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Die Erfindung betrifft einen Flussbatteriestapel und ein Flussbatteriesystem mit einem solchen Flussbatteriestapel sowie ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Flussbatteriesystems.
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Alternativenergien gewinnen immer mehr an Bedeutung. Problematisch an Alternativenergien, wie z.B. Solarenergie oder Windkraft, ist, dass die Zeiten der Energieerzeugung nicht beeinflussbar sind und überschüssige Energie zwischengespeichert werden muss, so dass sie zu Zeiten verfügbar ist, in denen keine Energie erzeugt werden kann. Es ist daher notwendig, Energiespeichersysteme einzusetzen. Energiespeichersysteme sind jedoch mit Verlusten behaftet, die vermieden werden sollten.
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Als Energiespeicher eignet sich eine Flussbatterie oder ein elektrochemischer Energiewandler für eine Flussbatterie, insbesondere eine Redox-Flow-Batterie mit einer Zirkulationsanordnung für Elektrolyten und Elektrolytleitungen zur Zu- und Abführung eines oder mehrerer Elektrolyten von einem Vorratstank zu dem elektrochemischen Energiewandler und weiter zurück in den jeweiligen Vorratstank in Form eines Kreislaufprozesses, wobei der elektrochemische Energiewandler mindestens eine Reaktionszelle mit zwei Elektroden und einer ionenleitenden Membran, bevorzugt eine Vielzahl von elektrisch zusammengeschalteten Einzelzellen, umfasst. Dabei werden diese bevorzugt mit Elektrolyten in Parallelschaltung versorgt und weisen jeweils einen Einlassbereich zur Einleitung des Elektrolyten in die Reaktionszelle und einen Auslassbereich zur Ausleitung des Elektrolyten aus der Reaktionszelle auf. Um elektrische Energie besonders effizient in einem solchen elektrochemischen Energiespeicher umwandeln zu können, benötigt man zum einen eine hocheffiziente Reaktionszelle, die auch Flussbatteriestapel oder Stack genannt wird. Zudem benötigt man hocheffizient arbeitende Stromwandler. An die Elektroden der Flussbatteriestapel werden die Stromwandler angeschlossen.
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Die Stromwandler arbeiten oftmals bei einer bestimmten Spannung mit optimierter Effizienz über 95% und bei höheren oder niedrigeren Spannungen weniger effizient.
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Wenn das Elektrolyt an den Elektroden vorbeiströmt, erzeugt es je nach Ladezustand unterschiedliche Spannungen. Da beim Ladevorgang das Elektrolyt über die Länge des Flussbatteriestapels aufgeladen wird, steigt die Spannung über die Länge des Flussbatteriestapels. Der Spannungsunterschied kann einen Verluststrom in den Elektroden hervorrufen. Dieser Verluststrom ist schädlich für den Gesamtwirkungsgrad eines Flussbatteriesystems.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Flussbatteriestapel und ein Flussbatteriesystem mit einem solchen Flussbatteriestapel bereitzustellen, mit denen die Energieeffizienz gesteigert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen und in der folgenden Beschreibung.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Flussbatteriestapel vorgeschlagen, durch den ein Katholyt und ein Anolyt jeweils getrennt voneinander hindurchführbar sind. Dieser Flussbatteriestapel weist auf:
- a) mehrere erste poröse Materialschichten zur Durchführung des Katholyts,
- b) mehrere zweite poröse Materialschichten zur Durchführung des Anolyts,
- c) mehrere zwischen einer ersten und zweiten porösen Materialschicht angeordnete Membranseparatorschichten zur Trennung des Katholyts vom Anolyt, die ausgelegt sind, einen Ionenaustausch zwischen Katholyt und Anolyt zuzulassen, und
- d) zwei Endplatten angeordnet zum elektrischen Kontakt mit dem Katholyt oder Anolyt;
wobei die Endplatten, die porösen Materialschichten und die Membranseparatorschichten eine im Wesentlichen gleichgroße Fläche aufweisen und sich jeweils abdeckend angeordnet sind. Die beiden Endplatten weisen jeweils mehrere elektrisch leitfähige Zonen auf, die ausgelegt sind, dass je ein bidirektionaler Stromwandler mit jeweils einem DC-Anschluss zum Laden und Entladen je eines Flussbatteriestackabschnitts an jeweils gegenüberliegende elektrisch leitfähige Zonen der beiden Endplatten anschließbar ist.
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Mit der Aufteilung der Endplatten eines einzigen Flussbatteriestapels in mehrere elektrisch leitfähige Zonen ist es möglich, die Flussbatteriestackabschnitte (Stack-Segmente) mit unterschiedlicher Spannung zu fahren. Die Spannung richtet sich dabei insbesondere nach dem sich auf dem Weg durch die Zelle ändernden Ladezustand (State of Charge, SOC) des Elektrolyts. Damit wird die Elektrodenfläche insbesondere bei sehr großen Flussbatteriestapeln (Stacks) gleichmäßiger genutzt.
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Zumindest eine Endplatte kann so angeordnet sein, dass mehrere elektrisch leitfähige Zonen von einer an ihr angeordneten porösen Materialschicht abgedeckt werden. Dadurch kann der Flussbatteriestapel noch effizienter betrieben und kostengünstiger aufgebaut werden.
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Der elektrische Widerstand zwischen den elektrisch leitfähigen Zonen kann größer sein als der elektrische Widerstand von einer Kante einer elektrisch leitfähigen Zone zu ihrer anderen Kante. Dadurch kann der Flussbatteriestapel noch effizienter betrieben und kostengünstiger aufgebaut werden.
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Der Flussbatteriestapel kann mehrere an einer ersten und/oder zweiten porösen Materialschicht angeordnete elektrisch leitfähige bipolare Trennschichten aufweisen. Diese elektrisch leitfähigen bipolaren Trennschichten können ausgelegt sein, einen Ionenaustausch zu verhindern. Die elektrisch leitfähigen bipolaren Trennschichten, die Membranseparatorschichten und die bipolare Trennschicht können im Wechsel zwischen den porösen Materialschichten angeordnet sein. Dadurch kann der Flussbatteriestapel noch effizienter betrieben und kostengünstiger aufgebaut werden.
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Je eine elektrisch leitfähige bipolare Trennschicht kann direkt an einer Endplatte angeordnet sein. Insbesondere weisen diese eine im Wesentlichen gleichgroße Fläche wie die Endplatten auf. Insbesondere sind die elektrisch leitfähigen bipolaren Trennschichten mit den Endplatten jeweils abdeckend angeordnet.
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Der Flussbatteriestapel kann ausgestaltet sein, dass die Durchströmungsrichtung des Katholyts und/oder des Anolyts durch den Flussbatteriestapel so erfolgt, dass die Flussbatteriestackabschnitte nacheinander durchströmt werden.
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Die elektrisch leitfähigen Zonen können auf der Endplatte dergestalt angeordnet sein, dass die Elektrolyt-Flussrichtung quer zu einer Aneinanderreihung der elektrisch leitfähigen Zonen erfolgt.
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Zumindest eine der bipolaren Trennschichten und/oder porösen Materialschichten kann so ausgestaltet sein, dass der elektrische Widerstand senkrecht zu ihrer Fläche kleiner ist als der elektrische Widerstand an einem Abschnitt entlang ihrer Fläche. Dies kann insbesondere in den Bereichen dergestalt ausgestaltet sein, dass die bei Abdeckung der bipolaren Trennschicht und/oder porösen Materialschicht an den Kanten zwischen zwei elektrisch leitfähigen Zonen der Endplatten liegen.
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Die elektrisch leitfähigen Zonen können unterschiedliche Flächen aufweisen. Insbesondere können einzelne, insbesondere sich gegenüberliegende, getrennte elektrisch leitfähige Zonen mit Flächen mit einer um mindestens den Faktor zehn kleineren Fläche als die übrigen elektrisch leitfähigen Zonen ausgestaltet sein. Diese können eingerichtet sein zur Messung des Ladezustands des Flussbatteriestapels.
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Die Endplatten können zusätzlich zu elektrisch leitfähigen Zonen weitere getrennte elektrisch leitfähige Zonen aufweisen, deren Fläche um mindestens den Faktor zehn kleiner ist als die elektrisch leitfähigen Zonen. Diese können eingerichtet sein zur Messung des Ladezustands des Flussbatteriestapels.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Flussbatteriesystem vorgeschlagen, das aufweist:
- a) mehrere bidirektionale Stromwandler,
- b) einen schichtweise aufgebauten Flussbatteriestapel gemäß der Erfindung,
wobei je ein bidirektionaler Stromwandler mit jeweils einem DC-Anschluss zum Laden und Entladen je eines Flussbatteriestapelabschnitts an jeweils gegenüberliegende elektrisch leitfähige Zonen der beiden Endplatten angeschlossen ist. So kann der Lade- oder Entladestrom in dem Flussbatteriestapelabschnitt gesteuert und/oder geregelt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines Flussbatteriesystems vorgeschlagen mit:
- a) mehreren bidirektionalen Stromwandlern,
- b) einem schichtweise aufgebauten Flussbatteriestapel gemäß der obigen Beschreibung,
wobei jeder Stromwandler individuell angesteuert wird, so dass der Lade- oder Entladestrom in jedem Flussbatteriestapelabschnitt gesteuert und/oder geregelt wird.
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Für die Weiterbildungsmerkmale gilt, dass eine Steigerung der Effizienz nicht nur durch die Einzelmaßnahmen erreicht wird, sondern insbesondere durch Zusammenwirken aller Maßnahmen. Wenn z.B. eine Steuerung nicht nur die Spannungswandler steuern kann, sondern auch die Pumpen zur Umwälzung des Elektrolyts so kann es die Spannungswandler in einem für sie günstigeren Bereich betreiben, als das eine Steuerung kann, die nur die Spannungswandler steuern kann. Die Steuerung kann aller relevanten Daten in einem Speicher abgelegt haben, um die Steuerung der Komponenten effizienzsteigernd zu beeinflussen.
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In den schematischen Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 die einzelnen Lagen eines Flussbatteriestapels;
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2 einen Schnitt durch einen Flussbatteriestapel;
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3 Flussbatteriesystem mit einem Flussbatteriestapel;
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4 eine Endplatte eines Flussbatteriestapels;
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5a–5c jeweils einen Schnitt durch eine Trennschicht eines Flussbatteriestapels.
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1 zeigt eine schematische Ansicht der einzelnen Schichten eines Flussbatteriestapels 10. 2 zeigt einen Schnitt durch einen vergleichbaren Flussbatteriestapel 10. Für die gleichen Komponenten wurden die gleichen Referenzzeichen verwendet. Durch den Flussbatteriestapel 10 kann ein Katholyt 5 und ein Anolyt 6 jeweils getrennt voneinander hindurchgeführt werden, das ist durch jeweils zwei Pfeile angedeutet. Gemeinsam werden Katholyt 5 und Anolyt 6 als Elektrolyt bezeichnet. Der Flussbatteriestapel 10 weist zwei erste poröse Materialschichten 15, 25 zur Durchführung des Katholyts 5 und zwei zweite poröse Materialschichten 16, 26 zur Durchführung des Anolyts 6 auf.
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Der Flussbatteriestapel 10 weist zudem mehrere zwischen einer ersten und zweiten porösen Materialschicht 15, 16, 25, 26 angeordnete Membranseparatorschichten 12, 14 zur Trennung des Katholyts 5 vom Anolyt 6 auf, die ausgelegt sind, einen Ionenaustausch zwischen Katholyt 5 und Anolyt 6 zuzulassen.
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Der Flussbatteriestapel 10 weist zudem mehrere an einer ersten und/oder zweiten porösen Materialschicht 15, 16, 25, 26 angeordnete elektrisch leitfähige bipolare Trennschichten 11, 13, 17 auf, die ausgelegt sind, einen Ionenaustausch zu verhindern.
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Der Flussbatteriestapel 10 weist zudem zwei Endplatten 22, 24 auf, die angeordnet sind zum elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyt, also dem Katholyt 5 oder Anolyt 6.
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Der Flussbatteriestapel 10 kann zwischen den Endplatten 22, 24 noch weitere Membranseparatorschichten, elektrisch leitfähige bipolare Trennschichten und poröse Materialschichten, aufweisen.
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Die Endplatten 22, 24, die porösen Materialschichten 15, 16, 25, 26, die Membranseparatorschichten 12, 14 und die bipolare(n) Trennschicht(en) 11, 13 weisen vorteilhafterweise eine gleichgroße Fläche auf und sind sich jeweils abdeckend angeordnet. Die Flächen sind zumindest im Wesentlichen gleich groß. Die Membranseparatorschichten 12, 14 und die bipolare(n) Trennschicht(en) 11, 13 sind im Wechsel zwischen den porösen Materialschichten 15, 16, 25, 26 angeordnet.
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Die erste Endplatte 22 weist mehrere elektrisch leitfähige Zonen 32, 42, 52 auf. Die zweite Endplatte 24 weist ebenfalls mehrere elektrisch leitfähige Zonen 34, 44, 54 auf.
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Der elektrische Widerstand zwischen den elektrisch leitfähigen Zonen 32, 34, 42, 44, 52, 54 ist größer als der elektrische Widerstand von einer Kante einer elektrisch leitfähigen Zone 32, 34, 42, 44, 52, 54 zu ihrer anderen Kante. Der Spannungsunterschied auf einer elektrisch leitfähigen Zone 32, 34, 42, 44, 52, 54 ist geringer als der Spannungsunterschied zwischen zwei benachbarten elektrisch leitfähigen Zonen 32, 34, 42, 44, 52, 54. Insbesondere können die elektrisch leitfähigen Zonen 32, 42, 52, 34, 44, 54 im trockenen Zustand elektrisch voneinander isoliert sein. Im ‚trockenen Zustand‘ soll einen Zustand bedeuten, in dem kein Elektrolyt durch den Flussbatteriestapel 10 fließt. Denn es ist natürlich klar, dass das Elektrolyt die Isolierung zwischen den elektrisch leitfähigen Zonen 32, 42, 52, 34, 44, 54 aufhebt.
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Der Raum zwischen und mit den sich gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Zonen 32 und 34 stellt den Flussbatteriestackabschnitt 62 dar. Der Raum zwischen und mit den sich gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Zonen 42 und 44 stellt den Flussbatteriestackabschnitt 63 dar. Der Raum zwischen und mit den sich gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Zonen 52 und 54 stellt den Flussbatteriestackabschnitt 64 dar.
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In 3 ist ein Flussbatteriesystem 1 gezeigt. In diesem ist je ein bidirektionaler Stromwandler 7, 8, 9 mit jeweils einem DC-Anschluss 2, 3, 4 zum Laden und Entladen je eines Flussbatteriestackabschnitts 62, 63, 64 an jeweils gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Zonen 32, 34; 42, 44; 52, 54 der beiden Endplatten 22, 24 angeschlossen.
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So können der Lade- oder Entladestrom in den Flussbatteriestapelabschnitten 62, 63, 64 entsprechend des Ladezustands der Flussbatteriestapelabschnitte 62, 63, 64 geregelt werden.
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Es können auch zwei oder mehr als drei bidirektionale Stromwandler mit jeweils einem DC-Anschluss zum Laden und Entladen je eines Flussbatteriestackabschnitts an jeweils gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Zonen der beiden Endplatten 22, 24 anschließbar sein, wenn jeweils mehrere vorgesehen sind.
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Die bidirektionalen Stromwandler 7–9 sind im Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Stromversorgungseinheit 71 untergebracht. Die Stromversorgungseinheit 71 weist weiter auf:
- • einen Anschluss an ein ein- oder mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges, Stromversorgungsnetz 73.
- • einen bidirektionalen Wechselrichter (AC/DC-Wandler) 72
- • eine Zwischenkreisversorgungsleitung 74 zur Verbindung des bidirektionalen Wechselrichters (AC/DC-Wandlers) 72 mit den bidirektionalen Stromwandlern 7–9.
- • einen Zwischenkreiskondensator 79 zur Glättung der Zwischenkreisspannung.
- • eine Steuerung 78.
- • einen Verbindungsbus 77 zur Datenübertragung von der Steuerung 78 zu den bidirektionalen Stromwandlern 7–9 und zu dem bidirektionalen Wechselrichter (AC/DC-Wandler) 72.
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Das Flussbatteriesystem 1 kann eine nicht gezeigte übergeordnete Steuerung aufweisen, die die Steuerung 78 und die Pumpen 85, 86 und weitere Geräte ansteuert. Die übergeordnete Steuerung kann aber die Steuerung 78 auch teilweise oder vollständig ersetzen oder durch diese ersetzt werden.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können einen Transformator zur galvanischen Trennung aufweisen.
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Bei Flussbatterien werden die Batteriezellen bzw. elektrochemischen Energiewandler 10 auch Zellenstacks genannt. Sie bestehen häufig aus einem Stapel von mehreren Energiewandlern, die vom Elektrolyt parallel durchflossen werden und elektrisch in Serie geschaltet sind, so dass je nach Ladezustand eine Spannung von 30 bis 80 V an den Anschlüssen eines Stapels anliegt.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können elektronisch ansteuerbare Schalter, wie z.B. Transistoren aufweisen, um Spannung von Gleich- zu Wechselspannung und umgekehrt wandeln zu können. Insbesondere können sie Brückenschaltungen aufgebaut aus Transistoren aufweisen. Wechselrichter können bei Frequenzen oberhalb des hörbaren Bereichs, insbesondere oberhalb von 20 kHz, betrieben werden.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können nichtlineare passive Bauteile wie z.B. Dioden, Z-Dioden, Varistoren aufweisen.
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Transistoren und Dioden können aus verschiedenen Halbleitermaterialien wie z.B. Si, Ge, SiC, GaN hergestellt sein.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können überspannungsunterdrückende Schaltungskomponenten, wie z.B. Snubberschaltungen, aufweisen.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können Filter, insbesondere dissipative Filter zur Unterdrückung von Störungen, aufweisen.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können Temperatursensoren aufweisen, die Verbindungen zu der oder den Steuerungen 78 zur Überwachung oder Regelung der Temperatur der Spannungswandler oder einzelner Bauteile dieser aufweisen.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können Mittel zur Kühlung, wie z.B. Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung aufweisen. Auch das Elektrolyt kann zur Kühlung verwendet werden.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können Spulen, Drosseln und Induktivitäten zur Speicherung von elektrischer Energie in Form eines eingeprägten Stroms aufweisen. Diese Bauteile dienen auch zur Glättung von Strom und können elektromagnetische Störungen befiltern.
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Alle Stromwandler 7, 8, 9, 72 können Kondensatoren zur Speicherung von Energie in Form von Spannung aufweisen. Diese Bauteile dienen auch zur Glättung von Spannung und können elektromagnetische Störungen befiltern.
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Die übergeordnete Steuerung und die Steuerungen 78 können flüchtige und nichtflüchtige Datenspeicher, logische Bauelemente, programmierbare logische Bauelemente, Anzeigevorrichtungen und drahtlose sowie verdrahtete Schnittstellen aufweisen.
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Das Katholyt 5 wird in einem ersten Vorratstank 75 gespeichert. Eine erste Pumpe 85 pumpt das Katholyt 5 vom Vorratstank 75 zum und durch den Flussbatteriestapel 10.
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Das Anolyt 6 wird in einem zweiten Vorratstank 76 gespeichert. Eine zweite Pumpe 86 pumpt das Anolyt 6 vom Vorratstank 76 zum und durch den Flussbatteriestapel 10.
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4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Endplatten 22, 24. Die elektrisch leitfähigen Zonen 32, 34, 42, 44, 52, 54 weisen jeweils eine Aussparung mit einer getrennten elektrisch leitfähigen Zone 32‘, 34‘, 42‘, 44‘, 52‘, 54‘ auf. Diese weisen eine im Verhältnis zu der Fläche der elektrisch leitfähigen Zonen 32, 34, 42, 44, 52, 54 deutlich kleinere Fläche auf, die mindestens um den Faktor zehn kleiner ist. Diese getrennten Zonen 32‘, 34‘, 42‘, 44‘, 52‘, 54‘ können zur Messung des Ladezustands der Zellen verwendet werden. Durch sie fließt vorteilhafterweise kein Lade- bzw. Entladestrom. An sie kann eine Spannungsmessung angeschlossen werden. Die Spannungsmessung erfolgt dann stromlos, womit der Ladezustand der Zelle besser ermittelt werden kann.
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In 5a ist als eine weitere mögliche Ausgestaltung der Querschnitt einer bipolaren Trennschicht 11, 13, 17 gezeigt. Durch Einengungen, die wie in 5a gezeigt mäanderförmig sein können, kann der Widerstand der bipolaren Trennschichten 11, 13, 17 entlang ihrer Fläche gezielt vergrößert werden. Dies kann insbesondere an den Stellen, an denen sich bei den Endplatten die Zonengrenzen der elektrisch leitfähigen Zonen 32, 34, 42, 44, 52, 54 befinden, erfolgen. In 5b und 5c sind andere Ausgestaltungen der Widerstandsbeeinflussung gezeigt. Die Einengungen können mäanderförmig, U-förmig, V-förmig sein oder andere Formen aufweisen. Die Einengungen können auch nur durch Beeinflussung der Materialeigenschaften erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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