Selbstentlademechanismen einer Vanadium Redox Batterie

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Es besteht ein weltweiter Bedarf an zuverlässigen, langlebigen und effizienten Energiespeichersystemen, um die steigende Anzahl von Stromversorgungen auf Basis erneuerbarer Energie (Wind, Wasser und Solar) zu unterstützen. Solche Anlagen werden momentan angefangen bei einer Größenordnung von = 5 kW für Einzelhaushalte bis hinauf zu multi-MW Installationen, die in das öffentliche Netz einspeisen, eingeführt. Da jedoch regenerative Energieversorgungen grundsätzlich diskontinuierlich arbeiten wird eine Abpufferung der Energie-Erzeugung beziehungsweise eine Zwischenspeicherung benötigt. Redox-Durchflussbatterien sind eine sehr vielversprechende Lösung für dieses Aufgabe. Zusätzlich können Redox-Durchflussbatterien für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (Anwendung als USV-Anlagen) in kritischen Bereichen wie z.B.: Tunneln, Spitälern und Großrechenanlagen eingesetzt werden.

Inhalte und Zielsetzungen

Der Schwachpunkt der VRB im heutigen Entwicklungsstand ist ihre relativ hohe Selbstentladung, die durch mehrere, voneinander unabhängige Mechanismen ausgelöst wird und unmittelbar zu Verlusten der einmal gespeicherten Energie führt. Inhalt dieses Projektes ist die Aufklärung der Mechanismen der Selbstentladung und daraus die Erarbeitung von Lösungsansätzen zu deren Minimierung. Darüber hinaus sollen Vorschläge zur technologischen Umsetzung der erfolgreichen Lösungsansätze für eine Komponentenentwicklung entstehen.

Gesamtziel des Projektes ist die Minimierung der Selbstentladung der VRB und damit die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades.

Methodische Vorgehensweise

Die verwendeten Methoden zur Untersuchung der unterschiedlichen Mechanismen sind Standardwerkzeuge in der angewandten Elektrochemie und Verfahrenstechnik, sowie Methoden, die spezifisch für VRB vom F&E Partner entwickelt wurden (Salt tracer Methode für Durchflussuntersuchung, OCV Zelle für Messung der Shunt Ströme, Einzellen-Teststand zur Untersuchung der Wasserstoffentwicklung, Modulteststand für Messungen bei verschiedenen Temperaturen, Teststand für gravimetrische Bestimmung der Transporteigenschaften der Membran).

Ergebnisse

Ziel des Projektes war die Verbesserung der Effizienz und der ökonomischen Realisierbarkeit der Vanadium Redox-Durchflussbatterie. Dabei wurden die Gründe für Selbstentladung behandelt. Im speziellen waren die Ergebnisse der Forschungsarbeit wie folgt:

• Ein effizienterer sowie höherer Elektrolytdurchfluss wurde als Alternative zu den bisher verwendeten Pumpen ausgearbeitet (>20% Pumpeneffizienz für niedrige und >15% für höhere Durchströmungen), dabei wurden mehrere Pumpen und Pumpenantriebe charakterisiert. Dies führt zu einer Verringerung des Energiebedarfs der peripheren Batteriegeräte.
• Eine optimiert strukturierte Elektrode wurde getestet. Diese wirkt sich durch Verringerung des Strömungswiderstandes im Modul positiv aus bedingt dabei jedoch einen leichten Anstieg des elektrischen Widerstandes. Daher werden Module mit strukturierten Filzen für jene Anwendungen vorgeschlagen, bei denen sonst hohe Pumpverluste gegenüber Verlusten aufgrund des elektrischen Widerstands überwiegen würden.
• Die Abhängigkeit der Wasserstoffentwicklung vom anliegenden Potential wurde durch experimentelle Daten gezeigt. Anhand dieser Messungen wurde eine neue, empfohlene maximale Zellspannung abgeleitet.
• Eine optimierte Membran wurde getestet und als bezüglich der bisher verwendeten gleichwertig beurteilt wobei die Kosten der neuen Type niedriger sind.
• Ein Moduldaufbau wurde entwickelt welcher eine sehr gute Dichtheit im weiten Temperaturbereich von 2-45°C aufweist. Dies war das Resultat eines verbesserten Designs der Bipolarplatten einerseits sowie andererseits des Rahmens, der Verteilerplatte und des Abstandhalters. Die Notwendigkeit teurer Druckplatten aus Aluminium ist jetzt nicht mehr gegeben außer in Fällen wo während des Transportes hohe Temperaturen auftreten können.
• Verschiedene Techniken zur Messung der Shunt-Ströme wurden angewendet und ein mathematisches Modell ausgearbeitet, welches sehr gut mit den experimentellen Daten übereinstimmt. Ein Teststand zur Messung der Wirksamkeit von "shunt-Killer" Einrichtungen wurde gebaut und die durchgeführten Versuche zeigten eine hervorragende anfängliche Wirkung mit einem nur graduellen Anstieg der Shunt-Ströme während des Betriebes.

Die oben beschriebenen Verbesserungen werden zu einem konkurrenzfähigeren Produkt in Hinsicht auf wirtschaftliche Aspekte und technischer Leistung führen. Hochspannungs- und Hochleistungsmärkte können nun angepeilt werden, einschließlich USV (Ununterbrochene Stromversorgung) Anwendungen. Das USV Marktsegment ist von steigender Bedeutung nicht zuletzt aufgrund der kürzlich passierten Aufsehen erregenden Stromausfälle in den USA und Europa. Die Vanadium Redox Batterie wird Möglichkeiten eröffnen, um die Bedürfnisse der Kunden an hoher Zuverlässigkeit und Wartungsarmut zu befriedigen.

Projektleiter

EN-o-DE Energy on Demand Production and Sales GmbH

Kontaktadresse

DDr. Martha Maly-Schreiber
Markstrasse 3, A-7000 Eisenstadt
Tel.: +43 (0) 59010 4045
Fax: +43 (0) 59010 4046
E-Mail: martha.schreiber@en-o-de.com
Internet: Energy on Demand

KooperationspartnerInnen

• Funktionswerkstoffe Forschungs- und Entwicklungs GmbH
• Treibacher Industrie AG
• FuMA-Tech GmbH