Aufbau und Funktion der Vanadium Redox Flow Batterie

Die Vanadium Redox Flow Batterie ist ein elektrochemischer Durchflussreaktor mit in Serie verbundenen elektrochemischen Zellen. Die einzelne Zelle ist durch eine Membran in zwei Halbzellen mit je einer Elektrode geteilt. Die Halbzellen werden von je einer Flüssigkeit, den Energieträgern – auch Elektrolyte genannt, parallel durchflossen. Beim Laden wird über die Elektroden in die Halbzellen elektrische Energie zugeführt und dabei in einem Oxidations / Reduktions Prozess die chemische Energie der Flüssigkeit verändert. Beim Entladen wird die chemische Energie der Flüssigkeiten durch Umkehr des Redox Prozesses und Entnahme elektrischer Energie an den Elektroden wieder in den Ausgangszustand gebracht. Die flüssigen Energieträger werden im Betrieb ständig im Kreislauf zwischen elektrochemischem Reaktor und Tanks gepumpt. Der elektrische Strom wird über einen Laderegler an den Reaktor gebracht und über einen Umrichter an den Verbraucher geleitet. Die flüssigen Energieträger bestehen aus Schwefelsäure mit gelösten Vanadium Salzen in verschiedenen Oxidationsstufen.

An den Elektroden laufen folgende Reaktionen ab:

An der positiven Elektrode:           VO₂⁺ + 2H⁺ + e^- = VO²⁺ + H₂O

An der negativen Elektrode:         V²⁺ = V³⁺ + e^-    

Summenreaktion:                          VO₂⁺ + 2H⁺ + V²⁺ = VO²⁺ + H₂O + V³⁺

Thermodynamische Eigenschaften

• Zellenspannung: 1,0 V ungeladen bis 1,6 V geladen
• Praktische spezifische Energie: 15 to 25 Wh/kg, abhängig von der Vanadium Konzentration für das Sulfatsystem
• Ablesung des Ladezustandes aus Messung der Klemmenspannung (OCV).

Besondere Merkmale der Technologie

• Energie ist in flüssigen Energieträgern gespeichert. Die Energiemenge ist durch die Masse der Flüssigkeiten gegeben
• Leistung ist durch die Größe und Anzahl der elektrochemischen Reaktozellen bestimmt
• Electrochemische Rektorzellen werden elektrisch seriell oder parallel verschalten und dadurch die Grenzwerte für Spannung und Strom definiert 
• Direkte Ablesung des Ladezustandes – SOC (State of Charge)
• Hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit, da relativ geringe spezifische Energie
• Energieträger haben beinahe uneingeschränkte Lebensdauer und können nach einem Formierungsprozess erneut eingesetzt werden

Die besonderen Merkmale erlauben einen hohen Grad an Modularität in der Batterieauslegung und den Betriebseigenschaften:
Modularität im Design entsteht durch die voneinander unabhängige Größe von Energie und Leistung. Modularität im Betriebverhalten wird durch den lastabhängigen Betrieb durch Zu- und Wegschalten der Leistungsmodule sowie einem gezielten Temperaturmanagement und der Steuerung der Pumpgeschwindigkeit erreicht.