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Verfahren und Vorrichtung zur Aufspeicherung elektrischer Energie
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufspeichern elektrischer Energie
unter Verwendung von an Elektroden vorbeiströmenden Elektrolyten und auf Vorrichtungen
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Akkumulatoren mit strömenden Elektrolyten sind bekannt. Die größtenteils
weit zurückliegenden Vorschläge haben keinen Eingang in die Praxis gefunden infolge
einer Reihe von Nachteilen, die diesen Vorschlägen anhafteten.
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Nach der Erfindung wird nun ein diese Nachteile vermeidendes und Vorteile
schaffendes Verfahren zum Aufspeichern elektrischer Energie vorgeschlagen, gemäß
dem eine Eisenchlorid enthaltende Elektrolytflüssigkeit entlang den Elektrodenflächen
einer sehr flachen, durch eine halbdurchlässige Zwischenwand (Diaphragma) in zwei
Kammern unterteilten elektrolytischen Zelle bzw. durch eine Vielzahl solcher Zellen
geführt wird. Die Elektroden, die die Seitenwände der Zelle bilden, bestehen aus
indifferentem Material und nehmen an den Umsetzungen nicht teil. Während sich aus
dem Ferrochlorid enthaltenden Elektrolyt beim Vorbei.-strömen an der Kathode unter
der Einwirkung eines angelegten Gleichstromes niedriger Spannung auf dieser metallisches
Eisen niederschlägt, wird
der an Eisen verarmte Elektrolyt bei seinem
darauffolgenden Entlangströmen an der Anode zu Ferrichlorid oxydiert. Diese Vorgänge
verlaufen kontinuierlich. Die Ferrichloridlösung wird außerhalb der Zelle in einem
Flüssigkeitsbehälter gespeichert, bis sie zum Zwecke der Stromentnahme wiederum
dem Zellensystem zugeführt wird, wo sie an den Anoden entlang streichend als Depolarisator
wirkt und hierbei zu Ferrochlorid reduziert wird, das hierauf auf die andere Seite
der Diaphragmen geführt den Eisenbelag der Kathoden allmählich auflöst, wobei die
anfänglich aufgenommene Elektrizitätsmenge wieder frei wird. Die regenerierte konzentrierte
Ferrochloridlösung wird nun ebenfalls außerhalb des Zellensystems gesammelt, so
daß sie zur erneuten Energieaufnahme wieder zur Verfügung steht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform, sind zahlreiche derartige
Zellen Fläche an Fläche derartig zu einem System zusammengefügt, daß jeweils die
Kathode der einen Zelle mit der Anode der nächsten. zu einer einzigen Elektrode
mit bipolarer Funktion zusammengefaßt wird, so daß der das System passierende Elektrizitätsstrom
durch den ganzen Querschnitt der so gebildeten Säule fließt.
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Die Strömung der Elektrolytflüssigkeit kann beispielsweise durch eine
Pumpe bewirkt werden. Sie muß sinngemäß so geführt werden, daß nacheinander alle
Elektrodenflächen der einen Polarität und erst hierauf nacheinander alle Elektrodenflächen
der anderen Polarität bespült werden, wobei Strömungsgeschwindigkeit und Elektrizitätsdurchgang
automatisch so gekoppelt werden, daß beim Übertritt von einer Polarität zur anderen
gerade die erste Reaktionsstufe, beim Verlassen des Systems gerade die zweite Reaktionsstufe
der Elektrolytumwandlung beendet ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die bipolaren Elektroden
als großflächige Platten geringer Stärke ausgebildet, deren Flächen profiliert und:
deren Rand ringsum von einem stärkeren Dichtungsrahmen aus nichtleitendem Material
umfaßt wird. Durch Aufeinanderpressen von zwei derartigen Einheiten unter Zwischenlegen
eines Diaphragmas wird eine Zelle gebildet, während jede- weitere hinzugefügte Einheit
zusammen mit der Rückseite der Vorhergehenden -eine weitere Zelle bildet. Die Rahmen
enthalten Kanäle und Durchlochungen, die beirr Zusammenfügen mehrerer Einheiten
ein zusammenhängendes Kanalsystem für den Elektrolyt bilden, durch das dieser nach
dem Entlangströmen an den Elektrodenfächen (von unten nach oben) jeweils am oberen
Ende abgeleitet und im Rahmen absteigend zum unteren Ende der entsprechenden Seite
der nächsten Elektrode geführt wird.
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Als Material für die Elektroden eignen sich stark kohlehaltige Preßmassen,
deren Bindemittel genügend widerstandsfähig ist, wie z. B. Polyäthylen, während
die Rahmen wie auch die mikroporösen Diaphragmen aus dem Bindemittel allein bestehen
können. Weitere Einzelheiten sollen in der folgenden Beschreibung der Zeichnungen
einer bevorzugten Ausführungsform erläutert werden.
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Fig. z zeigt die Ansicht einer mit Rahmen versehenen bipolaren Elektrodenplatte
sowie deren Querschnitt gemäß der Linie B-C; Fig. a zeigt in schematischer perspek.ivischer
Darstellung die Hintereinanderanordnung derartiger Elektroden sowie die Führung
des Elektrolytstromes ; Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Kathodenoberfläche;
Fig. q. zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Anodenoberfläche; Fig.5 zeigt
im Querschnitt die Vereinigung mehrerer Elektroden unter Zwischenlage von Diaphragmen;
Fig. 6 zeigt eine Einzelansicht der Vereinigung der Stützelemente der Elektrodenplatten
bzw. der Haltelemente für das Diaphragma; Fig. 7 zeigt ein Aggregat gemäß der Erfindung
in Vorderansicht, das in Fig. 8 in Seitenansicht dargestellt wird.
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Eine Elektrodenplatte nach Fig. r besteht aus der eigentlichen Elektrodenfläche
und dem nichtleitenden Dichtungsrahmen b mit Haltevorsprüngen C. Der Rahmen enthält
Führungskanäle d und Durchlochungen e. Die der Elektrodenflächen zugekehrte Umgrenzung
der Kanäle ist am oberen und unteren Rand der Elektroden kammartig gekerbt, damit
der Flüssigkeitsstrom aus den Kanälen auf die Elektrodenfläche übertreten kann und
das zwischengelegte Diaphragma trotzdem festgehalten wird. Der Schnitt B-C zeigt
diese Kerbung ebenso wie den Querschnitt der Kanäle und die durch den Strömungsverlauf
bedingte Schräglage der Trennungsfläche zwischen den beiderseitigen Kanalsystemen.
Die Elektrodenfläche selbst verläuft dagegen nicht schräg. Der Verlauf der rückseitigen
Kanäle ist gestrichelt angedeutet. Die Kanäle sind so angeordnet, daß der Elektrolyt
auf der Höhe der Haltevorsprünge von der vorhergehenden Platte übernommen, dann
im Rahmen nach unten geführt und dort auf die Elektrodenfläche übergeleitet wird,
die er aufsteigend bestreicht, um sodann vom -oberen Kanal erfaßt und wiederum im
Rahmen bis zur Höhe des gegenüberliegenden Haltevorsprunges abwärts geleitet zu
werden, "von wo er dann durch die Lochung in das Kanalsystem der nächstfolgenden
Platte eintritt.
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Von diesen mit Kanälen versehenen Rahmen sind zwei spiegelbildverkehrte
Formen erforderlich, die alternierend zusammengefügt werden, wie dies in Fig. a
schematisch angedeutet ist. Die letzte Platte besitzt als Umkehrplatte eine abweichende
Formgebung des Kanalsystems, wie dies aus der Zeichnung hervorgeht. Zum Verständnis
des Strömungsverlaufs ist zu beachten, daß die gestrichelten Linien Strömungen auf
den Rückseiten der Platten andeuten.
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Die Fig. 3 und q. zeigen besondere Ausbildungen der Kathoden- und
Anodenseite der Elektrodenplatten.
Die Kathodenseite (Fig.3) weist
neben einer gleichmäßig rauhen Profilierung zum Zweck der Erhöhung der Haftfestigkeit
des Metallniederschlags in Abständen Stützen f auf, die im oberen Teil aus nichtleitendem
Material bestehen, um dort Metallansätze zu verhindern. Die Anodenseite (Fig. 4)
besitzt teils pyramidenförmige, teils keilförmige Erhöhungen, welch letztere sich
beim Anfügen der Kathodenseite der nächsten Elektrode mit den dortigen entsprechenden
Erhebungen kreuzen und so zugleich für Aufrechterhaltung des Abstandes und Fixierung
des dazwischengelegten Diaphragmas sorgen, wie dies in Fig. '5 verständlich gemacht
ist. Das Diaphragma stützt sich gleichzeitig auch auf die abgeflachten Spitzen der
übrigen Erhebungen der Anodenseite, gegen die es durch einen geringen hydrostatischen
Überdruck gepreßt wird. Die Gesamtheit der ganz aus leitendem Genreenge bestehenden
Erhebungen der Anodenseite bewirkt zugleich die Aufrechterhaltung des Anodenraumes
wie auch eine Vergrößerung der Reaktionsfläche und durch die Formgebung und versetzte
Anordnung eine Wirbelbildung im durchströmenden Elektrolyt, die eine Konzentrationspolarisation
verhindert. Beide Oberflächenformen vereinigt zeigt Fig. 6 am Querschnitt einer
Elektrode, wobei auch die Anfügung weiterer Elektroden und die Abstützung der Diaphragmen
angedeutet ist.
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Die Lagerung der so gebildeten Säule aus aneinandergepreßten Elel@trodenplatten
auf Längsstützen aus nichtleitendem oder isoliertem Material wird verdeutlicht durch
den Querschnitt des Aggregats (Fig.7), während die Längsansicht (Fig.8) schematisch
die Zusammenpressung der Säule nach Art einer Filterpresse ,mittels Spindel und
zwei Endplatten zeigt, die zugleich die Strom- und Elektrolytanschlüsse tragen.
Ausführungsbeispiel Eine Speicheranlage für große Strommengen gemäß dieser Erfindung
gliedert sich in Stromwandler, Energiewandler und Energiespeicher.
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Der Stromwandler besteht aus- einem System von Transformatoren und
Gefäßgleichrichtern der üblichen Bauart und dient zur Umformung des hochgespannten
Wechselstroms der Fernleitung in Gleichstrom von niedrigerer Spannung (etwa 5oo
bis iooo Volt), wie er von den Aggregaten des Energiewandlers aufgenommen werden
kann, sowie zur Umkehrung dieses Vorgangs, wobei die Gleichrichter als Wechselrichter
arbeiten.
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Der Energiewandler besteht aus mehreren parallel geschalteten Säulen
von bipolaren Elektrodenplatten, an die je z. B. iooo Volt Spannung angelegt werden,
wobei nur eine'Stromzuleitung an jede Endplatte erforderlich ist.
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Nach der raschen Umwandlung der in den Säulen enthaltenen geringen
Elektrolytmenge findeteine weitere Stromaufnahme nur in dem Maße statt, wie weitere
unveränderte Elektrolytmengen zugeführt und gleiche: Mengen umgesetzter Flüssigkeit
aus den Säulen entfernt werden. Der Flüssigkeitsstrom wird aus einer Speicheranlage
den Säulen gleichzeitig an mehreren über ihre Längen verteilten Stellen zu- und
ebenso abgeführt, um allzu große Durchflußwid.erstände zu vermeiden.
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Da die Leitfähigkeit des Elektrolyts in hohem Maße temperaturabhängig
ist, tritt sofort eine Erhitzung der in :der Säule befindlichen Flüssigkeit durch
die Joulesche Wärme des inneren Widerstandes auf, die von der gedrängten Bauart
begünstigt wird. Bei 7o bis 9o° hat der stark verminderte innere Widerstand nur
noch eine geringfügige weitere Wärmeentwicklung zur Folge, die etwa mit den Wärmeverlusten
durch Abstrahlung usw. im Gleichgewicht stehen dürfte. In diesem Temperaturbereich
findet außerdem nicht nur die Abscheidung des metallischen Eisens in einer günstigen.
Form statt, sondern auch die chemische Polarisation der Vorgänge ist auf ein Minimum
beschränkt. Die mit dem umgewandelten Elektrolyt das Aggregat verlassende Wärmemenge
wird über einen Wärmeaustauscher an den frisch eintretenden Elektrolyt abgegeben.
Die Durchfiußgeschwindigkeit des Elektrolyts kann direkt mit der das Aggregat durchfließenden
Stromstärke gekoppelt werden.
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Bei einem Querschnitt der Säulen von i X 2m ist die durchgehende Stromstärke
etwa ioooAmpere, wenn mit einer etwa 8o%i.gen Stromausbeute gerechnet werden soll.
Die Länge der Säulen kann bei einer Plattenzahl von iooo mit etwa io bis 15 m angenommen
werden. Die Spannung zwischen den Endplatten beträgt dann etwa iooo Volt, so daß
bei Parallelschaltung von fünf derartigen Säulen die Gesamtleistung 5ooo Kilowatt
beträgt. Bei täglich iostündiger Ladung und iostündiger Entladung je mit Vollast
können so etwa So ooo Kilowattstunden gespeichert werden, wozu ein Elektrolytvolumen
von 2o X 2o X 2,5 m in Flüssigkeitsbehältern bereitgehalten werden muß. Die gesamte
verfügbare Kapazität dieser Anlage ist indessen weit höher; eine 4bis6Tage dauernde
ununterbrochene Ladung mit Vollast bewirkt erst 3 bis 4 mm starke Metallabscheidungen,
wozu als Elektrolytmenge ein Volumen von 2o X 2o X 25 m erforderlich ist. Die dementsprechende
Energiemenge von 500 ooo bis 700 000 Kilowattstunden kann im Bedarfsfall
über beliebige Zeiträume ohne weitere Verluste gelagert werden.
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Der umgewandelte und im Energiespeicher gelagerte Elektrolyt wird
bei Strombedarf wieder dem Energiewandler zugeführt, wobei die Reaktion 3 Fe C12
= Fe -I- 2 Fe C13 nunmehr in umgekehrter Richtung unter Aufzehrung des zuvor abgeschiedenen
Eisens abläuft. Die mit geringen Verlusten wiedergewonnene elektrische Energie wird
über Wechselrichter und Trafo wieder an die Fernleitung zurückgegeben oder ohne
. Umformung direkt verbraucht (Betrieb von Bahnanlagen, elektrochemische Industrie,
Walzwerke), während der rückverwandelte Elektrolyt nach Verlassen der Säule dem
Flüssigkeitsspeicher wieder zugeleitet wird. Die Bewegung des Flüssigkeitsstromes
erfolgt in wenigstens einer Richtung .durch Pumpen.
Der eigentliche
Energiespeicher besteht letzten Endes nur aus Flüssigkeitsbehältern beliebiger Bauart
und Anordnung, deren Wandungen gegen Eisenchlorid resistent ausgekleidet sind.