ITBO20130323A1 - Batteria a flusso - Google Patents

Batteria a flusso

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ITBO20130323A1
ITBO20130323A1 IT000323A ITBO20130323A ITBO20130323A1 IT BO20130323 A1 ITBO20130323 A1 IT BO20130323A1 IT 000323 A IT000323 A IT 000323A IT BO20130323 A ITBO20130323 A IT BO20130323A IT BO20130323 A1 ITBO20130323 A1 IT BO20130323A1
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flux
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Anzi Angelo D
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Proxhima S R L
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Description

Titolo: BATTERIA A FLUSSO
D E S C R I Z I O N E
Il presente trovato ha come oggetto una batteria a flusso o batteria REDOX particolarmente del tipo al Vanadio.
Una batteria a flusso à ̈ un tipo di batteria ricaricabile, in cui degli elettroliti contenenti una o più sostanze elettroattive disciolte fluiscono attraverso una cella elettrochimica che converte l'energia chimica direttamente in energia elettrica. Gli elettroliti sono stoccati in appositi serbatoi esterni e sono pompati attraverso le celle del reattore.
Le batterie a flusso Redox hanno il vantaggio di avere un layout flessibile (a causa della separazione dei componenti di potenza e dei componenti di energia), ciclo di vita lungo, tempi di risposta rapida, non hanno bisogno di livellare la carica e non presentano emissioni nocive.
Le batterie a flusso sono impiegate per applicazioni immobili con richiesta energetica tra 1kWh e molti MWh: si utilizzano per livellare il carico della rete, dove la batteria viene impiegata per accumulare durante la notte energia a basso costo e reintrodurla nella rete quando à ̈ più costosa, ma anche per accumulare energia da fonti rinnovabili come l'energia solare e quella eolica, per poi fornirla durante i periodi di picco della richiesta di energia.
In particolare una batteria redox al vanadio consiste in un insieme di celle elettrochimiche dove i due elettroliti sono separati da una membrana a scambio protonico. Entrambi gli elettroliti si basano sul vanadio: l'elettrolita nella semicella positiva contiene ioni VO2+ e VO2+, mentre quello nella semicella negativa contiene ioni V3+ e V2+. Gli elettroliti si possono preparare in vari modi, ad esempio per dissoluzione elettrolitica del pentossido di vanadio (V2O5) in acido solforico (H2SO4). La soluzione utilizzata rimane fortemente acida. Nelle batterie a flusso al vanadio le due semicelle sono inoltre collegate a serbatoi di riserva contenenti un volume molto grande di elettrolita, che viene fatto circolare attraverso la cella con apposite pompe. Questa circolazione di elettroliti liquidi richiede un certo ingombro, e limita la possibilità di utilizzo delle batterie a flusso al vanadio in applicazioni mobili, di fatto confinandole a grosse installazioni fisse. Quando la batteria à ̈ in fase di carica, nella semicella positiva il vanadio à ̈ ossidato trasformando VO2+ in VO2+. Gli elettroni rimossi sono portati alla semicella negativa dove riducono il vanadio da V3+ a V2+. Durante l'utilizzo il processo avviene in senso opposto, e si ottiene una differenza di potenziale di 1,41 V a 25 °C a circuito aperto.
La batteria Redox al Vanadio à ̈ l’unica batteria che accumula l’energia elettrica nell’elettrolita e non sulle piastre o elettrodi come comunemente avviene in tutte le altre tecnologie di batterie. A differenza di tutte le altre batterie, nella batteria Redox al vanadio l’elettrolita contenuto nei serbatoi una volta caricato non à ̈ soggetto ad auto scarica, mentre la porzione di elettrolita che stanzia all’interno della cella elettrochimica nel tempo à ̈ soggetto ad auto scarica.
La quantità di energia elettrica immagazzinata nella batteria à ̈ determinata dal volume di elettrolita contenuto nei serbatoi.
Secondo una specifica soluzione realizzativa particolarmente efficiente, una batteria Redox al vanadio consiste in un insieme di celle elettrochimiche entro cui scorrono i due elettroliti separati tra loro da una elettrolita polimerico. Entrambi gli elettroliti sono costituiti da una soluzione acida di vanadio disciolto. L'elettrolita positivo contiene ioni V5+ e V4+ mentre quello negativo contiene ioni V2+ e V3+. Quando la batteria à ̈ in fase di carica, nella semicella positiva il vanadio si ossida mentre nella semicella negativa il vanadio si riduce. Durante la fase di scarica il processo si inverte.
Il collegamento di più celle in serie elettrica consente di aumentare la tensione ai capi della batteria, che sarà pari al numero di celle moltiplicato per 1,41 Volt.
Durante la fase di carica al fine immagazzinare energia, le pompe si accendono facendo fluire l’elettrolita all’interno della cella elettrochimica. L’energia elettrica applicata alla cella elettrochimica favorisce lo scambio protonico tramite la membrana caricando la batteria.
Durante la fase di scarica, le pompe si accendono facendo fluire l’elettrolita all’interno della cella elettrochimica cedendo così l’energia accumulata.
Nelle batterie a flusso oppure comunemente dette Flow Batteries o Vanadium redox battery, esiste un problema inerente all’auto scarica all’interno della pila di celle elettrochimiche.
Il fenomeno à ̈ generato dal collegamento idraulico dell’elettrolita costituito da un flusso di elettrolita trasversale alle semicelle che alimenta in parallelo tutte le celle, sia per il comparto anodico sia per il comparto catodico. Il flusso di elettrolita trasversale, toccando tutti gli elettrodi, genera un ponte elettrico consentendo il passaggio di elettroni e generando di fatto un corto circuito. Questo corto circuito durante, la fase di carica, genera un passaggio di correnti parassite che ne riducono l’efficienza, mentre durante in fase di standby si genera l’auto scarica della batteria, coinvolgendo la quantità di elettrolita conservato all’interno del gruppo (stack) di celle.
Nello stato dell’arte di settore, al fine di minimizzare l’effetto dell’auto scarica à ̈ prevista la realizzazione di un collettore idraulico di alimentazione delle semicelle di elevata lunghezza per incrementare la resistenza elettrica dell’elettrolita in esso contenuto con conseguente riduzione della corrente in esso fluente. In questo modo si minimizza l’auto scarica, ma non la si elimina. Quindi per conservare un minimo di energia sufficiente a far ripartire il sistema, periodicamente si avviano le pompe in modo da rifornire la cella di elettrolita fresco.
In ogni caso, nel lungo periodo, questa tecnologia prevede la totale scarica della batteria.
Una soluzione alternativa prevede il drenaggio dell’elettrolita contenuto all’interno dello stack di celle in modo da evitarne l’auto scarica. In questa seconda soluzione, al fine di garantire la ripartenza, à ̈ adottata una batteria ausiliaria. Ciò comunque non risolve il problema in quanto anche la batteria ausiliaria à ̈ soggetta ad auto scarica.
Compito principale del presente trovato à ̈ quello di risolvere i problemi sopra esposti, proponendo una batteria a flusso sostanzialmente immune al fenomeno dell'auto scarica.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato à ̈ quello di proporre una batteria a flusso di semplice realizzazione pratica.
Un altro scopo del trovato à ̈ quello di proporre una batteria a flusso con tempi di risposta rapidi.
Un altro scopo del trovato à ̈ quello di proporre una batteria a flusso in grado di riavviarsi autonomamente senza richiedere altri accumulatori ausiliari.
Ulteriore scopo del presente trovato à ̈ quello di realizzare una batteria a flusso di costi contenuti relativamente semplice realizzazione pratica e di sicura applicazione.
Questo compito e questi scopi vengono raggiunti da una batteria a flusso del tipo comprendente un primo serbatoio per un elettrolita anodico, un secondo serbatoio per un elettrolita catodico, rispettivi circuiti idraulici provvisti di relative pompe per la fornitura di elettroliti a specifiche celle planari, provviste di canalizzazioni sulle due facce contrapposte per il convogliamento indipendente dei detti elettroliti, reciprocamente separate da membrane elettrolitiche ed elettrodi caratterizzata dal fatto che ciascuna detta cella comprende almeno un primo foro passante di alimentazione, per il passaggio di elettrolita catodico verso la rispettiva canalizzazione di una sua prima faccia di detta cella e le celle contigue, almeno un secondo foro passante di scarico, per lo scarico di elettrolita catodico dalla rispettiva canalizzazione, almeno un terzo foro passante di alimentazione, per il passaggio di elettrolita anodico verso la rispettiva canalizzazione di una seconda faccia di detta cella e le celle contigue, almeno un quarto foro passante di scarico, per lo scarico di elettrolita anodico dalla rispettiva canalizzazione, detti fori essendo posti in prossimità della sommità di detta cella, ad una quota superiore alla quota massima delle dette canalizzazioni di convogliamento indipendente dei detti elettroliti.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, della batteria a flusso secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:
la fig.1 rappresenta, in vista assonometrica esplosa schematica, una serie di celle di una batteria a flusso secondo il trovato;
la fig.2 rappresenta, in vista frontale schematica, un gruppo di celle costituenti una batteria a flusso secondo il trovato.
Con particolare riferimento a tali figure à ̈ indicato globalmente con 1 una batteria a flusso secondo il trovato.
La batteria a flusso 1 secondo il trovato à ̈ del tipo comprendente un primo serbatoio 2 per un elettrolita anodico, un secondo serbatoio 3 per un elettrolita catodico, rispettivi circuiti idraulici 4 e 5 provvisti di relative pompe 6 e 7 per la fornitura di elettroliti a specifiche celle planari 7, provviste di canalizzazioni 8 sulle due facce contrapposte.
Tali canalizzazioni 8 presenti sulle facce di ciascuna cella 7 garantiscono il convogliamento indipendente degli elettroliti lungo la cella 7 stessa.
Le singole celle 7 sono reciprocamente separate da membrane elettrolitiche 9a ed elettrodi 9.
Le membrane elettrolitiche 9a sono normalmente di tipo polimerico.
Secondo il trovato, ciascuna cella 7 comprende almeno un primo foro passante 10 di alimentazione, per il passaggio di elettrolita catodico verso la rispettiva canalizzazione 8 di una prima faccia della cella 7 stessa e per l'alimentazione delle celle 7 contigue.
Con particolare riferimento alle allegate figure, la canalizzazione 8 posta sulla prima faccia della cella 7 non risulta essere visibile, in quanto la rappresentazione delle celle 7 proposta in figura 2 mostra unicamente la seconda faccia 11 delle stesse.
Ciascuna cella comprende inoltre almeno un secondo foro passante 12 di scarico.
Tale secondo foro à ̈ preposto allo scarico di elettrolita catodico dalla rispettiva canalizzazione 8.
Tale cella 7 comprende anche almeno un terzo foro passante 13 di alimentazione, per il passaggio di elettrolita anodico verso la rispettiva canalizzazione 8 della seconda faccia 11 e per l'alimentazione delle celle 7 contigue, ed almeno un quarto foro passante 14 di scarico, per lo scarico di elettrolita anodico dalla rispettiva canalizzazione 8.
I fori 10, 12, 13 e 14, quando le celle 7 sono montata a costituire la batteria 1 sono reciprocamente allineati definendo rispettivi condotti di immissione e/o prelievo di elettrolita (catodico o anodico).
Tali fori 10, 12, 13 e 14 sono posti in prossimità della sommità di cella 7, ad una quota superiore alla quota massima delle canalizzazioni 8 di convogliamento indipendente degli elettroliti.
Qualora si verifichi una interruzione del flusso degli elettroliti, gli stessi, attraverso i condotti definiti da fori 10, 12, 13 e 14 allineati defluiranno fino a quando il loro livello non scenderà fino al bordo inferiore del rispettivo foro 10, 12, 13 e 14.
Le canalizzazioni 8 della cella 7 rimarranno quindi piene di elettroliti, ma gli stessi non potranno mettere in comunicazione elettrica ciascuna cella con quelle contigue in quanto si troveranno ad un livello inferiore.
L'assenza di collegamento elettrico (cortocircuito) tra i fori 10, 12, 13 e 14 di una cella 7 e quelli delle celle 7 contigue garantirà che non possano instaurarsi correnti parassite e/o di dispersione, impedendo, di fatto, l'auto scarica della batteria 1.
Si ritiene opportuno specificare che la canalizzazione 8 per il convogliamento di elettrolita catodico presenta il proprio ingresso in prossimità del bordo inferiore della rispettiva cella 7 e la propria uscita al di sotto dell'almeno un secondo foro passante 12 di scarico.
Tra l'almeno un primo foro passante 10 di alimentazione e l'ingresso della canalizzazione 8 catodica à ̈ previsto un primo canale (non visibile nelle allegate figure) provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione.
Al contempo, tra l'almeno un secondo foro passante 12 di scarico e l'uscita della canalizzazione 8 catodica à ̈ previsto un secondo canale provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione.
Con particolare riferimento alla soluzione realizzativa descritta in precedenza, si evidenzia come sia possibile ottenere un funzionamento ottimale qualora il primo canale sia tortuoso.
Lo stesso dovrà cioà ̈ comprendere almeno due tratti verticali reciprocamente raccordati, uno associato all'almeno un primo foro 10 e l'altro associato all'ingresso catodico della canalizzazione 8 della prima faccia della cella 7, a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone.
Analogamente il secondo canale à ̈ tortuoso, comprende infatti almeno due tratti verticali di esigua lunghezza reciprocamente raccordati per mezzo di tratti orizzontali di lunghezza prossima alla larghezza della canalizzazione 8.
Un primo tratto verticale à ̈ associato all'almeno un secondo foro 12 e l'altro tratto verticale associato all'uscita anodica della canalizzazione 8 della prima faccia della cella 7, a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone.
Per conformità strutturale e realizzativa, anche la canalizzazione 8 per il convogliamento di elettrolita anodico (chiaramente visibile nella figura 2 allegata alla presente relazione) presenta il proprio ingresso 15 in prossimità del bordo inferiore della rispettiva cella 7 e la propria uscita 16 al di sotto dell'almeno un quarto foro passante 14 di scarico.
Tra l'almeno un terzo foro passante 13 di alimentazione e l'ingresso 15 della canalizzazione 8 sarà previsto un terzo canale 17 provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione: tale tratto sostanzialmente verticale à ̈ cioà ̈ preposto all'interconnessione del terzo foro 13 con l'ingresso 15 della canalizzazione 8.
Tra l'almeno un quarto foro passante 14 di scarico e l'uscita 16 della canalizzazione 8 sarà previsto un quarto canale 18 provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione (in questo caso il canale 18 collegherà quindi idraulicamente il quarto foro passante 14 di scarico e l'uscita 16 della canalizzazione 8).
Con particolare riferimento a quanto esposto in precedenza, si specifica che il terzo canale 17 Ã ̈ tortuoso: infatti comprende almeno due tratti verticali reciprocamente raccordati, uno associato all'almeno un terzo foro 13 e l'altro associato all'ingresso anodico 15 della canalizzazione 8 della seconda faccia 11 della cella 7, a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone.
Analogamente, anche il quarto canale 18 à ̈ tortuoso e comprende almeno due tratti verticali di esigua lunghezza reciprocamente raccordati per mezzo di tratti orizzontali di lunghezza prossima alla larghezza della canalizzazione 8. In tal caso un primo tratto verticale sarà associato all'almeno un quarto foro 14 e l'altro tratto verticale associato all'uscita catodica 16 della canalizzazione 8 della seconda faccia 11 della cella 7, a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone.
La presenza di canali tortuosi à ̈ la loro conformazione a "sifone" garantisce che le canalizzazioni 8 rimangano costantemente piene di elettrolita anche quando le pompe 6 e 7 non sono in funzione e quindi gli elettroliti non fluiscono.
Questa caratteristica si traduce in un importante vantaggio per la batteria 1 secondo il trovato, perché pur sfruttando la riduzione di livello degli elettroliti al di sotto della quota dei fori 10, 12, 13 e 14 quando le pompe 6 e 7 non sono in funzione per evitare il fenomeno dell'auto scarica, la batteria 1 risulta immediatamente pronta all'uso, visto che à ̈ sufficiente che le pompe 6 e 7 si rimettano in funzione (sfruttando ad esempio la differenza di potenziale residua ai capi della batteria 1 stessa) per riavviare il flusso degli elettroliti, senza che si debba tollerare un transitorio durante il quale si verificherà il riempimento delle canalizzazioni 8 come avviene con le celle di tipo noto.
Si specifica che la batteria 1 secondo il trovato à ̈ del tipo preferibilmente scelto tra batterie Redox al vanadio, celle a combustibile alcaline, celle a combustibile ad acido solforico, elettrolizzatori, batterie a polisolfuro di bromuro (del tipo denominato generalmente Regenesys), batterie redox all'uranio e simili.
Non si esclude che la batteria 1 possa essere di tipo ibrido, cioà ̈ scelta tra batterie di flusso zinco-bromo, batterie di flusso cerio-zinco, batterie di flusso a base di piombo e simili.
Vantaggiosamente il presente trovato risolve i problemi esposti in precedenza proponendo una batteria a flusso 1 sostanzialmente immune al fenomeno dell'auto scarica grazie alla particolare geometrica dei suoi circuiti idraulici 4 e 5 che, quando le pompe 6 e 7 sono inattive, non permettono agli elettroliti di cortocircuitare le celle 7 contigue.
Proficuamente la batteria a flusso 1 risulta essere di semplice realizzazione pratica, in quanto le caratteristiche che la differenziano da quelle di tipo noto sono esclusivamente legate alla geometrica dei suoi canali e quindi sono realizzabili utilizzando gli stessi macchinari utilizzati per la produzione di celle di tipo noto.
Convenientemente la batteria a flusso 1 presenta tempi di risposta estremamente rapidi, visto che le sue canalizzazioni 8 rimangono costantemente piene di elettrolita.
Positivamente la batteria a flusso 1 à ̈ in grado di riavviarsi autonomamente senza richiedere altri accumulatori ausiliari in virtù di quanto già espresso in precedenza.
Il trovato, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
Negli esempi di realizzazione illustrati singole caratteristiche, riportate in relazione a specifici esempi, potranno essere in realtà intercambiate con altre diverse caratteristiche, esistenti in altri esempi di realizzazione.
In pratica i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (1)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1.Batteria a flusso del tipo comprendente un primo serbatoio (2) per un elettrolita anodico, un secondo serbatoio (3) per un elettrolita catodico, rispettivi circuiti idraulici (4, 5) provvisti di relative pompe (6, 6a) per la fornitura di elettroliti a specifiche celle planari (7), provviste di canalizzazioni (8) sulle due facce contrapposte per il convogliamento indipendente dei detti elettroliti, reciprocamente separate da membrane elettrolitiche (9a) ed elettrodi (9) caratterizzata dal fatto che ciascuna detta cella (7) comprende almeno un primo foro passante (10) di alimentazione, per il passaggio di elettrolita catodico verso la rispettiva canalizzazione (8) di una sua prima faccia di detta cella (7) e le celle (7) contigue, almeno un secondo foro passante (12) di scarico, per lo scarico di elettrolita catodico dalla rispettiva canalizzazione (8), almeno un terzo foro passante (13) di alimentazione, per il passaggio di elettrolita anodico verso la rispettiva canalizzazione (8) di una seconda faccia (11) di detta cella (7) e le celle (7) contigue, ed almeno un quarto foro passante (14) di scarico per lo scarico di elettrolita anodico dalla rispettiva canalizzazione (8), detti fori (10, 12, 13, 14) essendo posti in prossimità della sommità di detta cella (7), ad una quota superiore alla quota massima delle dette canalizzazioni (8) di convogliamento indipendente dei detti elettroliti. 2.Batteria a flusso, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta canalizzazione (8) per il convogliamento di elettrolita catodico presenta il proprio ingresso in prossimità del bordo inferiore della rispettiva cella (7) e la propria uscita al di sotto del detto almeno un secondo foro passante (12) di scarico, tra detto almeno un primo foro passante (10) di alimentazione ed il detto ingresso di detta canalizzazione (8) essendo previsto un primo canale provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di reciproca interconnessione, tra detto almeno un secondo foro passante (12) di scarico ed la detta uscita di detta canalizzazione (8) essendo previsto un secondo canale provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione reciproca. 3.Batteria a flusso, secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto primo canale à ̈ tortuoso, comprendendo almeno due tratti verticali reciprocamente raccordati, uno associato al detto almeno un primo foro (10) e l'altro associato al detto ingresso anodico di detta canalizzazione (8) della prima faccia di detta cella (8), a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone. 4.Batteria a flusso, secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto secondo canale à ̈ tortuoso, comprendendo almeno due tratti verticali di esigua lunghezza reciprocamente raccordati per mezzo di tratti orizzontali di lunghezza prossima alla larghezza della canalizzazione (8), un primo tratto verticale associato al detto almeno un secondo foro (12) e l'altro tratto verticale associato all'uscita anodica di detta canalizzazione (8) della detta prima faccia della detta cella (7), a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone. 5.Batteria a flusso, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta canalizzazione (8) per il convogliamento di elettrolita anodico presenta il proprio ingresso (15) in prossimità del bordo inferiore della rispettiva cella (7) e la propria uscita (16) al di sotto del detto almeno un quarto foro passante (14) di scarico, tra detto almeno un terzo foro passante (13) di alimentazione ed il detto ingresso (15) di detta canalizzazione (8) essendo previsto un terzo canale (17) provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione reciproca, tra detto almeno un quarto foro passante (14) di scarico ed la detta uscita (16) di detta canalizzazione (8) essendo previsto un quarto canale (18) provvisto di almeno un tratto sostanzialmente verticale di interconnessione reciproca. 6.Batteria a flusso, secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detto terzo canale (17) à ̈ tortuoso, comprendendo almeno due tratti verticali reciprocamente raccordati, uno associato al detto almeno un terzo foro (13) e l'altro associato al detto ingresso (15) catodico di detta canalizzazione (8) della seconda faccia (11) di detta cella (7), a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone. 7.Batteria a flusso, secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detto quarto canale (18) à ̈ tortuoso, comprendendo almeno due tratti verticali di esigua lunghezza reciprocamente raccordati per mezzo di tratti orizzontali di lunghezza prossima alla larghezza della canalizzazione (8), un primo tratto verticale associato al detto almeno un quarto foro (14) e l'altro tratto verticale associato all'uscita catodica (16) di detta canalizzazione (8) della detta seconda faccia (11) della detta cella (7), a costituire un dispositivo idraulico del tipo di un sifone. 8.Batteria a flusso, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che à ̈ del tipo preferibilmente scelto tra batterie Redox al vanadio, celle a combustibile alcaline, celle a combustibile ad acido solforico, elettrolizzatori, batterie a polisolfuro di bromuro, batterie redox all'uranio e simili. 9.Batteria a flusso, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che à ̈ ibrida, di tipo preferibilmente scelto tra batterie di flusso zinco-bromo, batterie di flusso cerio-zinco, batterie di flusso a base di piombo e simili.
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