenstrom (v3) kleiner als der vierte Volumenstrom (v4) ist oder der erste Volumenstrom (v1) kleiner als der zweite Volumenstrom (v2) ist, während der dritte Volumenstrom (v3) größer als der vierte Volumenstrom (v4) ist.Method for operating a redox flow battery (20) with a first and a second redox flow battery cell (102, 104), characterized in that in a first period of time a first electrode (112) of the first redox flow battery cell (102) a first electrolyte is supplied with a first volume flow (v 1 ) while a second electrode (214) of the second redox flow battery cell (104) is supplied with a second electrolyte with a second volume flow (v 2 ) and in a second Period of time the first electrode (112) of the first redox flow battery cell (102) is supplied with the first electrolyte at a third volume flow (v 3 ) while the second electrode (214) of the second redox flow battery cell (104) is supplied with the second electrolyte is supplied with a fourth volume flow (v 4 ), the first volume flow (v 1 ) being greater than the second volume flow (v 2 ), while the third volume flow (v 3 ) is smaller than the fourth volume flow (v 4 ) or the first flow rate (v 1 ) is less than the second flow rate (v 2 ), while the third flow rate (v 3 ) is greater than the fourth flow rate (v 4 ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Volumenstrom (v1, v2) in dem ersten Zeitraum (T1) konstant ist und der dritte oder der vierte Volumenstrom (v3, v4) in dem zweiten Zeitraum (T2) konstant ist.procedure after claim 2 , characterized in that the first or the second volume flow (v 1 , v 2 ) in the first period (T 1 ) is constant and the third or the fourth volume flow (v 3 , v 4 ) in the second period (T 2 ) is constant. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenströme (v1, v4) einer periodischen, insbesondere kontinuierlichen Veränderung unterliegen.procedure after claim 2 , characterized in that the volume flows (v 1 , v 4 ) are subject to periodic, in particular continuous change. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Zeitraum (T1, T2) nacheinander während der Betriebsdauer t der Redox-Flow-Batterie (20) sich wiederholen.Method according to any of the preceding claims 2 until 4 , characterized in that the first and the second time period (T 1 , T 2 ) are repeated one after the other during the operating time t of the redox flow battery (20). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom bzw. die Volumenströme (v112, v122) mittels zumindest eines Ventils eines Elektrolytbehälters (182, 192) geregelt werden, an dem die Redox-Flow-Batteriezelle (102) bzw. die Redox-Flow-Batteriezellen (102, 204) angeschlossen sind.Method according to any of the preceding Claims 1 until 5 , characterized in that the volume flow or the volume flows (v 112 , v 122 ) are regulated by means of at least one valve of an electrolyte container (182, 192) on which the redox flow battery cell (102) or the redox flow Battery cells (102, 204) are connected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom bzw. die Volumenströme (v1, v2, v3, v4) mittels einer Pumpe, insbesondere einer Axialkolbenpumpe (206), geregelt werden, an der die Redox-Flow-Batteriezelle bzw. die Redox-Flow-Batteriezellen (102, 204) angeschlossen sind.Method according to any of the preceding Claims 1 until 5 , characterized in that the volume flow or the volume flows (v 1 , v 2 , v 3 , v 4 ) are regulated by means of a pump, in particular an axial piston pump (206), on which the redox flow battery cell or the redox -Flow battery cells (102, 204) are connected. Redox-Flow-Batterie, umfassend zumindest eine erste und eine zweite Redox-Flow-Batteriezelle (102, 204), wobei die erste und die zweite Redox-Flow-Batteriezelle (102, 204) jeweils eine positive Elektrode (112, 214), eine negative Elektrode (122, 224) und einen dazwischen angeordneten Separator (113, 223) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Mittel (284) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in der Redox-Flow-Batterie (20) vorgesehen ist.Redox flow battery, comprising at least a first and a second redox flow battery cell (102, 204), wherein the first and the second redox flow battery cell (102, 204) each have a positive electrode (112, 214), having a negative electrode (122, 224) and a separator (113, 223) arranged therebetween, characterized in that an electronic means (284) for carrying out a method according to one of the Claims 1 until 7 is provided in the redox flow battery (20). Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die positiven Elektroden (112, 214) der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle (102, 204) parallel miteinander elektrisch verschaltet sind oder die negativen Elektroden (122, 224) der ersten und der zweiten Redox-Flow-Batteriezelle (102, 204) parallel miteinander elektrisch verschaltet sind.redox flow battery claim 8 , characterized in that the positive electrodes (112, 214) of the first and the second redox flow battery cell (102, 204) are electrically connected to one another in parallel or the negative electrodes (122, 224) of the first and the second redox flow -Battery cell (102, 204) are electrically connected to one another in parallel. Verwendung einer Redox-Flow-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9 in E-Bikes, Elektrofahrzeugen oder in der stationären Speicherung elektrischer Energie.Use of a redox flow battery according to any one of the preceding Claims 8 until 9 in e-bikes, electric vehicles or in the stationary storage of electrical energy.
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