DE102011080237A1 - Elektrochemischer Speicher - Google Patents

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Abstract

Ein elektrochemische Speicher weist mindestens eine elektrochemische Zelle (2) und einen Latentwärmespeichermantel (3), der die Zelle (3) zumindest teilweise umgibt und wärmeleitend kontaktiert, und mindestens einen Betriebsgaskanal (4, 5) auf, der von dem Latentwärmespeichermantel und der Zelle (2) begrenzt und dadurch ausgebildet ist sowie durch den ein Betriebsgas der Zelle (2) mit einem gasförmigen Reaktionspartner zu der Zelle (2) zuströmbar und von der Zelle (2) abströmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Speicher. Um Schwankungen bei der Erzeugung von elektrischer Energie auszugleichen, insbesondere bei der Erzeugung von elektrischer Energie durch regenerative Energiequellen, wie z.B. Windenergie oder Solarenergie, ist es vermehrt erforderlich elektrische Energie zu speichern. Als ein Speicher für die elektrische Energie kommt unter anderem eine wiederaufladbare Hochtemperaturbatterie in Frage. Die Batterie weist elektrochemische Zellen mit Luftelektroden auf, an die beim Laden oder Entladen der Batterie Luft geströmt wird. Beim Entladen wird der in der Luft enthaltene Sauerstoff unter Freisetzen von Wärme chemisch gebunden, beim Laden wird unter Aufnahme von Wärme Sauerstoff freigesetzt. Dabei kann die Batterie beim Entladen überhitzen und beim Laden unterkühlen, wobei sich über die Batterie ein großer Temperaturgradient aufbauen kann, welcher zu mechanischen Spannungen führt, so dass es zu Beschädigungen der Batterie kommen kann.
  • Herkömmlich wird die zum Laden der Batterie benötigte Wärme mittels einer in dem Speicher vorgesehenen Heizung freigesetzt. Alternativ kann die Batterie geheizt werden, indem die beim Laden benötigte Wärme durch ein Freisetzen von Wärme über interne elektrische Widerstände der Batterie erreicht wird. Durch beide Maßnahmen wird zusätzliche Energie verbraucht, wodurch sich nachteilig der Wirkungsgrad des Speichers verringert. Die beim Entladen der Batterie freigesetzte Wärme wird herkömmlich durch einen Überschuss der in die Batterie zugeströmten Menge an Luft abgeführt, wodurch sich ebenfalls der Wirkungsgrad verringert.
  • Zum Temperaturausgleich und somit zur Verringerung der Temperaturgradienten in der Batterie kann eine große Menge eines Inertgases in einem Kreislauf durch die Batterie geströmt werden. Dazu wird jedoch nachteilig ein Hochtemperatur Gebläse zum Fördern des Inertgases benötigt. Ist das Inertgas Stickstoff oder ein Edelgas, so verringert sich zudem nachteilig der Partialdruck des Sauerstoffs.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Speicher mit einem hohen Wirkungsgrad zu schaffen, wobei die Temperaturschwankungen über die Zeit und die Temperaturgradienten in dem elektrochemischen Speicher im Betrieb klein sind.
  • Der erfindungsgemäße elektrochemische Speicher weist mindestens eine elektrochemische Zelle und einen Latentwärmespeichermantel, der die Zelle zumindest teilweise umgibt und wärmeleitend kontaktiert, und mindestens einen Betriebsgaskanal auf, der von dem Latentwärmespeichermantel und der Zelle begrenzt und dadurch ausgebildet ist sowie durch den ein Betriebsgas der Zelle mit einem gasförmigen Reaktionspartner zu der Zelle zuströmbar und/oder von der Zelle abströmbar ist.
  • Dadurch, dass der Latentwärmespeichermantel die elektrochemische Zelle wärmeleitend kontaktiert, wird beim Entladen der elektrochemischen Zelle frei werdende Wärme vorteilhaft in dem Latentwärmespeichermantel gespeichert. Die Wärme wird beim Laden der elektrochemischen Zelle vorteilhaft wieder von dem Latentwärmespeichermantel an die elektrochemische Zelle abgegeben. Indem der Latentwärmespeichermantel den Betriebsgaskanal begrenzt, steht der Latentwärmespeicher mit dem Betriebsgas in wärmeleitenden Kontakt, wodurch Wärme, die beim Entladen von der elektrochemischen Zelle auf das Betriebsgas übertragen wird, in dem Latentwärmespeicher vorteilhaft gespeichert und beim Laden wieder an das Betriebsgas abgegeben wird. Weil beim Entladen der elektrochemischen Zelle Wärme gespeichert und beim Entladen abgegeben wird, werden Wärmeverluste vermindert, wodurch der Wirkungsgrad des elektrochemischen Speichers vorteilhaft hoch ist. Ist es im Betrieb des elektrochemischen Speichers erforderlich, den Speicher im geladenen Zustand über einen langen Zeitraum aufrecht zu erhalten, so ermöglicht es der Latentwärmespeichermantel vorteilhaft, die Temperatur der elektrochemischen Zelle über einen langen Zeitraum hoch zu halten.
  • Indem der Latentwärmespeichermantel den Betriebsgaskanal begrenzt, kann ferner vorteilhaft das Betriebsgas, bevor es zu der elektrochemischen Zelle zugeströmt wird, aufgeheizt werden. Wenn der elektrochemische Speicher eine Hochtemperaturbatterie ist, erhöht dies vorteilhaft den Wirkungsgrad des elektrochemischen Speichers.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft nicht erforderlich, beim Laden der elektrochemischen Zelle den elektrochemischen Speicher zusätzlich zu heizen und beim Entladen zusätzlich zu kühlen. Dadurch wird zum Betrieb des elektrochemischen Speichers weniger Energie verbraucht, wodurch vorteilhaft der Wirkungsrad des elektrochemischen Speichers hoch ist.
  • In dem Latentwärmespeichermantel wird mit der zu speichernden Wärme ein Phasenübergang eines Materials durchgeführt. Die Wärmespeicherung und die Wärmeabgabe erfolgt bei der Temperatur des Phasenübergangs. Dadurch können vorteilhaft große Temperaturgradienten über den elektrochemischen Speicher vermieden werden, wodurch etwa Beschädigungen durch mechanische Spannungen unterbunden werden können. Des Weiteren können vorteilhaft große zeitliche Temperaturschwankungen des elektrochemischen Speichers vermieden werden.
  • Der Latentwärmespeichermantel ist bevorzugt kastenförmig ausgebildet und in dessen Querschnitt ist die mindestens eine elektrochemische Zelle an höchstens drei Innenseiten des Latentwärmespeichermantels wärmeleitend kontaktiert. Der mindestens eine Betriebsgaskanal ist bevorzugt zwischen den verbliebenen Innenseiten sowie der mindestens einen elektrochemischen Zelle angeordnet. Dadurch, dass der Latentwärmespeichermantel kastenförmig ausgebildet ist, ist die mindestens eine elektrochemische Zelle wärmeleitend mit dem Latentwärmespeichermantel kontaktiert. Der mindestens eine Betriebsgaskanal ist bevorzugt zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Latentwärmespeichermantel angeordnet, so dass vorteilhaft die Temperaturgradienten sowohl über eine einzelne elektrochemische Zelle als auch über einen Stapel aus einer Mehrzahl an elektrochemischen Zellen abgeschwächt werden.
  • Der elektrochemische Speicher weist bevorzugt eine Mehrzahl an den kastenförmigen Latentwärmespeichermänteln auf, die matrixartig angeordnet sind, wobei die Mehrzahl an den kastenförmigen Latentwärmespeichermänteln insbesondere einstückig ausgebildet ist. Indem die elektrochemischen Zellen in den Latentwärmespeichermänteln angeordnet sind, sind sie zueinander benachbart angeordnet, wodurch Abwärmeverluste an die Umgebung des elektrochemischen Speichers reduziert sind und somit vorteilhaft der Wirkungsgrad des elektrochemischen Speichers hoch ist.
  • Ein Teil des Latentwärmespeichermantels ist bevorzugt zwischen einem der Betriebsgaskanäle, durch den das Betriebsgas zu der Zelle zuströmbar ist, und einem anderen Betriebsgaskanal, durch den das Betriebsgas von der Zelle abströmbar ist, angeordnet. Dadurch kann vorteilhaft ein Überhitzen bzw. ein Unterkühlen des zuströmenden bzw. abströmenden Betriebsgases vermieden werden.
  • Der elektrochemische Speicher ist bevorzugt als ein sandwichartiger Stapel ausgebildet, in dem der Latentwärmespeichermantel aus einer Mehrzahl an Schichten gebildet ist, zwischen denen jeweils mindestens eine der elektrochemischen Zellen angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann vorteilhaft der Temperaturgradient jeder der elektrochemischen Zellen vermindert werden.
  • Der Latentwärmespeichermantel weist bevorzugt ein Phasenübergangsmaterial und eine poröse Trägerstruktur auf, in die das Phasenübergangsmaterial eingebracht ist. Dadurch, dass die Wärme in dem Phasenübergang eines Phasenübergangsmaterials gespeichert wird, kann der Latentwärmespeichermantel vorteilhaft kompakt gebaut sein. Der Latentwärmespeichermantel kann insbesondere klein im Vergleich zu einem sensiblen Festkörperwärmespeicher dimensioniert sein, bei dem die Wärme in Gitterschwingungen des Festkörpers gespeichert wird und der bei einer Wärmeaufnahme bzw. einer Wärmeabgabe seine Temperatur ändert.
  • Das Phasenübergangsmaterial weist bevorzugt ein Salz, eine Mischung von Salzen, ein Metall und/oder eine Legierung auf und das Salz, die Mischung von Salzen, das Metall und/oder die Legierung sind bevorzugt so gewählt, dass die zugehörige Schmelztemperatur zwischen der gewünschten Lade- und Entladetemperatur der mindestens einen elektrochemischen Zelle liegt. Weil die Schmelztemperatur des Phasenübergangsmaterials zwischen der gewünschten Lade- und Entladetemperatur der elektrochemischen Zelle liegt, ergibt sich vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad des elektrochemischen Speichers.
  • Bevorzugtermaßen erfährt mindestens ein Teil des Phasenübergangsmaterials während des Entladens der mindestens einen elektrochemischen Zelle einen Phasenübergang. Deshalb ist vorteilhaft gewährleistet, dass die Wärmeaufnahme und die Wärmeabgabe bei der Temperatur des Phasenübergangs erfolgt. Ferner können dadurch vorteilhaft große Temperaturschwankungen des elektrochemischen Speichers verhindert werden, weil die Wärmeaufnahme und die Wärmeabgabe zu einer Veränderung des Verhältnisses der zwei Phasen bei der Temperatur des Phasenübergangs führt. Dies ist insbesondere relevant, wenn eine hohe Leistungsanforderung an den elektrochemischen Speicher besteht.
  • Bevorzugtermaßen ist die elektrochemische Zelle wiederaufladbar. Die elektrochemische Zelle ist bevorzugt eine Brennstoffzelle, welche bevorzugt auch als Elektrolyseur betreibbar ist. Ferner ist der mindestens eine gasförmige Reaktionspartner Sauerstoff. Bevorzugtermaßen ist das Betriebsgas Luft.
  • Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektrochemischen Speichers anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform,
  • 2 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform aus 1 und
  • 3 eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform.
  • 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines elektrochemischen Speichers 1, der einen quaderförmigen Latentwärmespeicherkörper 8 aufweist. In dem Latentwärmespeicherkörper 8 sind vier gleich große quaderförmige Kammern 9 ausgebildet, die in dem Latentwärmespeicherkörper 8 matrixartig angeordnet sind. In die Kammern 9 ist jeweils eine elektrochemische Zelle 1 angeordnet, die quaderförmig ist und deren Seiten parallel zu den Seiten der ihr zugeordneten Kammer 9 verlaufen. Der Teil des Latentwärmespeicherkörpers 8, der eine der Zellen 2 umgibt, bildet einen Latentwärmespeichermantel 3 für die Zelle 2.
  • Die Weiten der Kammern 9 sind so dimensioniert, dass zwei gegenüberliegende Seiten der Kammern 9 mit jeweils einer Seite der in ihr angeordneten Zelle 2 in Berührkontakt stehen. Via diesen Berührkontakt findet im Betrieb des elektromagnetischen Speichers 1 ein Wärmeaustausch zwischen dem Latentwärmespeicherkörper 8 und den Zellen 2 statt. Ferner sind die beiden anderen Seiten, die nicht in Berührkontakt mit ihrer zugeordneten Zelle 2 stehen, im Anstand zu ihrer zugeordneten Zelle 2 angeordnet, so dass von den dadurch ausgebildeten Hohlräumen Betriebsgaskanäle 4, 5 für die Zellen 2 geschaffen sind. Das Betriebsgas der Zellen 2 ist Luft, wobei für jede Zelle 2 ein Zuluftkanal 4 als einer der Betriebsgaskanäle und ein Abluftkanal 5 als ein anderer der Betriebsgaskanäle vorgesehen sind. Außerdem sind benachbarte Betriebsgaskanäle 4, 5, die unterschiedlichen Zellen 2 zugeordnet sind, von Material des Latentwärmespeicherkörpers 8 räumlich getrennt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen den Betriebsgaskanälen via den Latentwärmespeicherkörper 8 ermöglicht ist.
  • In dem elektrochemischen Speicher 1 sind die Zellen 2 in Vierergruppen als jeweils eine Zellengruppe 6 angeordnet, wobei die Zellengruppen 6 in 1 gesehen übereinander angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten Zellengruppen 6 ist jeweils eine Speicherschicht 7 vorgesehen, die in dem Latentspeicherkörper 8 ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass die Zellen 2 von einem Paket einzelner Unterzellen gebildet sind, wobei die Zellen jeweils als ein Stapel der Unterzellen aufgebaut sind.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des elektrochemischen Speichers 1, der als ein sandwichartiger Stapel ausgebildet ist, wobei der Latentwärmespeichermantel 3 eine Mehrzahl an den Speicherschichten 7 aufweist, zwischen denen jeweils eine der elektrochemischen Zellen 2 angeordnet ist. Jede der Speicherschichten 7 ist von jeweils einem der Zuluftkanäle 5 und einem der Abluftkanäle 5 durchdrungen, wobei die Kanäle 4, 5 zueinander parallel verlaufen. Die Zuluftkanäle 4 und die Abluftkanäle 5 sind jeweils von den ihnen benachbarten elektrochemischen Zellen 2 begrenzt.
  • Denkbar ist, dass die erste Ausführungsform kombiniert mit der zweiten Ausführungsform als eine dritte Ausführungsform des elektrochemischen Speichers 1 gebildet ist, nämlich, dass bei der ersten Ausführungsform gemäß 1 für jede der Zellen 2 der elektrochemische Speicher 1 gemäß der zweiten Ausführungsform in die entsprechende Kammer 9 eingesetzt ist.

Claims (13)

  1. Elektrochemischer Speicher mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (2), einem Latentwärmespeichermantel (3), der die Zelle (2) zumindest teilweise umgibt und wärmeleitend kontaktiert, und mindestens einen Betriebsgaskanal (4, 5), der von dem Latentwärmespeichermantel (3) und der Zelle (2) begrenzt und dadurch ausgebildet ist sowie durch den ein Betriebsgas der Zelle (2) mit einem gasförmigen Reaktionspartner zu der Zelle (2) zuströmbar und/oder von der Zelle (2) abströmbar ist.
  2. Elektrochemischer Speicher gemäß Anspruch 1, wobei der Latentwärmespeichermantel (3) kastenförmig ausgebildet ist und in dessen Querschnitt die mindestens eine elektrochemische Zelle (2) an höchstens drei Innenseiten des Latentwärmespeichermantels (3) wärmeleitend kontaktiert ist sowie der mindestens eine Betriebsgaskanal (4, 5) zwischen den verbliebenen Innenseiten und der mindestens einen elektrochemischen Zelle (2) angeordnet ist.
  3. Elektrochemischer Speicher gemäß Anspruch 2, der eine Mehrzahl an den kastenförmigen Latentwärmespeichermänteln (3) aufweist, die matrixartig angeordnet sind, wobei die Mehrzahl an den kastenförmigen Latentwärmespeichermänteln (3) insbesondere einstückig ausgebildet ist.
  4. Elektrochemischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Teil des Latentwärmespeichermantels (3) zwischen einem der Betriebsgaskanäle (4), durch den das Betriebsgas zu der Zelle (2) zuströmbar ist, und einem anderen Betriebsgaskanal (5), durch den das Betriebsgas von der Zelle (2) abströmbar ist, angeordnet ist.
  5. Elektrochemischer Speicher gemäß Anspruch 1, wobei der elektrochemische Speicher (1) als ein sandwichartiger Stapel ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeichermantel (3) aus einer Mehrzahl an Schichten gebildet ist, zwischen denen jeweils mindestens eine der elektrochemischen Zelle (2) angeordnet ist.
  6. Elektrochemischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Latentwärmespeichermantel (3) ein Phasenübergangsmaterial und eine poröse Trägerstruktur aufweist, in die das Phasenübergangsmaterial eingebracht ist.
  7. Elektrochemischer Speicher gemäß Anspruch 6, wobei das Phasenübergangsmaterial ein Salz, eine Mischung von Salzen, ein Metall und/oder eine Legierung aufweist und das Salz, die Mischung von Salzen, das Metall und/oder die Legierung so gewählt sind, dass die zugehörige Schmelztemperatur zwischen der gewünschten Lade- und Entladetemperatur der mindestens einen elektrochemischen Zelle (2) liegt.
  8. Elektrochemischer Speicher gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei mindestens ein Teil des Phasenübergangsmaterials während des Entladens der mindestens einen elektrochemischen Zelle (2) einen Phasenübergang erfährt.
  9. Elektrochemischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrochemische Zelle (2) wiederaufladbar ist.
  10. Elektrochemischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrochemische Zelle (2) eine Brennstoffzelle ist.
  11. Elektrochemischer Speicher gemäß Anspruch 10, wobei die Brennstoffzelle auch als Elektrolyseur betreibbar ist.
  12. Elektrochemischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der mindestens eine gasförmige Reaktionspartner Sauerstoff ist.
  13. Elektrochemischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Betriebsgas Luft ist.
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