UV/VIS Spektroskopie zur kontinuierlichen Bestimmung des Ladezustandes eines Vanadium Redox Flow Batterie

Im Rahmen des übergeordneten Projektes und dieser Masterarbeit soll an einem Teststand eine neue Art der ""State of Charge"" (SoC, dt. Ladezustand) Messung entwickelt und erprobt werden. Der SoC ist eine künstliche Messgröße und stellt das Maß für die verfügbare Energie einer Batterie dar. Im Falle von Vanadium reduziert sich während des Ladeschrittes V3+ zu V2+ und es wird V4+ zu V5+ oxidiert, was zu einer Änderung der nutzbaren Spannung, wie für alle chemischen Batteriespeicher, führt. Die neue Messmethode der UV VIS Spektroskopie bietet eigene Vorteile, die im Laufe der Arbeit erläutert und getestet werden sollen. Ermöglicht wird sie durch die unterschiedlichen Absorptionsspektren der vier Oxidationsstufen des Vanadiums. Es entstehen im Verlauf der Reaktionen die Farben Violett (V2+), Grün (V3+), Blau (VO2+) und Gelb (VO2+). Für die vorliegende Arbeit ist das neue Messgerät kalibriert und der Teststand um die neue Messmethode zu erweitert worden. Anschließend wurde die Anlage so eingerichtet, dass der SoC in einem kontinuierlichen Betrieb gemessen werden kann. Dies wird über einen Fluss des Elektrolyten durch ein neu hinzugefügtes System aus Leitungen und Dreiwegeventilen realisiert und kann unabhängig von Oxidations- und Reduktionsseite erfolgen. Es ergibt sich die Möglichkeit zur unabhängigen Vermessung der beiden Reaktionsseiten. Dadurch werden zusätzliche Einsatzmöglichkeiten wie die Detektion der Änderung der Konzentrationsverhältnisse des Vanadiums beider Reaktionsseiten realisierbar. Die Machbarkeit und Genauigkeit der Vermessung im laufenden Betrieb sowie durch die Vermessung einzelner Proben wird im Laufe der vorliegenden Arbeit diskutiert. Auch werden ein Temperatureinfluss des Elektrolyten auf die Vermessung der Absorptionsspektren sowie ein eigens erstelltes Modell zur nachträglichen Bestimmung des SoC beschrieben und diskutiert. Durch die fortlaufende Vermessung der Absorptionsspektren einer Reaktionsseite und die Kombination mit anderen Messdaten, z.B. der Leerlaufspannung oder Temperatur des Elektrolyten, führt diese Messmethode zu einem besseren Verständnis der Reaktionsverläufe und ermöglicht so, Gegen- und Ausgleichsmaßnahmen zur Erhaltung des Energieinhaltes sowie der Effizienz zeitnah durchzuführen.