CN107810292A - 混合电池和电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用能量装置储存变化的或间歇的电能以及氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种的方法，该方法包括：将第一电池水性液体、第二电池水性液体和来自外部电源的电力提供至功能单元，从而提供充电的功能电池单元和储存在所述储存系统中的氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种，其中在至少一部分充电时间期间内，以大于1.37V的第一电池电极和第二电池电极之间的电位差，对功能单元进行充电。

Description

混合电池和电解槽
发明领域
本发明涉及用于提供电能和/或能量载体(例如H2)的装置。本发明还涉及包括该装置的能源系统。而且，本发明涉及用于提供电能和/或能量载体(例如H2)的方法。而且，本发明还涉及该装置和/或能源系统的用途。
背景技术
电解槽(electrolyser)在本领域是已知的。例如，US2015069836说明了一种具有用于将电力供给至供电系统中的风能设备的供给装置的控制方法，其包括以下步骤：使用风能设备从风力发电，将所产生电力的第一部分供给至供电系统，将所产生电力的第二部分提供至用于消耗提供的所产生电力的第二部分的用电者(electrical consumer)，并且其中取决于至少一种监控系统状态和/或取决于盛行风，完全或部分地减少提供至用电者的所产生电力的第二部分，供给至供电系统的电力的第一部分相应地增加，并供给至相应的供给装置。
发明内容
为了适应来自风力和太阳能的可再生电力量的增加，要求昼夜和季节性规模的电网级电力储存。当考虑到由于可再生电力供应的变化全年的全运行时间有限时，对不同类型储存而言可提供的解决方案的实现具有以下困难：寿命问题、能量效率低、变换损耗和/或成本高。
因此，本发明一方面是提供一种替代的能量装置，其优选地进一步至少部分避免了一个或多个上述缺点。而且，本发明另一方面是提供一种替代的包括该能量装置的能源系统，其优选地进一步至少部分避免了一个或多个上述缺点。而且，本发明另一方面是提供一种替代的用于储存并再生电力和/或能量载体的方法，其优选地进一步至少部分避免了一个或多个上述缺点。
昼夜电力储存在电池中将会是最有效的，而季节性存储规模要求转化成基于丰富的元素的人工燃料。这两个方向一直被作为独立的甚至是竞争的解决方案加以对待。
我们在此表明，Ni-Fe电池可以改良成作为高效的集成电池-电解槽来工作。我们发现，除电池的全容量以外，还可以使用相等或更大量的电荷以>81％的总体能量效率产生氢。由分别充当有效的制氧和制氢催化剂的纳米结构NiOOH和还原Fe组成的充电电池电极，当电池充满时产生氢。通过该方式，装置的工作时间延伸到电池的充电时间以外，因此仍可以产生气体的形式进行可用的能量储存。当可再生产生的电力产生降低时，电池进行充电，并可用于放电和提供电力。即使电力供应变化，装置的足期操作也因此成为可能，这与没有集成在一装置中的单独的电池或单独的电解槽相反。而且，电池的过电位中消散的热直接用于产生氢，特别是在应用热绝缘和管理以降低到环境中的热损失时。注意在这一方面，通过电解水裂解产生氢和氧要求提供热。热绝缘和热管理系统可以包括集成电池和电解槽周围的热绝缘以及任选的冷却。这样的热绝缘和管理使得在充电和制氢过程中能够通过电流加热直至例如60℃，并可以对温度进行限制以保持在60℃以下。因此，尤其地，能量装置可以进一步包括热管理系统，其被设置成将功能单元(另参见下文)保持在选自5-95℃、特别是10-75℃、例如15-70℃范围内、例如最大60℃的温度下。
我们的结果表明，基于丰富的元素Fe、Ni和KOH(任选的LiOH和NaOH)水基电解质的集成电池和电解槽解决了昼夜和季节两种电力储存。这可以在低成本的自身灵活的装置中提供稳健的电网级能量储存解决方案，其具有接近于全时的应用性：作为白天无限可切换的能量储存，作为夜间的电源。
Ni-Fe电池由Jungner和Edson引入。在负极处存在有Fe(OH)2，其在充电时还原成Fe：Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-(-0.877V vs SHE)，而在正极处存在有Ni(OH)2，其在充电时释放出质子：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-(+0.49V vs SHE)。电池的开路电位为1.37V，其高于从6M KOH电解质裂解水要求的最小电位。出于该原因，在正常操作下已经存在将水裂解成氢和氧导致能量损失和电解质缓慢损失的风险。在正极处则可以发生反应4OH-→O2+2H2O+4e-(+0.40vs.SHE)，而在负极可以发生2H2O+2e-→H2+2OH-(-0.83vs.SHE)。另外，已知反应Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2导致自发的自放电。Ni(OH)2和Fe(OH)2是纳米结构的，能够使充(放)电速率更快。上述反应中在Ni(OH)2中储存H+的理论容量对应于289mAh/g。在Fe(OH)2中储存OH-的理论容量对应于596mAh/g。
可以使用碱性电解槽以71％的典型效率(所产生氢的HHV(高热值)除以应用的电能)产生氢和氧。主要的活性组分是由隔膜或隔板分隔的基于Ni金属的正极和Ni(或涂有Ni的Fe)的负极，上述隔膜或隔板将氢与氧分隔，同时传递碱性电解槽中的离子。金属电极由于其多孔结构(雷尼镍)具有增加的表面积，气体产生速率更高。此外，可以将贵金属例如Pt或Pt-Ru掺入到负极中，以在例如80℃下在0.5A/cm2电极表面的电流下将产生氢要求的过电位从200mV降低到50mV。隔膜可以是陶瓷复合物，而电解槽再次是强碱性的，特别是KOH溶液。碱性电解槽的效率受O2和H2生成的过电位、电荷运送和气体运送以及电极表面上气体形成的限制。
因此，第一方面，本发明提供一种特别地具有电能储存功能和电解功能的能量装置(“装置”)，该系统包括功能单元，该功能单元包括：
-第一电池，其包括第一电池电极和用于(碱性)第一电池水性液体(“液体”)及用于第一电池气体的一个或多个第一电池开口，其中第一电极特别地包括基于铁的电极
-第二电池，其包括第二电池电极和用于(碱性)第二电池水性液体(“液体”)及用于第二电池气体的一个或多个第二电池开口，其中第二电极特别地包括基于镍的电极；
-隔板，其中第一电池和第二电池共享隔板，其中隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池运送至另一电池，同时对一价氢氧根(OH-)、一价钠(Na+)、一价锂(Li+)和一价钾(K+)中的至少一种或多种具有透过性；
-与第一电池电极电连接的第一电连接部，和与第二电池电极电连接的第二电连接部；
能量装置进一步任选包括以下的一种或多种：
-水性液体控制系统，其设置成控制第一电池水性液体和第二电池水性液体中的一种或多种引入到功能单元中；
-储存系统，其设置成储存功能单元外部的第一电池气体和第二电池气体中的一种或多种；
-压力系统，其设置成控制以下中的一种或多种：(a)功能单元中第一电池气体的压力、(b)储存系统中第一电池气体的压力、(c)功能单元中第二电池气体的压力和(d)储存系统中第二电池气体的压力；
-充电控制单元，其设置成从外部电源接收电力，并设置成在至少一部分充电时间期间，以大于1.37V例如大于1.48V甚至直至2.0V的第一电池电极和第二电池电极之间的电位差，将电力提供至功能单元；
-第一连接器单元，其用于将接收器和电连接部在功能上偶联，该接收器要被提供以电力，和第二连接器单元，其用于将一装置与所述储存系统在功能上连接，该装置要被提供以第一电池气体和第二电池气体中的一种或多种；和
-控制系统(“控制器”)，其设置成控制水性液体控制系统、储存系统、压力系统和充电控制单元中的一种或多种(特别是全部)。
如目前要求保护的将电池和电解槽结合在同一装置中的主要优势有许多。
例如，在Ni-Fe电池的操作中正常应用的过电位和水裂解被视作是损耗因子。在此，在电解过程中该能量得以利用，导致总体效率更高。要求将电池充电和水裂解的过程中消散的热用于产生氢和氧。该要求的热是由于当将液体水裂解成H2和O2时熵增加产生的。熵的增加dS对应于使反应继续、接下来提供吉布斯自由能dG所要求的热TdS的量。因此，系统提供的能量总计等于dG+TdS＝dH，其中dG作为电力，TdS作为热提供。
而且，铁电极化学还原成Fe金属的过程中发生氢的产生，在此之后还继续所需一的段时间。似乎电池功能可逆操作更好，仅有当像这样过充电时达到其全容量。但是原始Ni-Fe电池没有充电到这样满，因为当时能量效率由于过电位的发生和析气而很低，而且电解质也需要再充填。在此是有意为之的(这时每个周期有充分的电力供应)，这实际上似乎增加了电池电解槽的寿命。允许并有意进行这样的过度充电使得电力电子学也相对地简单；对于正常的电池系统，在单个电池的水平上的过度充电是被阻止的，使得电池单元的管理更加苛刻。
另外，出于电池的功能性，要求有很大数量和体积的电池单元来达到高容量的能量储存(许多kWh或MWh或再更大)。这自动地导致电极组件内部的活性表面积很大，其有利于电解的功能性。
而且，对于电解槽，可以使用表面积更大、粗糙或多孔的Ni基电极，以在不太高的过电位下达到高电流密度。实际上，这样的多孔或粗糙表面积将会小于在用于电储存的含有较大量Ni的电池中的可能者。另外，在常规的碱性电解槽中仍包括有贵金属作为催化剂，但在电池电解槽中不必要。
电池电解槽的另一优势在于，其可以在应用于液体电解质的压力下产生氢和氧。这就意味着通过水加压的低能量要求和小的电过电位可以直接产生高压氢。注意到这种电化学制氢的效率显著高于机械氢气压缩。
电极的电流密度范围可以是电极几何表面积的0.001至10A/cm2，或者更常见的0.1-2A/cm2。进一步注意到，对于电池电解槽，达到的电流密度对于典型的电池充电来说是很高的，因为对于0.2和2A/cm2的电流而言电极(的尺寸标注)(使得其)分别在～10或～1小时内变得完全充满。对于如在电解槽中所用的高达400mA/cm2或者高达2000mA/cm2的更高的电流密度，电解槽(battolyser)可以具有厚度更大的正极和负极，即，电极表面的储存容量高达例如800或4000mAh/cm2。大约5小时的完全充电期间与用来自太阳能的电进行日间充电相当，仍留出多几个小时用于产生氢。由于电池电极中可得到的大的活性表面积，在这样的电流密度下用于电解的过电位保持很低。这导致能量效率更高(典型的电解槽在2.0V下操作，在产生氢时，本文定义的电池-电解槽在1.48-2.0V范围内操作)。要求剩余的过电位生成氢和氧。
另外，在基于Fe的负极或基于Ni的正极中不需要有贵金属如Pt/Ru(成本降低)。然而，如果需要的话，可以应用贵金属。
而且，电池和电解槽装置具有在储存能量方面很灵活的优势。当电池充满时，仍有更多的能量可以储存在气体中。在太阳能系统中，为了夜间所需的电力应用以及将多余的电力储存为气体(例如为了之后在冬季的利用)，明显可以适当地将电池制作成指定尺寸。对于电网来说，存在有电池电解槽的优势在于，现在既具有迅速响应的槽，又具有可用的电流源。当太阳能和风电的产生有变化时，当发电太多或太少时电网的稳定性要求在电力吸收和输出方面灵活的优点。该装置由于具有电池功能性，从电力吸收到输出电力的切换时间特别地短。
再者，双用途装置经济上的优势在于，其应用的时间填充因子(time fillingfactor)可以非常高：电池可以昼(充电)夜(放电)工作，并且当完全充电时，装置不空转，因为它(仍然)生成氢和氧。对于依赖可再生资源运行的电解槽来说，总是有计算上的瓶颈：它们实际上要使用多少小时，因为通常在转化成氢之前首先以有关的效率损失对电池进行充电，仅在此后切换至电解槽。在常规的Ni-Fe电池中，每Ni(OH)2重量储存的电荷受到理论最大值289mAh/克的限制，而在电池电解槽中，数倍于此的电荷可以作为氢储存，降低了每储存的能量单位的总成本。
最后，将电池转化成电池电解槽增加的成本不会很高，因为电极材料毕竟一直都存在。压力系统和隔板/隔膜将会存在额外的成本，但小于当分别建立电池和电解槽时。系统还可以要求一套动力电子设备而不是两套，其可以连续使用。
如上所示，能量装置具有电能储存功能性和电解功能性。因此，该装置是电池和电解槽的组合。通过对电池进行充电，电池使用就绪，并进一步产生氢。即使当电池充满时，氢的产生仍可以继续。这提供了充电的电池和氢，该产生可以在例如当不发生能量或者装置的能量载体的消耗时发生。术语“能量”特别地涉及电能。术语“能量载体”具体地涉及氢气(H2)，其可以用作燃料，例如，用于直接推进发动机，但其也可以间接使用，例如，在燃料电池中用于发电。因此，该装置特别地可以用作电和/或氢(和/或O2)用车辆充电桩(另参见下文)。
该装置可以包括功能单元。但是，在一能量装置的实施方式中，装置也可以包括多个功能单元。两个或更多个功能单元可以串联排列(电子地)，例如，以增加电压差。但是，两个或更多个功能单元还可以并行排列，例如，以增加电流。而且，当具有两个或更多个功能单元时，也可以应用串联排列和并行排列的组合。
特别地，功能单元包括第一电池和第二电池，上述第一电池包括第一电池电极和用于第一电池水性液体及用于第一电池气体的一个或多个第一电池开口，其中第一电极特别地包括基于铁的电极，上述第二电池包括第二电池电极和用于第二电池水性液体及用于第二电池气体的一个或多个第二电池开口，其中第二电极特别地包括基于镍的电极。
每个电池至少包括用于引入各个水性液体的开口。所用的水性液体特别地是碱性水性液体，例如包括KOH、LiOH和NaOH中的一种或多种。特别地，OH-的浓度为至少3mol/l。特别地，水中氢氧根(具体为KOH、NaOH和LiOH中的一种或多种)的浓度在4.5-8.4mol/L范围内(对于KOH为25-47wt％)。因此，这些开口可以分别设置为加有水的再循环电解质的入口，以保持选定的KOH、LiOH和/或NaOH的浓度。
电池中的第一电池水性溶液和第二电池水性溶液特别地是碱性的，例如，至少0.1mmol/l OH，特别地为至少3mol/l OH，再更特别地为至少3mol/l OH，例如，至少大约6mol/l OH。电池中的液体可以补充有来自水性液体控制系统的液体。新鲜的水可以不必要是碱性的，因为电池中的碱基本上可以是未有效使用的。“电池水性液体”也可以称作电解液。
而且，每个电池还可以包括其他开口，特别是设置用于除去水性液体和/或用于除去气体。二者均可以从相同开口中泄露出去。第一电池气体特别地包括H2气；第二电池气体特别地包括O2。电池中的水性液体和电池气体均可以从相同开口泄露出去。可选地或额外地，可以使用两个或更多个开口，例如，一个用于除去水性液体，一个用于除去气体。
由于每个电池具有两个开口，水性液体可以流过每个电池，其中该流体有助于气体去除、必要时的冷却(或加热)和水的再充填。取决于每cm2电极表面积所应用的电流，流体(以体积/面积/时间计)可以在例如大约0.3μ1/cm2/h-3.5ml/cm2/h范围内(前一值大约对应于数值0.001A/cm2，后一值大约对应于数值10A/cm2；参见本文别处)。
进而，每个电池包括电极。
第一电池包括第一电极，其特别地包括基于铁的电极。基于铁的电极可以在充电状态下基本上包括Fe(金属)，在放电状态下基本上包括Fe(OH)2，如在爱迪生Ni-Fe电池的情形中那样。
基于铁的电极特别地遵照以下方法制造。首先将铁溶解在稀H2SO4中，产生硫酸亚铁。将后者通过再结晶提纯，并在1070-1120K下烘烤。将烘烤过的物质用水彻底洗涤，然后干燥。将干燥过的材料用氢在1020-1070K下处理进行化学还原，并再次在970-1070K下进行部分氧化。后一过程产生铁粉和四氧化三铁的混合物。将混合物与额外的试剂(Cu、FeS、HgO等)混合，并置于由镀镍的穿孔钢片制成的袋中。将该袋在合适的镀镍钢板之上固定，形成负极。因此，特别地，使用由镀Ni的钢制成的穿孔袋，如Chakkaravarthy等人在Journal ofPower Sources,35(1991)21-35中所述制造基于铁的电极，在此将其并入作为参考。活性铁材料可以进一步通过烧结来结合，或者可以可选地通过PTFE或聚乙烯结合。可选地或额外地，第一电极包括导电添加剂，例如碳或Ni。与常提到的Ni-Fe电池不同，不使用例如硫化物(FeS、硫化铋、HgO等)或其他抑制制氢的添加剂，或者可选地浓度降低，因为在电池电解槽中制氢是要在降低的过电位下发生。降低制氢过电势的添加剂还可以是少量质量百分含量的以下成分：与Fe共沉积的Ni-Mo-Zn，或可选地，Ni-S-Co、Ti2Ni、掺杂氮的石墨烯、Ni-Mo-N、Ni(OH)2纳米颗粒、Ni-Cr、纳米晶体Ni5P4、Ru、RuO2、AgNi或贵金属元素Pd、Pt等。通过将例如NaCl加入到电极中，压缩，然后滤去NaCl以引入多孔性，可以在压缩电极的过程中保持电极的多孔性。在其袋中总的电极厚度为2-5mm，更具体地为大约3.5mm。术语“第一电极”也可以指多个第一电极。
第二电池包括第二电极，其特别地包括基于镍的电极。基于镍的电极可以在充电状态下基本上包括NiOOH，在放电状态下基本上包括Ni(OH)2。
基于镍的电极特别地也以如Journal of Power Sources中对于烧结多孔Ni(OH)2电极所述的方式制造，在此将其并入作为参考。烧结电极目的在于很高至极高的负载。将羰基镍粉双向嵌入在合适的基质上，在大约1120K下在还原性气氛下烧结，以产生多孔基体。基质可以是以下材料之一：镍网或镀镍低碳钢网，穿孔镍箔，或镀镍、穿孔的低碳钢箔，镍-纤维毡或镀镍钢-纤维毡。羰基镍粉末的双向嵌入在烧结之前使用石墨模具在干燥条件下进行。该过程称作“干粉烧结”或“松装烧结”。另一种方法是“湿浆烧结”，其中使用稠度适当的镍粉浆料。通过这些方法产生一定厚度的稳定镀层和80-90％的孔隙率。通过真空浸注或通过电化学方法，将氢氧化镍和氢氧化钴掺入到镍基板的孔中。可选地或额外地，与常规的Ni-Fe电池相比较，第二电池不包括Co添加剂，或者量减少；对于Ni-Fe电极，常在Ni(OH)2电极中加入Co，以降低平衡电位和制氧，而在此不要求这种抑制。可选地或额外地，第二电极包括导电添加剂，例如碳或Ni。术语“第二电极”还可以涉及多个第二电极。进而，可以加入紧邻来自电极的NiOOH的制氧催化剂，以降低制氧用过电位。这些可以是低重量百分含量的尖晶石型Co3O4或尖晶石型NiCo2O4或Ni和La掺杂的CO3O4、Li掺杂的CO3O4、La0.5Sr0.5CoO3、Ni0.2Co0.8LaO3、(Pr0.5Ba0.5)CoO3-x、Ni-Fe氢氧化物例如Ni1-xFex(OH)2或NiO/NiFe2O4。可选地，还可以对Ni(OH)2中的Ni进行多达25％的Al置换，以产生更高的容量和电化学活性，如Journal of Power Sources 203(2012)177-183中所报道。
第一电池和第二电池共享隔板，但被该隔板彼此隔开。因此，液体不会经由隔板从一电池流到另一电池。另外，氢气和/或氧气不会经由隔板从一电池流动到另一电池。但是，隔板对于特定的离子例如OH-离子、中性H2O、一价钠(Na+)、一价锂(Li+)和一价钾(K+)中的至少一种或多种具有透过性。因此，第一电池和第二电池共享隔板，其中隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池传送至另一电池，同时对OH-离子、中性H2O、一价钠(Na+)、一价锂(Li+)和一价钾(K+)中的至少一种或多种特别是全部具有透过性。因此，特别地，隔板可以具有相对高的离子传导性和相对低的离子电阻。例如，在30wt％KOH溶液中离子电阻低于<0.3Q.cm2(30℃下)。隔板可以包括，例如，膜，例如本领域已知的电解膜。膜的例子可以包括，例如，耐碱性聚合物膜和聚合物复合膜，例如，如Zirfon膜(来自Agfa)。例如，这些膜可以由其中嵌入有陶瓷微颗粒(二氧化锆)的聚合物基体组成。该本体可以用由单丝聚苯硫醚(PPS)或聚丙烯(PP)织物制成的网眼织物进行内部增强。其具有大约0.15μm的受控孔径和大约2+/-1巴(超压)的泡点(具体定义为在另一侧存在液体时针对形成泡的膜一侧所要求的气体压力)。通过引入在水和最常见的电解液中完美地可湿的金属氧化物颗粒，这些膜可以是永久性亲水的。这些膜可以在强碱性(直至6M KOH)和高达110℃下均很稳定。孔径可以是，例如，范围大约是0.05-0.3μm，例如大约0.15μm；厚度可以是，例如，范围大约是100-1000μm，例如大约500μm。在隔板和电极之间，可以设置各自的间隔物(spacer)。这些间隔物可以包括开口，所述开口用于传送水性液体并为这些液体提供到各自电极的通路。
通过该方式，提供除本文所示的开口以外基本上闭合的功能单元。对于电连接部，电极可以与同样可从功能单元外部进入的电连接部连接。因此，功能单元可以进一步包括与第一电池电极电连接的第一电连接部和与第二电极电极电连接的第二电连接部。
为了用功能单元进行良好处理，装置可以包括水性液体控制系统、气体储存系统、压力系统、充电控制单元、第一连接件单元、第二连接件单元和控制单元中的一种或多种。而且，额外地，装置可以包括热管理系统和/或热绝缘系统。尤其地，能量装置包括所有这些项。
因此，在一实施方式中，能量装置可以进一步包括水性液体控制系统，其设置成控制第一电池水性液体和第二电池水性液体中的一种或多种引入到功能单元中。这种水性液体控制系统可以包括一个或多个阀门。而且，这种水性液体控制系统可以在工作过程中功能性地与给水管连接。与压力系统(另参见下文)组合，还可以在压力下将水性液体提供至功能单元(另参见下文)。而且，水性液体控制系统可以包括用于腐蚀性物质例如NaOH、LiOH和KOH中的一种或多种特别是至少KOH的储器。水性液体控制系统可以独立地将液体提供至第一电池和第二电池。而且，水性液体控制系统可以包括回送系统，其设置成接收来自第一电池和/或第二电池下游的液体，并再次利用第一液体和/或第二液体的至少一部分。术语“水性液体控制系统”也可以指多个水性液体控制系统。
而且，在一实施方式中，能量装置可以进一步包括储存系统，其设置成储存来自功能单元外部的第一电池气体和第二电池气体中的一种或多种。因此，储存可以在功能单元外部进行。就此而言，装置可以包括设置成储存H2的存储系统和/或设置成储存O2的储存器。至少，装置可以包括设置成储存H2的储器。与压力系统(另见下文)组合，储存系统还可以设置成在压力下储存第一电池气体和第二电池气体中的一种或多种(另参见下文)。术语“储存系统”也可以指多个储存系统。
因此，在一实施方式中，能量装置可以进一步包括压力系统，其设置成控制以下的一种或多种：(a)功能单元中第一电池气体的压力、(b)储存系统中第一电池气体的压力、(c)功能单元中第二电池气体的压力和(d)储存系统中第二电池气体的压力。就此而言，压力系统可以包括泵、阀门等。在一实施方式中，压力系统基本上包括一个或多个阀门。术语“压力系统”也可以指多个压力系统。特别地，当需要对两种或更多种不同类型的流体进行加压时，可以应用两个或更多个独立的压力系统。
在再另一实施方式中，能量装置可以进一步包括充电控制单元，其设置成从外部电源(另参见下文)接收电力，并设置成在至少一部分充电时间期间，以导致第一电池电极和第二电池电极之间的电位差大于1.55V(在18℃下)和1.50V(在40℃下)的电流、即因此实际上至少为1.50V的电流(有时也称作“电流强度”)，将所述电力提供至所述功能单元。从放电状态开始，首先应用电流，以主要地对电池充电；通过应用该电流，在电池大致充满之前，电压在18℃下到达直至1.65V，在40℃下1.55V，即，因此实际上至少为1.55V。达到电池容量之后渐进地产生更多的氢，电压则可以达到直至1.75(18℃下)和1.62V(40℃下)，即因此实际上至少为1.62V。电池功能性充电和电解制气的能量效率通过以下方式计算：电池输出电流的积分乘以其随着放电时间积分的电压加上整个周期充电和(自)放电过程中所产生氢气的量的高热值(HHV)，除以输入电流的积分乘以其随着充电时间的电压。就总的能量效率而言，似乎得到了非常好的结果，即使在对于Ni-Fe充电用于全标准充电的正常电压上限1.65V(在18℃下)或1.55V(在40℃下)(即因此实际上至少为1.55V)以上也运行良好，特别是在远超过Ni和Fe电池电极的额定容量充电/插入电流时。充电控制单元可以包括电子装置，以将高电压转化成所需的电压和/或将AC电压转化成DC电压。特别地，在一能量装置的实施方式中，充电控制单元设置成在至少一部分充电时间期间，以导致第一电池电极和第二电池电极之间的电位差范围选自1.4-1.75V的电流，将所述电力提供至所述功能单元。就电池的电化学可逆性、制气量和总体能量效率而言，应用导致该电压范围内的电池电位的电流得到的结果最好。
对于放电，对于电池当放电持续至优选不低于1.10V的水平时得到的结果最好。任选地与充电控制单元结合的控制系统还可以设置成控制功能单元的放电。放电可以在使用电能的工业对象或车辆等上进行。但是，可选地或额外地，功能单元也可以放电至电网。
而且，充电控制单元可以设置成在至少一部分充电时间期间，以与表达成Ah除以2h最小值(即C/时间，时间>2h)的额定电池容量C相对应的电流，将所述电力提供至所述功能单元。这样应用的电流可以导致第一电池电极和第二电池电极之间的电位差大于1.37V，但特别地最大不超过2.0V。
如上所示，装置可以进一步包括热绝缘部，特别地，其设置成使来自功能单元的热能损失保持在很低。而且，装置可以包括热管理系统，其设置成将单元的温度保持在等于或低于预定的最高温度，例如，等于或低于95℃。因此，在一实施方式中，特别是对于大系统(例如10kW或更高)而言，监控电池的温度，当温度升高到高于设定限60℃时，可以降低应用的充电和放电电流。热管理系统可以至少部分地(即，就控制而言)包括在控制系统之内。而且，热绝缘部可以包括在热管理系统之内。
如上所示，能量装置可以包括多个在点学上串联或并联设置的功能元件，例如，以增加电位差(串联)和/或可以提供的电荷(并行)。
在一实施方式中，能量装置可以进一步包括第一连接单元，其用于将接收器和电连接部在功能上偶联，该接收器要被提供以电力。装置的例子可以是汽车(另参见下文)。因此，特别地，装置可以包括可以与该装置连接的(电)插头或插座，因此特别地，其可以包括插座或插头。特别地，第一连接部可以设置成将电力从装置传送至接收器，例如外部装置，如该装置的电池，或者传送至电网。术语“第一连接单元”还可以指多个第一连接单元。
在一实施方式中，能量装置可以进一步包括第二连接单元，其用于将一装置与所述储存系统在功能上连接，该装置要被提供以第一电池气体和第二电池气体中的一种或多种。因此，特别地，装置可以包括可以与该装置连接的(氢气)插头或插座，因此特别地，其可以包括插座或插头。特别地，第二连接部可以设置成将氢气从储存器传送至接收器，例如外部装置，如该装置的储氢单元，或者传送至供气网。术语“第二连接单元”还可以指多个第二连接单元。注意到用于气体的接收器不必要与用于电的接收器相同。
另外，在一实施方式中，能量装置可以进一步包括控制系统，其设置成控制水性液体控制系统(如果可用)、储存系统(如果可用)、压力系统(如果可用)和充电控制单元(如果可用)中的一种或多种。特别地，控制系统设置成控制装置和单独的元件，特别是水性液体控制系统、储存系统、压力系统和充电控制单元。通过该方式，可以在最大效率下对充电和电解过程进行最优化，其中，例如，其取决于来自外部电源的电力的可用性和电力和/或氢气的消耗。因此，在能量装置的具体实施方式中，控制系统设置成随着功能单元的充电状态和来自外部电源的电力的可用性来控制充电控制单元。再进一步，控制系统设置成随着功能单元的充电状态、气体储存的状态(满或还可充)和来自外部电源的电力的可用性来控制充电控制单元。任选地，充电控制单元还可以设置成将电力反馈回电网。特别地，控制系统可以设置成随着来自一个或多个客户端(例如本文所示的设备)的电力需求和/或气体需求和/或(电网中)电力的可用性来控制能量装置的工作条件。因此，其中，控制系统可以随着外部需求的存在和/或外部需求的类型(H2和/或电力)控制温度、液体流动、电位差、电压信号等中的一种或多种。
电解槽-电池中重要的成本决定因素是镍金属的含量(镍远贵于铁)。出于该原因，在一实施方式中，就基于活性铁的电极的额定容量而言，Ni(OH)2材料的量可以显著降低。因此，在反应Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-中可提供的基于Ni的阴极的容量可以是基于Fe的电极的例如50％或者甚至仅10％。因此，在一实施方式中，基于镍的电极的容量在基于铁的电极容量的80-10％的范围内。结果是在充电过程中，制O2开始得更早，而在负极处反应Fe(OH)2+4e-→Fe+4OH-仍继续产生Fe。电位则更早地增加至更高的输入电位，产生更多的氧。当在Ni电极处既发生正常反应NiOOH+H+e-→Ni(OH)2，也另外在NiOOH/Ni(OH)2表面处发生氧还原反应O2+2H2O+4e-→4OH-时，在放电过程中收集氧用于后续利用。由于还原分子O2要求的氧化还原势和过电位更低，该反应在一定程度上低于单独的NiOOH+H+e-→Ni(OH)2反应的电位下发生。通过该方式，电极中Ni的量可能较低，其代价是能量效率一定程度上整体降低。在形成过量Fe之后，在Fe(OH)耗尽之后是氢的产生，但另外经由还存在的连续“自放电反应”Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2。因此，Ni(OH)2量的选择可以是材料成本相对于能量效率的经济上的考虑。在Ni(OH)2和Fe(OH)2中储存电荷的理论容量分别为289mAh/g和596mAh/g。因此，在一能量装置的实施方式中，第一电极的第一容量取决于基于铁的电极材料的活性质量，第二电极的第二容量取决于基于镍的电极材料的活性质量，其中镍电极中的第二容量小于基于铁的电极中的第一容量的90％，而在具体的实施方式中，其余容量来源于在基于镍的电极处氧还原成水。
另外，在另一方面，本发明还提供一种包括本文所定义的能量装置的系统。该系统可以进一步包括电源，特别是电力电源。因此，一实施方式包括能源系统，其包括本文所定义的能量装置和外部(电力)电源。电源可以用于对功能装置进行充电(即，对电池充电)。装置可以在功能上与干线连接。但是，装置也可以在功能上与当地的电力发电机连接。例如，产生生物质的设备或者收集生物质的地点，可以包括用于将生物质转化成可以用于使装置运转的电力的设备。类似地，当地的风力发电机，或者当地的多个风力发电机，或者当地的光伏发电机或当地的多个光伏发电及，或者当地的水轮机，或者当地的多个水轮机，均可以用于为装置提供电力。当然，这些外部电源也可以集成在电力基础设施中，其可以包括各种可再生的和传统的发电设备。因此，在一实施方式中，外部电源包括光伏电池、风力发电机和水轮机中的一种或多种。因此，能量装置可以包括电网、H2供气网和O2供气网中的一种或多种。
术语“能量装置”还可以指多个能量装置。因此，在一实施方式中，能源系统可以包括多个能量装置和多个外部电源。这些能量装置和外部电源在功能上相关联，例如，经由电网关联。例如，在一实施方式中，能量装置沿着高速公路和公路彼此远离地排布。能源系统可以进一步包括电网。特别地，外部能源可以在功能上与该电网偶联。另外，工业区、住宅等也可以在功能上与该电网偶联。因此，在一实施方式中，能源系统可以包括多个能量装置和多个外部电源和电网。
而且，在另一方面，本发明还提供一种用单个电池电解槽储存电能和氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种的方法。特别地，本发明还提供一种用本文所定义的能量装置储存电能和氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种的方法，该方法包括：将第一电池水性液体、第一电池水性液体和来自外部电源的电力提供至功能单元，从而提供充电功能单元和一种或多种储存有氢和氧的所述储存系统，其中在至少一部分充电时间期间内，以特别地大于1.37V、再更特别地至少1.55V的第一电池电极和第二电池电极之间的电位差对功能单元进行充电。甚至更特别地，在至少一部分充电时间期间内，选择导致第一电池电极和第二电池电极之间的电位差选自1.50-2.0V、例如1.55-1.75V、如至少1.6V的范围内的电流。而且，特别地，电流密度可以选自0.001-10A/cm2。
因此，在一实施方式中，在至少一部分充电时间期间内选择导致第一电池电极和第二电池电极之间的电位差选自1.50-2.0V、例如1.55-1.75V、如至少1.6V范围内的电流。而且，特别地，电流密度可以选自0.001-10A/cm2，例如0.001-2A/cm2的范围。因此，在一实施方式中，充电控制单元设置成在至少一部分充电时间期间内，以选自1.6-2.0V范围内的第一电池电极和第二电池电极之间的电位差，以选自0.001-10A/cm2范围内的电流密度，将所述电力提供至所述功能单元。在此，面积是指电极的外部面积，这是本领域已知的。例如，具有1cm2面积的镍材料或铁材料的电极的外部面积为1cm2，尽管事实是镍材料或铁材料的表面积非常高。因此，使用术语“外部”面积。特别地，外部面积仅由穿孔金属袋的外部表面定义。在此，代替术语“外部面积”，也可以应用术语“几何表面积”。电极材料内部具体地是纳米结构的，因此可以具有大的表面积，例如，在m2/g的范围内，但是在此，特别地是指横断面积(与电极平面平行的横截面)。特别地，所有电流均应通过隔板，因此其也可以用作定义；其与各个金属袋的外部形状(即各个电极的表面)具有大约相同的表面积。
在再另一个实施方式中，该方法可以包括将第一电池中的第一压力和第二电池中的第二压力保持在至少200巴的压力下，例如，200-800巴的范围内。而且，该方法可以包括将储存器中的压力保持在1巴以上，例如，在至多800巴，特别是200-800巴的范围内。如上所示，第一电池和第二电池的压力可以彼此独立地控制。类似地，如果需要时，当储存H2和O2二者时，储器中H2和O2的压力可以独立地控制。
在充电过程中，特别地，将功能单元的温度特别保持在-10-+60℃的温度范围下，或者更特别地在至少10℃的温度下。就此而言，能量装置还可以包括温度控制单元。特别地，该控制单元可以设置成通过在温度升高到设定限以上时降低应用的电流来限制功能元件的温度。而且，装置、特别是功能单元可以包括绝热部。
实施方式中的能量装置和/或能源系统具体地可以用于将电力、氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种提供至设备。例如，这样的设备可以是电池(用于电力)，或者包括该电池的设备，例如汽车。这样的设备也可以是储氢单元或者包括该储氢单元的设备。而且，这样的设备可以是在生产过程中使用氧的装置。因此，在一实施方式中，能量装置和/或能源系统用于将电力、氢(H2)中的一种或多种提供至包括发动机的机动车辆，上述发动机从氢来源和电能源中的一种或多种获取其推动能量。车辆可以是，例如，需要氢、电力或者二者的汽车。但是，在其他实施方式中，设备可以包括在工业对象中，例如，在制造过程中使用氧和/或氢的装置(化学氢化、合成氨、化学还原等)。这些工业对象具体地设置成利用电力、氧和氢中的一种或多种。
能量装置和/或能源系统还具体地用于在电池功能中以及在氢中储存电。这样，其还可以用于从例如变化的可再生电源吸收电力，并将存储的能量作为电或氢提供给后续产生的需求。
因此，其中，本发明提供一种用能量装置存储变化的或间歇的电能，以及氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种的方法，该方法包括：将第一电池水性液体、第二电池水性液体和来自外部电源的电力提供至功能单元，从而在所述储存系统中提供充电功能电池单元，和氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种，其中在至少一部分充电时间期间内，以大于1.37V的第一电池电极和第二电池电极之间的电位差对功能单元进行充电。
附图说明
现将参考附图仅通过实施例的方式对本发明的实施方式进行说明，在附图中，相应的附图标记指示相应的部件，其中：
图1a-1e示意性地说明了本发明的一些方面；
图2a-2b说明一些实验结果；和
图3a-3d说明一些进一步的实验结果。
图4：
顶部(I)：在持续时间增加时在恒定的电流充电插入过程中观察到的电位，之后完全放电至1.1V；曲线a说明在x轴上所示时间(天)期间应用的电流导致的电压(左y轴)；曲线b说明随时间(天)(x轴相同)以充电速率C/5和放电速率C/10应用的电流(右轴)；
中间(II)：产生的归一化的制氢和制氧；曲线c表示氧(O2)；曲线d表示氢(H2)；“GP”(y轴)表示随着时间(天)(x轴)的归一化的气体产生；
底部(III)：热绝缘的电池随着时间(天)(x轴)以℃为单位的温度(T)发展；
最下(IV)电池和H2产生(表示成产生H2要求的电荷的量)中电荷的电池电解槽利用除以额定电池放电容量C＝10Ah(在T＝30℃的恒定温度下测量)；CU/CB表示电荷利用除以额定电池放电容量；CI/CB表示电荷插入除以额定电池放电容量；曲线a表示电池电荷+H2产率；曲线b表示H2产率；曲线c表示电池电荷；附图标记d表示灵活的H2产生；附图标记e表示额定电池电荷容量；
图5：
顶部(I)：电池-水解槽电池许多个循环的测试，x轴是循环数(CN)。循环从完全放电到完全放电计，其间有多个完全或部分(过充/放)电程序；y轴表示电荷除以额定电池放电容量CC/CB；曲线a是用于电解的电荷，曲线b表示随后从电池放电的插入的电荷，曲线c表示总的插入电荷除以额定电池放电容量；
中间(II)：作为部分电池加上制氢效率(另参见下文)的总体能量效率(x轴上是循环数(CN))。取决于电荷插入量，H2的产生范围比电池充电从高得多到低得多。一致地，总体效率总计在80-90％以上；曲线d显示总体效率；曲线e显示部分电池效率，曲线f显示部分电解槽效率；PE/OE表示部分和总体效率。
底部(III)：电池充电和电解中累积的插入电荷和击穿(breakdown)，以及累积的H2O质量，以补充相对于电池容量表达的电解液，x轴是循环数(CN)；y轴表示不同循环合计的CC/CB累积电荷除以额定电池放电容量；曲线g表示累积的插入电荷，曲线h表示来自电池的累积放电，曲线i(在略高于大约150的循环数)和j分别表示以电荷当量表达的加入的H2O质量和以电荷当量表达的水解产率；
图6a(x轴是以小时计的时间)：
顶部(I)：间歇的充电、放电和休息步骤顺序，其说明电流插入、然后是间歇的电流撤回、休息和电解制气的切换能力；y轴是电压(左)和电流(A)(右)，曲线a表示电压，曲线b表示电流；
中间(II)：测量的归一化的氢和氧的收率，曲线c表示氧的产生，曲线d表示氢的产生，y轴是归一化的气体产生(GP)；
底部(III)：来自由于欧姆电阻引起的剩余过电位损失的瞬时加热之后热绝缘电池的温度(T，以℃计)，曲线e表示温度曲线。
图6b：若干温度下电解电位(y轴是电压(V))对所应用电流(x轴)的依赖。总的外部电极表面积为216cm2。在所用的电流密度下(至多20mA/cm2)，Zirfon气体隔离隔膜在低的T下导致小的额外过电位以及高达3％的效率降低。在较高的T下，离子电阻降低，使这种损失减少。
图7a：在不同的充电速率下充电至6C；以C/10速率放电；测试时间以小时(h)计，y轴上的电压以伏特计；
图7b：充电电极的循环，充电速率C/3.33，放电速率C/10。0.9C的部分充电插入(11次)之后是0.4C的放电(10次)；0.9C的0.4C用于对电池剩余部分充电，0.5C用于电解；测试时间以小时(h)计，电压以伏特计(y轴)；
图7c：充电电极处的切换测试：前5小时以C/3.33的速率充电，然后切换：顺序A-E：A：以恒定速率C/3.33充电30分钟；B：5个充电5分钟、然后放电1分钟的循环；C：充电2.5分钟，然后放电30秒；D：充电50秒，然后放电10秒；E：充电25秒，然后放电5秒；对于B-E：充电速率C/2.5，放电速率C/5，平均速率C/3.33；程序A-E之间有1分钟休息；测试时间以小时(h)计(插入的小图以分钟计)，电压以伏特计(y轴)；
图7d：连续快速切换测试，1000个50秒电荷插入(C/2.5)和10秒电荷撤回(C/5)的循环，通过最终放电完成；测试时间以小时(h)计(插入的小图以分钟计，电压以伏特计(y轴)。
示意图并非必然是成比例的。
具体实施方式
图la示意性地说明了功能单元2的一个实施方式的一些方面。更多的细节显示于图1b的实施方式中。图1a(和1b)示意性地显示了包括以下的功能单元2：第一电池100、第二电池200和隔板30。第一电池100包括第一电池电极120。特别地，第一电极120包括基于铁的电极。第二电池200包括第二电池电极220。第二电极220特别地包括基于镍的电极。而且，第一电极100和第二电极200共享隔板30。隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池输送至另一电池，同时对OH-、一价钠离子(Na+)、一价锂离子(Li+)和一价钾离子(K+)中的至少一种或多种具有透过性。如上所示，隔板30特别地包括膜。而且，隔板30和电极120和220可以用间隔物隔开，如附图标记23所示。该间隔物可以设置成在电极和隔板之间提供间距，但另外允许基于水的电解液在电极的隔板侧与电极接触。因此，第一和第二电池水性液体11/12可以在各个电极120、220的两侧通过。
隔板30和各个电极120、220可以基本上具有相同的表面积，即外部表面积，因此可以形成堆叠体(特别是，在其间具有间隔物)。因此，电极和隔板可以基本上具有相同的高度(如在此所示)和相同的宽度(在此为垂直于图平面的平面)。
特别地，功能单元2是基本上被压力安全壳完全封闭的集成单元。如下文另外进一步所述，功能单元可以包括多个第一电池和第二电池。
在充电过程中，在第一电极120处发生以下反应：Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-(-0.877Vvs.SHE)，然后是2H2O+2e-→H2+OH-(-0.83vs.SHE)。因此，当电池充电时，Fe可以充当形成H2的催化剂。而且，在充电过程中，在第二电极220处，可以发生以下反应：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-(+0.49V vs.SHE)，然后是4OH-→O2+2H2O+4e-(0.40vs.SHE)。当电池充电时，NiOOH充当制O2催化剂，相对于制O2平衡电位具有一定的过电位。
图1a显示电解反应。当箭头逆转时，指放电反应。因此，开放电池电位(用于放电)为1.37V。电解的平衡电位是1.23V；但是，为了具有显著的制O2和制H2，相对于平衡电位要求有过电位。此外，用于裂解水的热中和电位是1.48V，其也考虑到了如果在电解过程中仅从应用的电位产生所需的热。但是，在本发明中，热也可获得自提供一些额外的热的电池充电的过电位。实际上，在电解过程中，电位升高到至少1.55-1.75V。因此，来自过电位的热可用于电解。值得注意的事实是，虽然电位能级与制H2和制O2的电位非常接近，但是电池可以首先进行充电。
图1b示意性地描述了具有电能储存功能和电解功能的能量装置1的实施方式。系统1包括功能单元2(另参见上文)。第一电池100包括第一电池电极120和一个或多个用于第一电池水性液体11及用于第一电池气体12的第一电池开口110。第二电池200包括第二电池电极220和一个或多个用于第二电池水性液体21及用于第二电池气体22的第二电池开口210，其中第二电极220包括基于镍的电极。
而且，描述了与第一电池电极120电连接的第一电连接部51，以及与第二电池电极220电连接的第二电连接部52。这些可以用于提供电极120/220与单元2外部的电接触。
能量装置1进一步包括水性液体控制系统60，其设置成控制第一电池水性液体11和第二电池水性液体21中的一种或多种引入到功能单元2中。通过例举的方式，液体控制系统60包括第一液体控制系统60a和第二液体控制系统60b。前者与第一电池100的第一入口110a功能上连接；后者与第二电池200的第一入口210a功能上连接。水性液体控制系统60可以包括水性液体的再循环(并另外提供新鲜的水性液体(具体未示出))。
再者，装置1包括储存系统70，其设置成储存所述功能单元2外部的第一电池气体12和第二电池气体22中的一种或多种。作为例子，储存器包括第一储存器70a和第二储存器70b。前者与第一电池100的第一出口110b功能上连接；后者与第二电池200的第一出口210b功能上连接。注意到，例如，仅第一储存器70a可以是可用的，即，用于氢气的储器。储存器上游和/或第一电池100或第二电池200下游气体和液体之间的分离可以用本领域已知的H2阀和/或H2O干燥器和O2脱氧剂进行，或者可以分别用O2阀和/或H2O/H2冷凝器进行。
能量装置1进一步包括压力系统300，其设置成控制以下中的一种或多种：a功能单元2中第一电池气体12的压力、b储存系统70中第一电池气体12的压力、c功能单元2中第二电池气体22的压力和d储存系统70中第二电池气体22的压力。例如，压力系统可以包括例如不同的压力系统，其可以彼此独立，或者可以连接。通过举例的方式说明了第一压力系统300a，特别地，其设置成在压力下将第一液体11和第二液体21中的一种或多种分别提供至第一电池100和第二电池200。而且，另一压力系统300b可以设置成控制用于第一气体12的储器的压力。而且，另一压力系统300c可以设置成控制用于第二气体22的储器的压力。而且，压力系统300可以设置成控制第一电池100和/或第二电池200中的压力。就此而言，压力系统可以包括一个或多个泵、一个或多个阀门等。
而且，该实施方式中的装置还可以包括充电控制单元400，其设置成从外部电源(附图标记910，另参见下文)接收电力，并设置成在至少一部分充电时间期间内，以在第一电池充电期间特别地大于1.37V的第一电池电极120和第二电池电极220之间的电位差，以及当电池已经充满时在电解期间以大于1.48V且至多2.0V的上述电位差，将所述电力提供至所述功能单元2。
另外示意性地描述了第一连接单元510，其用于将要提供以电力的设备930和电连接部51、52在功能上偶联，以及第二连接单元520，其用于将要提供以第一电池气体12和第二电池气体22中的一种或多种的装置与所述储存系统70在功能上连接。在此，实际上描述了两个第二连接部520，与第一储器70a在功能上连接的第一第二连接部520a和与第二储器70b在功能上连接的第二第二连接部520b。
装置可以通过控制系统80进行控制，其特别地设置成控制水性液体控制系统60、储存系统70、压力系统300和充电控制单元400中的至少一种，尤其是其全部。
图1b另外示意性地描述了包括能量装置1和外部电源910的能量系统5的实施方式，在此以举例的方式，外部电源910包括风力发电机和光伏发电源。装置1或能量系统5可以用于将电力、氢(H2)中的一种或多种提供至设备930，例如机动车辆，机动车辆包括从氢来源和电能源中的一种或多种获取其推动能量的发动机。可选地或额外地，装置1或能量系统5可以由包括该设备930的工业对象940使用。在此以举例的方式，工业对象使用O2用于例如化学过程。因此，当然可选地或额外地，第一储器70a还可以与供气网功能上偶联；类似地，第二储器70b可以与供气网功能上偶联。
图1b还说明了水性液体(另参见上文)的回送系统。图1c-1d示意性地描述了其中装置1包括多个并联(1c)或串联(1d)排列的功能单元2的实施方式。另外，可以应用并联和串联排列的组合。参考图1c，其中单元2并联设置，单元2可以设置在包括电解液(即，尤其是包括KOH的水)的单个浴槽中，因此没有隔板4。参考图1d，其中单元2串联设置，引入隔板4是必要的。例如，该隔板4可以包括双极板，例如涂镍的双极板。电解液可以包括，例如，至少5MKOH，例如大约6M KOH。尽管隔板30可以将第一电极100与第二电极200隔开，在实施方式中，电解液可以从第一电池流动至第二电池，或者反之，或者从第一功能单元的第一电池流动至第二功能单元的第二电池，或者反之。
将单元2串联排列的优势在于，电连接部的应用要容易得多。例如，当使用设置在单元间的双极板时，可以仅仅需要具有第一单元2的第一电池100的第一电池电极(未示出)的第一电连接部51，和具有最后一个单元2的第二电池100的第二电池电极(未示出)的第二电连接部52。电流则可以从一(电极来自一个)单元2至另一(电极来自另一个)单元2通过双极板4(参见穿过双极板4的箭头)。串联排列的另一优势在于，比起并联的情形，电池管理更容易，因为在电池之一的全容量以外提供电荷导致的(所需的)H2的产生在一定程度上早于在其他电池中，而没有不利影响。在单个电池的全容量以外放电，可以监控电压下降不要低于1.1V/单个电池，另外可以使O2可用于在基于Ni的电极处在电解质中的还原，例如，通过从电池的底部入水口插入O2，鼓泡，并扩散到电极中。在设备的在先充电期间可以产生O2并将其储存。
多个功能单元可以设置成堆叠体(stack)。特别地，参考串联的堆叠体，可以提供包括[ABACADAE]n的结构，其中A是指电解质和溶解的气体的分布板(例如成型的多孔聚乙烯)，B是指第一电极或第二电极，C是指双极板，例如涂Ni的双极板，D是指第二或第一电极(B≠D)，E是指气体隔膜，并且n是指1或更大的整数。注意到，堆叠体可以同样恰当地定义为[CADAEABA]n或[ADAEABAC]n等。整个堆叠体可以包含在压力安全壳中。
图1e示意性地描述了具有电网3的能源系统5的实施方式，其可以提供变化的电力和/或电力需求。电可以储存，用e-表示，另外可以储存H2和O2中的一种或多种，特别是至少H2可以储存。这可以被例如工业对象940消耗，特别是，其可以使用H2。而且，这可以被例如设备930(例如车辆)消耗，其设置成由H2和电中的一种或多种提供动力。当然，H2和O2中的一种或多种也可以经由(供气)网传输。
如果需要，O2的一部分还可以再引入到功能单元中(在放电过程中)(引入到第二电池中)。
实验部分
建起3个功能单元。这些由以下组成：4个彼此并联电连接的基于Ni(OH)2的电极作为正极，另外在4个Ni电极之间有3个并联电连接的基于Fe(OH)2的电极作为负极。每个电极均由镀镍钢袋中的活性材料制成，上述钢袋具有小的穿孔，以使电解质进入，气体释放。表面积为30mm x 100mm，整个电极厚度为3mm。在Ni和Fe电极之间，存在有Zirfon隔板，以分离产生的气体，并使电极电隔离。接触部的电绝缘使用聚乙烯部件进行。
这三个功能单元中的每一个得到几乎相同的结果。以下在～13Ah电池容量的电池电解槽中实现：
·13Ah电池充电过程中的电位～基本上在1.52V左右(过电位1.52-1.37＝0.15V，效率～1.37/1.52＝0.90)
·13Ah放电过程中的电位：～基本上在1.2V左右(过电位1.37-1.2＝0.17V，效率～1.2/1.37＝0.88)
·电池部分效率＝0.90x 0.88＝0.79.
·10Ah H2产生过程中的电位：1.65V(过电位1.65-1.48＝0.17V，效率～0.90)
·总体效率：(13Ahxl.2+10Ahxl.48)/(13Ahx 1.52V+l0Ah x 1.65V)＝0.838
·(假设储存的H2具有其全HHV＝1.48eV/H原子)
使用Zirfon Perl UTP 500(Agfa)作为隔板。Zirfon Perl UTP 500的特征为：通过掺入在水中完美可湿的金属氧化物颗粒和最常见的电解质，永久性亲水；不需要通过表面活性剂进行亲水化；由于ZrO2的两性特性，在碱性pH下有许多OH-基团；尺寸稳定(没有收缩效应)；非常强健(用织物增强)；在强碱(高达6M KOH)和高达110℃下稳定；离子电阻低，使得能够在高电流密度下进行电解；0.3Ω.cm2(30℃下，在30wt％KOH中)；当用电解质充满时，气体耐压性可以达到200巴；对称的内部孔结构；孔隙度50±10％；双表层的双保险；孔径0,15±0,05μm；厚度500±50μm。
产生的氢(和氧)的量总计为产生H2的过程中损失的水的总重量。这说明没有检测到其他副反应。
图2a显示了使用混合电池-电解槽的5个代表性循环。C/DC曲线表示充电和放电电流(绝对值)(I-曲线，实线)；V-曲线(虚线)显示产生的电压。可以观察到以下结果(从左至右)：前～4个小时：在～1.54至1.65V的电压下将应用的2.5A电流插入到设备中，导致基本上对电池电极进行充电，测量结果表明，在该段仅有～10％的电流转化成氢的产生。从～4-8小时，有氢的产生，同时电压增加至<1.75V。随后，电流以1A的水平逆转，导致电池在～1.4至～1.15V的电压下放电。随后4个循环显示了设备的稳定性及相同的模式。左y轴电压以伏特显示；右y轴电流以安培显示。
图2b显示了具有不同的电池储量与总体电池+氢能储量比例的不同类型循环的过程中，三种不同的Ni-Fe电解槽-电池单元的Ni-Fe电池放电容量和库伦效率(以0-1的量级，或者实际上0.4-0.9)。总体效率是以Wh计的电池放电能量加上产生的氢气的高热值(HHV)除以电池中插入的Wh。电池效率仅考虑电池以Wh计的电输出除以设备中电插入的总Wh。
总体效率定义为产生的氢的高热值中的能量加上电池中储存的电能除以电力的总输入。电池效率由可逆电池容量的平均电输出电位除以从放电状态开始的平均输入电位(因此包括氢的产生)计算。值得注意的是，总体效率达到>80％，高于单独的Ni-Fe电池所达到的(～70％)，因为现在电池充电过程中的氢损失得以捕获。单个碱性电解槽的效率也是大约65-70％，因此在此也发现电解效率更高的优势(因为电池电解槽中要求的电位较低)。示值C1O、C2O和C3O表示电池1-3的总体效率；示值C1B、C2B和C3B表示三种不同电池的电池效率。
在循环33-38期间，仅产生少量的气体；即，因此电池中总计储存较少的电荷输入和相对大部分的电荷。在循环61-67期间，温度为40℃。发现有较高的总体效率。之后5个循环，温度为35℃，之后8个循环，温度为30℃。对于电池效率示为大约20％的循环，电池是充满的，此外，比起电池中有容量时，产生大约4倍更多的H2。
在电池容量完全达到之后，在不同的电池-电解槽应用电流下，测定氢和氧产生的过电位。对于测试电池中0.1A至4A的电流，在要求的电压和电流的10log之间具有线性相关性。斜率对应于在20℃下在电流增加中大约155mV/十年。40℃下实现较低的过电位，因为内部电阻较低，动力学较快，这对应于总体效率进一步增加至～86％。
以不同的充电速率、总的电流量以及另外以每15分钟在充电和放电间切换，在3种不同的电池上进行许多更多的循环。在切换过程中，总体效率也保持在高达81％以上，事实上，由于电池功能性充电和放电的过电位较小(可能是因为电解液中OH-浓度梯度减小)，切换过程中效率略微增加。
图3a显示了若干循环，显示了在20Ah充电过程中的电池电压加上氢的产生(以2.5A电流，灰色线)和18℃下进行的～12.6Ah放电(1A电流)。在同一张图中，另外显示了在40℃下进行的循环，显示了16Ah充电加上氢的产生(电流2.0A)和～12.6A放电(电流1.0A)。
图3b显示了迅速改变充电负载的测试：在15分钟内，以3.5A电流脉冲地插入电荷，交替以1A放电。插入的总电荷：25Ah。随后在大约15分钟期间，在1A输送下完全放电，得到～14.4Ah。其差几乎完全转化成氢(和氧)。注意，与随后的连续放电相比，短脉冲过程中的放电电压保持相对较高；这表明对于充电和放电，这样的切换在很高的电效率下是可能的，同时仍充满电池容量并产生氢。电流以虚线表示，电压以P表示(脉冲：15分钟：4A充电+H2；1A放电)；C表示在1A下连续放电。因此，可以用快速交替的充电/放电周期间歇地对装置进行充电和放电。这也说明，如果需要的话，可以非常迅速的进行从电网取电流或者提供电流给电网。对于这些设备，另外在4A充电、2A放电脉冲下对这种切换能力进行了测试。
图3c显示了在18℃和40℃下在不同的应用电流下在氢产生过程中充电的电池电解槽电池的电池电压(Vc)。在较高的温度下，保持电流要求的电位较低，说明H2产生的过电位较低，效率较高。水裂解的热中和电位为1.48V；在4A和40℃下，电解效率由此可以实现为1.48/1.68＝0.96。
图3d显示的能量效率(EE)定义为氢气中和电池中的总储存能量(TT)除以单个～10Ah电池中的总电能输入。每个循环(C)以充电/制氢电位低于1.75、并放电直至1.1V来进行。差别原因在于与氢的产生相比较电池电荷的水平不同。(加号：总体效率，正方形：电池对所储存能量的贡献，圆形：氢的贡献)。附图标记T表示总的贡献。正方形表示电池的贡献(BC)，圆形表示的H2的贡献(HC)。
因此，本发明用集成的碱性Ni-Fe电池和电解槽(“电池电解槽(battolyser)”)提供电储存。我们已经开发出将Ni-Fe电池的耐久性与碱性电解组合的集成镍-铁电池-电解槽(“电池电解槽”)，而其集成导致效率更高。当充电时，由纳米结构NiOOH和还原Fe组成的电池电极分别充当有效的制氧和制氢催化剂，使得能够远在电池容量以外在不降解的情况下进行电流插入。而且，我们的结果说明，集成的设备具有显著恒定的高效率和快速的电流切换能力。我们预期该结果是用具有接近全时可用性的低成本、基于丰富的元素的自身灵活的装置实现有效、稳健的电网级能量储存解决方案的起点：作为无限可切换的电力储存和氢燃料和原料的制造者。
在可再生能源的未来，可能需要类似的在电池3中以及在氢燃料制造中储存电的日常容量，以在日和季节时间尺度上实现适当的能量储存。我们在此显示，Ni-Fe电池与碱性电解槽的集成导致如图1所示的设备概念。可再生电力的短期变化使用电池得以稳定化，而氢的产生使得能够进行长期的能量储存和“绿色”化工，例如Haber-Bosch(由N2和H2制NH3)、Sabatier(由H2和CO2制CH4)和Fischer-Tropsch(由CO/CO2和H2制烷烃)工艺。
首先，集成的电池电解槽装置基于Jungner和Edison提出的Ni-Fe电池。已知Ni-Fe电池在密集的深度放电和过充过程中具有稳健性，并具有极长的寿命。电池具有负极，其中在充电时还原成Fe：Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-(-0.877V vs SHE)，仅考虑Fe/Fe2+放电平台。正极含有Ni(OH)2，其在充电时释放质子：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-(+0.49V vs SHE)。电池的开路电位(OCV)为1.37V，其高于由水性电解质裂解水要求的最小电位。已知Ni-Fe电池的能量效率较低(～50-70％)7,5，充电速率能力有限，由于这些原因在历史上市场潜力降低。但是，在电池电解槽中，氢成为运行的常规产品，提高了能量效率，并使得能够以更高的过电位实现更高的充电速率，并可以使用(更高的)相关制气。
第二，电池电解槽是基于碱性电解槽；以71％的典型效率在工业规模上产生氢和氧的技术是成熟的，上述效率由产生的氢的高热值(HHV)除以所应用的电能来计算。在正极处发生氧的生成：4OH-→O2(g)+2H2O+4e-(1.23-0.059x pH vs SHE)，在负极处产生氢：2H2O+2e-→H2(g)+2OH-(0.00-0.059x pH vs SHE)。主要的活性组分是基于Ni金属的正极、Ni(或涂有Ni的Fe)负极和气体隔板或隔膜，其间具有碱性电解质。隔膜使氢与氧分隔，同时在电极之间传送OH-。在常规电解槽中，在400mA/cm2电极表面的电流下产生氢，通常要求温度65-150℃，可以将贵金属如Pt或Pt-Ru掺入到负极中，以达到足够高的效率和制造水平。隔膜可以是陶瓷聚合物复合材料，而电解质再次是强碱性KOH溶液。
在电池电解槽中，首次对耐久性Ni-Fe电池电极的材料选择与碱性电解槽清楚的协同作用进行了探讨。对于氢和氧的分离，电池电解槽具有市售的隔膜，如在碱性电解槽中所用的，已知其对离子传送的阻抗低，稳定性高达110℃(Zirfon-Perl-UTP500)。电池电解槽在接近室温下工作，并使用与电池活性物质和表面积匹配的电流，直达到20mA/cm2。这些同样温和的电流在更高的电荷状态下有效使水裂解，无需任何贵金属催化剂，并接近RT。条件温和将意味着所有部件的寿命延长。
因此，在实施方式中，在充电过程中，Ni-Fe电极储存来自电源的电力，并转化电极材料(Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-)和Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-，并在充电时通过裂解水产生氢(2H2O+2e-→H2(g)+2OH-)和氧(4OH-→O2(g)+2H2O+4e-)。隔膜传送OH-，并分隔O2和H2。电池电解槽可以作为槽和来源应用，用于使电网稳定，用于供应电力以及H2作为燃料，以及用于供应H2作为化学原料。
在图4中，对于电荷插入增加的循环，通过电池电解槽提供灵活的储存容量。实际上，增加电流插入的持续时间导致电池电极充电增加，当充满时，电解气体的产生增加。充电插入期间是每次之后电池电极完全放电的时间，显示延长的充电和水裂解之后的电池可逆性。制氢以小速率立刻开始，而没有检测到制氧，直至电荷插入为0.25C(C是10Ah的额定可逆电池放电容量)。可以进一步观察到，在0.75C下制氧赶上并超过制氢。总体上，发生化学计量的制气。在放电过程中，观察到制气快速降低至零。有趣的是，制气在电解过程中不恒定。我们将其归因于装置温度的升高，其促进电解和自放电，二者均导致气体产率增加(以及放电容量降低)。
我们设计了系列测试来模拟具有部分和完全(放电)充电、迅速切换、持续过充并且昼夜不停地循环数月的各种现实情形。结果显示于图5。电池的容量没有受到包括高达6倍于额定容量的过充的许多个循环的破坏，并且也没有受到每个循环结束时的深度放电的破坏。这说明了装置非常强健的性质。在3种独立的电池中进行实验，证明在电池之间是完全可重复的。在10个月的测试期间，电池消耗了823.4g水，其中795.2g(96.6％)预计是由于电解，其余通过经排气阀连同气体释放一起的水的蒸发而损失。在痕量气体分析中没有观察到导致更多重量损失的其他副反应。电池仍以初始的电解质运行，仅加入水，因此不发生电解质的更新。
图5(中间(II))中的重要发现是许多不同类型的循环中能效的总体稳定性在80-90％，还有电池的可逆放电容量的稳定性。这一结果与Ni-Fe电池和碱性电解槽二者非常强健的记录复合，但据我们所知集成的电池-电解槽之前从未有过报道。
电解电位随电流和温度变化的函数显示于图6。较高的温度导致较低的离子电阻和电位，增加了效率。对于高10个因子的电流，电位增加大约140mV；这是与高级碱性电解槽在低电流密度～20mA/cm2下观察到的类似的增加。我们将测试温度限制在40℃，防止铁电极潜在的长期稳定性降低问题。在最低的电流下，电位低于热平衡电位1.48V，但达到Ni-Fe电池的开路电位1.37以上。
作为电池电解槽的进一步运行测试，我们应用了多种迅速变化的充电-放电循环(图6a和图7)。该测试可以模拟作为调峰(peak shaving)电池和电解槽的应用，其经历变化的可再生电力输入(充电/电解峰)，上述输入之间具有当可再生电力短缺时的电力需求(放电峰)。从图6a可以看出，电池的电池和制气功能没有延迟地遵循应用的电流而变化和直接逆转，这与例如常规的电解槽相比较是一种优势。最重要地，充电和放电过程中的平均电位变得更接近，这意味着在这些迅速变化的电流中具有较高的电效率η电池；即，切换没有不利影响，而是具有积极的效果。
耐久性和灵活性的发现非常重要，因为其他类型的电池会被过充和/或深度放电迅速破坏。锂离子电池在过充过程中遭受电解质降解，而镍-金属氢化物和铅-酸电池主要在过充和深度放电过程中遭受有害的腐蚀作用。显著的稳定性与以下事实有关：基于Ni和Fe的电极在其布拜图(Pourbaix diagrams)中热力学稳定的相之间工作。显然，在电解模式期间，在负极处，仅可以将水还原成H2或者使氧化铁(当在深度放电过程中形成时)活化以变成Fe，而在正极处，在放电过程中，任何氧化成NiOOH或过充为γ-NiOOH的Ni(OH)2将很容易返回成Ni(OH)2。在充电(Fe)或放电(Ni(OH)2)过程中这些内在的稳定返回点提高了长期电解运行和深度放电过程中的稳定性。
接下来是着材料和能量效率，集成的长寿命电池和电解槽的相关性可以见于多个经济因素中。集成电池电解槽符合使用可再生电力的优先顺序：首先，直接对其加以利用，第二，将结余短期储存在有效的电池中，第三，在之后发电时以转化损失的代价将其长期储存在氢燃料中。集成电池电解槽将第二步和第三步以优先顺序组合，以这种方式，其优势在于其达到高的容量因子和效率，储存在电池中，产生气体，或传输电力。
在一实施例中，制造集成的电池电解槽或电池-电解槽。电极使用现有技术的膜分隔(Zirfon，来自Agfa；ref Agfa Specialty Products(www.agfa.com)；Vermeiren,P.,Moreels,J.P.,Claes,A.&Beckers,H.Electrode diaphragm electrode assembly foralkaline water electrolysers.International Journal of Hydrogen Energy 34,9305-9315(2009))，该膜在使用的低电流密度范围内离子电阻低，导致电极之间有额外的20-30mV的过电位。有限的电流密度类似地还意味着膜的寿命延长，这是进一步测试的主题。
我们进行了广泛的电荷插入和撤回实验，参见图7。以不同的速率进行6倍于电池容量的恒电流电荷插入，显示了稳定的电解电位(图7a)。充电电极的循环说明了电池的稳定性和子循环的可再现性(图7b)。迅速变化的充电-放电模式是模拟作为调峰电池和电解槽的应用的测试，该应用经历变化的可再生电力输入(充电/电解峰)，当没有可再生电力时上述输入之间有电力需求(放电峰)。从图7c可以看出，电池的电池功能性没有延迟地直接遵循应用的电流，这与例如常规的电解槽相比较是一种优势。电解槽既充当即时响应的电池槽，也充当电流源，同时其在电荷插入过程中产生气体。电荷插入电压如所预计受到电解的限制，但放电电位在较短的放电时间中变得更高；在最短放电和延长的持续放电之间存在高达大约0.25V的增益。例如，在图7c的小图中，电流插入在1.7V下发生，而抽取(extraction)在～1.55V下出现。在这种短的充电/放电周期中这对应～91％的效率，这样无疑有利于例如电网运行目的。另外测试了1000个短循环的连续快速切换(图7d)。所有这些实验均包括在图6中，并对装置的性能没有不利影响。由于循环从完全放电到完全充电计，在循环之间具有不同的完全或部分(过充)放电程序，放电容量可以超过正常的电池放电容量。每次充电和电解以及随后的放电循环的能量效率由以下方程计算：
η总计＝η电池+η电解槽
Vc、Ic是充电和电解循环中应用的电池电压和电流，持续时间tc，Vdc和Idc是放电时间tdc期间的放电电压和电流，Iel是电解的电流(制氢诱导的电池自放电)，能量产率对应于热平衡电位Hel。在RT下Hel等于1.48V，而2eHel等于氢的高热值-286kJ/mol H2。Iel源于电池电解槽中插入的总电流与随后放电过程中积分的电流之间的差：
注意到电解产率还包括(自)放电过程中(如果有的话)的气体产生。自放电相关的，因为可以在图4a中观察到，在大约14h没有电流运行的测试时间期间，或者在15-21小时之间短的等待期间，有一定可见的H2和O2气体产生。由于没有电流运行和检测到的H2和O2，在Fe电极处可能的自放电反应将会是Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2(g)，在Ni电极处为2ΝiΟΟΗ+H2O→2Ni(OH)2+1/2O2(g)。这样的自放电确实在电池电解槽的单独通道中产生气体，其能量含量可以得以利用，即，不像在电池中那样发生损失。这些自放电反应也可以在观察到的在数百次电荷插入、撤回和电解循环期间总的化学计量水裂解(2H2O→2H2+O2)的实现中发挥(次要)作用。在图5中，显示了不同循环的结果，电池、电解槽和总体效率以及电池充电和水解中插入的电荷Cdc,el除以额定电池放电容量。加入的水量与总体水裂解预计的量非常匹配。
在工作过程中使用校正的定量气体分析系统对独立通道的氢和氧进行分析，上述分析系统具有灵敏的Hiden 3F-PIC系列四级杆质谱用于检测。在氢通道中几乎没有任何可检测的O2，而在O2通道中检测到少量的H2。这在电解槽中更常见地观察到。就膜的低离子电阻而言，如果必需的话，可以提供额外的厚度，以增加气体分离质量。
在一实施方式中，在对装置(“电池”)充电并在负极处产生还原的铁之后，水性液体、特别是是至少第一电池中的水性液体，可以至少部分地、再特别是基本上全部从功能单元中除去。这可以防止在负极处经由反应Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2(g)以及2NiOOH+H2O→2Ni(OH)2+l/2O2(g)的自放电。而且，功能单元特别是第一电池可以用惰性气体例如N2充填。因此，在多个实施方式中，水性液体控制系统60还可以设置成从功能单元2中除去第一电池水性液体11和第二电池水相液体21中的一种或多种。而且，水性液体控制系统60还可以设置成将来自功能单元2的第一电池水性液体11和第二电池水性液体21中的一种或多种用惰性气体代替。而且，水相液体控制系统60还可以设置成将来自功能单元2的第一电池和第二电池中的一个或多个的惰性气体分别用第一电池水性液体11和第二电池水性液体21代替。当第一电极特别是包括Fe的电极的活性Fe质量(与以[Ah]表达的电流储存容量成比例)大于第二电极时，特别是活性质量为第二电极活性质量的至少两倍大、例如至少10倍大、甚至至少50倍大、例如甚至多达150倍时，其中例如临时地将电池水相溶液从装置中除去的这些实施方式可能特别具有关联性。
在再另一实施方式中，第一电池水性液体11和第二电池水性液体21中的一种或多种可以进一步包括催化剂，特别是用于由H2和O2生成水的催化剂。这可以解决不能总是通过隔板完全防止的气体交换问题。特别地，第二电池水性液体21可以包括这样的催化剂。合适的催化剂可以是，例如，LaNi5，或等价地，在镍金属氢化物电池中用作阳极的改性LaNi5材料。催化剂可以作为液体排出中的过滤器中的颗粒，或者结合在隔膜上(对于负极区室)，或者结合在分离隔膜上(靠近正极，但没有电接触)。
可选地或额外地，隔板可以包括其中具有液体的中空隔板。例如，可以提供夹层型的膜，在其间电解液可以独立地流动，带走任何交换的H2或O2。这也可以降低可能的气体交换。
特别地，电池电解槽需要将Ni-Fe电池的电流储存密度(mAh/cm3)与碱性电解槽的电流密度(mA/cm2，电极和隔膜表面上)结合。
电荷储存密度由材料的密度决定。能量密度还取决于负极和正极处发生的反应的电位差：
负极：Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-(-0.877V vs SHE) [1]
正极：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-(+0.49V vs SHE) [2]
开路电位＝0.49+0.877＝1.37V
下表显示了电池化学反应导致的电荷储存密度。在表中示出β-Ni(ΟΗ)2，这是氢氧化镍热力学最稳定的形式。电化学循环过程中也可以(部分)形成另一结构α-Ni(ΟΗ)2。这具有较低的密度，并需要一定的空间用于膨胀(实际电极的多孔性使其成为可能)。电极在垂直于隔板的方向上的厚度决定了一定时间内每电极表面单元(以A/cm2计)的电流密度，电流密度是每电池表面单元(以Ah/cm2计)对电池电极容量进行充(放)电所需要的。
Fe(OH)2 β-Ni(OH)2
密度[g/cm3] 3.4 4.10
摩尔质量[g/mol] 89.8597 92.708
电荷储存密度[C/cm3] 7298 4268
电荷储存密度[Ah/cm3] 2.027 1.186
0.8Ah/cm2下的最小电极厚度*：[cm] 0.40 0.68
0.8Ah/cm2下的实际电极厚度**：[cm] 1.1 1.8
Z Ah/cm2下的最小电极厚度***：[cm] 0.40(Z/0.8) 0.68(Z/0.8)
Z Ah/cm2下的实际电极厚度：[cm] 1.1(Z/0.8) 1.8(Z/0.8)
*电极表面800mAh/cm2既满足电池需求(用400mA/cm2的最大电流密度2h充电的所选容量)，又满足电解需求(持续的400mA/cm2，对现有技术的碱性电解槽而言)。在太阳能供电的未来，要求电池中平均1-2h峰电储存，加上在夏季在峰值功率下电解要长2-3倍(白天共计3-8h电荷插入)。夜间放电可以在较低的速率下进行，例如，在6-8h内。**实际上的文献电极密度：37％，即小于理论上的最大值，因此电极是多孔的，并因此变得更厚。“旧式Edison电池”电极的厚度：6mm＝0.6cm。孔隙度可以变化。
***Z值是指以[Ah]计的任意电荷容量。方程涉及电极的厚度。Z的范围可以是0.01(10mAh，非常薄的电池电极)至4(4000mAh，非常厚)，并且如之前所讨论，相比于Ni电极，Fe电极的值可以更大。
基本阳极-阴极-电解质构造的能量储存密度[Wh/cm3]：这是电荷储存密度乘以电极间电位的乘积。在OCV下，“单电池电池能量密度”会是～1.37V x 0.8Ah/(1.1+1.8+0.3cm3)＝0.343Wh/cm3＝343Wh/L。(1.1+1.8+0.3cm3)是实际的阳极、阴极和一些电解质加上隔膜厚度的总和。注意：这对于任何电池都是非常高的体积能量密度，其归功于碱性电池、特别是Fe和Ni电极的体积储存容量高。
本领域技术人员将理解本文中的术语“基本上”，例如“基本上由其组成”。术语“基本上”还可以包括“整个”、“完全”、“全部”等的实施方式。因此，在多个实施方式中，形容词基本上也可以去除。当可应用时，术语“基本上”还可以涉及90％或更高、例如95％或更高、特别是99％或更高、再甚至是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”还包括其中术语“包括”是指“由其组成”的实施方式。术语“和/或”具体地涉及在“和/或”的之前和之后提到的项目中的一个或多个。例如，短语“项目1和/或项目2”和类似的短语可以涉及项目1和项目2中的一个或多个。术语“包括”可以在一实施方式中指“由其组成”，但在另一实施方式中还可以指“至少含有所定义的物种，并任选地含有一种或多种其他物种”。
而且，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于在相似的元件之前进行区分，并非必需用于说明序列或时间上的顺序。应当理解到，在适当的情形中这样使用的术语是可互换的，并且本文所述的本发明的实施方式能够以本文所述或图示以外的其他顺序运行。
本文的装置在运行过程中加以说明。本领域技术人员清楚的是，本发明并不限于运行中的方法或装置。
应当注意到，上述实施方式对本发明进行说明而不是加以限定，并且本领域技术人员将能够在不偏离所附权利要求精神的情况下设计出许多可选的实施方式。在权利要求中，置于括弧之间的任何标号不应理解成对权利要求加以限定。使用动词“包括”及其词形变化并不排除存在权利要求所述以外的其他元件或步骤。元件之前的冠词“一”或“一个”并不排除存在有多个这样的元件。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件实施，或者通过适当编程的计算机实施。在装置权利要求中，对若干方式进行编号，若干这些装置可以通过一相同的硬件项目实施。仅在互相不同的从属权利要求中引用某些测量这一事实并不说明这些测量的组合不能出于优势而被采用。
本发明进一步应用至包括说明书所述和/或附图所示的特征性特性中的一种或多种的装置。本发明进一步涉及包括说明书中所述和/或附图所示的特征性特性中的一种或多种的方法或工艺。
本专利中讨论的各个方面均可以加以组合，以提供额外的优势。而且，本领域技术人员将会理解到，实施方式可以加以组合，并且还可以组合两个以上的实施方式。而且，一些特征可以形成一个或多个分案申请的基础。

Claims (16)

1.一种具有电能储存功能和电解功能的能量装置(1)，系统(1)包括功能单元(2)，所述功能单元(2)包括：
第一电池(100)，其包括第一电池电极(120)和用于第一电池水性液体(11)及用于第一电池气体(12)的一个或多个第一电池开口(110)，其中所述第一电极(120)包括基于铁的电极；
第二电池(200)，其包括第二电池电极(220)和用于第二电池水性液体(21)及用于第二电池气体(22)的一个或多个第二电池开口(210)，其中所述第二电极(220)包括基于镍的电极；
隔板(30)，其中所述第一电池(100)和所述第二电池(200)共享所述隔板(30)，其中所述隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池传送至另一电池，同时对氢氧根离子(OH-)、一价钠离子(Na+)、一价锂离子(Li+)和一价钾离子(K+)中的至少一种或多种具有透过性；
与所述第一电池电极(120)电连接的第一电连接部(51)，和与所述第二电池电极(220)电连接的第二电连接部(52)；
所述能量装置(1)还包括：
水性液体控制系统(60)，其设置成控制所述第一电池水性液体(11)和所述第二电池水性液体(21)中的一种或多种引入到所述功能单元(2)中；
储存系统(70)，其设置成储存所述功能单元(2)外部的所述第一电池气体(12)和所述第二电池气体(22)中的一种或多种；
压力系统(300)，其设置成控制以下中的一种或多种：(a)所述功能单元(2)中第一电池气体(12)的压力、(b)所述储存系统(70)中第一电池气体(12)的压力、(c)所述功能单元(2)中第二电池气体(22)的压力和(d)所述储存系统(70)中第二电池气体(22)的压力；
充电控制单元(400)，其设置成从外部电源接收电力，并设置成在至少一部分充电时间期间内，以大于1.37V的所述第一电池电极(120)和所述第二电池电极(220)之间的电位差，将所述电力提供至所述功能单元(2)；
第一连接单元(510)，其用于将接收器和电连接部(51、52)在功能上偶联，所述接收器要被提供以电力，和第二连接单元(520)，其用于将一装置与所述储存系统(70)在功能上连接，所述装置要被提供以所述第一电池气体(12)和所述第二电池气体(22)中的一种或多种；和
控制系统(80)，其设置成控制所述水性液体控制系统(60)、所述储存系统(70)、所述压力系统(300)和所述充电控制单元(400)。
2.根据权利要求1所述的能量装置(1)，其中所述第一电极(120)具有第一容量，其中所述第二电极(220)具有第二容量，其中所述第二容量小于所述第一容量的90％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其中所述充电控制单元(400)设置成在至少一部分充电时间期间内，以选自1.6-2.0V范围的所述第一电池电极(120)和所述第二电池电极(220)之间的电位差、以选自0.001-10A/cm2范围的电流密度，将所述电力提供至所述功能单元(2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其中所述控制系统设置成随着所述功能单元(2)的充电状态和来自外部电源的电力的可用性的变化来控制所述充电控制单元(400)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其包括多个功能单元(2)，其中两个或更多个所述功能单元串联排列，和/或其中两个或更多个所述功能单元并联排列。
6.一种能源系统(5)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)和外部电源(910)。
7.根据权利要求6所述的能源系统(5)，其中所述外部电源包括光伏电池、风力发电机和水轮机中的一种或多种。
8.根据前述权利要求6-7中任一项所述的能源系统(5)，其包括多个能量装置(1)和多个外部电源(910)以及电网(3)。
9.根据权利要求8所述的能源系统(5)，其中所述能量装置(1)沿着高速公路和公路彼此远离地排列。
10.一种用根据前述权利要求1-5中任一项所述的能量装置(1)储存电能，以及氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种的方法，所述方法包括：将第一电池水性液体(11)、第一电池水性液体(11)和来自外部电源(910)的电力提供至功能单元(2)，从而提供充电的功能单元(2)和储存在所述储存系统(70)中的氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种，其中在至少一部分充电时间期间内，以大于1.37V的第一电池电极(120)和第二电池电极(220)之间的电位差对所述功能单元进行充电。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在至少一部分充电时间期间内，以选自1.6-2.0V范围的所述第一电池电极(120)和所述第二电池电极(220)之间的电位差进行充电。
12.根据前述权利要求10-11中任一项所述的方法，其包括将所述第一电池(100)中的第一压力和所述第二电池(200)中的第二压力保持在至少30巴的压力下。
13.根据前述权利要求10-12中任一项所述的方法，其包括将所述第一电池(100)中的第一压力和所述第二电池(200)中的第二压力保持在至少150巴的压力下。
14.根据前述权利要求1-5中任一项所述的能量装置(1)和根据前述权利要求6-9中任一项所述的能源系统(5)的用途，其用于将电力、氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种提供至接收器。
15.根据权利要求14所述的用途，其用于将电力、氢(H2)中的一种或多种提供至机动车辆，所述机动车辆包括从氢来源和电源中的一种或多种取得其驱动能源的发动机。
16.根据权利要求14所述的方式，其中所述装置(930)包括设置成利用电力、氢和氧中的一种或多种的工业对象(940)。
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