Energiespeicheranordnung Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, umfassend wenigstens eine elektrische Energiespeichereinheit mit wenigstens zwei Elektroden, und einem zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten. Energiespeicheranordnungen sind an und für sich bekannt und finden in einer Vielzahl an technischen Gebieten zur Speicherung von, insbesondere elektrischer, Energie Verwendung.

Energiespeicheranordnungen umfassen regelmäßig wenigstens eine Energiespeichereinheit mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Elektroyten.

Ein Beispiel für eine Energiespeichereinheit sieht die Ver ^¬ wendung einer metallischen Elektrode in Verbindung mit einer Luftelektrode sowie einen zum Beispiel auf Zirkoniumoxid ba- sierenden Feststoffelektrolyten vor. Derartige Elektrolyte benötigen typischerweise Betriebstemperaturen oberhalb 600°C, um über eine ausreichende Sauerstoffionenleitfähigkeit zu verfügen. Hieraus ergibt sich, dass zur Inbetriebnahme der Energiespeichereinheit diese zunächst auf eine entsprechende Betriebstemperatur temperiert werden muss, was regelmäßig zu Schwierigkeiten führt.

Beispielsweise ist die Erzeugung der erforderlichen Betriebs ^¬ temperatur durch ohmsche Aufheizung, indem direkt eine elekt- rische Spannung an die der Energiespeichereinheit zugehörigen Elektroden angelegt wird, nicht möglich, da diese bei der vor Betrieb der Energiespeichereinheit herrschenden Temperatur keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Im Falle einer Energiespeichereinheit mit einer Luftelektrode wurde vorgeschlagen, eine externe Beheizung über das Erwärmen des Prozessgases zu realisieren. Dabei muss jedoch berück ^¬ sichtigt werden, dass insbesondere keramische Elektrolyte durch thermisch induzierte mechanische Spannungen beschädigt werden können, was gleichermaßen die Energiespeichereinheit irreparabel schädigen kann. Das Aufheizen über einen temperierten Gasstrom würde jedoch gerade zu einem Temperaturgra- dienten über die einzelnen, einer Energiespeicheranordnung zugehörigen Energiespeichereinheiten führen und unweigerlich die genannten mechanischen Spannungen induzieren.

Das Problem der Ausbildung thermisch bedingter mechanischer Spannungen lässt sich zwar teilweise durch geringe Heizraten lösen, jedoch verzögert sich derart die Inbetriebnahme der Energiespeicheranordnung zeitlich zu lange. Ferner ist trotz der thermischen Isolierung gängiger Energiespeichereinheiten mit hohen Energie- bzw. Wärmeverlusten zu rechnen.

Der Erfindung liegt demnach das Problem zugrunde, eine, ins ^¬ besondere hinsichtlich ihrer Inbetriebnahme, verbesserte Energiespeicheranordnung anzugeben . Das Problem wird erfindungsgemäß durch eine Energiespei ^¬ cheranordnung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie wenigstens eine mit der wenigs ^¬ tens einen Energiespeichereinheit oder Teilen davon wechsel ^¬ wirkende Induktionsheizvorrichtung umfasst, wobei die wenigs- tens eine Energiespeichereinheit oder Teile davon über die wenigstens eine Induktionsheizvorrichtung erwärmbar ist.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Energiespei ^¬ cheranordnung vor, die sich zur zum Betrieb der dieser zuge- hörigen Energiespeichereinheit ( en) erforderlichen Temperierung des Prinzips der magnetischen Induktion bedient. Es handelt sich sonach um eine Beheizung der Energiespeichereinheit (en) oder Teilen dieser über eine durch die Induktionsheizvorrichtung gebildete Induktionsheizung, das heißt, die Erwärmung der Energiespeichereinheit ( en) oder Teilen davon erfolgt im Wesentlichen über induzierte Wirbelströme und/oder Ummagnetisierungseffekte . Derart ist es möglich, die Energie ^¬ speichereinheit ( en) oder Teile davon schnell, gleichmäßig und insbesondere unter Vermeidung der Ausbildung von regelmäßig zu Schäden an der Energiespeichereinheit oder Teilen dieser führenden thermischen Gradienten auf eine gewünschte vorgegebene oder vorgebbare Temperatur zu erwärmen. Entsprechend wird die Frequenz des von der Induktionsheizvorrichtung ausgebildeten magnetischen Induktionsfeldes über eine dieser zugehörigen Steuereinrichtung auf das zu erwärmende Material im Hinblick auf eine effiziente Erwärmung und ohne die Ausbil ^¬ dung von Temperaturgradienten individuell abgestimmt.

Bevorzugt wechselwirkt die Induktionsheizvorrichtung zur Erwärmung der wenigstens einen Elektrode mit wenigstens einer Elektrode der Energiespeichereinheit. Insofern sind die

Elektroden als wesentliche Bestandteile einer Energiespei- chereinheit schnell und gleichmäßig auf eine insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Elektrodenmaterials erforderliche Betriebstemperatur erwärmbar.

Folglich bestehen die Elektroden bzw. wenigstens eine Elek- trode vorteilhaft aus einem metallischen und/oder einem fer- romagnetischen und/oder einem ferrimagnetischen Material. Diese Materialien sind für Induktionseffekte besonders sensi ^¬ bel, weshalb diese über die Induktionsheizvorrichtung einfach und schnell, insbesondere auf ihre jeweilige Betriebstempera- tur, aufgrund der genannten Wirbelstrom- bzw. Ummagnetisie- rungseffekte erwärmbar sind.

Entscheidend ist dabei die jeweilige Curie-Temperatur der eingesetzten Materialien. Die Curie-Temperatur kennzeichnet den Phasenübergang eines ferromagnetischen bzw. ferrimagnetischen Materials in seine paramagnetische Hochtemperaturform. Oberhalb der materialspezifischen Curie-Temperatur tritt keine spontane bzw. gerichtete Magnetisierung des Materials auf, unterhalb der Curie-Temperatur besitzt das Material magneti- sehe Eigenschaften, mithin zeigt es auch ohne äußeres Magnet ^¬ feld eine spontane Magnetisierung. Die Erwärmung der Energiespeichereinheit bzw. insbesondere des Elektrodenmaterials basiert bis zu einer der jeweiligen Curie-Temperatur entsprechenden Temperatur auf den genannten Wirbelstrom- bzw. Ummagnetisierungseffekten . Auch oberhalb der Curie-Temperatur kann eine Erwärmung des Materials allein basierend auf der Erzeugung von Wirbelströmen realisiert werden, sofern die Leistung der Induktionsheizvorrichtung entsprechend erhöht wird. Grundsätzlich sollte die Curie-Temperatur der eingesetzten Materialien nicht unterhalb einer kritischen Temperatur der Energiespeichereinheit ( en) bzw. der Energiespeicheranordnung liegen, sodass die für den Betrieb erforderliche Betriebstem ^¬ peratur durch die von außen über die Elektroden zugeführte elektrische Leistung mindestens gehalten werden kann.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, keine ferromagnetischen bzw. ferrimagnetischen Materialien zu verwenden. Zwar lässt sich in nicht ferromagnetischen bzw. nicht ferrimagnetischen Materialien keine durch Ummagnetisierungseffekte bedingte induktive Erwärmung erzielen, je ^¬ doch lassen sich auch in diesen Materialien induktiv Wirbelströme erzeugen, welche eine Erwärmung der Materialien herbeiführen .

Besonders bevorzugt besteht die Elektrode aus Eisen oder ei ^¬ ner Eisenlegierung. Die Curie-Temperatur von Eisen liegt in etwa bei 768°C, weshalb sich die Elektroden bei einer Tempe ^¬ rierung der Energiespeichereinheit oder Teilen davon oberhalb 768°C paramagnetisch verhalten und bei gleicher Leistung der Induktionsheizvorrichtung in ihrer Leistungsaufnahme abfallen, das heißt, keine weitere Temperaturerhöhung erfahren. Mithin liegt ein selbstregulierendes System vor, welches sich durch den Verlust der ferromagnetischen Eigenschaften ober- halb der Curie-Temperatur nicht oder kaum weiter erwärmt.

Vorteilhaft liegt der Arbeitsbereich der Energiespeichereinheit ebenso in diesem Temperaturbereich, sodass bei gegebener Leistungsaufnahme durch die Induktionsheizvorrichtung ein Temperaturbereich oberhalb der jeweiligen Curie-Temperatur der eingesetzten Materialien nicht wesentlich überschritten wird. Das gleiche Prinzip gilt selbstverständlich auch bezüglich anderer als eisenbasierender ferromagnetischer Materia- lien.

Der der Energiespeichereinheit zugehörige Elektrolyt ist zweckmäßig ein Festkörperelektrolyt. Festkörperelektrolyte sind im Allgemeinen hochtemperaturbeständig und für entspre- chend hohe Betriebstemperaturen, insbesondere oberhalb 600°C, ausgelegt. Als besonders zweckmäßig hat sich ein Festkörper ^¬ elektrolyt aus, insbesondere Yttrium oder Scandium stabili ^¬ siertem, Zirkoniumoxid erwiesen. Selbstverständlich sind grundsätzlich auch andersartige, insbesondere als dünne kera- mische Membranen ausgebildete, Elektrolyte denkbar.

In Weiterbildung der Erfindung umfasst die wenigstens eine Energiespeichereinheit wenigstens einen mit einer der Induk ^¬ tionsheizvorrichtung zugeordneten Steuereinrichtung kommuni- zierenden Temperatursensor zur Überwachung der Temperatur der Energiespeichereinheit oder Teilen davon. Der Temperatursensor ermittelt kontinuierlich oder intermittierend Temperaturinformationen über die Temperatur der Energiespeichereinheit bzw. der dieser zugehörigen Bestandteile und sendet diese als Information an die Steuereinrichtung der Induktionsheizvorrichtung, sodass diese in Abhängigkeit der aktuellen Tempera ^¬ tur der Energiespeichereinheit regelbar ist bzw. geregelt wird. Mithin sind mögliche Probleme einer Unter- oder Übertemperierung der Energiespeichereinheit ( en) im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht gegeben.

Zweckmäßig umfasst die Induktionsheizvorrichtung wenigstens eine Induktionsheizspule, welche benachbart zur Energiespei ^¬ chereinheit oder Teilen davon anordbar oder angeordnet ist. Durch eine möglichst nahe Anordnung der der Induktionsheizvorrichtung zugehörigen Induktionsheizspulen ist eine besonders schnelle bzw. effiziente Erwärmung der Energiespei- chereinheit ( en) respektive ein kompakter Aufbau der Energiespeicheranordnung möglich.

Die Induktionsheizvorrichtung kann außerhalb oder innerhalb der wenigstens einen Energiespeichereinheit angeordnet sein. Eine Anordnung innerhalb einer Energiespeichereinheit, mithin eine Integration der Induktionsheizvorrichtung in eine Energiespeichereinheit, ermöglicht einen sowohl in konstruktiver als auch funktioneller Hinsicht kompakten Aufbau einer Ener- giespeichereinheit und so der Energiespeicheranordnung insge ^¬ samt. Dahingegen erlaubt eine Anordnung einer Induktionsheizvorrichtung außerhalb einer Energiespeichereinheit einen no ^¬ dularen Aufbau, das heißt die Induktionsheizvorrichtung kann modulartig einer Energiespeichereinheit zugeordnet und wieder von dieser entfernt werden. Selbstverständlich können Induktionsheizvorrichtungen auch außerhalb und innerhalb einer Energiespeichereinheit vorgesehen sein.

In dem Fall, in dem die Induktionsheizvorrichtung außerhalb der wenigstens einen Energiespeichereinheit angeordnet ist, ist es insofern besonders zweckmäßig, wenn die Induktions ^¬ heizvorrichtung lösbar mit der oder einer Energiespeichereinheit verbindbar oder verbunden ist. Selbstverständlich sind dabei sowohl seitens der Induktionsheizvorrichtung als auch seitens der Energiespeichereinheit ( en) entsprechende Befestigungsabschnitte vorgesehen, die eine hinreichend stabile, je ^¬ doch lösbare Anordnung der Induktionsheizvorrichtung an der jeweiligen Energiespeichereinheit sicherstellen. Grundsätzlich ist es im Falle einer mehrere Energiespei ^¬ chereinheiten umfassenden Energiespeicheranordnung denkbar, dass entweder jeder Energiespeichereinheit eine eigene Induk ^¬ tionsheizvorrichtung oder eine Induktionsheizvorrichtung den jeweiligen Energiespeichereinheiten wechselweise zuordbar oder zugeordnet ist. Im Rahmen der Erfindung ist es folglich nicht zwingend erforderlich, dass jede Energiespeichereinheit über eine eigene Induktionsheizvorrichtung verfügt. Vielmehr kann eine Induktionsheizvorrichtung auch der wechselweisen bzw. zeitlich gestaffelten Beheizung mehrerer Energiespeichereinheiten dienen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung geben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie hand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen

Energiespeicheranordnung einer ersten Ausführungs- form; und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen

Energiespeicheanordnung einer zweiten Ausführungsform. Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 1 einer ersten Aus führungs form. Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst eine Energiespeichereinheit 2 mit einem Gehäuseteil 3, welches eine elektrochemische Stelle bestehend aus den in oder an einem Elektrolyten 4 an- geordneten Elektroden 5, 6 beinhaltet, sowie thermische Iso ^¬ lationsteile 7 zur thermischen Isolierung der Energiespeichereinheit 2. Der Elektrolyt 4 kann beispielsweise als die Elektroden 5, 6 voneinander trennende, dünne keramische Memb ^¬ ran ausgebildet sein. Dabei ist es denkbar, dass der Elektro- lyt 4 mit Katalysatoren (nicht gezeigt) bzw. Gasdiffusions ^¬ räumen (nicht gezeigt) versehen ist. Die Anordnung von zwei Elektroden, d. h. beispielsweise der Elektroden 5, 6 und einem Elektrolyten, d. h. beispielsweise dem Elektrolyten 4 ergibt eine elektrochemische Zelle. Mehrere solcher elektroche- mischer Zellen können getrennt von metallischen Platten, d. h. sogenannten Interkonnektoren, übereinander gestapelt werden, wodurch sich ein sogenannter Stack gebildet wird, wobei eine Energiespeichereinheit 2 mehrere solcher Stacks umfassen kann. Da es sich in den Figuren um reine Prinzipdarstellungen handelt, sind weitere in dem Gehäuseteil 3 angeordnete, zum Betrieb der Energiespeichereinheit 2 erforderliche Komponen ^¬ ten aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. An dem Gehäuseteil 3 sind ferner Zu- und Ableitungen 8, 9 für die Zu- bzw. Ableitung von für den Betrieb der Energiespei ^¬ chereinheit 2 erforderlicher bzw. im Betrieb der Energiespei ^¬ chereinheit 2 entstehender Reaktionsgase ausgebildet. Ferner sind elektrische Zu- bzw. Ableitungen 10 vorgesehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Konfiguration der Energiespeichereinheit 2 sieht eine metallische, insbesondere ferromagnetische Elektrode 5 aus Eisen als Energiespeichermaterial und eine dieser gegenüberliegend angeordnete Elektrode 6 in Form einer Luftelektrode bzw. Gasdiffusionselektrode vor. Bei dem Elekt ^¬ rolyten 4 handelt es sich um einen Festkörperelektrolyten aus mit Yttrium oder Scandium stabilisiertem Zirkoniumoxid. Die Energiespeichereinheit 2 hat beispielsweise eine Betriebstem- peratur von ca. 700°C.

Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst zusätzlich eine innerhalb der Energiespeichereinheit 2 angeordnete, mit der we ^¬ nigstens einen Energiespeichereinheit 2 oder Teilen davon wechselwirkende Induktionsheizvorrichtung 11, bestehend aus zwei in Gehäusen 12 aufgenommenen Induktionsheizspulen 13, welche benachbart zu dem Gehäuseteil 3 angeordnet sind. Ent ^¬ sprechend ist die Energiespeichereinheit 2 oder Teile davon über die wenigstens eine Induktionsheizvorrichtung 11 erwärm- bar, das heißt, die Energiespeichereinheit 2 wird insbesonde ^¬ re bei Inbetriebnahme sowie im Betrieb der Energiespeicheran ^¬ ordnung 1 per Induktion geheizt, das heißt sämtliche ferro- magnetischen, ferrimagnetischen bzw. metallischen Komponenten der Energiespeichereinheit wie insbesondere die Elektrode 5 sowie gegebenenfalls ein metallisches Gehäuseteil 3 werden durch Ummagnetisierungseffekte und/oder erzeugte Wirbelströme erwärmt .

Im vorliegenden Fall wechselwirkt die Induktionsheizvorrich- tung 11 im Wesentlichen mit der aus Eisen bestehenden Elektrode 5. Derart wird eine schnelle, effiziente und gleichmä ^¬ ßige Erwärmung der Energiespeichereinheit 2 ermöglicht. Ins ^¬ besondere werden die aus dem Stand der Technik bekannten, durch Temperaturgradienten beim Aufheizen bedingten mechanischen Spannungen sowie thermische Verluste minimiert. Grund ^¬ sätzlich sind jedoch auch Komponenten der Energiespeichereinheit 2 aus nicht ferromagnetischen bzw. nicht ferrimagneti- sehen Materialien über induktive Effekte erwärmbar, wobei die Erwärmung dieser allein auf der Erzeugung von Wirbelströmen basiert .

Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung 1 erlaubt durch die Verwendung der aus Eisen gebildeten Elektrode 5 sowie des aus mit Yttrium oder Scandium stabilisiertem, auf Zirkoniumoxid basierenden Elektrolyten 4 ein in thermischer Hinsicht selbstregulierendes System, da die durch die Erzeugung von Wirbelstrom- bzw. Ummagnetisierungseffekten bedingte Erwär- mung insbesondere des Elektronenmaterials der Elektrode 5 oberhalb der Curie-Temperatur von Eisen, das heißt oberhalb von ca. 768°C nachlässt, und sich die Elektrode 5 respektive die Energiespeichereinheit 2 somit durch den Verlust der fer- romagnetischen Eigenschaften des Eisens nicht weiter auf- heizt, sofern keine zusätzliche Leistungsaufnahme über die

Steuereinrichtung 14 der Induktionsheizvorrichtung 11 vorgegeben wird.

Zur Überwachung der Temperatur der Energiespeichereinheit 2 oder Teilen davon umfasst die Energiespeichereinheit 2 zudem eine Anzahl an mit der der Induktionsheizvorrichtung 11 zugeordneten Steuereinrichtung 14 kommunizierenden Temperatursensoren 15, wobei die Steuereinrichtung 14 den Erwärmungsbetrieb in Abhängigkeit der Temperaturerfassung durch die Tem- peratursensoren 15 steuert.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 1 einer zweiten Aus führungs form. Ersichtlich weist die Energiespeicheranordnung 1 zwei separate Energiespeichereinheiten 2, 2' auf, welche im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Energiespeichereinheit 2 entsprechen. Der Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Aus führungs form besteht darin, dass die in Fig. 2 gezeigten Energiespei- chereinheiten 2, 2' nicht über eigene Induktionsheizvorrichtungen 11 verfügen. Die Induktionsheizvorrichtung 11 ist vielmehr den Energiespeichereinheiten 2, 2' zuordbar, das heißt zum einen außerhalb dieser angeordnet und lösbar mit diesen verbindbar bzw. betreffend die Energiespeichereinheit 2 verbunden. Derart ist ein modularer Aufbau möglich, sodass nicht für jede der Energiespeicheranordnung 1 zugehörige Energiespeichereinheit 2, 2' eine eigene Induktionsheizvor ^¬ richtung 11, insbesondere im Rahmen der Inbetriebnahme der Energiespeicheranordnung 1 verfügbar sein muss. Wie durch die strichlinierte Darstellung der Induktionsheizvorrichtung 11 in Fig. 2 rechts gezeigt, kann die Induktionsheizvorrichtung 11 auch mit der Energiespeichereinheit 2' verbunden werden, sodass diese oder Teile dieser entsprechend induktiv erwärm- bar sind.

Das Prinzip lässt sich selbstverständlich auf Energiespeicheranordnungen mit mehr als zwei Energiespeichereinheiten übertragen .