Elektrischer Energiespeicher Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere beim Betrieb von Hochtemperaturbatterien, wie z. B. die so genannte ROB (Rechargable Oxide Battery) kann es sowohl beim Lade- als auch beim Entladebetrieb zu hohen Temperaturgradienten in den Zellen kommen. Insbesondere im Entladebetrieb können in Abhängigkeit der Momentanleistung Gra ^¬ dienten von 200° und mehr auftreten. Die dadurch entstehenden thermischen Spannungen können zu Brüchen in der Zelle und da- mit zum Zellversagen führen.

Die Zellen weisen eine Prozessgaszuführungsvorrichtung auf, in der Prozessgaskanäle angeordnet sind, die geradlinig von einer von einem Eintrittspunkt zum Austrittspunkt verlaufen und dabei in direktem Kontakt mit einer Elektrode verlaufen, so dass das Prozessgas an der Elektrode reagieren kann. Der beschriebene Temperaturgradient kann durch Erhöhung der Gas ^¬ ströme auf der Seite der Luftelektrode reduziert werden. Je nach Betriebsweise sind in der Entladephase des 6- bis lOfache des stöchiometrischen Gasstromes notwendig. Dies be ^¬ deutet, dass der Gasstrom deutlich erhöht werden muss und hierfür ein stärkeres Gebläse bereitgestellt werden muss. Zu ^¬ dem müssen die Gaskanäle größer dimensioniert werden, wobei gleichzeitig ein erhöhter Wärmeverlust des Abgases eintritt, durch den der Wirkungsgrad des Prozesses reduziert wird. Die Folge der Erhöhung der Gasströme besteht somit in höheren In ^¬ vestitionskosten und einem niedrigeren Wirkungsgrad.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Rechargable Oxide Battery bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik einen geringeren Temperaturgradienten in der Gaszuführvorrichtung aufweist . Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Energie ^¬ speicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der elektrische Energiespeicher gemäß Patentanspruch 1 weist eine positive und eine negative Elektrode auf, die durch ei ^¬ nen Festkörperelektrolyten voneinander getrennt sind. An einer der Elektroden, insbesondere an der positiven Elektrode, ist hierbei eine Prozessgaszuführvorrichtung angeordnet, die mindestens einen Prozesskanal umfasst, der von einem Ein ^¬ trittspunkt zu einem Austrittspunkt verläuft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozesskanal zwischen ei ^¬ nem Eintrittspunkt und dem Austrittspunkt zumindest eine Richtungsänderung vollzieht.

Unter Richtungsänderung werden hierbei sowohl eine diskrete Änderung eines geradlinigen Kanalverlaufs in Form eines defi ^¬ nierten Winkels sowie ein kurvenförmiger Übergang zwischen zwei insbesondere geradlinigen Kanalverläufen verstanden.

Durch die mindestens eine Richtungsänderung wird der Weg, den der Prozessgaskanal durch die Prozessgaszuführungsvorrichtung nimmt, verlängert, wodurch wiederum der Temperaturgradient verringert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist der Prozessgaskanal mindestens einen ersten Ab ^¬ schnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Ab ^¬ schnitt und der zweite Abschnitt zur Übertragung von Wärme, die aus dem in dem jeweiligen Abschnitt befindlichen Prozessgas stammt, parallel verlaufen. Unter parallel wird dabei ein Verlauf mit im Wesentlichen äquidistandem Abstand verstanden, worunter auch kurvenförmige Verläufe mit im Wesentlichen äquidistanten Abständen zu verstehen sind.

Im Folgenden wird exemplarisch davon ausgegangen, dass sich die Temperatur des Prozessgases innerhalb der Prozessgaskanä ^¬ le erhöht, also dass die Reaktion exotherm ist. Es ist, je nach Reaktion oder Betriebsweise der ROB (z.B. Laden oder Entladen) auch der gegenteilige Fall einer Temperaturernied ^¬ rigung gleichermaßen möglich. Die Erfindung verringert die Temperaturgradienten auch in diesem Fall auf analoge Weise.

Das mit einer niedrigeren Temperatur einströmende Prozessgas fließt demnach entlang des Prozessgaskanales, wobei es durch die Zelltemperatur und durch die Reaktion in der Zelle aufgeheizt wird, der Prozesskanal wird umgelenkt und im zweiten Abschnitt verläuft der Prozesskanal parallel zu seinem ersten Abschnitt. Hierbei kommt es zwischen den Prozessgaskanalab- schnitten zu einem Wärmeaustausch, wobei das Prozessgas beim Rücklauf in Richtung des kälteren Bereiches, also des Berei ^¬ ches, der näher an dem Prozessgaseinlass liegt, sich wieder abkühlt. Durch den Wärmeaustausch der beiden parallel verlaufenden Abschnitte gleichen sich die Temperaturen des Prozessgases in diesen Abschnitten aneinander an. Hierdurch wird wiederum eine Reduktion des für die Zelle so ungünstigen Temperaturgradienten herbeigeführt.

Dabei beträgt der Anteil des parallelen Verlaufs der Ab ^¬ schnitte, bezogen auf die Breite der Prozessgaszuführvorrich- tung, bevorzugt mehr als 50 %, besonders bevorzugt mehr als 70 % und ganz besonders bevorzugt bei mehr als 80 %.

Dabei hat es sich herausgestellt, dass es zweckmäßig ist, dass der Prozesskanal mehrere Hauptströmungsrichtungen um- fasst und eine erste Änderung der Hauptströmungsrichtung des Prozessgaskanales näher am Austrittspunkt des Prozessgases erfolgt als die zweite Änderung der Hauptströmungsrichtung.

Zur Erzielung eines noch besseren Wärmeaustauschs ist es zweckmäßig, wenn der Prozessgaskanal mindestens zwei Rich ^¬ tungsänderungen vollzieht. Hierbei handelt es sich bevorzugt um einen so genannten mäanderförmigen Verlauf des Prozesska- nales, dessen Hauptstromrichtung vom kälteren Eintrittsbereich zum wärmeren Austrittsbereich einmal oder mehrfach wechselt . Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher beschrieben. Bei der Beschreibung der Figuren handelt es sich lediglich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Die mit * gekennzeichneten Bezugszeichen veranschaulichen den Stand der Technik.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Rechargable Oxide

Battery für den Ladezustand und dem Entladezustand nach dem Stand der Technik,

Figur 2 einen Querschnitt durch eine typische Zelle einer ROB mit einer Prozessgaszuführungsvorrichtung und einem Prozessgaskanal ,

Figur 3 eine Anordnung der Prozessgaskanäle in einer Prozess ^¬ gas zuführvorrichtung,

Figur 4 und Figur 5 die ebenfalls beispielhafte Anordnungen des Verlaufes von Prozessgaskanälen in der Prozessgas zuführvorrichtung .

In Figur 2 ist schematisch der Aufbau einer Rechargable Oxide Battery (ROB) dargestellt. Hierbei werden bei einem Endlade ^¬ zustand von einer negativen Elektrode 6* Sauerstoffionen durch einen Festkörperelektrolyten 8* zu einer positiven Elektrode 4* geführt. Die positive Elektrode 4* steht mit ei ^¬ ner Prozessgaszuführungsvorrichtung 10* in Verbindung. Bei einem Entladeprozess werden die Sauerstoffionen in die umgekehrte Richtung von der positiven Elektrode 4* zur negativen Elektrode 6* durch den Festkörperelektrolyten 8* geleitet. Auf die physikalischen Prozesse, die während des Ladeprozes ^¬ ses und des Entladeprozesses in der ROB auftreten, soll im Weiteren nicht näher eingegangen werden.

Gemäß Figur 2 wird der querschnittliche Aufbau einer Zelle einer ROB dargestellt. Hierbei ist im oberen Bereich der Fi- gur 2 die negative Elektrode 6, die von einem Gehäuse 24 um ^¬ geben ist, dargestellt. Die positive Elektrode 6 weist ein durch Punkte gekennzeichnetes Reservoir an oxidierbarem Material auf, das mit den bereits beschriebenen Sauerstoffionen je nach Prozessführung (Laden oder Entladen) oxidiert bzw. wieder reduziert wird. Die Sauerstoffionen werden, wie beschrieben, durch den Festkörperelektrolyten 8 geführt und werden an einer positiven Elektrode 4 je nach Prozessrichtung oxidiert oder reduziert. Die positive Elektrode 4 steht wie- derum in Verbindung mit einer Prozessgaszuführvorrichtung 10, die das Prozessgas, insbesondere sauerstoffhaltiges Prozess ^¬ gas, an die positive Elektrode 4 leitet. Die Prozessgasvor ^¬ richtung 10 weist Prozessgaskanäle 12 auf, wobei diese Pro ^¬ zessgaskanäle 12 das Prozessgas von einem Eintrittspunkt 14 des Prozessgases zu einem Austrittspunkt 15 leiten.

In den Figuren 3 bis 5 sind Querschnitte entlang der Linie III-V aus Figur 2 in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen dargestellt. Hierbei handelt es sich um einen Längsschnitt durch den elektrischen Energiespeicher 2 bzw. durch eine dessen Zellen. Der Querschnitt verläuft durch die Prozessgaszu ^¬ führvorrichtung 10 so, dass der Verlauf der Prozessgaskanäle 12 dargestellt ist. Hierbei verlaufen die Prozessgaskanäle 12 derart, dass sie bei einem relativ kalten Eintrittspunkt 14 in die Prozessgaszuführung 10 eintreten und gemäß Figur 3 mä- anderförmig zu einem Austrittspunkt 15 verlaufen. Dabei ändert der Prozessgaskanal 12 seinen Verlauf bzw. seine Ver ^¬ laufsrichtung mindestens einmal, bevorzugt mehrfach. Hierbei sind jeweils Abschnitte des Prozessgaskanals 12 defi ^¬ niert, insbesondere einem ersten Abschnitt 16 und einem zwei ^¬ ten Abschnitt 18, wobei zwischen den Abschnitten 16 und 18 zumindest eine erste Änderung 26 einer ersten Hauptströmungs ^¬ richtung 20 liegt. Die beiden Kanalabschnitte 16 und 18 ver- laufen somit über größere Strecken parallel zueinander. Insbesondere dann, wenn der Prozessgaskanal 12 seine Änderung 26 der Richtung im Bereich der heißeren Zone, also im Bereich des Prozessgasaustrittspunktes 15, vollzieht und in der Kehrtwende zurückläuft zum kälteren Bereich im Bereich des Prozessgaseingangs 14, führt dies zu einem Temperaturgradien ^¬ ten über den Abschnitten 16 und 18. Diese Temperaturgradienten verlaufen gegenläufig und führen somit dazu, dass sich die Temperaturen der parallel zueinander verlaufenden Abschnitte 16 und 18 durch Wärmetausch angleichen und somit der Gesamttemperaturgradient zwischen den Punkten 14 und 15 ver ^¬ ringert wird. Die Eintrittstemperatur des Prozessgases am Eintrittspunkt 14 liegt bei einer ROB üblicherweise in der Größenordnung von 600°C. Ohne die beschriebenen Maßnahmen der Prozessgaskanal- führung kann ein Temperaturgradient über die Breite 17 der Prozessgaszuführvorrichtung 10 von mehr als 200°C auftreten. Dies führt zu einer kritischen thermischen Ausdehnung der

Prozessgaszuführvorrichtung 10 insbesondere gegenüber der positiven Elektrode 4, des Elektrolyten 8 und/oder der negativen Elektrode 6 und zur Beschädigung der Zelle. Die Prozess ^¬ gaszuführvorrichtung 10 ist üblicherweise aus einer Metallle- gierung dargestellt, die in ihrem Ausdehnungskoeffizienten dem Material der angrenzenden Elektrode angeglichen ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Richtungsänderungen 26, 28 möglichst nahe am kühleren und am heißeren Bereich der Prozessgaszuführvorrichtung 10 erfolgen und die Abschnitte

16, 18 über möglichst weite Strecken parallel verlaufen können, da so der intensivste Wärmeaustauscher erfolgen kann und der Temperaturgradient effektiv reduziert werden kann. Eintrittspunkt 14 und Austrittspunkt 15 des Prozessgases lie ^¬ gen üblicherweise an gegenüberliegenden Seiten der Prozessgaszuführvorrichtung 10, da so die Gaszuführungsperipherie besser gehandhabt werden kann. Eintrittspunkt 14 und Aus ^¬ trittspunkt 15 können jedoch auch an derselben Seite der Pro- zessgaszuführvorrichtung 10 liegen.

In Figur 4 ist ein mäanderförmiger Verlauf des Prozessgaska- nales 12 dargestellt, wobei ebenfalls zwei Hauptströmungs- richtungen 20 und 22 für den Prozessgaskanal 12 existieren, die sich aus zwei Wendepunkten 26 und 28 ergeben. Auch in dieser Darstellung erfolgt ein Wärmetausch zwischen dem Prozessgas in den einzelnen Abschnitten 16 und 18.

In Figur 5 ist ebenfalls eine Darstellung eines möglichen mä anderförmigen Verlaufs für den Prozessgaskanal 12 gegeben, hierbei ist anzumerken, dass der Begriff parallel, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, auch parallel verlaufende gekrümmte Linien und Zick-Zack-Linien mit einschließt. We ^¬ sentlich bei dem Verlauf der beiden Abschnitte 16 und 18 ist dass sie über längere Strecken entlang in äquidistantem Abstand verlaufen, so dass der erwähnte adäquate Austausch von Wärme stattfinden kann. Die Hauptstromrichtungen 20 und 22 verlaufen aber auch in Figur 5 in direkter Richtung zwischen dem Eintrittspunkt 14 und 15.