TR2021015353A2 - Enerji̇ depolama ci̇hazlari i̇çi̇n yeni̇ bi̇r redoks çi̇fti̇n eldesi̇ - Google Patents
Enerji̇ depolama ci̇hazlari i̇çi̇n yeni̇ bi̇r redoks çi̇fti̇n eldesi̇Info
- Publication number
- TR2021015353A2 TR2021015353A2 TR2021/015353A TR2021015353A TR2021015353A2 TR 2021015353 A2 TR2021015353 A2 TR 2021015353A2 TR 2021/015353 A TR2021/015353 A TR 2021/015353A TR 2021015353 A TR2021015353 A TR 2021015353A TR 2021015353 A2 TR2021015353 A2 TR 2021015353A2
- Authority
- TR
- Turkey
- Prior art keywords
- cells
- feature
- energy storage
- concentration
- cell
- Prior art date
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 25
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 claims description 24
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 18
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- -1 cerium ions Chemical class 0.000 claims description 13
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910001430 chromium ion Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 4
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 claims description 4
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 2
- 150000001844 chromium Chemical class 0.000 claims 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 abstract description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 11
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 9
- 239000000306 component Substances 0.000 description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 4
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001209177 Akis Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010718 Oxidation Activity Effects 0.000 description 1
- 230000010757 Reduction Activity Effects 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000011712 cell development Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003623 enhancer Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001456 vanadium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
Buluş, enerji depolama teknolojileri teknik alanına ait olup; güneş ve rüzgar gibi yenilebilir enerji kaynakları için kullanılabilir, yanma, patlama ve termal çökelme gibi olumsuz riskleri bulunmayan bunun yanı sıra yüksek potansiyel değerlerin elde edilebildiği enerji depolama cihazları ile ilgilidir. Buluş esas olarak tarif edilen enerji depolama cihazlarda kullanılmak üzere sözü edilen özelliklerin sağlayan yeni bir redoks çiftlerin elde edilmesine yöneliktir.
Description
TARIFNAME
ENERJI DEPOLAMA CIHAZLARI IÇIN YENI BIR REDOKS ÇIFTIN ELDESI
TEKNIK ALAN
Bulus, enerji depolama teknolojileri teknik alanina ait olup; günes ve rüzgar gibi
yenilebilir enerji kaynaklari için kullanilabilir, yanma, patlama ve termal çökelme gibi
olumsuz riskleri bulunmayan bunun yani sira yüksek potansiyel degerlerin elde
edilebildigi enerji depolama cihazlari ile ilgilidir.
Bulus esas olarak tarif edilen enerji depolama cihazlarda kullanilmak üzere sözü
edilen özelliklerin saglayan yeni bir redoks çiftlerin elde edilmesine yöneliktir.
ÖNCEKI TEKNIK
Redoks akiskan bataryalar, depoladigi enerji ve sagladigi güç parametrelerinin
birbirinden bagimsiz olmasindan dolayi sistemlere özgü olarak tasarlanma
esnekligine sahiptir. Bu sayede büyük ölçekli enerji depolama uygulamalari için
sözü edilen bataryalar kullanilabilmektedir. Redoks akis bataryalar özellikle günes
ve rüzgar gibi yenilebilir enerji kaynaklarinin sürekliligini saglama ve güç tüketim
dengesi ve arzi için çözümler sunabilmektedir.
Batarya sistemleri; depolayacaklari enerji kapasitesi, saglayabilecekleri güç,
sarj/desarj profilleri, çalisma sicakliklari, ergonomik özellikleri vb. gibi uygulamaya
özgün teknik istekleri karsilayacak sekilde tasarlanmaktadir. ABD Enerji Bakanligi
verilerine göre, 2030 yili itibari ile kWh basina 100 USD maliyeti olacak bir enerji
depolama sistemi, ekonomik açidan makul olarak degerlendirilmektedir.
Elektrokimyasal enerji depolama teknolojileri içinde ise Redoks Akis Batarya
teknolojisi, özellikle düsük maliyet ve ölçeklendirilebilir olmasi sebebi ile gelecek
vaat eden bir teknoloji olarak öne çikmaktadir. Dünya genelinde arastirmacilar,
daha az maliyetli, enerji depolama ve enerji saglama performansi arttirilmis ve
kullanilacak platformlara özgün tasarimlar için elektrot, elektrolit gelistirme ve hücre
tasarimi çalismalari gerçeklestirmektedir.
Redoks akiskan bataryalar (RFB olarak kisaltilabilir), elektrik enerjisini depolayan
bir sarj edilebilir batarya türüdür. Harici elektrolit tanklari, tipik olarak uygulama
gerekliliklerine uygun olarak boyutlandirilabilmektedir. Sözü edilen harici elektrolit
tanklarinda iki çözünür redoks çifti bulunmaktadir. Sivi elektrolitler, depolama
tanklarindan, akis elektrotlarina pompalanmaktadir. Akis elektrotlarinda; kimyasal
enerji, elektrik enerjisine (desarj) veya tersine (sarj) dönüstürülmektedir. Anot ve
katot boyunca akan elektrolitler, genellikle farklidir ve sirasiyla anolit ve katolit
olarak ifade edilmektedirler. Anot ve katot bölmeleri arasinda, elektriksel nötrlük ve
elektrolit dengesini korumak için, aktif olmayan türlerin (örnegin, H+, Cl-) çapraz
tasinimina (cross-transport) seçici olarak izin veren bir zar (veya ayirici membran)
bulunmaktadir.
Ilgili teknik alanda redoks akiskan bataryalar disinda enerji depolamak amaciyla
karbon bazli klasik enerji kaynaklari, alternatif (yenilenebilir) enerji kaynaklari ve
enerjinin depolanmasi amaciyla kullanilan baslica sistemlerden kapasitörler ve
piller (aküler) bu enerji talebini karsilamak için yaygin bir sekilde kullanilmaktadir.
Fosil yakitlarin çevre üzerinde hava kirliligii küresel isinma ve asit yagmurlari gibi
birçok zararli etkileri de bilinmektedir. Ayrica fosil yakitlarin yenilebilir enerji
degillerdir bu sebeple enerji kaynaklarinin sürekliligi bulunmamaktadir ilerleyen
dönemlerde bu olumsuz durumun fosil yakitlarin yüksek fiyatlanmalara neden
olacagi düsünülmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarinin sürekliliginin olmamasi ve kurulumlarinin maliyetli
olmalari, pillerin de kursun asit bataryalarda kursunun çevreye zararli olmasi,
lityum iyon bataryalarda alev alma, yanma ve patlama tehlikesinin olmasi gibi
eksiklikler redoks akiskan bataryalarin enerji depolama teknolojinde kullanilmasinin
önünü açmaktadir.
Ilgili teknik alanda redoks akiskan bataryalar için redoks çiftlerinin kompleksleri
susuz elektrolit ile çalisilmaktadir. Bu durum yanma ve patlama riski gibi önemli
sorunlar olusturmaktadir. Ayrica redoks akiskan bataryalarda hali hazirda pozitif
elektrolit çözeltisinde kullanilan vanadyum iyonu termal olarak çökmekte ve bu
durum sistem performansini önemli ölçüde düsürmektedir. Ayrica sadece
vanadyum içeren sistemlerin hücre potansiyeli 1.26 volttur. Bu durum yüksek
potansiyel gereken sistemlerde çok sayida birim hücrenin seri baglanmasini
gerektirmektedir. Ancak daha yüksek hücre potansiyeline sahip olacak sistemlerde
bu sorun büyük oranda çözülmektedir.
Sonuç olarak, enerji depolama teknoloji için mevcut tekniklerden kaynakli
dezavantajlarin ortadan kaldirilmasi ve ilgili teknik alan için ilave avantajlar
saglayan enerji depolama cihazlarin eldesi zorunluluk halini almistir.
BULUSUN AMACI
Mevcut bulus, yukarida bahsedilen dezavantajlari ortadan kaldirmak ve ilgili teknik
alana yeni avantajlar getirmek üzere, enerji depolama cihazlari ve sözü edilen
enerji depolama cihazlarinda kullanilabilir yeni redoks çiftleri ile ilgilidir.
Bulusun bir amaci, yüksek voltaj degerlerine sahip bir enerji depolama cihazi
ortaya koymaktir.
Bulusun bir amaci, alev alma, patlama ve yanma riski bulunmayan bir enerji
depolama cihazi ortaya koymaktir.
Bulusun bir amaci, kursun ve fosil yakitlar gibi çevreye ve havaya kirlilik, küresel
isinma ve asit yagmurlari olusturma gibi olumsuz etkileri bulunmayan bir enerji
depolama cihazi ortaya koymaktir.
Bulusun bir amaci, termal çökelme sorunun yasanmadigi bir enerji depolama cihazi
ortaya koymaktir.
Tüm bu amaçlari gerçeklestirmek üzere bulus, enerji depolama teknolojileri teknik
alanina ait olup günes ve rüzgar gibi yenilebilir enerji kaynaklari için kullanima
uygun ve elektrokimyasal tepkimelerinden elektrik enerjisinin depolanmasi esasina
dayanan bir enerji depolama cihazi ile ilgilidir. Bulusa konu enerji depolama cihazi
esas olarak en az iki yari hücreden olusmaktadir, sözü edilen yari hücreler redoks
çiftleri için geçirgen olmayan bir yari geçirgen membranla birbirlerinden
ayrilmaktadir ve her bir yari hücre en az bir elektrot bulundurmaktadir;
yükseltgenme tepkimelerin gerçeklestigi yari hücrede krom iyonlarini, indirgenme
tepkimelerin gerçeklestigi yari hücrede ise seryum iyonlarini içermektedir; sözü
edilen krom ve seryum iyonlari ise yari hücrelerinde organik çözücü, su ve/veya
inorganik asit içerisinde çözünmüs veya bir disperse edilmis halde bulunmaktadir
ayrica gerektiginde enerji depolama performansini arttirmak üzere yari hücreler
bünyesinde iletken tuzlar, redoks reaktif yardimci bilesenler ve/veya elektrolit
solüsyonlardan en az birini içermektedir.
Bulusun mümkün yapilanmasi yari hücrelerde krom ve seryum iyonlarinin
çözünüyor olmasi, çözücünün sivi inorganik asitlerin olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi sözü edilen sivinin hidroklorik asit ve/veya sülfürik
asitten en az biri veya belli oranlarda karisim olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi seryum iyonlarinin derisimi, yari hücre çözeltisinde
0,001 M ile 2 M araliginda bir degerde olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi seryum iyonlarinin derisimi, yari hücre çözeltisinde
0,1 M ile 1 M araliginda bir degerde olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi seryum iyonlarinin derisimi, yari hücre çözeltisinde
0,2 M degerinde olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi krom iyonlarinin derisimi yari hücre çözeltisinde
0,001 M ile 2 M araliginda bir degerde olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi krom iyonlarinin derisimi yari hücre çözeltisinde 0,1
M ile 1 M araliginda bir degerde olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi krom iyonlarinin derisimi yari hücre çözeltisinde 0,2
M degerinde olmasidir.
Bulusun mümkün yapilanmasi yari hücrelerin içerdigi inorganik asitlerin derisimi
0,001 M ile 7 M araliginda bir degerdedir.
Bulusun mümkün yapilanmasi yari hücrelerin içerdigi inorganik asitlerin derisimi 0.1
M ile 5 M araliginda bir degerdedir.
Bulusun mümkün yapilanmasi yari hücrelerin içerdigi inorganik asitlerin derisimi 4
M degerindedir.
SEKILLERIN KISA AÇIKLAMASI
Sekil 1'de bulusa göre enerji depolama cihazinda yer alabilecek redoks
tepkimelerin gerçeklestigi yari hücrelerin temsili görünümü verilmistir.
Sekil 2'de ise 4 M sülfürik asitte 0,2 M Ce+4 ve 0,2 M Cr*3 iyonlarini içeren çözeltiler
ile elde enerji depolama cihazinin döngüsel voltamogram degerleri verilmektedir.
Sekil 3'te Cr/Ce redoks çifti için bes çevrim sarj/desarj egrisi verilmektedir.
BULUSUN DETAYLI AÇIKLAMASI
Bu detayli açiklamada bulus konusu, günes ve rüzgâr gibi yenilebilir enerji
kaynaklari için kullanilabilir ve yüksek potansiyel degerlerin elde edilebildigi enerji
depolama cihazlari ve sözü edilen enerji depolama cihazlarinda kullanilan redoks
çiftleri ile ilgili olup sadece konunun daha iyi anlasilmasina yönelik hiçbir sinirlayici
etki olusturmayacak örneklerle açiklanmaktadir.
Bulusa konu olan enerji depolama cihazi ifadesi en genis anlamiyla
kullanilmaktadir. Tercih edilmesi durumunda enerji depolama cihazi olarak batarya
ifadesi de kullanilabilir. Bulusta konu edilen enerji depolama cihazi, bünyesinde tek
bir elektrokimyasal tepkimenin gerçeklestigi bir elektrokimyasal hücreden,
bünyesinde birçok elektrokimyasal tepkimelerin gerçeklestigi yari hücreleri,
membranlari, elektrolari ve diger devre elemanlarini içeren bir kompleks yapiyi
içerebilir.
Bulusa konu enerji depolama cihazi, anolitik ve katolitik olarak seryum ve krom
iyonlarini içermekte olup bu iyonlar arasinda gerçeklesen elektrokimyasal
tepkimelerin esasina dayanmaktadir. Buna göre enerji depolama cihazi, elektrik
enerjisinin, elektrokimyasal redoks reaksiyonlarina dayandirilarak depolanmasina
yöneliktir.
Enerji depolama cihazi bünyesinde birbirinden membranla ayrilmis ve istenen
büyüklükteki en az iki tane ayri tanktan pompalar yardimiyla beslenen bir siviyla
dolu olan polatite spesifik yari hücreler içermektedir. Sözü edilen yari hücrelerde,
belli derisik degerlerde su, organik solventler ve/veya inorganik asitler yer
almaktadir. Tercihen yari hücreler, bünyesinde inorganik asit içermektedir.
Tercihen inorganik asit olarak yari hücrelerde hidroklorik asit (HCl olarak
kisaltilacaktir) ve/veya sülfürik asit (H2804 olarak kisaltilacaktir) yer almaktadir.
Tercih edilmesi durumunda yari hücrelerde sivi olarak farkli inorganik asitler yer
almaktadir. Tercih edilmesi durumunda yari hücrelerde sivi olarak ayni inorganik
asitler yer almaktadir. En özel olarak yari hücreler bünyesinde inorganik asit olarak
H2804 içermektedir.
Enerji depolama cihazinda yer alan yari hücreler bünyesinde, elektrolarda voltajin
elde edilmesine olanak saglan redoks aktifler içermektedir. Bu redoks aktifler, yari
hücrelerde yer alan su, organik solvent ve/veya inorganik asit içerisinde tamamen
çözünmüs veya dispersiyon olarak yer alabilmektedir. Mümkün bir yapilanmasinda
yari hücrelerde yer alan redoks aktifler kati halde de bulunabilir.
Bulusun esas yapilanmasi redoks aktiflerinin en az bir inorganik asit karisiminda
bilesen olarak yer almasidir. Tercihen inorganik asit olarak HCI ve H2804 yer
almaktadir.
Redoks aktifleri, elektrolit solüsyonlari olarak (anolit ve/veya katolitler ifade
edilmektedir) en az bir tanktan alinir ve elektrotlara pompalanir. Sözü edilen
elektrotlar bilindigi gibi anot ve katot bölmeleridir. Anot ve katot elektrotlari enerji
depolama cihazi içerisinde, çogunlukla protonlar için yüksek seçicilik gösteren yari
geçirgen en az bir membran ile birbirlerinden ayrilmistir. Redoks aktifleri
yükseltgenme ve indirgenme aktifliklerine göre anot ve katot yari hücrelerine
iletilmektedir. Bu yari hücrelere, tanklardan pompalar vasitasiyla elektrolitler
iletildikçe sistemden akim alinabilmektedir.
Bulusta elde edilecek enerji depolama cihazinda yer alan bu yari hücreler modüler
bir yapiya sahiptir ve kolaylikla kombine edilebilir.
Enerji depolama cihazinin etkinligini gösteren esas parametre elde edilen voltaj
degeridir. Alinabilir voltaj degeri, elektrokimyasal tepkimenin etkinligi ile alakali olup
bu etkinlik ise elektrolit besleme tanklarinin büyüklügü ile dogru orantilidir. Burada
depolanmak istenen enerjinin büyüklügüne göre tank büyüklügü ayarlanabilir ve
sözü edilen tank büyüklügü ise enerji depolama cihazinin ebatlarina direkt etki
ederek sistemin büyüklügünü belirlemektedir.
Bulus, enerji depolama cihazi yari hücrelerde redoks aktifleri olarak sen/um (Ce
olarak kisaltilacaktir) ve krom (Cr olarak kisaltilacaktir) iyonlarinin kullanilmasini
önermektedir.
Bilindigi üzere anot yari hücresi, (bundan sonrasinda sadece anot kismi olarak
ifade edilecektir) redoks tepkimelerinde yükseltgenme tepkimesinin gerçeklestigi
kisim olup; redoks aktif iyon olarak Cr iyonlari yer almaktadir. Anot kisminda enerji
depolamak amaciyla (1) olarak ifade edilen tepkime gerçeklesmektedir.
Anot Kismi: Cr+2(aq): CF+3(aq)+e' (1)
Anot kisminda gerçeklesen bu tepkimenin teorik voltaj degeri
oldugu bilinmektedir.
Bilindigi üzere katot yari hücresi (bundan sonrasinda sadece katot kismi olarak
ifade edilecektir) redoks tepkimelerinde indirgenme tepkimesinin gerçeklestigi kisim
olup bu kisimda redoks aktif iyon olarak Ce iyonlari yer almaktadir. Katot kisminda
enerji depolamak amaciyla (2) olarak ifade edilen tepkime gerçeklesmektedir.
Katot Kismi: Ce+4(aq) + 6' 2 C8+3(aq) (2)
Katot kisminda gerçeklesen bu tepkimenin teorik voltaj degeri
oldugu bilinmektedir.
Sekil 1'de bulusa göre enerji depolama cihazinda yer alabilecek tek bir redoks
tepkimelerin gerçeklestigi yari hücreler temsili olarak gösterilmektedir. Buna göre
enerji depolama cihazinda iki polarite spesifik bölme olarak katot ve katot tanki,
pompasi; anot kisimlari ve anot tanki, pompasi, bir yari geçirgen membran, bir
akim toplayicilar yer almaktadir. Sekilde devre elemanlari, katot ve anot
kisimlarinin giris-çikis baglantilarinin gösterilmesine gerek duyulmamistir. Teknikte
bilindigi üzere enerji depolayici cihaz bünyesinde akim toplayici; yari hücrelerdeki
gerçeklesen tepkimeler sonucunda elde edilen akimin toplanmasini saglayan devre
elemanlari; tanklardan anot ve katot kisimlarina elektrolitlerin iletilmesini ve yari
hücrelere giris yapilmasini saglayan baglanti elemanlari ve giris-çikis parçalari
barindirmaktadir.
Sekil 1'de de görüldügü üzere anot ve katot kisimlari yari geçirgen membranlar ile
birbirinden ayrilmaktadir.
Yari hücreler bünyesinde, redoks tepkimelerin gerçeklesmesine olanak saglayan
redoks aktifleri ve sivilar içermektedir bunun yaninda tepkimelerin performansini
arttirici yardimci bilesenler, katalizörler veya aktif bilesenler içerebilir. Bulusta konu
edilen enerji depolama cihazi esas olarak yari hücrelerinin inorganik asit içerisinde
redoks aktiflerini içeren bir yapilanmadir. Bu yapilanmanin performansini artmasini
saglayacak diger yardimci bilesenler bulusun koruma kapsami disinda degildir.
Bulusun esas yapilanmasi anot kisminda H2SO4 çözeltisinde Cr iyonlarini katot
kisminda ise H2804 çözeltisinde Ce iyonlarini içeren bir redoks akiskan tepkime
sistemidir. Burada sülfürik asit degisiklik gösterebilir örnegin HCI kullanilabilir. Sözü
edildigi gibi inorganik asit kullanimi esas yapilanma olup asit türünün degisikligi ile
elde edilebilir bir bulus, bu bulus koruma kapsami içerisinde kalmaktadir.
Bulusta kullanilan elektrot, akimölçer, devre elemanlari, tanklar, pompalar bulus
konusu için elzem olmayip, teknikte kullanilan araç-gereçler burada da
kullanilabilir. Ayrica bu araç-gereçlerin degisikligi de bulusun koruma kapsamina
dahildir. Bulus için esas olan (1) ve (2) olarak gösterilen tepkimelerin en yüksek
verimlilikte gerçeklesmesini saglamaktadir. Bunun için inorganik asitlerin yari
hücrelerde bilesen olarak kullanilmasi ilgili teknik alan için yeni olup, bulusun
çalisma alanini belirleyen teknik alan için ilave avantajlar saglayacagi açiktir.
Enerji depolama cihazi yari hücrelerde kullanilan redoks aktiflerin derisimleri 0,001
M ile 2 M araliginda bir degerdedir. Tercihen yari hücre redoks aktifleri olarak
kullanilan Ce ve Cr iyonlarinin derisimleri 0,1 ila 1 M araliginda bir degerdir. En
tercih edilen Ce ve Cr iyonlarinin derisimleri yari hücre bünyesinde 0,2 M'dir.
Enerji depolama cihazi yari hücrelerde kullanilan inorganik asidin derisimleri 0,001
M ile 7 M araliginda bir degerdedir. Tercihen yari hücre inorganik asit olarak
kullanilan H2804 ve/veya HCI derisimleri 0,1 ila 5 M araliginda bir degerdir. En
tercih edilen inorganik asit derisimleri yari hücre bünyesinde 4 Midir.
Sözü edilen derisim degerleri bulus sahipleri tarafindan hazirlanan deney
düzenekleri sonucunda belirlenmis olup tamamen arastirma gelistirme çalismalar
0,2 M derisimde Ce+3 iyonlarini ve sülfürik asidin çesitli molar derisimlerini (0,5 M, 1
M, 2 M, 3 M, 4 M, 4,5 M) içeren çözeltinin direnci, çift katmanli kapasitans degeri,
yük transfer direnci, empedans degerleri Tablo 1”de paylasilmaktadir.
H2804 çözelti Direnci çift Katmanli Yük Transfer Empedans
(M) (RS) ((2) Kapasitans (Cdl) (F) Direnci (Rct) (9) (W)
Tablo 1. 0,2 M Ce ve çesitli derisimlerde sülfürik asit eklenmesi ile elde edilen
çözeltinin hesaplanan direnç, çift katmanli kapasitans, yük transfer direnci ve
empedans degerleri
0,2 M) Ce+3 iyonlari içeren çözeltinin direnci, çift katmanli kapasitans degeri, yük
transfer direnci, empedans degerleri Tablo 2”de paylasilmaktadir.
Ce+3 Çözelti Direnci Çift Katmanli Yük Transfer Em pedans
(M) (Rs) (Q) Kapasitans (Cdl) Direnci (Rct) (W)
Tablo 2. 4 M H2SO4 ve çesitli derisimlerde Ce+3 eklenmesi ile elde edilen çözeltinin
hesaplanan direnç, çift katmanli kapasitans, yük transfer direnci ve empedans
Sekil 2'de ise 4 M sülfürik asitte 0,2 M Ce*4 ve 0,2 M Cr+3 iyonlarini içeren çözeltiler
ile elde enerji depolama cihazinin döngüsel voltamogram degerleri verilmektedir.
Enerji depolama cihazinin sarj potansiyeli degeri kromun indirgeme potansiyeli ile
seryumun oksidasyon potansiyeli arasinda verilirken, batarya desarj potansiyeli
degeri kromun oksidasyon potansiyeli ile seryumun indirgeme potansiyeli arasinda
verilmistir. Ce(lll) iyonunun Ce(lV) iyonuna oksidasyon piki yaklasik 1.6 V'de
gözlemlenirken, yaklasik 1.2 V'de indirgeme piki gözlenmistir. Bu verilere göre
enerji depolama cihazi sarj ve desarj islemleri sirasindaki çalisma potansiyelleri
sirasiyla 1,2 V ve 0,? V olarak belirlenmistir.
Bulus konusu enerji depolama cihazinin desarj kapasitesini belirlemek için
döngüsel sarj-desarj testleri de gerçeklestirilmistir. Cr/Ce redoks çifti için bes
çevrim sarj/desarj egrisi Sekil 3'te verilmistir. Desarj kapasiteleri sirasiyla birinci
çevrim, ikinci çevrim, üçüncü çevrim, dördüncü ve besinci çevrim için 20 mAh L'i,
3ite de görülebilecegi gibi enerji depolama cihazi desarj kapasiteleri, döngü testleri
esnasinda artmaktadir. Yapilan testler sonucunda Ce/Cr redoks çiftini içeren enerji
depolama cihazinin voltaj degeri 1,52 V oldugu belirlenirken teorik olarak
hesaplanan 1,2 V degerinden bir miktar daha yüksektir. Tüm çalismalar sonucunda
bulus konusu enerji depolama cihazi için belirlenen en yüksek voltaj verimi (VE
olarak kisaltilacaktir), enerji verimliligi (EE olarak kisaltilacaktir) ve kolomb
verimliligi (CE olarak kisaltilacaktir) besinci çevrim için sirasiyla %973, %58,6 ve
Bulus ile birlikte ilgili teknik alanda ilk kez redoks akisli pillerin elektrolit çözeltileri
olarak asidik ortamda farkli oksidasyon basamaklarinda Ce/Cr redoks çiftleri
kullanilmistir. Gerçekten de, redoks akisli pil sistemi için bu yeni redoks çifti, teorik
hücre potansiyelinden yaklasik 0,32 V daha yüksek olan 1.52 V olarak nispeten
daha yüksek desarj potansiyeli degerine sahiptir. Elde edilen hücre potansiyel
degeri vanadyum redoks akü sistemlerinin nominal gerilim degerinden (~1,26 V)
yüksekün
Bulus konusu ile birlikte ilgili teknik alana ilave avantajlar saglayan yeni bir redoks
çifti saglanmistir. Bu kapsamda Cr-Ce redoks çiftinin sülfürik asit ve/veya
hidroklorik asit gibi inorganik çözelti içerisinde kullanimi gelistirilmistir. Bu sayede
ile çökme sorunu olmayan ve yüksek birim hücre potansiyeline sahip yeni sulu
elektrolit bilesenleri saglanmistir.
Bulus konusu enerji depolama cihazi, fosil yakit veya kursun bilesenleri içermeyen
bir yapidan olustugu için çevre, hava için kirlilik yaratmamakta ve asit yagmur
olusumu gibi olumsuz etkileri bulunmamaktadir.
Bulusun koruma kapsami ekte verilen istemlerde belirtilmis olup kesinlikle bu
detayli anlatimda örnekleme amaciyla anlatilanlarla sinirli tutulamaz. Zira teknikte
uzman bir kisinin, bulusun ana temasindan ayrilmadan yukarida anlatilanlar
isiginda benzer yapilanmalar ortaya koyabilecegi açiktir.
Claims (14)
- Bulus, enerji depolama teknolojileri teknik alanina ait olup günes ve rüzgar gibi yenilebilir enerji kaynaklari için kullanima uygun ve elektrokimyasal tepkimelerinden elektrik enerjisinin depolanmasi esasina dayanan bir enerji depolama cihazi olup özelligi; en az iki yari hücreden olusmasidir, sözü edilen yari hücreler redoks çiftleri için geçirgen olmayan bir yari geçirgen membranla birbirlerinden ayrilmaktadir ve her bir yari hücre için en az bir elektrot bulundurmaktadir; yükseltgenme tepkimelerin gerçeklestigi yari hücrede krom iyonlarini, indirgenme tepkimelerin gerçeklestigi yari hücrede ise seryum iyonlarini içermesidir; sözü edilen krom ve seryum iyonlari ise yari hücrelerinde organik çözücü, su ve/veya inorganik asit içerisinde çözünmüs veya bir disperse edilmis halde bulunmasidir ayrica gerektiginde enerji depolama performansini arttirmak üzere yari hücreler bünyesinde iletken tuzlar, redoks reaktif yardimci bilesenler ve/veya elektrolit solüsyonlardan en az birini içermesidir.
- Istem 1'e uygun bir cihaz olup özelligi, yari hücrelerde krom ve seryum iyonlarinin çözünüyor olmasi, çözücünün sivi inorganik asitlerin olmasidir.
- Istem 2'ye uygun bir cihaz olup özelligi, sözü edilen sivinin hidroklorik asit ve/veya sülfürik asitten en az biri veya karisimlari olmasidir.
- Istem 1-3'ten birine uygun bir cihaz olup özelligi, seryum iyonlarinin derisimi, yari hücre çözeltisinde 0,001 M ile 2 M araliginda bir degerde olmasidir.
- Istem 4'e uygun bir cihaz olup özelligi, seryum iyonlarinin derisimi, yari hücre çözeltisinde 0,1 M ile 1 M araliginda bir degerde olmasidir.
- Istem 5'e uygun bir cihaz olup özelligi, seryum iyonlarinin derisimi, yari hücre çözeltisinde 0,2 M degerinde olmasidir.
- Istem 1-3'ten birine uygun bir cihaz olup özelligi, krom iyonlarinin derisimi yari hücre çözeltisinde 0,001 M ile 2 M araliginda bir degerde olmasidir.
- 8. Istem 7”ye uygun bir cihaz olup özelligi, krom iyonlarinin derisimi yari hücre çözeltisinde 0,1 M ile 1 M araliginda bir degerde olmasidir.
- 9. istem 8”e uygun bir cihaz olup özelligi, krom iyonlarinin derisimi yari hücre çözeltisinde 0,2 M degerinde olmasidir.
- 10.Istem 1-3'ten birine uygun olup özelligi, yari hücrelerin içerdigi inorganik asitlerin derisimi 0,001 M ile 7 M araliginda bir degerdedir.
- 11.Istem 10'e uygun bir cihaz olup özelligi, yari hücrelerin içerdigi inorganik asitlerin derisimi 0,1 M ile 5 M araliginda bir degerdedir.
- 12.Istem 11'e uygun bir cihaz olup özelligi, yari hücrelerin içerdigi inorganik asitlerin derisimi 4 M degerindedir.
- 13.Önceki istemlerden herhangi birine uygun bir cihaz olup özelligi, indirgenme tepkimesinin gerçeklestigi yari hücre sülfürik asit ve/veya hidroklorik asit içerisinde çözünmüs ve/veya disperse vaziyette seryum iyonlarini içermesidir.
- 14.Önceki istemlerden herhangi birine uygun bir cihaz olup özelligi, yükseltgenme tepkimesinin gerçeklestigi yari hücre sülfürik asit ve/veya hidroklorik asit içerisinde çözünmüs ve/veya disperse vaziyette krom iyonlarini içermesidir.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TR2021/015353A TR2021015353A2 (tr) | 2021-10-01 | 2021-10-01 | Enerji̇ depolama ci̇hazlari i̇çi̇n yeni̇ bi̇r redoks çi̇fti̇n eldesi̇ |
| PCT/TR2022/051064 WO2023055332A1 (en) | 2021-10-01 | 2022-09-29 | Obtaining a new redox couple for energy storage devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TR2021/015353A TR2021015353A2 (tr) | 2021-10-01 | 2021-10-01 | Enerji̇ depolama ci̇hazlari i̇çi̇n yeni̇ bi̇r redoks çi̇fti̇n eldesi̇ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TR2021015353A2 true TR2021015353A2 (tr) | 2022-03-21 |
Family
ID=85119916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TR2021/015353A TR2021015353A2 (tr) | 2021-10-01 | 2021-10-01 | Enerji̇ depolama ci̇hazlari i̇çi̇n yeni̇ bi̇r redoks çi̇fti̇n eldesi̇ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| TR (1) | TR2021015353A2 (tr) |
| WO (1) | WO2023055332A1 (tr) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4165995B2 (ja) * | 1998-06-09 | 2008-10-15 | ファーナウ テクノロジーズ プロプリエタリー リミテッド | エネルギー蓄積システム |
| WO2011049103A1 (ja) * | 2009-10-20 | 2011-04-28 | 国立大学法人東北大学 | バナジウム電池 |
-
2021
- 2021-10-01 TR TR2021/015353A patent/TR2021015353A2/tr unknown
-
2022
- 2022-09-29 WO PCT/TR2022/051064 patent/WO2023055332A1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023055332A1 (en) | 2023-04-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ding et al. | Electrochemical neutralization energy: from concept to devices | |
| Yu et al. | Solar-powered electrochemical energy storage: an alternative to solar fuels | |
| Liu et al. | A solar rechargeable flow battery based on photoregeneration of two soluble redox couples | |
| CN102341946B (zh) | 氧化还原液流电池 | |
| Joerissen et al. | Possible use of vanadium redox-flow batteries for energy storage in small grids and stand-alone photovoltaic systems | |
| Zhao et al. | Application of ionic liquids in solar cells and batteries: a review | |
| McKone et al. | Solar energy conversion, storage, and release using an integrated solar-driven redox flow battery | |
| CN101572319B (zh) | 用于全钒液流电池的电解液及其制备方法、以及包括该电解液的全钒液流电池 | |
| Dong et al. | A novel titanium/manganese redox flow battery | |
| SE501120C2 (sv) | Förfarande för produktion av elektrisk energi i en biobränsledriven bränslecell | |
| CN107078330B (zh) | 全硫酸钒酸氧化还原液流电池系统 | |
| KR101415538B1 (ko) | 전기분해를 이용한 ｖｒｂ 용 전해액 제조장치 및 제조방법 | |
| Feng et al. | Advances and challenges in photoelectrochemical redox batteries for solar energy conversion and storage | |
| CN105529473A (zh) | 储能液流电池用氧化石墨烯修饰的电极材料 | |
| Weng et al. | Hydrogen battery using neutralization energy | |
| CN102881933B (zh) | 全钒液流电池电解液 | |
| CN103401045A (zh) | 一种具有光电效应的液流电池储能体系 | |
| CN102694143A (zh) | 一种空气/钒液流电池 | |
| CN102227029A (zh) | 高浓度钒电解液及其制备方法 | |
| CN105322186B (zh) | 一种减小全钒液流电池电化学极化的方法 | |
| Lin et al. | Research Progress of Zinc Bromine Flow Battery. | |
| Xie | Vanadium redox-flow battery | |
| TR2021015353A2 (tr) | Enerji̇ depolama ci̇hazlari i̇çi̇n yeni̇ bi̇r redoks çi̇fti̇n eldesi̇ | |
| WO2017186836A1 (en) | Battery | |
| AU2015349218B2 (en) | Quinone polyhalide flow battery |