Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie, bevorzugt eine wiederaufladbare Redox-Flow- Batterie, im Einzelnen gemäß dem unabhängigen Anspruch.

Die Grundlagen für die Redox-Flow-Batterie wurden im 20. Jahrhundert erarbeitet. Die Redox- Flow-Batterie ist eine Flüssigbatterie und eine Ausführungsform eines Akkumulators. Sie speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel (Elektrolyt) in gelöster Form vorliegen. Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen einer elektrochemischen (galvanischen) Zelle, die in zwei voneinander getrennte Halbzellen unterteilt ist, die mittels einer Membran getrennt sind. Durch die Membran erfolgt der lonenaustausch der beiden Elektrolyte. In der elektrochemischen Zelle werden dabei die gelösten Stoffe chemisch reduziert bzw. oxidiert, wobei elektrische Energie frei wird, sodass die Batterie Energie abgibt. Ist die Batterie entladen, kann durch Zuführen von Energie der Prozess umgekehrt werden, sodass die Batterie wieder geladen wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine derartige gattungsgemäße Redox-Flow-Batterie.

Der Elektrolyt besteht bei bekannten Redox-Flow-Batterien z.B. aus einem in Lösungsmittel gelösten Salz. Als Lösungsmittel werden häufig entweder anorganische oder organische Säuren verwendet. In neueren Systemen, wie der polymerbasierten Batterie, können auch simple Kochsalzlösungen eingesetzt werden. Als verwendbare Redoxpaare kommen unter anderem Vanadium(V)-oxid (im Vanadium-Redox-Akkumulator), Natriumbromid (im Natriumbromid-Redox-Akkumulator) oder auch Eisen (IRFB) in Kombination mit weiteren chemischen Verbindungen zur Anwendung. Es kommen auch Verbindungen auf Basis organischer Stoffe wie Lignin, bzw. Ligninsulfonat-Lösungen in Frage. Nachteilig hieran ist, dass die verwendeten Stoffe Schwer- oder Übergangsmetalle enthalten, was zu Problemen in der Entsorgung der Batterie führen kann.

Auch sind Redox-Flow-Batterien mit Elektrolyten auf Grundlage von organischen Säuren, wie Salzsäure oder Peroxodischwefelsäure und deren Salze, bekannt geworden. Derartige Stoffe haben den Nachteil, dass sie vergleichsweise gefährlich sind und damit in Kontakt tretende Materialien, wie z.B. Elektroden angreifen oder gar zersetzen können. Auch ist dies für die spätere Entsorgung der Batterie nachteilig. Zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit derartiger Redox-Flow-Zellen wurden Elektrolyte auf Basis von organischen Chinonen (Chinon/Hydrochinon) vorgestellt. Später wurden die beiden Metalle Eisen und Zink als Redoxpaare entdeckt, sodass auf Vanadium verzichtet werden konnte. Die letzten beiden genannten Lösungen haben den Vorteil, dass die Startmaterialien deutlich günstiger als das Vanadium sind und sich leichter entsorgen lassen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Redox-Flow-Batterie anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Insbesondere soll die Redox-Flow- Batterie mit für den Menschen und die Umwelt vergleichsweise ungiftigen, leicht und umweltverträglich entsorgbaren und kostengünstigen Materialien herstellbar und betreibbar sein.

Die Aufgabe wird durch eine Redox-Flow-Batterie nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben dabei besonders zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Redox-Flow-Batterie kann im großen Maßstab als Speichermedium für erneuerbare Energiequellen, auch zu Hause als Energiespeicher, wie Akkumulator verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Redox-Flow-Batterie, bevorzugt eine wiederaufladbare Redox-Flow-Batterie, umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle aus einer ersten und einer zweiten Halbzelle, wobei der ersten Halbzelle eine erste Elektrode zugeordnet ist, die von einem ersten Elektrolyt in der ersten Halbzelle an- oder umströmbar ist, wobei der zweiten Halbzelle eine zweite Elektrode zugeordnet ist, die von einem zweiten Elektrolyt in der zweiten Halbzelle an- oder umströmbar ist, sowie einem Separator zwischen den beiden Halbzellen, um die ersten und zweiten Halbzellen fluidisch gegen ein Vermischen der ersten und zweiten Elektrolyten voneinander zu trennen, wobei das erste Elektrolyt vorzugsweise Wasser umfasst und beim Laden der Redox-Flow-Batterie Sauerstoff und Protonen (H ⁺ ) entstehen und beim Entladen der Redox-Flow-Batterie Wasser entsteht, und das zweite Elektrolyt Kohlenstoffdioxid umfasst und beim Laden der Redox-Flow-Batterie Methanol entsteht und beim Entladen der Redox-Flow-Batterie Kohlenstoffdioxid und Protonen (H ⁺ ) entstehen.

Den Lade- und Entladereaktionen der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie liegen die folgenden Reduktionen und Oxidationen zu Grunde: Laden:

Entladen:

Es ist für den Fachmann klar und eindeutig wie die Stöchiometrie ggf. anzupassen ist.

Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere in Bezug auf das Laden bzw. Entladen, von Wasserstoff gesprochen wird, so ist hierunter im Sinne der Erfindung regelmäßig die Generierung von Protonen, auch als H ⁺ bezeichnet, zu verstehen. Dies ist dem Fachmann bekannt und klar.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie umfasst eine Kombination von zwei korrespondierenden Redoxpaaren bzw. zwei Halbzellen. Beim Entladen findet an der Anode die Oxidationsreaktion (III) und an der Kathode die Reduktionsreaktion (IV) statt.

Dabei kann die erste Elektrode eine Kathode, das erste Elektrolyt ein Katholyt sein, und die zweite Elektrode eine Anode und das zweite Elektrolyt ein Anolyt sein.

Erfindungsgemäß kann das erste Elektrolyt vorzugsweise Wasser, insbesondere ausschließlich Wasser, umfassen, wobei beim Laden Sauerstoff und Protonon (H ⁺ ; vorliegend auch als Wasserstoff bezeichnet) entstehen und beim Entladen umgekehrt Protonen (Wasserstoff) und Sauerstoff wieder zu Wasser umgesetzt werden. Demnach findet in der ersten Halbzelle beim Laden die folgende Teilreaktion: und beim Entladen die folgende Teilreaktion statt:

Erfindungsgemäß umfasst das zweite Elektrolyt CO2. Vorzugsweise umfasst, bevorzugt besteht aus, das zweite Elektrolyt Wasser, insbesondere ausschließlich Wasser, mit Kohlenstoffdioxid. Das Kohlenstoffdioxid ist zumindest teilweise im Wasser gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das zweite Elektrolyt aus Kohlenstoffdioxid, vorzugsweise gasförmigem CO2.

Beim Laden werden Kohlenstoffdioxid und Protonen (H+) zu Methanol und Wasser umgesetzt und beim Entladen Methanol und Wasser wieder in Kohlenstoffdioxid und Protonen (H ⁺ ) aufgespalten.

Demnach findet in der zweiten Halbzelle beim Laden die folgende Teilreaktion und beim Entladen die folgende Teilreaktion statt.

Mittels der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie kann das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid indirekt zur Speicherung elektrischer Energie verwendet werden. Es kann direkt aus der Atmosphäre, z.B. durch entsprechende Luftfilter gewonnen, gesammelt und als Ausgangsstoff dem Elektrolyten der Redox-Flow-Batterie zugeführt werden. Somit würde der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid entzogen und als Energiespeicher für Generatoren für erneuerbare Energien, wie Wind- oder Wasserkraft zur Verfügung gestellt werden. Die so gespeicherte elektrische Energie steht dann an weniger ertragreichen Tagen zum Einspeisen in das Netz zur Verfügung. Grundsätzlich wäre es auch denkbar Kohlenstoffdioxid aus anderen Quellen zu beziehen, z.B. aus Verbrennungsreaktionen, wie zum Beispiel Rauchgase, die als Produktionsabfälle entstehen.

Die Erfindung umfasst auch eine Redox-Flow-Batterie, umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle aus einer ersten und einer zweiten Halbzelle, wobei der ersten Halbzelle eine erste Elektrode zugeordnet ist, die von einem ersten Elektrolyt in der ersten Halbzelle an- oder umströmbar ist, und der zweiten Halbzelle eine zweite Elektrode zugeordnet ist, die von einem zweiten Elektrolyt in der zweiten Halbzelle an- oder umströmbar ist, sowie einem Separator zwischen den beiden Halbzellen, um die ersten und zweiten Halbzellen fluidisch gegen ein Vermischen der ersten und zweiten Elektrolyten voneinander zu trennen, wobei das erste Elektrolyt insbesondere ausschließlich Wasser ist, das beim Laden der Redox-Flow-Batterie in Wasserstoff (Protonen) und Sauerstoff aufspaltbar ist und beim Entladen der Redox-Flow-Batterie wieder zu Wasser rekombiniert und das zweite Elektrolyt insbesondere ausschließlich Wasser mit darin gelöstem Kohlenstoffdioxid ist, sodass das Kohlenstoffdioxid beim Laden der Redox-Flow-Batterie im Zuge einer Redoxreaktion zu Methanol reagiert und beim Entladen der Redox-Flow-Batterie wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff (Protonen) aufspaltbar ist.

Bevorzugt sind die beiden Halbzellen oder die beiden Elektrolyte frei von dem Zusatz eines Katalysators zur Beschleunigung der Redoxreaktion, wobei bevorzugt die beiden Elektrolyte auch frei von weiteren Säuren, insbesondere organischen oder anorganischen Säuren oder deren Salze sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Halbzelle und/oder die zweite Halbzelle frei von dem Zusatz eines Katalysators zur Beschleunigung der Redoxreaktion.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste Elektrolyt und/oder der zweite Elektrolyt frei von dem Zusatz eines Katalysators zur Beschleunigung der Redoxreaktion, wobei bevorzugt der erste Elektrolyt und/oder der zweite Elektrolyt auch frei von weiteren Säuren, insbesondere organischen oder anorganischen Säuren oder deren Salze sind.

Wenn davon die Rede ist, dass die Redox-Flow-Batterie bzw. deren Elektrolyte frei von dem Zusatz eines Katalysators zur Beschleunigung der Redoxreaktion sind, dann ist damit gemeint, dass auf die gezielte Zugabe solcher Stoffe verzichtet wird. Die Redox-Flow-Batterie hat damit den Vorteil, dass die Chemikalien, mit denen sie arbeitet (Wasser und Kohlenstoffdioxid) kostengünstig sind und bei einem Austritt in geringen Mengen für den Menschen ungiftig und auch wenig belastend für die Umwelt sind.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind Katalysatoren und Säuren in den Elektrolyten und/oder Halbzellen vorgesehen. So können die beiden Halbzellen oder die beiden Elektrolyte einen Katalysator als Zusatz zur Beschleunigung der Redoxreaktion umfassen, wobei bevorzugt die beiden Elektrolyte auch weitere Säuren, insbesondere organische oder anorganische Säuren oder deren Salze, umfassen können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die erste Halbzelle und/oder die zweite Halbzelle einen Katalysator zur Beschleunigung der Redoxreaktion. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen der erste Elektrolyt und/oder der zweite Elektrolyt einen Katalysator zur Beschleunigung der Redoxreaktion, wobei bevorzugt der erste Elektrolyt und/oder der zweite Elektrolyt auch weitere Säuren, insbesondere organische oder anorganische Säuren oder deren Salze, umfassen können.

Als Katalysator können organische Substanzen, anorganische Substanzen oder Kombinationen hieraus verwendet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Basen, vorzugsweise NaOH und/oder KOH vorgesehen.

Vorzugsweise umfasst der erste Elektrolyt eine Base, bevorzugt NaOH und/oder KOH.

Vorzugsweise umfasst der zweite Elektrolyt eine Base, bevorzugt NaOH und/oder KOH.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der zweite Elektrolyt aus CO2, vorzugsweise gasförmigem CO2.

Dabei kann der Redox-Flow-Batterie mindestens ein erster Lagertank für das erste Elektrolyt und mindestens ein zweiter Lagertank für das zweite Elektrolyt sowie eine Mehrzahl von ersten Versorgungsleitungen zugeordnet sein, um die mindestens eine erste Halbzelle mit dem erstem Elektrolyt zu versorgen und mit einer Mehrzahl von zweiten Versorgungsleitungen, um die mindestens eine zweite Halbzelle mit dem zweiten Elektrolyt zu versorgen, wobei die Versorgung über jeweils eine Pumpe erfolgt, um die entsprechenden, in den separaten Lagertanks gelagerten Elektrolyten jeweils durch die entsprechenden Halbzellen zu fördern.

Weiterhin kann dem zweiten Lagertank ein Gasanschluss für das Zuführen von Kohlenstoffdioxid zugeordnet sein, der über eine Leitung an einen Ausströmer, der in den zweiten Elektrolyten hineinreicht, angeschlossen ist, wobei bevorzugt dem zweiten Lagertank eine Gasflasche für das Kohlenstoffdioxid zugeordnet ist, die fluidisch mit dem Gasanschluss verbunden oder verbindbar ist. Das der Redox-Flow-Batterie so zuführbare Kohlenstoffdioxid kann aus der Atmosphäre entnommen worden sein.

Mit Vorteil sind die beiden Lagertanks über einen Anschluss für ein Gas, wie Luft oder Stickstoff druckbeaufschlagbar. Hierdurch kann die Effizienz der Redox-Flow-Batterie deutlich erhöht werden. Dabei kann der Separator als Membran, wie eine ionenleitende, bevorzugt kationenleitende Membran ausgeführt sein. Die Membran kann eine Dicke zwischen 10 und 200 pm, bevorzugt zwischen 30 und 180 pm, besonders bevorzugt zwischen 120 und 150 pm und/oder bevorzugt ein Elastizitätsmodul bei 23 °C und 50% relativer Feuchte zwischen 250 und 2.000 N/mm ² , bevorzugt zwischen 350 und 1.750 N/mm ² , aufweisen. So kann eine vergleichsweise langlebige Membran angegeben werden.

Bevorzugt weist der Separator eine elektroosmotische Permeabilität zwischen 5,0 und 31 pl*cm ³ /h und bevorzugt zwischen 5,6 und 30,7 pl*cm ³ /h auf. Hierdurch kann ein besonders optimaler Ionen- bzw. Kationenaustausch zwischen den beiden Elektrolyten der ersten und zweiten Halbzellen erfolgen. Dabei entspricht das osmotische Potential der Arbeit, die geleistet werden muss, um eine Einheitsmenge an Wasser durch eine semipermeable Membran aus einer Bodenlösung zu ziehen. Die Messung geschieht beispielsweise in einer Konzentrationszelle in Form einer galvanischen Zelle. Durch die Membran erfolgt eine Ladungstrennung und es resultiert die Transmembranspannung.

Bevorzugt sind die erste und/oder zweite Elektrode aus Kohlenstoff, Ruß, Graphit, Kohlenstoffflocken, Kohlenstoffpapier, Kohlenstofffaser, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanofasern, Graphen und/oder glasartigem Kohlenstoff, insbesondere in Stiftform, hergestellt. Damit kann ein vergleichsweise kostengünstiger, leicht verfügbarer und entsorgbarer sowie nicht umweltschädlicher Werkstoff als Elektrode angegeben werden. Die Halbzellen können zusätzlich zu der Elektrode mit in Stiftform vorliegenden Pellets gefüllt sein, um die Oberfläche der Elektrode zu vergrößern.

Die erste und zweite Elektrode können auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.

Die erste Elektrode kann eine Anode, das erste Elektrolyt ein Anolyt sein, und die zweite Elektrode kann eine Kathode und der zweite Elektrolyt ein Katholyt sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die erste Elektrode eine Kathode, das erste Elektrolyt ein Katholyt sein, und die zweite Elektrode eine Anode und das zweite Elektrolyt ein Anolyt sein.

Mit Vorteil können mehrere elektrochemische Zellen, das heißt mindestens zwei elektrochemische Zellen, vorzugsweise mindestens drei elektrochemische Zellen, entlang deren Längserstreckung hintereinander angeordnet sein, derart, dass sie einen Stapel aus abwechselnd aneinander gereihten ersten und zweiten Halbzellen bilden, wobei die ersten und zweiten Halbzellen als beidseitig offene Hohlkörper, bevorzugt nach Art eines Rohres - das einen kreisrunden oder polygonalen Querschnitt aufweisen kann - ausgeführt sind und an ihren aneinandergrenzenden axialen Enden miteinander kraft-, form-, und/oder stoffschlüssig miteinander gefügt sind. Eine solche Anordnung ist vergleichsweise kompakt und zudem in Ihrer Länge gut skalierbar. Weiterhin ermöglicht ein solcher Aufbau eine mechanisch einfache und somit kostengünstige Konstruktion der Redox-Flow-Batterie. Die Redox-Flow-Batterie kann vergleichsweise einfach in ihre Einzelteile zerlegt und somit verschlissene oder beschädigte Komponenten einfach ausgetauscht werden.

Die genannten Vorteile werden auch dadurch umgesetzt, dass die beiden Halbzellen bevorzugt identisch ausgeführt sind und der beidseitig offene Hohlkörper dieser beiden jeweils derart komplementär ausgeführte axiale Enden aufweist, sodass das eine Ende des Hohlkörpers der ersten Halbzelle in das andere, komplementär ausgeführte Ende des Hohlkörpers der zweiten Halbzelle einführbar und bevorzugt kraft- und/oder formschlüssig mit diesem, insbesondere lösbar verbindbar ist. Auf diese Weise entsteht eine selbsttragende Konstruktion der Redox-Flow-Batterie, ohne dass die einzelnen übereinander gestapelten Halbzellen gegeneinander z.B. durch Zuganker verspannt werden müssen.

Wird der Separator jeweils zwischen den axialen Enden zweier benachbarter (unmittelbar aneinandergrenzender) erster und zweiter Halbzellen angeordnet und bevorzugt von diesen gehalten, insbesondere klemmend gehalten, so kann auch dieser im Falle einer Abnutzung oder eines Defekts einfach aus- und ein neuer wieder eingebaut werden. Wird der Separator derart angeordnet, dass er sich innerhalb der Radialbegrenzung der ersten oder zweiten Halbzelle erstreckt, also nicht über deren Radialbegrenzung hinausreicht, so wird der Separator nach außen hin von den Halbzellen geschützt.

Bevorzugt beträgt das Innenvolumen der ersten oder zweiten Halbzelle mindestens 100 ml. Es hat sich gezeigt, dass die Redox-Flow-Batterie mit dieser Menge anfängt optimal zu arbeiten. Grundsätzlich ist das Volumen nach oben hin skalierbar, sodass auch Innenvolumina von größer einem Liter, wie z.B. 1 ,5 Liter und mehr möglich sind. Eine Grenze nach oben stellt u.a. die Statik des Bauwerks, in dem die Redox-Flow-Batterie untergebracht wird, dar.

Für den sicheren Betrieb kann der Redox-Flow-Batterie eine Steuerung zur Regelung des Ladens und Entladens zugeordnet sein.

Vorzugsweise sind die Halbzellen so eingerichtet, dass die Temperatur, der pH-Wert und/oder der Druck, bevorzugt in Echtzeit, ermittelt werden können. Vorzugsweise umfassen die Halbzellen Sensoren für die Ermittlung von Temperatur, pH-Wert und/oder Druck. Die Ermittlung kann auch an andere Stellen der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie erfolgen. Vorzugsweise umfasst die Redox-Flow-Batterie eine Vielzahl an Sensoren.

Bevorzugt kann die Redox-Flow-Batterie auf einem Gestell, bevorzugt einem fahrbaren Gestell angeordnet sein. So ist diese vergleichsweise einfach manövrierbar, um z.B. einzelne Komponenten davon zu inspizieren oder auszutauschen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung von aus der Atmosphäre stammendem Kohlenstoffdioxid, welches bevorzugt durch Filtern und Abscheiden von Umgebungsluft erzielbar ist, für den Elektrolyt der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie.

Die Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der Figuren näher dargestellt werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, räumliche Ansicht auf die Redox-Flow-Batterie gemäß einer möglichen Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische, räumliche Detailansicht des Stapels von elektrochemischen Zellen der Redox-Flow-Batterie gemäß einer möglichen Ausführungsform;

Fig. 3 eine schematische, räumliche Detailansicht der Lagertanks der Redox-Flow- Batterie aus Fig. 1 ;

Fig. 4 eine Drauf- und Seitenansicht auf eine mögliche Ausführungsform einer Halbzelle der elektrochemischen Zellen der Redox-Flow-Batterie.

In Fig. 1 ist in einer schematischen und daher unmaßstäblichen, räumlichen Ansicht eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie 1 gezeigt.

Die Redox-Flow-Batterie 1 umfasst eine Redox-Zellen-Einheit 2, mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 10 - vorliegend vier an der Zahl - welche jeweils eine erste und eine zweite Halbzelle 11 , 12 umfassen, sodass vorliegend acht Halbzellen 11 , 12 und damit vier elektrochemische Zellen 10 dargestellt sind. Die Halbzellen 11 , 12 sind über ein Verrohrungssystem 25 fluidisch mit einem Tanksystem 3 verbunden. Grundsätzlich könnten auch mehr oder weniger als vier elektrochemische Zellen 10 vorgesehen sein. Das Tanksystem 3 umfasst zwei Lagertanks 4, 5, welche zur Umwälzung jeweils eines Elektrolyts durch die ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12 vorgesehen sind. Die Lagertanks 4, 5 sind je an einem Kreislauf 19, 20, wovon jedem eine separate Pumpe 6, 7 zugeordnet ist, angeschlossen. Dabei ist der erste Kreislauf 19 für ein erstes Elektrolyt, das die Mehrzahl der ersten Halbzellen 11 durchströmt, und der zweite Kreislauf 20, der die Mehrzahl der zweiten Halbzellen 12 durchströmt, vorgesehen. Die erste Pumpe 6 fördert das bei Raumtemperatur flüssige Elektrolyt jeweils durch den ersten Kreislauf 19, sodass das erste Elektrolyt aus dem ersten Lagertank 4 durch die ersten Halbzellen 11 und hieraus wiederum zurück in den ersten Lagertank 4 gelangt. Gleiches gilt analog für das zweite Elektrolyt, das im zweiten Kreislauf 20 mittels der zweiten Pumpe 7 aus dem zweiten Lagertank 5 in die zweiten Halbzellen 12 und aus diesen hinaus wieder in den zweiten Lagertank 5 gelangt. Die Kreisläufe 19, 20 sind fluidisch voneinander getrennt, sodass sich die Elektrolyte nicht miteinander vermischen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist einem der beiden Lagertanks, hier dem zweiten Lagertank 5, ein Gasanschluss 13 für das Zuführen von Kohlenstoffdioxid zugeordnet. Der Gasanschluss 13 ist über eine Leitung 14 (hier gestrichelt dargestellt) an einen im zweiten Lagertank 5 angeordneten Ausströmer 15 (hier strichpunktiert dargestellt), der dort in den zweiten Elektrolyt hineinreicht, angeschlossen. Dabei ist dem zweiten Lagertank 5 eine Gasflasche 16 oder ein sonstiger Gasspeicher für das Kohlenstoffdioxid zugeordnet, welche/welcher fluidisch mit dem Gasanschluss 13 verbunden oder verbindbar ist. Die beiden Lagertanks 4, 5 können über einen Anschluss 17 für ein Gas, wie Luft oder Stickstoff druckbeaufschlagbar sein. Dazu sind vorliegend die beiden Lagertanks 4, 5 über den Anschluss 17 an gasführende Leitungen (gestrichelt dargestellt) und eine entsprechende Gasflasche 18 oder einen entsprechenden Gasspeicher verbunden oder verbindbar.

In Fig. 3 ist das Tanksystem 3 ohne die weiteren Komponenten der Fig. 1 gezeigt. In Abwandlung zur Fig. 1 ist die Gasflasche 18 dort an eine gemeinsame Gasleitung angeschlossen, welche die beiden Lagertanks 4, 5 unter Zwischenschaltung zweier Absperrventile miteinander verbindet. So kann, analog zur Fig. 1 mittels des Gases Druck auf die Flüssigkeitsoberfläche der in den Lagertanks 4, 5 gespeicherten Elektrolyte erzeugt werden, sodass die Redox-Flow-Batterie 1 effizienter arbeiten kann und insbesondere die Separatoren 36 geschützt werden können.

Die in Fig. 3 dargestellten Lagertanks 4, 5 sind wie folgt an die Kreisläufe 19, 20, mittels denen die Halbzellen 11 , 12 mit dem entsprechenden Elektrolyt versorgbar sind, angeschlossen: Über einen ersten Auslass 21 gelangt das erste Elektrolyt aus dem ersten Lagertank 4 über den ersten Kreislauf 19 (Fig. 1 ) zu ersten Halbzellen 11 und von dort über die erste Pumpe 6 und über den ersten Einlass 22 wieder zurück in den ersten Lagertank 4. Entsprechend strömt das zweite Elektrolyt mithilfe der zweiten Pumpe 7 aus dem zweiten Auslass 23 des zweiten Lagertanks 5, von dort wiederum zu den zweiten Halbzellen 12, durch diese hindurch und über den zweiten Einlass 24 wieder in den zweiten Lagertank 5 hinein.

Mit der erfindungsgemäßen Redox-Flow-Batterie 1 entstehen somit zwei separat voneinander getrennte Systeme (Kathoden- und Anodensystem) aus ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12, welche mithilfe des Gases, wie Stickstoff, unter Druck gesetzt werden können.

Gemäß einer Ausführungsform ist dabei der Druck zwischen 0-8 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 8 bar und noch bevorzugter zwischen 0,5 und 7 bar einstellbar.

Fig. 2 zeigt eine schematische, räumliche Detailansicht des Stapels von elektrochemischen Zellen der Redox-Flow-Batterie gemäß einer möglichen Ausführungsform, wie sie z.B. in Fig. 1 Verwendung finden könnte. Dabei sind mehrere elektrochemische Zellen 10, die je aus einer ersten und zweiten Halbzelle 11 , 12 bestehen, entlang deren Längserstreckung hintereinander angeordnet. Diese sind so angeordnet, dass sie einen Stapel aus abwechselnd aneinander gereihten ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12 bilden.

Mittels des gezeigten Verrohrungssystems 25 sind die einzelnen ersten und zweiten Halbzellen zur Durchströmung mit den Elektrolyten an das Tanksystem 3 (Fig. 1 ) angeschlossen. Das Verrohrungssystem 25 umfasst eine Vielzahl von ersten und zweiten Versorgungsleitungen zum Zuführen von Elektrolyt zu und zum Abführen desselben aus den einzelnen Halbzellen 11 , 12. Dazu ist eine erste Zuführleitung 26 vorgesehen, die mit dem ersten Auslass 21 (Fig. 3) des ersten Lagertanks 4 fluidisch verbunden ist und von der mehrere Leitungen zu den einzelnen ersten Einlässen 28 der ersten Halbzellen 11 abzweigen. In diesen Abzweigleitungen sind Absperrventile zur Einstellung oder zum Abschließen des Durchflusses an erstem Elektrolyt für jede einzelne Halbzelle 11 vorgesehen. Wie man sieht, sind also vorliegend die ersten Halbzellen 11 hinsichtlich des ersten Elektrolyts fluidisch parallel zusammengeschaltet.

Das erste Elektrolyt gelangt in der Folge über erste Auslässe 29 aus den einzelnen ersten Halbzellen 11 , die in eine erste Abführleitung 27 münden, und über letztgenannte, die wiederum mit dem ersten Einlass 22 (Fig. 3) des ersten Lagertanks 4 fluidisch verbunden ist, zurück in den Lagertank 4.

Entsprechend zu den ersten Halbzellen 11 , werden die zweiten Halbzellen 12 über das Verrohrungssystem 25, genauer gesagt über die dargestellten zweiten Versorgungsleitungen mit dem zweiten Elektrolyten aus dem zweiten Lagertank 5 versorgt: Dieses gelangt aus dem zweiten Auslass 23 (Fig. 3) des zweiten Lagertanks 5, über eine zweite Zuführleitung 30 zu den zweiten Einlässen 32 der zweiten Halbzellen 12 und über deren zweite Auslässe 33, eine mit diesen fluidisch verbundene zweite Abführleitung 31 wiederum über den zweiten Einlass 24 (Fig. 3) des zweiten Lagertanks 5 in diesen zurück. Auch hier sind die zweiten Halbzellen 12 hinsichtlich des zweiten Elektrolyts fluidisch parallel zusammengeschaltet.

Grundsätzlich wäre es möglich, die Halbzellen 11 , 12 auch in der entgegengesetzten Richtung, eben beschrieben, zu durchströmen, so würde dann das zweite Elektrolyt vom zweiten Einlass 24 austreten, durch die zweiten Halbzellen 12 strömen und wieder über den zweiten Auslass 23 in den zweiten Lagertank 5 gelangen. Analog würde dann das erste Elektrolyt über den ersten Einlass 22 austretend die ersten Halbzellen 11 durchströmen, um dann über den ersten Auslass 21 wieder in den ersten Lagertank 4 zu gelangen.

Jeder der ersten und zweiten Halbzellen 11 , kann mindestens eine Elektrode, nämlich eine erste Elektrode 34 und eine zweite Elektrode 35 zugeordnet sein. Je nachdem, ob die Redox- Flow-Batterie geladen oder entladen wird, fungieren die ersten und zweiten Elektroden 34, 35 als gegensätzliche, also unterschiedlich geladene Elektroden, also wechselweise als Anode oder Kathode. Die Elektroden 34, 35 können aus Kohlenstoff oder dessen Derivaten, wie Graphit etc., hergestellt sein.

Fig. 4 zeigt in einer Drauf- und Seitenansicht eine mögliche Ausführungsform einer ersten oder zweiten Halbzelle 11 der elektrochemischen Zellen 10 der Redox-Flow-Batterie 1. Eine solche könnte in den Darstellungen der Fig. 1 und 2 Einsatz finden. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber die Elektroden 34, 35 nicht dargestellt.

Vorliegend sind die ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12 als beidseitig offene Hohlkörper, bevorzugt nach Art eines kreisförmigen Rohres ausgeführt. Davon abweichende Querschnitte, z.B. polygonale Querschnitte sind selbstverständlich möglich. Die Halbzellen 11 , 12 können an ihren aneinandergrenzenden axialen Enden miteinander kraft-, form-, und/oder stoffschlüssig gefügt sein. Der beidseitig offene Hohlkörper dieser beiden Halbzellen 11 , 12 kann jeweils derart komplementär ausgeführte axiale Enden aufweisen, dass das eine Ende des Hohlkörpers der ersten Halbzelle 11 in das andere, komplementär ausgeführte Ende des Hohlkörpers der zweiten Halbzelle 12 einführbar und bevorzugt kraft- und/oder formschlüssig mit diesem, insbesondere lösbar verbindbar ist. So entsteht eine selbsttragende Konstruktion der Redox-Flow-Batterie 1. Dies ist jedoch für deren Funktionsweise nicht zwingend erforderlich. Beide Halbzellen 11 , 12 können der Einfachheit halber identisch ausgeführt sein. Dabei ist jeweils zwischen den axialen Enden zweier benachbarter erster und zweiter Halbzellen 11 , 12 ein Separator 36 angeordnet und bevorzugt von diesen, insbesondere klemmend gehalten. Zu dessen Schutz kann der Separator 36 sich innerhalb der Radialbegrenzung der ersten oder zweiten Halbzelle 11 , 12 erstrecken, also nicht über deren Radialbegrenzung hinausreichen. Innerhalb der ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12, also innerhalb deren Hohlkörper, können Elektrodenstäbe 37, wie z.B. Graphitstäbe sowie Aktivfilterkohle zur Oberflächenvergrößerung der Elektroden 34, 35 angeordnet sein.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist der Redox-Flow-Batterie 1 eine in einem Schaltschrank untergebrachte Steuerung 8 zugeordnet. Die Steuerung 8 dient zur Regelung des Ladens und Entladens der wiederaufladbaren Redox-Flow-Batterie 1. All die genannten Komponenten sind, wie dargestellt, auf einem bevorzugt rollbaren Gestell 9, wie einem Rollwagen zusammen mit diesem bewegbar bzw. verfahrbar montiert, was jedoch für die Funktionsweise der Redox- Flow-Batterie 1 nicht entscheidend ist, sodass auf einen solchen auch verzichtet werden könnte. In der Steuerung 8 können auch Leistungselektrik und Sensorik zum Überprüfen der Spannungsversorgung der Messgeräte, Frequenzumformer zur Pumpenregelung, Leistungsversorgung der Pumpen 5, 6, und Messwerte (T, pH) samt Elektroverkabelung zu den entsprechenden Sensoren und den Pumpen verbaut sein. So können Temperaturmessungen der ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12 sowie der ersten und zweiten Lagertanks 4, 5, wie auch pH-Wert-Messer (z.B. im Kathodenkreislauf) und/oder Druckanzeiger im ersten und zweiten Kreislauf erfolgen.

Zum Betrieb der Redox-Flow-Batterie 1 werden die beiden Lagertanks 4, 5 bevorzugt ausschließlich mit Wasser befüllt. Dem zweiten Lagertank 5 wird im Betrieb der Redox-Flow- Batterie 1 über den Ausströmer 15 Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche 16 (Fig. 1 ) zu dessen Lösung unter Druck zugeführt. Zugleich werden die Lagertanks 4, 5 der Redox-Flow-Batterie 1 über das Gas aus der Gasflasche 18 auf einen Betriebsdruck zwischen z.B. 0,1 und 8 bar unter Druck gesetzt sowie die Pumpen 6, 7 zur Umwälzung der ersten und zweiten Elektrolyten entsprechend durch die ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12 in Gang gesetzt. Das erste Elektrolyt strömt nun in die Vielzahl von ersten Halbzellen 11. Gleichzeitig strömt das zweite Elektrolyt in die zweiten Halbzellen 12. Am Übergang der ersten Halbzellen 11 zu den zweiten Halbzellen 12, wo der Separator 36 angeordnet ist, sind die ersten und zweiten Halbzellen 11 , 12 zunächst fluidisch gegen ein Vermischen der ersten und zweiten Elektrolyten voneinander getrennt.

Wird die Redox-Flow-Batterie 1 nun geladen, sodass z.B. elektrische Spannung an die ersten und zweiten Elektroden 34, 35 der ersten und zweiten von den entsprechenden Elektrolyten durchströmten Halbzellen 11 , 12 angelegt wird, wird im Zuge einer Redoxreaktion das erste Elektrolyt (z.B. ausschließlich Wasser) innerhalb der elektrochemischen Zellen 10, hier z.B. innerhalb der ersten Halbzellen 11 , in Wasserstoff (Protonen) und Sauerstoff aufgespalten. Hingegen wird beim Entladen der Redox-Flow-Batterie 1 , wenn also elektrische Energie zwischen den ersten und zweiten Elektroden 34, 35 aus der Redox-Flow-Batterie 1 entnommen wird, das Wasser wieder rekombiniert.

Beim Laden der Redox-Flow-Batterie 1 wird das zweite Elektrolyt (insbesondere ausschließlich Wasser mit darin gelöstem Kohlenstoffdioxid) im Zuge einer Redoxreaktion zu Methanol umgesetzt. Hingegen wird wiederum beim Entladen der Redox-Flow-Batterie 1 dieses wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff (Protonen) aufgespalten. Somit ergibt sich infolge der umkehrbaren Redoxreaktionen eine wiederaufladbare Redox-Flow-Batterie 1.

Mit der Erfindung kann eine Redox-Flow-Batterie angegeben werden, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Redox-Flow-Batterien verbessert ist. Insbesondere kann diese mit für den Menschen und die Umwelt vergleichsweise ungiftigen, leicht und umweltverträglich entsorgbaren und kostengünstigen Materialien herstellbar und betreibbar sein.

Bezugszeichen

1 Redox-Flow-Battene

2 Redox-Zellen-Einheit

3 Tanksystem

4 erster Lagertank

5 zweiter Lagertank

6 erste Pumpe

7 zweite Pumpe

8 Steuerung

9 Gestell

10 elektrochemische Zelle

11 erste Halbzelle

12 zweite Halbzelle

13 Gasanschluss

14 Leitung

15 Ausströmer

16 Gasflasche

17 Anschluss

18 Gasflasche

19 erster Kreislauf

20 zweiter Kreislauf

21 erster Auslass

22 erster Einlass

23 zweiter Auslass

24 zweiter Einlass

25 Verrohrungssystem

26 erste Zuführleitung

27 erste Abführleitung

28 erster Einlass

29 erster Auslass

30 zweite Zuführleitung

31 zweite Abführleitung

32 zweiter Einlass

33 zweiter Auslass

34 erste Elektrode

35 zweite Elektrode

36 Separator

37 Elektrodenstab