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Patent Searching and Data


Title:
ELECTRICAL ENERGY STORE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/001004
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrical energy store comprising a storage cell, which in turn comprises an air electrode, which is connected to an air supply device, and a storage device. In this case, channels for receiving a storage medium rest on the storage electrode. In addition, partition walls for partitioning off the channels with respect to one another are provided. The invention is characterized by the fact that the partition walls have a recess in the region of the storage electrode. This recess serves the purpose of spacing apart the storage medium from the storage electrode.

Inventors:
DRENCKHAHN WOLFGANG (DE)
GREINER HORST (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/060842
Publication Date:
January 03, 2014
Filing Date:
May 27, 2013
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H01M8/02; H01M12/02
Foreign References:
DE102009057720A12011-06-16
JP2003100321A2003-04-04
DE102008009377A12009-08-20
US20090023029A12009-01-22
US6649297B12003-11-18
EP1020942A12000-07-19
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrischer Energiespeicher mit einer Speicherzelle (4), die wiederum eine Luftelektrode (6), die mit einer Luftzu- fuhrvorrichtung (20) in Verbindung steht und eine Speicherelektrode (10) umfasst, wobei die Speicherelektrode (10) an Kanäle (12) zur Aufnahme eines Speichermediums (9) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass Trennwände (14) zum Abtrennen der Kanäle (12) untereinander vorgesehen sind, wobei die Trennwände (14) im Bereich der Speicherelektrode (10) eine Hinterschneidung (16) aufweisen.

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (14) einen L- förmigen oder T- förmigen Querschnitt aufweisen.

3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalbildenden Trennwände (14) auf einer Interkonnektorplatte (27) angeordnet sind, auf deren Rücksei- te die Luftkanäle (21) einer weiteren Speicherzelle angeordnet sind.

4. Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (14) senkrecht auf der Interkonnek- torplatte verlaufen.

5. Energiespeicher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherelektrode (10) planparallel an Stirnflächen (18) der Trennwände (14) anliegt.

6. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) parallel verlaufen . 7. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quernut (36) die parallel verlaufenden Kanäle (12) begrenzt.

Description:
Beschreibung

Elektrischer Energiespeicher Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 1.

Zur Speicherung von überschüssigem elektrischem Strom, der beispielsweise bei der Stromerzeugung durch erneuerbare Ener- giequellen oder durch Kraftwerke anfällt, die im Bereich des optimalen Wirkungsgrades betrieben werden und für den temporär kein Bedarf im Netz besteht, werden verschiedene technische Alternativen angewandt. Eine davon ist die wieder auf- ladbare Metall-Luftbatterie (Rechargeable Oxide Battery, ROB) . ROBs werden üblicherweise bei Temperaturen zwischen 600°C und 800°C betrieben. Hierbei wird Sauerstoff, der an einer (positiven) Luftelektrode der elektrischen Zelle zugeführt wird in Sauerstoffionen umgewandelt, durch einen Festkörperelektrolyten transportiert und zur gegenüberliegenden negativen Elektrode gebracht. Dort findet eine Reaktion mit einem gasförmigen Redoxpaar statt, die je nach Lade- oder Entladeprozess Elektronen aufnimmt oder abgibt, wobei der von dem gasförmigen Redoxpaar aufgenommene oder abgegebene Sauerstoff durch Diffusion der Komponenten des Redoxpaares auf ein poröses, also gasdurchlässiges und ebenfalls oxidierbares und reduzierbares Speichermedium übertragen wird. Aufgrund der hohen benötigten Temperaturen für diesen Prozess ist die Werkstoffauswahl für die verwendeten Zellenwerkstoffe und die Konstruktion der Zellenteile sowie die Anordnung des Spei- chermediums sehr komplex. Insbesondere leiden die einzelnen Komponenten nach mehreren Redoxzyklen, die bei den besagten Betriebstemperaturen betrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Ener- giespeicher auf Basis einer ROB bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik einen kostengünstigen, montagetechnisch einfachen und temperaturbeständigen Aufbau eines Stacks bzw. einer Speicherzelle gewährleistet und dessen elektrochemischen Abläufe genauer steuern zu können.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Energie- Speicher mit einer Speicherzelle nach Anspruch 1. Dabei weist die Speicherzelle eine Luftelektrode auf, die mit einer Luftzufuhrvorrichtung in Verbindung steht. Ferner weist die Speicherzelle eine Speicherelektrode auf, wobei die Speicherelektroden an Kanäle zur Aufnahme eines Speichermediums an- grenzen. Die Speicherzelle des Energiespeichers zeichnet sich dadurch aus, dass Trennwände vorgesehen sind, die zum Abtrennen der Kanäle untereinander dienen. Die Zwischenräume zwischen den Trennwänden bilden somit die beschriebenen Kanäle, wobei die Trennwände so ausgestaltet sind, dass sie im Be- reich der Speicherelektrode mindestens eine Hinterschneidung aufweisen .

Diese Hinterschneidung führt dazu, dass ein Speichermedium, das in die Kanäle eingelegt wird und das durch chemische Um- Wandlungsprozesse, auf die noch genauer eingegangen wird, elektrische Energie speichert, nicht direkt an der Speicherelektrode anliegen. Die Hinterschneidungen klemmen die Speicherelemente fest und es bleibt ein Spalt bestehen, durch den gegebenenfalls ein Spülgas fließen kann. Dieses ungehinderte Fließen eines Spülgases bzw. eines bei Betrieb der Speicherzelle eingesetzten gasförmigen Redoxpaares, das einen Materialaustausch zwischen Speichermaterial und der Speicherelektrode herstellt, dient dazu, stets die gewünschte Konzentration des Spülgases oder des gasförmigen Redoxpaares im Bereich zwischen der Speicherelektrode und dem Speichermedium einzustellen. Durch die Beabstandung des Speichermediums von der Speicherelektrode durch die erfindungsgemäßen Hinterschneidungen ist es somit möglich, die während des Betriebes der Speicherzelle ablaufenden chemischen Prozesse besser zu do- sieren und somit die Effektivität der Speicherzelle zu erhöhen . Es hat sich dabei als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Hinterschneidungen der Trennwände L- förmig oder T- förmig ausgestaltet sind. Ferner ist es zweckmäßig, die kanalbildenden Trennwände auf einer sogenannten Interkonnektorplatte anzuordnen, die in ihrer flächigen Ausdehnung so ausgestaltet ist, dass auf der einen Seite die Kanäle zur Aufnahme des Speichermediums angeordnet sind und auf ihrer Rückseite wiederum Luftkanäle für eine Luftzufuhrvorrichtung aufgebracht sind. Dies wiederum führt zu einer kompakten Bauweise des elektrischen Energiespeichers, so dass mehrere Speicherzellen in Form eines

Stacks übereinander gestapelt werden können. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Trennwände senkrecht auf der Interkonnektorplatte angeordnet. Dabei weisen sie wiederum bevorzugte Stirnflächen auf, die bezüglich der Ebene der Interkonnektorplatte planparallel sind und auf der eine Elektrodenstruktur, die zumin- dest die Speicherelektrode umfasst, planparallel anliegt.

Ferner ist es zweckmäßig, dass die Kanäle parallel verlaufen, was den Herstellungsprozess der entsprechenden Interkonnektorplatte vereinfacht .

Im Weiteren hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, an den Enden der parallel verlaufenden Kanäle eine Quernut einzufügen, in die eine Sperrvorrichtung, beispielsweise in Form eines Sperrbolzens oder eines Sperrbleches eingebracht werden kann, um ein längsseitiges Verschieben des Speichermediums im Kanal zu verhindern.

Weitere Merkmale und weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Figuren näher er- läutert. Hierbei handelt es sich lediglich um beispielhafte Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzum- fangs darstellen. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Zelle einer Re- chargeable Oxide Battery,

Figur 2 eine Explosionsdarstellung eines Stacks von oben betrachtet ,

Figur 3 eine Explosionsdarstellung des Stacks aus Figur 2 von unten betrachtet,

Figur 4 eine dreidimensionale Ansicht einer Bodenplatte eines

Stacks mit T- förmigen Trennwänden zwischen den Kanälen,

Figur 5 einer Draufsicht auf eine Bodenplatte nach Fig. 4,

Figur 6 einen Querschnitt durch die Bodenplatte nach Fig. 5 entlang der Linie VI und

Figur 7 eine Sicht auf die Bodenplatte nach Fig. 5 in Richtung des Pfeils VII.

Anhand von Figur 1 soll zunächst schematisch die Wirkungswei - se einer Rechargeable Oxide Batterie (ROB) beschrieben werden, insoweit dies für die vorliegende Beschreibung der Erfindung notwendig ist. Ein üblicher Aufbau einer ROB besteht darin, dass an einer positiven Elektrode 6, die auch als Luftelektrode bezeichnet wird, ein Prozessgas, insbesondere Luft, über eine Gaszufuhr 22 eingeblasen wird, wobei beim

Entladen (Stromkreis auf der rechten Bildseite) der Luft Sauerstoff entzogen wird. Der Sauerstoff gelangt in Form von Sauerstoffionen O 2" durch einen an der positiven Elektrode anliegenden Feststoffelektrolyten 7, zu einer negativen

Elektrode 10. Diese steht über ein gasförmiges Redoxpaar, z.B. ein Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch mit dem porösen Speichermedium in der Kanalstruktur in Verbindung. Würde an der negativen Elektrode 10 eine dichte Schicht des aktiven Speichermaterials vorliegen, so würde die Ladekapazität der Batterie schnell erschöpft werden.

Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, an der negativen Elektro- de als Energiespeichermedium eine Speicherstruktur 9 aus porösem Material einzusetzen, das ein funktional wirkendes oxi- dierbares Material als ein aktives Speichermaterial, bevorzugt in Form von Eisen und Eisenoxid enthält. Über ein, beim Betriebszustand der Batterie gasförmiges Re- doxpaar, beispielsweise H 2 /H 2 0, werden die, durch den Festkörperelektrolyten 7 transportierten Sauerstoffionen nach ihrer Entladung an der negativen Elektrode in Form von Wasserdampf durch Porenkanäle der porösen Speicherstruktur 9, die das aktive Speichermaterial 9 umfasst, transportiert. Je nachdem, ob ein Entlade- oder Ladevorgang vorliegt, wird das Metall bzw. das Metalloxid (Eisen/Eisenoxid) oxidiert oder reduziert und der hierfür benötigte Sauerstoff durch das gasförmige Redoxpaar H 2 /H 2 0 angeliefert oder zum Festkörper- elektrolyten zurück transportiert. Dieser Mechanismus des

Sauerstofftransportes über ein Redoxpaar wird als Shuttlemechanismus bezeichnet.

Der Vorteil des Eisens als oxidierbares Material, also als aktives Speichermaterial 9, besteht darin, dass es bei seinem Oxidationsprozess in etwa dieselbe Ruhespannung von etwa 1 V aufweist, wie das Redoxpaar H 2 /H 2 0 bei einem Partialdruckver- hältnis von 1, andernfalls ergibt sich ein erhöhter Widerstand für den Sauerstofftransport durch die diffundierenden Komponenten dieses Redoxpaares.

Die Diffusion der Sauerstoffionen durch den Feststoffelektrolyten 7 benötigt eine hohe Betriebstemperatur von 600 bis 800 °C der beschriebenen ROB, aber auch für die optimale Zu- sammensetzung des Redoxpaares H 2 /H 2 0 in Gleichgewicht mit dem Speichermaterial ist dieser Temperaturbereich vorteilhaft. Hierbei ist nicht nur die Struktur der Elektroden 6 und 10 und des Elektrolyten 7 einer hohen thermischen Belastung aus- gesetzt, sondern auch die Speicherstruktur 9, die das aktive Speichermaterial umfasst. Bei den stetigen Zyklen von Oxida- tion und Reduktion neigt das aktive Speichermaterial dazu, zu versintern, das bedeutet, dass die einzelnen Körner immer mehr miteinander durch Diffusionsprozesse verschmelzen, die reaktive Oberfläche sinkt und die für den Gastransport erforderliche durchgehend offene Porenstruktur verschwindet. Bei einer geschlossenen Porenstruktur kann das Redoxpaar H 2 /H 2 0 die aktive Oberfläche des aktiven Speichermaterials 6 nicht mehr erreichen, so dass bereits nach einer Teilentladung des Speichers der Innenwiderstand der Batterie sehr hoch wird, was eine weitere technisch sinnvolle Entladung verhindert.

Ein Vorteil der ROB besteht darin, dass sie durch ihre kleinste Einheit, nämlich die Speicherzelle modular nahezu unbegrenzt erweiterbar ist. Somit ist eine kleine Batterie für den stationären Hausgebrauch ebenso darstellbar wie eine großtechnische Anlage zur Speicherung der Energie eines

Kraftwerkes .

Mehrere der in Figur 1 beschriebenen Speicherzellen 4 sind zu einem sogenannten Stack 2 zusammengefasst . Der Aufbau eines Stacks 2 und die Anordnung der Speicherzellen 4 in dem Stack 2 ist anhand der Explosionsdarstellungen in Figur 2 und Figur 3 veranschaulicht. In Figur 2 ist der Aufbau eines Stacks dargestellt, der von oben betrachtet ist und hierbei in der Reihenfolge von unten nach oben zusammengesetzt wird. Der Stack 2 umfasst zunächst eine Bodenplatte 24, die gegebenenfalls aus mehreren Einzelplatten, die wiederum funktionale Strukturierungen und Vertiefungen beispielsweise zur Luftführung aufweisen, zusammengesetzt ist. Diese Zusammensetzung von Einzelplatten, die hier nicht näher beschrieben ist, zur Bodenplatte 24 erfolgt beispielsweise durch ein Hartlotverfahren .

Die Grundplatte 24 weist eine Luftzufuhr 20 sowie eine Luftabfuhr 22 auf. Wie bereits beschrieben, sind durch die Zusammensetzung von Einzelplatten in der Bodenplatte 24 hier nicht sichtbare Kanäle zur Luftzufuhr integriert. Ferner weist die Bodenplatte 24 Zentrierbolzen 29 auf, durch die nun weitere Komponenten des Stacks 2 zentriert aufgebracht werden können. Als nächste Schicht folgt eine Elektrodenstruktur 25, die insbesondere die bereits beschriebene positive Elektrode 6, den Festkörperelektrolyten 7 sowie die Speicherelektrode 10 umfasst. Hierbei handelt es sich um eine selbsttragende keramische Struktur, auf die die einzelnen funktionalen Bereiche wie die Elektroden bzw. Festkörperelektrolyt in einem Dünn- schichtverfahren aufgebracht sind.

Als weitere Schicht folgt eine Dichtung 26, die beispielsweise aus einer hochtemperaturbeständigen Glasfritte besteht, die die einzelnen Platten des Stacks 2 bei den Betriebstempe- raturen der Batterie abdichtet. Die nächste folgende Platte ist eine sogenannte Interkonnektorplatte 27, die zwei funktional wirkende Seiten aufweist. An ihrer bezüglich Figur 2 gesehenen unteren Seite 34 befinden sich die hier nicht näher dargestellten Luftzufuhrkanäle die an die positive Elektrode 6 einer Speicherzelle 4 grenzen. Auf ihrer Oberseite (Speicherseite 32) weist die Interkonnektorplatte 27 Kanäle 12 auf, in die das Speichermedium 9 eingebracht ist. Die Oberseite der Interkonnektorplatte 27 in Figur 2 weist dieselbe Struktur auf wie die Oberseite der Grundplatte 24. Auch hier sind die Kanäle 12 zur Einbringung des Speichermediums 9 vorgesehen. Diese Seite mit den Kanälen 12 ist jeweils der Speicherelektrode 10 der Speicherzelle 4 zugewandt.

Exemplarisch ist in Figur 2 eine weitere Ebene der Folge von Elektrodenstruktur 25, Dichtung 26 unter einer Abschlussplatte 28 zum Gesamtaufbau des Stacks 2 dargestellt. Grundsätzlich können selbstverständlich noch eine Reihe weiterer Ebenen dieser Bauteile folgen, so dass ein Stack üblicherweise zwischen 10 und mehr Schichten von Speicherzellen 4 aufweist.

In Figur 3 ist derselbe Stack 2, der in der Figur 2 beschrieben ist, in umgekehrter Blickrichtung dargestellt. In Figur 3 blickt man von unten auf die Grundplatte 24, es folgt wieder- um die Elektrodenstruktur 25 und die Dichtung 26. Die Interkonnektorplatte 27 ist nun ebenfalls von unten sichtbar, wobei hierbei der Blick auf die Luftseite 34 gelenkt ist, die der Luftelektrode zugewandt ist (Luftseite 34) . In diesem Beispiel sind auf der Interkonnektorplatte vier getrennte Bereiche auf der Luftseite 34 dargestellt, die einer Unterteilung in vier einzelne Speicherzellen 4 pro Stackebene entsprechen (wobei diese Unterteilung in vier Speicherzellen als rein exemplarisch anzusehen ist) . Die Speicherzelle 4 setzt sich somit in diesem Beispiel aus einem Viertel der Fläche der jeweiligen Interkonnektorplatte bzw. der Grundplatte 24 bzw. der Deckplatte 28 zusammen. Ferner wird die jeweilige Zelle 4 durch eine Abfolge der jeweiligen Luftseite 34, Dichtung 26, Elektrodenstruktur 25 und wiederum jeweils ein Vier- tel der Speicherseite 32 der Grundplatte 24 bzw. der Interkonnektorplatte 27 gebildet. Die Luftseite 34 wird hierbei durch eine hier nicht näher dargestellte stackinterne Luftverteilungsvorrichtung 8 (auch Manifold genannt) , die mehrere Ebenen des Stacks umfasst, mit dem Prozessgas Luft versorgt.

In Figur 4 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Bodenplatte 24 gegeben, in der die Struktur der von Trennwänden 14, die die Kanäle 12 bilden, näher erläutert sind. Die

Trennwände 14 weisen hierbei eine charakteristische T- Struktur auf, wie dies noch deutlicher in der Querschnittdarstellung nach Figur 6, die einen Querschnitt entlang der Linie VI in Figur 5 abbildet, dargestellt ist.

In Figur 5 sind ferner Bohrungen 19 zu erkennen, die einer- seits dazu dienen, die Kanäle 12 mit dem Speichermedium 9 zu bestücken, wie dies in der Draufsicht auf die Bodenplatte 24 in Figur 5 schematisch dargestellt ist. Die Hinterscheidungen 16 an den Trennwänden 14, die in diesem vorliegenden Beispiel T-förmig ausgestaltet sind, dienen dazu, dass das Speicherme- dium fest in den Kanälen 12 eingebracht ist. Das Speichermedium 9 ist somit durch die Hinterscheidungen 16 von der auf Stirnflächen 18 der Trennwände 14 anliegenden Speicherelektrode 10 beabstandet. Es bildet somit ein weiterer Kanal 38 aus, der die Höhe der Hinterschneidungen 16 aufweist und zwischen dem Kanal 12 und der Speicherelektrode 10 angeordnet ist. Dieser Kanal 38 ist von seiner Querschnittsgeometrie so ausgestaltet, dass stets genügend Shuttlegas H 2 0/H 2 zwischen das Speichermedium 9 und der Speicherelektrode 10 eingebracht werden kann. Dieses Shuttlegas wird bevorzugt durch die Bohrungen 19 in die Speicherzelle 4 eingebracht. Ferner kann durch die Kanäle 38 auch in der Vorbereitung des Betriebs der Speicherzelle 4 bzw. des Energiespeichers ein Spülgas, bei- spielsweise Stickstoff, geleitet werden.

Die Kanäle 38 dienen somit dazu, stets genügendes Shuttlegas im Bereich des Speichermediums bereitzuhalten und dessen Konzentration für einen optimalen elektrochemischen Betrieb des Energiespeichers zu regeln.

Die beschriebenen T- förmigen bzw. auch L- förmigen Profile der Trennwände 14 lassen sich fertigungstechnisch verhältnismäßig leicht durch einen abgestuften Fingerfräser herstellen. Somit ist die dargestellte Kanalstruktur bzw. Trennwandstruktur der Bodenplatte bzw. in analoger Ausgestaltung auf einer Inter- konnektorplatte 27 prozesstechnisch günstig herzustellen.