DE102011006217A1

DE102011006217A1 - Electric energy storage

Info

Publication number: DE102011006217A1
Application number: DE102011006217A
Authority: DE
Inventors: Stefan Blendinger; Marc Hanebuth; Martin Ise
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-04
Also published as: WO2012130569A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer positiven Elektrode (4) und einer negativen Elektrode (6), die durch einen Festkörperelektrolyten (8) voneinander getrennt sind, wobei an der positiven Elektrode (4) eine Prozessgaszuführvorrichtung (10) angeordnet ist, die mindestens einen Prozessgaskanal (12) umfasst, der von einem Eintrittspunkt (14) zu einem Austrittspunkt (15) verläuft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozessgaskanal (12) zwischen dem Eintrittspunkt (14) und dem Austrittspunkt (15) zumindest eine Richtungsänderung vollzieht.The invention relates to an electrical energy store with a positive electrode (4) and a negative electrode (6), which are separated from one another by a solid electrolyte (8), a process gas supply device (10) being arranged on the positive electrode (4) which has at least comprises a process gas channel (12) which runs from an entry point (14) to an exit point (15). The invention is characterized in that the process gas channel (12) changes at least one direction between the entry point (14) and the exit point (15).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an electrical energy store according to the preamble of patent claim 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 Gradienten von 200° und mehr auftreten. Die dadurch entstehenden thermischen Spannungen können zu Brüchen in der Zelle und damit zum Zellversagen führen.In particular, when operating high temperature batteries, such. As the so-called ROB (Rechargable Oxide Battery), it can come to high temperature gradients in the cells both during charging and during unloading. Particularly in the unloading operation, gradients of 200 ° and more may occur depending on the instantaneous power. The resulting thermal stresses can lead to breaks in the cell and thus to cell failure.

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 Gasströme auf der Seite der Luftelektrode reduziert werden. Je nach Betriebsweise sind in der Entladephase des 6- bis 10fache des stöchiometrischen Gasstromes notwendig. Dies bedeutet, dass der Gasstrom deutlich erhöht werden muss und hierfür ein stärkeres Gebläse bereitgestellt werden muss. Zudem 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 Investitionskosten und einem niedrigeren Wirkungsgrad.The cells have a process gas supply device in which process gas channels are arranged, which run straight from one of an entry point to the exit point and thereby in direct contact with an electrode, so that the process gas can react at the electrode. The described temperature gradient can be reduced by increasing the gas flows on the side of the air electrode. Depending on the mode of operation, 6 to 10 times the stoichiometric gas flow is necessary in the discharge phase. This means that the gas flow must be increased significantly and this a stronger blower must be provided. In addition, the gas channels must be sized larger, at the same time an increased heat loss of the exhaust gas occurs, through which the efficiency of the process is reduced. The consequence of increasing the gas flows thus consists in higher investment costs and a lower efficiency.

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.The object of the invention is to provide an electrical energy store, in particular a rechargeable oxide battery, which has a lower temperature gradient in the gas supply device than the prior art.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The solution of the problem consists in an electrical energy storage with the features of claim 1.

Der elektrische Energiespeicher gemäß Patentanspruch 1 weist eine positive und eine negative Elektrode auf, die durch einen 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 Eintrittspunkt zu einem Austrittspunkt verläuft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozesskanal zwischen einem Eintrittspunkt und dem Austrittspunkt zumindest eine Richtungsänderung vollzieht.The electrical energy storage device according to claim 1 has a positive and a negative electrode, which are separated by a solid electrolyte. At one of the electrodes, in particular at the positive electrode, in this case a process gas supply device is arranged which comprises at least one process channel extending from an entry point to an exit point. The invention is characterized in that the process channel makes at least one change of direction between an entry point and the exit point.

Unter Richtungsänderung werden hierbei sowohl eine diskrete Änderung eines geradlinigen Kanalverlaufs in Form eines definierten Winkels sowie ein kurvenförmiger Übergang zwischen zwei insbesondere geradlinigen Kanalverläufen verstanden.Change in direction here means both a discrete change of a rectilinear channel course in the form of a defined angle and a curved transition between two, in particular, straight-line channel progressions.

Durch die mindestens eine Richtungsänderung wird der Weg, den der Prozessgaskanal durch die Prozessgaszuführungsvorrichtung nimmt, verlängert, wodurch wiederum der Temperaturgradient verringert wird.By the at least one change of direction, the path taken by the process gas duct through the process gas supply device is extended, which in turn reduces the temperature gradient.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist der Prozessgaskanal mindestens einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt 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.In a further advantageous embodiment of the invention, the process gas channel has at least a first section and a second section, wherein the first section and the second section for the transmission of heat, which originate from the process gas located in the respective section, are parallel. In this case, parallel is understood to mean a course with an essentially equidistant spacing, which also includes curved courses with essentially equidistant distances.

Im Folgenden wird exemplarisch davon ausgegangen, dass sich die Temperatur des Prozessgases innerhalb der Prozessgaskanäle 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 Temperaturerniedrigung gleichermaßen möglich. Die Erfindung verringert die Temperaturgradienten auch in diesem Fall auf analoge Weise.In the following, it is assumed by way of example that the temperature of the process gas within the process gas channels increases, ie that the reaction is exothermic. Depending on the reaction or mode of operation of the ROB (eg charging or discharging), the opposite case of lowering the temperature is equally possible. The invention also reduces the temperature gradients in an analogous manner in this case.

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 Prozessgaskanalabschnitten zu einem Wärmeaustausch, wobei das Prozessgas beim Rücklauf in Richtung des kälteren Bereiches, also des Bereiches, 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.The process gas flowing in at a lower temperature thus flows along the process gas channel, being heated by the cell temperature and by the reaction in the cell, the process channel is deflected and in the second section the process channel runs parallel to its first section. This results in a heat exchange between the process gas channel sections, wherein the process gas during the return in the direction of the colder area, ie the area which is closer to the process gas inlet, cools again. Due to the heat exchange of the two parallel sections, the temperatures of the process gas in these sections are equal to each other. This in turn causes a reduction of the unfavorable for the cell temperature gradient.

Dabei beträgt der Anteil des parallelen Verlaufs der Abschnitte, bezogen auf die Breite der Prozessgaszuführvorrichtung, bevorzugt mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 70% und ganz besonders bevorzugt bei mehr als 80%.In this case, the proportion of the parallel course of the sections, based on the width of the process gas supply device, is preferably more than 50%, particularly preferably more than 70% and very particularly preferably more than 80%.

Dabei hat es sich herausgestellt, dass es zweckmäßig ist, dass der Prozesskanal mehrere Hauptströmungsrichtungen umfasst und eine erste Änderung der Hauptströmungsrichtung des Prozessgaskanales näher am Austrittspunkt des Prozessgases erfolgt als die zweite Änderung der Hauptströmungsrichtung. It has been found that it is expedient that the process channel comprises a plurality of main flow directions and a first change of the main flow direction of the process gas channel closer to the exit point of the process gas than the second change of the main flow direction.

Zur Erzielung eines noch besseren Wärmeaustauschs ist es zweckmäßig, wenn der Prozessgaskanal mindestens zwei Richtungsänderungen vollzieht. Hierbei handelt es sich bevorzugt um einen so genannten mäanderförmigen Verlauf des Prozesskanales, dessen Hauptstromrichtung vom kälteren Eintrittsbereich zum wärmeren Austrittsbereich einmal oder mehrfach wechselt.To achieve an even better heat exchange, it is expedient if the process gas channel performs at least two changes of direction. This is preferably a so-called meandering course of the process channel, the main flow direction of which changes from the colder inlet region to the warmer outlet region once or several times.

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.Advantageous embodiments of the invention and further features will be described with reference to the following figures. The description of the figures are merely exemplary embodiments that do not represent a limitation of the scope. The reference numbers marked with * illustrate the state of the art.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Rechargable Oxide Battery für den Ladezustand und dem Entladezustand nach dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of a Rechargable Oxide Battery for the state of charge and the discharge state of the prior art,

2 einen Querschnitt durch eine typische Zelle einer ROB mit einer Prozessgaszuführungsvorrichtung und einem Prozessgaskanal, 2 a cross section through a typical cell of a ROB with a process gas supply device and a process gas channel,

3 eine Anordnung der Prozessgaskanäle in einer Prozessgaszuführvorrichtung, 3 an arrangement of the process gas ducts in a process gas supply device,

4 und 5 die ebenfalls beispielhafte Anordnungen des Verlaufes von Prozessgaskanälen in der Prozessgaszuführvorrichtung. 4 and 5 also exemplary arrangements of the course of process gas channels in the process gas supply device.

In 2 ist schematisch der Aufbau einer Rechargable Oxide Battery (ROB) dargestellt. Hierbei werden bei einem Endladezustand von einer negativen Elektrode 6* Sauerstoffionen durch einen Festkörperelektrolyten 8* zu einer positiven Elektrode 4* geführt. Die positive Elektrode 4* steht mit einer 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 Ladeprozesses und des Entladeprozesses in der ROB auftreten, soll im Weiteren nicht näher eingegangen werden.In 2 schematically the structure of a Rechargable Oxide Battery (ROB) is shown. In this case, in a final charging state of a negative electrode 6 * Oxygen ions through a solid electrolyte 8th* to a positive electrode 4 * guided. The positive electrode 4 * stands with a process gas supply device 10 * in connection. In a discharge process, the oxygen ions become in the reverse direction of the positive electrode 4 * to the negative electrode 6 * through the solid electrolyte 8th* directed. The physical processes that occur during the loading process and the unloading process in the ROB will not be discussed in more detail below.

Gemäß 2 wird der querschnittliche Aufbau einer Zelle einer ROB dargestellt. Hierbei ist im oberen Bereich der2 die negative Elektrode 6, die von einem Gehäuse 24 umgeben 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 wiederum in Verbindung mit einer Prozessgaszuführvorrichtung 10, die das Prozessgas, insbesondere sauerstoffhaltiges Prozessgas, an die positive Elektrode 4 leitet. Die Prozessgasvorrichtung 10 weist Prozessgaskanäle 12 auf, wobei diese Prozessgaskanäle 12 das Prozessgas von einem Eintrittspunkt 14 des Prozessgases zu einem Austrittspunkt 15 leiten.According to 2 the cross-sectional structure of a cell of an ROB is shown. Here is the top of the 2 the negative electrode 6 that of a housing 24 is surrounded. The positive electrode 6 has a marked by dots reservoir of oxidizable material, which is oxidized or reduced again with the oxygen ions already described depending on the process control (charging or discharging). The oxygen ions are, as described, through the solid electrolyte 8th guided and are connected to a positive electrode 4 oxidized or reduced depending on the process direction. The positive electrode 4 in turn is in communication with a process gas supply device 10 , the process gas, in particular oxygen-containing process gas, to the positive electrode 4 passes. The process gas device 10 has process gas channels 12 on, these process gas channels 12 the process gas from an entry point 14 the process gas to an exit point 15 conduct.

In den 3 bis 5 sind Querschnitte entlang der Linie III–V aus 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 Prozessgaszuführvorrichtung 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 3 mäanderförmig zu einem Austrittspunkt 15 verlaufen. Dabei ändert der Prozessgaskanal 12 seinen Verlauf bzw. seine Verlaufsrichtung mindestens einmal, bevorzugt mehrfach.In the 3 to 5 are cross sections taken along the line III-V 2 shown in different embodiments. This is a longitudinal section through the electrical energy storage 2 or by one of its cells. The cross section passes through the process gas supply device 10 such that the course of the process gas channels 12 is shown. Here, the process gas channels run 12 such that they are at a relatively cold entry point 14 in the process gas supply 10 enter and according to 3 meandering to an exit point 15 run. The process gas channel changes 12 its course or its course direction at least once, preferably several times.

Hierbei sind jeweils Abschnitte des Prozessgaskanals 12 definiert, insbesondere einem ersten Abschnitt 16 und einem zweiten Abschnitt 18, wobei zwischen den Abschnitten 16 und 18 zumindest eine erste Änderung 26 einer ersten Hauptströmungsrichtung 20 liegt. Die beiden Kanalabschnitte 16 und 18 verlaufen 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 Temperaturgradienten 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 verringert wird.These are each sections of the process gas channel 12 defined, in particular a first section 16 and a second section 18 , being between sections 16 and 18 at least a first change 26 a first main flow direction 20 lies. The two channel sections 16 and 18 thus run parallel to each other over greater distances. In particular, if the process gas channel 12 his change 26 the direction in the area of the hotter zone, ie in the area of the process gas exit point 15 , completes and in the U-turn runs back to the colder area in the area of the process gas inlet 14 , this leads to a temperature gradient over the sections 16 and 18 , These temperature gradients run in opposite directions and thus cause the temperatures of the mutually parallel sections 16 and 18 by heat exchange and thus the overall temperature gradient between the points 14 and 15 is reduced.

Die Eintrittstemperatur des Prozessgases am Eintrittspunkt 14 liegt bei einer ROB üblicherweise in der Größenordnung von 600°C. Ohne die beschriebenen Maßnahmen der Prozessgaskanalführung 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 Prozessgaszuführvorrichtung 10 ist üblicherweise aus einer Metalllegierung dargestellt, die in ihrem Ausdehnungskoeffizienten dem Material der angrenzenden Elektrode angeglichen ist.The inlet temperature of the process gas at the entry point 14 is typically of the order of 600 ° C for an ROB. Without the described measures of the process gas channel guidance, a temperature gradient across the width 17 the process gas supply device 10 of more than 200 ° C occur. This leads to a critical thermal expansion of the process gas supply device 10 especially with respect to the positive electrode 4 , the electrolyte 8th and / or the negative electrode 6 and damage the cell. The process gas supply device 10 is usually represented by a metal alloy, which is equalized in its coefficient of expansion of the material of the adjacent electrode.

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.It is particularly advantageous if the direction changes 26 . 28 as close as possible to the cooler and hotter region of the process gas supply device 10 done and the sections 16 . 18 can run parallel over the longest possible distances, as can be done so the most intense heat exchanger and the temperature gradient can be effectively reduced.

Eintrittspunkt 14 und Austrittspunkt 15 des Prozessgases liegen üblicherweise an gegenüberliegenden Seiten der Prozessgaszuführvorrichtung 10, da so die Gaszuführungsperipherie besser gehandhabt werden kann. Eintrittspunkt 14 und Austrittspunkt 15 können jedoch auch an derselben Seite der Prozessgaszuführvorrichtung 10 liegen.entry point 14 and exit point 15 of the process gas are usually on opposite sides of the process gas supply device 10 because this way the gas supply periphery can be better handled. entry point 14 and exit point 15 however, may also be on the same side of the process gas supply device 10 lie.

In 4 ist ein mäanderförmiger Verlauf des Prozessgaskanales 12 dargestellt, wobei ebenfalls zwei Hauptströmungsrichtungen 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 4 is a meandering course of the process gas channel 12 shown, with also two main flow directions 20 and 22 for the process gas channel 12 exist, consisting of two turning points 26 and 28 result. Also in this illustration, a heat exchange between the process gas in the individual sections 16 and 18 ,

In 5 ist ebenfalls eine Darstellung eines möglichen mäanderförmigen 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. Wesentlich 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 5 in direkter Richtung zwischen dem Eintrittspunkt 14 und 15.In 5 is also an illustration of a possible meandering path for the process gas channel 12 It should be noted that the term parallel as used in this application also includes parallel curved lines and zig-zag lines. Essential in the course of the two sections 16 and 18 is that they run along equidistant distances along longer distances, so that the mentioned adequate exchange of heat can take place. The main current directions 20 and 22 but also run in 5 in the direct direction between the entry point 14 and 15 ,

Claims

Electric energy storage ( 2 ) with a positive electrode ( 4 ) and a negative electrode ( 6 ) by a solid electrolyte ( 8th ) are separated from each other, wherein at one of the electrodes ( 4 . 6 ) a process gas supply device ( 10 ) is arranged, the at least one process gas channel ( 12 ) from an entry point ( 14 ) to an exit point ( 15 ), characterized in that the process gas channel ( 12 ) between the entry point ( 14 ) and the exit point ( 15 ) makes at least one change of direction.

Electric energy storage ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the process gas channel ( 12 ) at least a first section ( 16 ) and a second section ( 18 ), the first section ( 16 ) and the second section ( 18 ) for the transfer of heat from that specified in the relevant section ( 16 . 18 ) located process gas, run parallel.

Electric energy storage ( 2 ) according to claim 2, characterized in that the parallel course of the sections ( 16 . 18 ) more than 50%, in particular more than 70%, based on the width 17 the process gas supply device ( 10 ) is.

Electric energy storage ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the process gas channel ( 12 ) between the entry point ( 14 ) and the exit point ( 15 ) makes at least two changes of direction

Electric energy storage ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the process gas channel ( 12 ) meanders.

Electric energy storage ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the process gas channel ( 12 ) several main flow directions ( 20 . 22 ) and in a gas flow course a first change ( 26 ) of the main flow direction ( 20 ) of the process gas channel ( 12 ) closer to the exit point ( 15 ) takes the form of the second amendment ( 28 ) of the main flow direction ( 22 ).