CN104205462B - 电蓄能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电蓄能器，具有至少一个带有分别至少一个蓄电池(4)的电池堆栈(2)，该蓄电池又包括与进气装置(8,20)相连的空气电极(6)和存储电极(10)，其中存储电极(10)与通道(12)邻接，通道(12)包含存储介质(9)和水蒸气‑氢气混合物，其特征在于，设置水蒸气‑氢气的贮存容器(14)，其与通道(12)直接连通。

Description

电蓄能器
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1所述的电蓄能器。
背景技术
为了存储例如在通过可再生能量源或通过(在最佳功率范围内运行并且在电网中暂时不存在需求的)发电站的发电中产生的过剩电流，采用各种技术变型方案。其中之一是可重复充电的金属空气电池(可充电氧化物电池，ROB)。可充电氧化物电池通常在600℃至800℃之间运行。在此向电池芯的(正)空气电极输入的氧气被转化为氧离子，通过固体电解质传送并且被带至对置的负电极。在那发生与气态还原对的反应，该气态还原对根据充电过程或放电过程吸收或释放电子，其中由气态还原对吸收或放出的氧气通过氧化还原对的成分的扩散被传递至多孔的、亦即透气的并且同样可氧化和可还原的存储介质中。由于对该过程需要很高的温度，对所使用的电池材料的选择和电池部件的结构设计以及存储介质的布置非常复杂。尤其是单独的部件要承受多个在上述运行温度下运行的还原循环。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于可充电氧化物电池的电蓄能器，其相对现有技术能够保证电池堆栈或蓄电池的廉价的、装配技术简单和耐温的构造。
所述技术问题的解决方案存在于按照权利要求1的前序部分所述的电蓄能器。按照本发明的按照权利要求1的电蓄能器具有至少一个分别具有至少一个蓄电池的电池堆栈，该蓄电池又包括与进气装置相连的空气电极，负电极和紧邻该负电极设置的存储介质。所以，负电极还处于存储侧或简称为存储电极。存储电极自身不包括存储介质。包含多孔的存储介质以及氢气-水蒸气混合物的通道邻接存储电极。该混合物的组成在未负载状态中通过调节与存储材料的化学平衡质量得到，并且由此在充电和放电中根据载荷或多或少地改变。本发明的特征在于，设置具有水蒸气-氢气混合物的贮存容器，该贮存容器与所述通道直接连接。可能由于泄漏产生的气体损失在此通过贮存容器与蒸汽管相连而得以补偿，该蒸汽管保持贮存容器内的压力。在此处可以一样好地输入氢气或由水蒸气和氢气组成的混合物，因为本身始终存在与蓄能器的充电状态适配的混合物。
电蓄能器的所述构造是一种简单的技术方案，因为电蓄能器的不同平面可以上下叠置，因此形成由多个蓄电池构成的所谓的电池堆栈。这种电池堆栈可以以简单方式定位在水蒸气-氢气贮存容器中，因此可以省掉将该气体输入单独的电池中的耗费的进气装置。
在本发明另一种有利的结构设计中，电池堆栈具有壁，其中具有存储介质的通道能以朝所述壁开口的方式被接近。由此当电池堆栈直接定位在气体贮存容器中时，水蒸气-氢气混合物通过电池堆栈的壁上的开口例如通过扩散进入通道。
在本发明一种有利的结构形式中，电蓄能器具有多个电池堆栈，它们又可以被共同的水蒸气-氢气贮存容器包围。
在此，配备一个或多个电池堆栈的水蒸气-氢气贮存容器向外是热绝缘的。因此构成所谓的热箱。
在水蒸气-氢气贮存容器中过压还可以以有利方式优选处于厘巴范围内(1hPa-100hPa)。这保证了始终提供足够的水蒸气-氢气混合物用于反应，并且可以阻止空气由于漏损从贮存容器或热箱外部流入或渗入，若不能阻止这会导致与存储材料的反应由于惰性氮气的进入受到负面影响。
附图说明
本发明的其他特征和有利的实施形式结合以下附图进一步阐释。在此仅涉及例示性的实施形式，它们不构成保护范围的限制。在附图中：
图1示出可充电氧化物电池的一块电池的示意图，
图2示出从上方观察的电池堆栈的分解透视图，
图3示出从下方观察图2的电池堆栈的分解透视图，
图4示出具有向外开口的用于存储介质的通道的电池堆栈，
图5示出在具有热绝缘装置的、填充以水蒸气-氢气混合物的气密贮存容器中的电池堆栈，和
图6示出具有四个在带有热绝缘装置的水蒸气-氢气的贮存容器中的电池堆栈的电蓄能器。
具体实施方式
结合图1首先描述可充电氧化物电池(ROB)的工作原理，因为这是说明本发明所需的。可充电氧化物电池的常规构造是，在正电极6(其也称为空气电极)上通过进气管20吹入过程气体，尤其是空气，其中从空气中取出氧气。氧气以氧离子O2-的形式通过贴靠正电极的固体电解质7到达负电极10，其如所述也被称为存储电极。若在负电极10、亦即在存储电极上存在活性存储材料的质密层，则电池的充电容量会快速地用尽。
由于该原因而适宜的是，在负电极10上设置由多孔材料构成的、作为储能介质的存储介质9，该存储介质9包括功能上有效的可氧化材料，该可氧化材料作为活性存储材料，优选呈铁和氧化铁的形式。
在电池的运行状态中通过气态的还原对、例如H2/H2O，通过固体电解质7传输的O2-离子的形式的氧气在留下电子的情况下从负电极通过多孔存储介质9中的孔道被传输至活性存储材料的深处。根据是否存在放电或充电过程，则金属或金属氧化物(铁/氧化铁)被氧化或被还原并且为此所需的氧气通过气态的还原对H2/H2O运送或运送回至固体电解质7。通过气态氧化对携带的氧气传输机制称为往返运输机制。
铁作为可还原材料、即作为活性存储材料的优点在于，在其氧化过程中处于大致相同的约1V的静态电压中，如还原对H2/H2O在分压力比为1的情况下，否则对于通过这种还原对的扩散的成分的氧气传输而言会形成增大的阻力。
可充电氧化物电池的优点在于，其通过其最小单元、即蓄电池4的重复可以模块化地几乎无限地扩展。因此用于稳定的家用的小型电池也与用于存储电厂的能量的大型技术设备一样被应用。
多个在图1中所述的蓄电池4被组装成所谓的电池堆栈2。电池堆栈2的构造和蓄电池4在电池堆栈2中的布局结合图2和图3中的分解图阐述。在图2中示出电池堆栈的构造，其是从上方观察的并且在此从下往上串联地组合。电池堆栈2首先包括底板24，其必要时由多个单板组成，所述单板又具有例如用于空气引导的功能结构和凹处。在此未详细描述的单板例如通过硬焊工艺组合成底板24。
基板24具有进气管20以及排气管22。如前所述，通过在底板24中组装单板，集成了在此不可见的用于输入空气的通道。此外底板24具有对中销29，通过对中销29可以将电池堆栈2的其他部件对中地安装。作为下一层是电极结构25，其尤其包括已述的正电极6、固体电解质7以及存储电极10。在此是自承载式陶瓷结构，单独的功能区域，如电极或电解质以薄层工艺涂敷到该自承载式陶瓷结构上。
作为另一层是密封结构26，其例如由耐高温的玻璃料(半熔的玻璃原料)构成，其在电池的运行温度中密封电池堆栈2的单独的板。接下来的板是所谓的内部连接板27，其具有两个功能作用的侧面。在此未详细示出的进气通道处在其参照图2观察的下侧面34上，空气输入通道邻接蓄电池4的正电极6。在其上侧面(存储侧面32)上内部连接板27具有其中置入存储介质9的通道12。内部连接板27的上侧面在图2中具有和基板24的上侧面相同的结构。用于置入存储介质9的通道12在此设置。具有通道12的侧面分别面向蓄电池4的存储电极10。
在图2中例示性地示出在用于电池堆栈2的整体构造的封闭板28的下方的电极结构25的组的另一平面、密封结构26。一串另外平面原则上明显还可以紧接在这些构件之后，因此电池堆栈通常具有10至更多的蓄电池4的层。
在图3中以相反的视角示出在图2中被描述的相同的电池堆栈2。在图3中从下方看向基板24，随后的仍是电极结构25和密封装置26。内部连接板27此时同样从下方可见，其中在此视角转移至空气侧面34，其面向空气电极(空气侧面34)。在该实施例中在内部连接板上在空气侧面34上示出四个隔开的区域，它们在每一个电池堆栈平面中划分为四个单独的蓄电池4(其中这种划分为四个蓄电池纯粹视作示范)。蓄电池4因此在该实施例中由每个内部连接板27和基板24或覆盖板28的四分之一组成。此外，每个电池4通过每个空气侧面34、密封装置26、电极结构25和各个基板24或内部连接板27的存储侧面32的四分之一的次序构成。空气侧面34在此通过未示出的电池堆栈内部的、包括电池堆栈的多个平面的空气分配装置8(也称为歧管)被供给以过程气体，即空气。
在图4中示出已组装形式的按照图2和图3的电池堆栈2。从外部可以看到进气管20和排气管22，通过虚线示意示出设置在内部的空气分配装置8。空气分配装置8在此包括了进气管20、排气管22以及未进一步描述的在基板24中以及在组装的电池堆栈2的侧面区域中的通道。通道12与大气隔离地设置，所述通道分别位于基板24或内部连接板27的存储侧面32上。如图5中进一步示出，在通道12中置入存储介质9。在当前实施形式中，通道12能以朝电池堆栈壁16开口的方式被接近。因此，如图5示意所示，电池堆栈2可以置入封闭空间中，其中又产生H2/H2O环境。这种封闭的、具有H2/H2O环境的空间被称为贮存容器14。贮存容器14在此优选具有大致1-100hPa的反应对H2/H2O的过压。由此保证，在贮存容器14的可能的泄漏中氮气和氧气不会从外部侵入贮存容器14中，而是在这种情况中H2/H2O以无害的方式从贮存容器中泄漏。其中这种损失通过流体和水蒸气输入管30通过阀31被补偿。同样优异的是取代纯的水蒸气而输入氢气-水蒸气混合物，或者纯的氢气。按照图5的具有电池堆栈2和贮存容器14(其由热绝缘装置18包围，绝缘装置18也称为热箱)的整个装置称为电蓄能器1。
在此更复杂的电蓄能器1也是适宜的，其中设置多个电池堆栈2(图6)。在此可以设置中心的进气管20和中心的排气管22，其中由此单独的电池堆栈2通过相应的管道20以过程气体，即空气供给。在热箱18中几乎是电蓄能器的运行温度占主导，所述运行温度通常位于600℃至800℃之间。原则上还可以在热箱18中设置用于热存储的装置，例如在此未示出的隐蔽式蓄热器。

Claims (6)

1.一种基于可充电氧化物电池的电蓄能器，该电蓄能器具有至少一个带有分别至少一个蓄电池(4)的电池堆栈(2)，该蓄电池又包括与进气装置(8)相连的空气电极(6)和存储电极(10)，其中所述存储电极(10)与通道(12)邻接，所述通道(12)包含存储介质(9)和水蒸气，其特征在于，设置与所述通道(12)直接连通的用于水蒸气的贮存容器(14)，且所述水蒸气贮存容器(14)包围多个电池堆栈(2)。
2.按照权利要求1所述的电蓄能器，其特征在于，所述通道(12)朝电池堆栈的壁(16)开口并且能通过电池堆栈的壁(16)上的开口接近。
3.按照权利要求2所述的电蓄能器，其特征在于，所述水蒸气贮存容器(14)包围电池堆栈的壁(16)，所述通道(12)能通过所述电池堆栈的壁(16)上的开口接近。
4.按照前述权利要求之一所述的电蓄能器，其特征在于，所述水蒸气贮存容器(14)包围整个所述电池堆栈(2)。
5.按照权利要求1至3之一所述的电蓄能器，其特征在于，所述水蒸气贮存容器(14)对外是热绝缘的。
6.按照权利要求1至3之一所述的电蓄能器，其特征在于，在所述水蒸气贮存容器(14)中存在过压。
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