Zur Dynamik von Redox-Flow-Batterien: Einsatz von Energiespeichern an dezentralen Erzeugeranlagen

Textprobe:
Kapitel 5, Aufbau und Komponenten der VRB:
5.1, Aufbau der Batterie:
Eine VRB besteht aus einem oder mehreren Stapeln (Stacks) von seriell verschalteten Zellen. Bipolarplatten (Stromabnehmer) sorgen für die elektrische Kontaktierung (und elektrolytische Trennung) der Anode und Kathode benachbarter Zellen. An den Endplatten, vor der ersten und hinter der letzten Zelle, befinden sich die elektrischen Anschlüsse (Kupferplatten). Zwei weitere Stahl- oder Aluminiumplatten halten den Stack über lange Schrauben zusammen.
Mehrere Stacks können in Serie zu einem Strang verschaltet werden. [...] Je mehr Stacks umso höher die Leistung. Wenn jede Gruppe von Stacks über eine separate Fluidversorgung verfügt, ist die Möglichkeit gegeben, die Batterie in Stufen zu betreiben. Dies hat den Vorteil, dass die Selbstentladung merklich verringert wird wenn bei kleinen Lasten nur eine oder zwei Stufen in Betrieb sind und die Batterie mit verminderter Leistung weiter betrieben werden kann, wenn eine Komponente ausfällt.
5.2, Aufbau der Zelle:
Die Leistungsfähigkeit jeder Zelle ist grundlegend für die der Batterie und wird maßgeblich von den Eigenschaften der Elektroden und der Membran bestimmt.
5.2.1, Elektroden:
Die Elektroden wirken als Reaktionsfeld, das die elektrochemischen Reaktionen der aktiven Materialien fördert. In der Entwicklung der Elektrodenmaterialien ist man bestrebt, den Reaktionsumsatz zu erhöhen. Deshalb sollten die Elektroden einen porösen Zustand bzw. eine Struktur mit innerer Oberfläche aufweisen (Realisierung sog. dreidimensionaler Elektroden), so dass die zur Verfügung stehende aktive Elektrodenoberfläche größer als die geometrische ist.
In der RFB sind die Elektroden mit den Stromkollektor-Platten verbunden: In einer vielzelligen Anordnung bipolar und an den Enden des Stacks unipolar ausgeführt. Die Platten müssen leitfähig und chemisch stabil sein. Eine hohe Leitfähigkeit spricht für eine Platte aus undurchlässigem Graphit. In einer einzelnen VRB-Zelle könnte sie dann auch als Elektrode fungieren, an der der Elektrolyt entlang strömt. Allerdings wird reiner Graphit durch die V5+-Ionen (positive Elektrode) stark angegriffen.
Wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit, der großen spezifischen Oberfläche und der Stabilität in säurehaltiger Elektrolyt-Lösung werden für die Elektroden in einer VRB Kohlenstoffmaterialien in einer nicht-gewebten Faseranordnung verwendet. Die Carbon-Vliese werden anschließend graphitiert, wodurch die Fasern eine zunehmende Orientierung, Kristallinität und v.a. Leitfähigkeit erhalten. Nach einer elektrochemischen Oxidation können nochmals höhere Stromdichten erreicht werden. Darüber hinaus können die als Elektroden verwendeten porösen Graphit-Vliese mit Rutheniumpartikeln katalysiert und - um die Entstehung von Wasserstoff und Sauerstoff zu vermeiden - mit Niob beschichtet werden.
Ziel der Elektrodenoptimierung ist die Verringerung der ohmschen Verluste in der Zelle, d.h. [...] Erhöhung der Entlade- und Senkung der Ladespannung bei gleich bleibender Stromdichte. Hierzu wurden verschiedene Graphit-Vliese miteinander verglichen. Es wurde festgestellt, dass Carbon-Vliese bestehend aus Carbonfasern auf Basis des Polymers Polyacrylnitril (PAN), graphitiert bei einer Temperatur von 1900°C und anschließend 30 h in Luft getempert bei 400°C, akzeptable Eigenschaften aufweisen.
Die wichtigste Anforderung an die Kontaktierung der Elektrode und Platte ist wieder ein möglichst geringer Übergangswiderstand. Das Vlies kann gegen die Platte gepresst werden. Damit der Kontaktwiderstand genügend klein wird, muss der Druck entsprechend hoch sein. Dadurch werden allerdings auch die Vliese zusammengedrückt und es entsteht für die Elektrolyte ein höherer Strömungswiderstand. Hinzu kommt, dass die Höhe des Drucks auf die Platten - auch in der Stackanordnung über die Schrauben - begrenzt ist, da undurchlässige Graphitplatten wie auch Glaskohl