EP2638596A1 - Energiespeicher und verfahren zum entladen und laden eines energiespeichers - Google Patents

Energiespeicher und verfahren zum entladen und laden eines energiespeichers

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EP2638596A1
EP2638596A1 EP12700665.8A EP12700665A EP2638596A1 EP 2638596 A1 EP2638596 A1 EP 2638596A1 EP 12700665 A EP12700665 A EP 12700665A EP 2638596 A1 EP2638596 A1 EP 2638596A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy storage
electrode
oxidation product
energy
energy store
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12700665.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nicolas Vortmeyer
Wolfgang Menapace
Christian Brunhuber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP12700665.8A priority Critical patent/EP2638596A1/de
Publication of EP2638596A1 publication Critical patent/EP2638596A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/186—Regeneration by electrochemical means by electrolytic decomposition of the electrolytic solution or the formed water product
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/865—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an energy storage device for storing and discharging electrical energy.
  • the invention relates to a method for discharging and charging of such an energy storage device.
  • Energy storage for storing and dispensing electrical energy are, for example, for many mobile applications of great importance. While the storage capacity of today's energy storage for storing electrical energy to power smaller devices such as mobile phones, portable computers, etc. is sufficient, are energy storage for storing electrical energy for larger applications such as, electrically ⁇ exaggerated motor vehicles still subject to shortcomings that their commercial successful use. In particular, the storage capacity of the batteries used does not meet the desired requirements. Although lithium ion batteries, for example, have good results for use in mobile telephones or computers, for example, they have only limited suitability for electric vehicles with their high energy requirement. The storage capacity of the Li ⁇ thiumionenbatterien represents a limiting factor for the range of an electric vehicle. Since the size of the battery in the vehicle can not be arbitrarily increased who ⁇ can, the range remains limited.
  • the present invention Compared to this prior art, it is an object of the present invention to provide an advantageous energy storage and an advantageous method for discharging and charging an energy storage available. In addition, it is an object of the present invention to provide an advantageous electrical system with an electrical load.
  • the first object is achieved by an energy store according to claim 1 or a method for discharging and charging an energy store according to claim 12.
  • the second object is achieved by an electrical system according to claim 9.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • An energy store according to the invention comprises a rechargeable primary energy store and a secondary energy store.
  • the primary energy store has an anion generating and anions conducting first electrode, a
  • the primary energy store has a first redox pair which forms or is in contact with the second electrode and which comprises an oxidation educt and an oxidation product.
  • the erfin ⁇ tion proper energy storage further comprises at least one storable second Oxidationsedukt that belongs to a second redox couple.
  • the secondary energy store is designed as a storage for the second Oxidationsedukt.
  • connection line in order to make it possible to conduct the second oxidation educt from the primary energy storage device to the secondary energy storage device and back.
  • a metal and its oxide or two different oxidation states of a metal can be used.
  • the second oxidation educt may in particular be gaseous.
  • a suitable second oxidation product is, for example
  • a particularly high storage capacity for the gaseous oxidation onsedukt be achieved in the second energy storage.
  • a gaseous second oxidation educt in particular a high-pressure gas reservoir or a metal hydride reservoir can be present.
  • a rechargeable battery which in its construction corresponds to a fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell (SOFC), operates in an additionally present operating mode as a fuel cell or electrolyzer for a redox pair such as H 2 O / H 2 ,
  • a redox pair such as H 2 O / H 2
  • electrical energy is stored in the form of a typically solid, but sometimes also liquid redox pair, wherein the redox couple in the fully charged state only the reduced portion, ie the Oxidationsedukt, and in the discharged state, the oxidized part, ie the oxidation product, having.
  • the oxidation ⁇ sedukt for example, oxidized by atmospheric oxygen, wherein the oxygen in the air is ionized by the first electrode, the oxygen ions through the first electrode to the permeable to the oxygen ion electrolyte is passed and oxidized after passing through the electrolyte the Oxidationsedukt .
  • the Oxidationsedukt can be either the material of the second electrode itself or a standing in contact with this electrode material. In the latter case, the second electrode conducts anions.
  • the use of atmospheric oxygen for the oxidation is unmarried ⁇ Lich chosen as an illustrative example and that instead of oxygen ions in principle, other anions can be used.
  • the first and second electrodes are connected to a ne current source, wherein the polarity is selected so that the material of the first redox couple is reduced due to the power supply.
  • an oxidation product of the second redox pair can be supplied and the battery can be operated as an electrolyte.
  • hydrogen is used as the second Oxidationsedukt ⁇ example, water vapor may be supplied as the oxidation product. Due to the current flow through the electrodes, an electrolysis of the oxidation product of the second redox couple takes place, so that the oxidation reduct of the second redox pair is formed, which can then be stored in the second energy store.
  • the second redox couple does not necessarily have to be se ⁇ identical with the loading used in the oxidation product of the second redox couple.
  • the oxidation product of the second redox pair formed during the discharge can be discharged to the environment.
  • the energy store can have an outlet for removing the oxidation product of the second redox couple.
  • the energy store can have an input for supplying an oxidation product of the second redox couple.
  • the output for the removal of the resulting oxidation product during unloading of the second redox couple and the inlet for introducing the oxidation product of the second redox couple during charging of the energy storage may be in particular ⁇ sondere identical.
  • the embodiment in which the resulting during discharging oxidation product of the second Redoxpaa ⁇ res is dissipated to the environment is particularly suitable if the oxidation product is environmentally friendly and can be procured without much effort. This is the case, for example, when hydrogen is used as the oxidation product. If then to oxidize, for example, atmospheric oxygen is used, produced as oxidation product of water vapor, which can be removed without material injury ⁇ account the environment.
  • the energy store a collection container for collecting the oxidation product of the second Redox pair and a connecting line between the primary energy storage and the collecting container, which allows a directing of the second oxidation product from the primary energy storage to the collecting container comprises.
  • the collected in the sump oxidation product can then be reused when charging the Energyspei ⁇ chers.
  • An inventive electrical system with an electrical consumer ⁇ rule is equipped with at least one energy storage device according to the invention.
  • the consumer may be an electrically powered device, such as an electric motor.
  • the energy storage is designed replaceable, since then a stoppage of electrical consumption during the time required for charging the energy storage charging time can be avoided.
  • an energy storage device allows the system to resort to an energy store with high charging capacity and thus allows a prolonged battery life without recharging the energy storage.
  • the primary energy storage device is discharged under electrical energy output by the first Oxidationsedukt is oxidized to the first Oxidati ⁇ onseck during discharging at first. Thereafter, the second energy storage is supplied to the primary energy ⁇ memory for further delivery of electrical energy from the secondary energy storage. This is then oxidized at the second electrode to Oxidationspro ⁇ domestic product of the second redox couple.
  • Loading Ener ⁇ gie Grandes the primary energy storage device is first charged by receiving electric energy by the first Oxida ⁇ tion product of the first redox couple for the first Oxidationse- domestic product is reduced.
  • an oxidation product of the second redox pair is supplied to the primary energy store with further absorption of electrical energy, which is reduced at the second electrode to the second Oxidationsedukt.
  • the Oxidationsedukt formed at the second electrode is passed for storage in the secondary energy storage.
  • the charging capacity of the energy storage can be increased.
  • the duration of the current output can be extended by the operation as a fuel cell after discharging the first energy storage.
  • the Oxidati ⁇ onseck of the second redox pair resulting from the discharge of the energy storage can either be delivered to the surrounding ⁇ environment or passed into a collection and collected there.
  • the latter is particularly advantageous if the ent ⁇ standing during the discharge of the energy storage oxidation product is not environmentally friendly or an oxidation product for charging the energy storage can not be provided without much effort.
  • the collected in the sump oxidation product is then available for reuse during charging.
  • FIG. 1 shows an example of a primary energy store of the energy store according to the invention.
  • Figure 2 shows a highly schematic of an inventive
  • FIG. 3 shows the energy store from FIG. 2 in a first one
  • FIG. 4 shows the energy store from FIG. 2 in a second discharge mode.
  • FIG. 5 shows the energy store from FIG. 2 in a first embodiment
  • FIG. 6 shows the energy store from FIG. 2 in a second charging mode.
  • FIGS. 1 to 6 The present invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment which is shown very schematically in FIGS. 1 to 6.
  • an explanation of the primary energy store and its mode of operation will first be described with reference to FIG. Based on the figures 2 to 6, the structure of the energy storage device according to the invention and its operation will be explained.
  • the primary energy store of an energy store according to the invention is shown in highly schematic form in FIG.
  • a primary energy storage is described, which is equipped with a metal and a metal oxide as the first redox couple and in which the oxidation is carried out with the aid of atmospheric oxygen.
  • the first redox couple does not necessarily have to comprise a metal and a metal oxide, but instead may comprise, for example, two metal oxides with different oxidation states or a nonmetallic oxidation catalyst.
  • the oxidizing agent does not necessarily need to be atmospheric oxygen.
  • Other anions forming gases or liquids can be used for oxidation.
  • the oxidation then takes place on the basis of another singly or multiply negatively charged ion, for example C03 2 - or P0 4 3 - .
  • other anion- forming elements or compounds such as fluorine or chlorine and fluorine or chlorine compounds, can be used for the oxidation.
  • the primary Ener ⁇ gie Drident 1 comprises a first electrode 3, which is arranged so that air can be directed past it. It is made of egg ⁇ nem from oxygen-transporting material (oxygen
  • Transporting material short OTM produced, which from the oxygen in the air oxygen ions 0 2 ⁇ generated and is also able to conduct the oxygen ions.
  • Suitable material ⁇ lien for the first electrode 3, hereinafter referred to as air electrode for example, perovskites (ABO3) or Zirkoni ⁇ oxide, which is doped with scandium oxide or yttrium oxide (ScSZ and YSZ) and combinations thereof.
  • the primary energy store comprises a second electrode which receives and / or conducts the oxygen ions and the in the present embodiment of a metal, such as iron, which is oxidized by the oxygen ions.
  • the second electrode 5 can also consist of an oxygen ion-conducting material, such as perovskite, which has a sponge-like or skeletal structure.
  • a liquid redox couple can be used, in which the second electrode is immersed. Since the second electrode in the present embodiment is gebil- det of a formed of a metal and a metal oxide redox couple, wherein it passes the depending on the state of charge of the primary energy ⁇ memory metal, metal oxide or a mixture of at ⁇ , it will in the following metal electrode 5 called.
  • an electrolyte layer 7 which transport oxygen ions in the present example from ⁇ guide Kera ⁇ mikmembran is. It can for example be made of a single phase of zirconia which is stabilized with scandium oxide or yttrium oxide ⁇ . Alternatively, mixtures of yttrium oxide doped with zirconium oxide can and yttrium oxide, which is with scandium do ⁇ advantage, be used.
  • the energy store comprises a secondary energy store 13, which is connected via a gas line 17 to a housing 15 which encloses the metal electrode 5 (see FIG ).
  • the housing 15 has an input / output 19, via which a gas or steam in the interior of the housin ⁇ ses 15 on or can be removed from the interior of the housing 15.
  • a second, typically gaseous redox pair is used. In the present exemplary embodiment, this second redox pair is formed from hydrogen and water vapor. But there are also other redox pairs, in particular gaseous redox couples in question. However, liquid Re ⁇ doxcrue are not excluded.
  • water vapor is introduced through the input / output 19 into the interior of the housing 15 for further Aufla ⁇ the energy storage device according to the invention.
  • the primary energy storage remains connected to the power source, as shown in the lower half of Figure 1.
  • a reduction of the water vapor introduced into the interior of the housing 15 to water is now carried out.
  • fabric which is introduced by means of a arranged in the gas line 17 ⁇ th compressor 21 in the secondary energy storage 13, which is formed in the present embodiment as a high-pressure gas storage.
  • the resulting in reducing the water vapor oxygen ions are in turn notege ⁇ passes over the electrolyte layer 7 to the air electrode 3 and there converted into molecular oxygen, which is released to the environment.
  • the primary energy storage device is therefore used rather as an electrolyzer for the electrolysis of water vapor.
  • the electrolysis and storage of the hydrogen can be carried out until the secondary energy storage 13 is completely filled with hydrogen. Only then is the energy store according to the invention fully charged.
  • the secondary energy store can be designed as a metal hydride storage.
  • the second redox couple does not need to be formed by water vapor and hydrogen.
  • the hydrogen can be replaced by methane. Just ⁇ so the water vapor can be replaced by another component, for example by hydrogen fluoride.
  • the use of water vapor as a component of the redox couple is ever ⁇ but environmentally advantageous.
  • the oxidation product used for charging may differ from the oxidation product resulting from the discharge.
  • a redox couple in the sense of the present invention may therefore also comprise more than one oxidation product.
  • FIGS. 3 and 4 The discharging of a fully charged energy storage device according to the invention is shown in FIGS. 3 and 4, the complete recharging of the energy storage device in FIGS. 5 and 6.
  • the energy storage device according to the invention is discharged, ie when electrical energy is consumed by the electrodes 3 5 of the primary energy storage device 1 connected consumer 9, the primary energy storage is first discharged by oxidizing the metal electrode 5.
  • This discharge mode is shown in FIG.
  • hydrogen is supplied to the interior of the housing 15 from the secondary energy store 13, which is oxidized to water vapor by the oxygen ions obtained in the air electrode 3 at the now oxidized metal electrode 5.
  • the water vapor is finally released via the input / output 19 to the environment.
  • This discharge mode is shown schematically in Figure 4 can, as long as the continued ⁇ until the secondary energy storage 13 may leave no more hydrogen.
  • a current source 11 is connected to the primary energy store 1, as shown in the lower half of FIG. With the aid of this current source, the metal oxide of the metal electrode 5 is reduced to metal.
  • This charging mode is shown in FIG. If a further reduction of the metal electrode 5 is not mög ⁇ Lich, is injected via the input / output 19 of water vapor into the interior of the housing 15 and as long as reduced to hydrogen, to the secondary energy store is full ⁇ constantly filled. 13 This charging mode is shown in FIG. In addition to the modifications of the embodiment already described further modifications are possible.
  • a collecting container 23 which is connected via a connecting line 25 with the interior of the housing 15 (shown in dashed lines in Figure 2) for the resulting Entla ⁇ the secondary storage water vapor may be present, in which the water vapor is collected, so it can be reused when charging the secondary energy store.
  • the second redox couple contains no water vapor as an oxidation product, but an oxidation product that should not be released to the environment, either because it is harmful to the environment or because it is not easy to recharge the secondary energy storage - create is.
  • the energy storage unit according to the invention is suitable example ⁇ as for mobile applications, this particular elekt ⁇ -driven car.
  • the consumer 9 illustrated in FIG. 1 is an electric motor.
  • other mobile or non-mobile electrical systems that have an electrical load such as an electric motor or other electrically powered devices may have an energy storage according to the invention for energy supply.
  • Conceivable for example, mobile medical devices or lamps.
  • the energy storage exchangeable it is possible to make the energy storage exchangeable, so that a completely discharged energy storage can be replaced by a new, charged energy storage. In this way, downtime during charging of the energy storage can be avoided.
  • an electrical system has more than one energy store according to the invention, in particular two energy stores. Then one of the energy storage can be charged, while the other energy storage supplies the electrical consumers with electricity.
  • the embodiment with at least two energy stores is particularly useful in stationary electrical systems, whereas the variant with an exchangeable energy storage device according to the invention is advantageous in mobile applications.

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Abstract

Es wird ein Energiespeicher zur Verfügung gestellt, welcher umfasst : einen wiederaufladbaren primären Energiespeicher (1) mit einer Anionen erzeugenden und Anionen leitenden ersten Elektrode (3), einer Anionen aufnehmenden und/oder Anionen leitenden zweiten Elektrode (5), einem zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (5) angeordneten Anionen leitenden Elektrolyten (7) und einem die zweite Elektrode (5) bildenden oder mit dieser in Kontakt stehenden ersten Redoxpaar, welches ein Oxidationsedukt und ein Oxidationsprodukt umfasst; wenigstens ein speicherbares zweites Oxidationsedukt, das einem zweiten Redoxpaar angehört; einen sekundären Energiespeicher (13), der als Speicher für das zweite Oxidationsedukt ausgebildet ist; und eine Verbindungsleitung (17) zwischen dem primären Energiespeicher (1) und dem sekundären Energiespeicher (13), die ein Leiten des zweiten Oxidationsedukts vom primären Energiespeicher (1) zum sekundären Energiespeicher (13) und zurück ermöglicht.

Description

Beschreibung
Energiespeicher und Verfahren zum Entladen und Laden eines EnergieSpeichers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entladen und zum Laden eines derartigen Energiespeichers.
Energiespeicher zum Speichern und Abgeben elektrischer Energie sind bspw. für viele mobile Anwendungen von hoher Bedeutung. Während die Speicherkapazität heutiger Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie für den Betrieb kleinerer Geräte wie Mobiltelefone, tragbare Computer, etc. ausreichend ist, sind Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie für größere Anwendungen wie beispielsweise, elektrisch ange¬ triebene Kraftfahrzeuge noch mit Unzulänglichkeiten behaftet, die ihrem kommerziell erfolgreichen Einsatz entgegenstehen. Insbesondere die Speicherkapazität der verwendeten Batterien erfüllt noch nicht die angestrebten Anforderungen. Obwohl beispielsweise Lithiumionenbatterien für die Anwendung etwa in Mobiltelefonen oder Computern gute Ergebnisse erzielen, eignen sie sich für elektrische Kraftfahrzeuge mit ihrem ho- hen Energiebedarf nur bedingt. Die Speicherkapazität der Li¬ thiumionenbatterien stellt dabei einen begrenzenden Faktor für die Reichweite eines elektrischen Kfz dar. Da die Größe der Batterie im Kraftfahrzeug nicht beliebig gesteigert wer¬ den kann, bleibt die Reichweite begrenzt.
Insbesondere im Kfz-Bereich sind außerdem Systeme bekannt, bei denen die für den Antrieb notwendige Energie in Form von Wasserstoff gespeichert wird. Mittels einer Brennstoffzelle wird der Wasserstoff dann in elektrischen Strom umgewandelt, mit welchem der Motor angetrieben werden kann. Für eine derartige Technologie ist jedoch der Aufbau eines Tankstellennetzes für Wasserstoff notwendig, was die Einfüh¬ rung dieser Technologie, insbesondere im Hinblick auf die we¬ gen der Explosionsgefahr hohen Sicherheitsanforderungen der Tankstellen, teuer macht.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Energiespeicher sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum Entladen und Laden eines Energiespeichers zur Verfügung zu stellen. Daneben ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes elektrisches System mit einem elektrischen Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Die erste Aufgabe wird durch einen Energiespeicher nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zum Entladen und Laden eines Energiespeichers nach Anspruch 12 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein elektrisches System nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltun- gen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher umfasst einen wieder- aufladbaren primären Energiespeicher sowie einen sekundären Energiespeicher. Der primäre Energiespeicher weist eine Anio- nen erzeugende und Anionen leitende erste Elektrode, eine
Anionen aufnehmende und/oder Anionen leitende zweite Elektro¬ de sowie einen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Anionen leitenden, typischerweise als Feststoff ausgebildete Elektrolyten auf. Zudem weist der pri- märe Energiespeicher ein erstes Redoxpaar auf, das die zweite Elektrode bildet oder mit dieser in Kontakt steht und das ein Oxidationsedukt und ein Oxidationsprodukt umfasst. Der erfin¬ dungsgemäße Energiespeicher umfasst darüber hinaus wenigstens ein speicherbares zweites Oxidationsedukt, das einem zweiten Redoxpaar angehört. Der sekundäre Energiespeicher ist als Speicher für das zweite Oxidationsedukt ausgebildet. Zwischen dem primären Energiespeicher und dem sekundären Energiespeicher ist eine Verbindungsleitung vorhanden, um ein Leiten des zweiten Oxidationsedukts vom primären Energiespei¬ cher zum sekundären Energiespeicher und zurück zu ermögli- chen. Als erstes Redoxpaar kann hierbei beispielsweise ein Metall und sein Oxid oder zwei unterschiedliche Oxidations- stufen eines Metalls Verwendung finden.
Das zweite Oxidationsedukt kann insbesondere gasförmig sein. Ein geeignetes zweites Oxidationsedukt ist beispielsweise
Wasserstoff. Mittels eines zwischen dem primären Energiespei¬ cher und dem sekundären Energiespeicher vorhandenen Verdichters zum Verdichten des sekundären Oxidationsedukts kann eine besonders hohe Speicherkapazität für das gasförmige Oxidati- onsedukt im zweiten Energiespeicher erreicht werden. Zum Speichern eines gasförmigen zweiten Oxidationsedukts kann insbesondere ein Hochdruck-Gasspeicher oder ein Metallhydridspeicher vorhanden sein. Erfindungsgemäß wird also eine wiederaufladbare Batterie, die in ihrem Aufbau einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC) entspricht, in einem zusätzlich vorhandenen Betriebsmodus als Brennstoffzelle oder Elektrolyseur für ein Redoxpaar wie beispielsweise H2O/H2 betrieben. In der Batterie wird elektrische Energie in Form eines typischerweise festen, manchmal aber auch flüssigen Redoxpaares gespeichert, wobei das Redoxpaar im voll geladenen Zustand lediglich den reduzierten Anteil, also das Oxidationsedukt, aufweist und im entladenen Zustand den oxidierten Teil, also das Oxidations- produkt, aufweist. Um Energie abzugeben, wird das Oxidation¬ sedukt beispielsweise mittels Luftsauerstoff oxidiert, wobei der Luftsauerstoff von der ersten Elektrode ionisiert wird, die Sauerstoffionen über die erste Elektrode zum für die Sau- erstoffionen durchlässigen Elektrolyten geleitet wird und nach dem Durchtritt durch den Elektrolyten das Oxidationsedukt oxidiert. Das Oxidationsedukt kann dabei entweder das Material der zweiten Elektrode selbst oder ein mit dieser Elektrode in Kontakt stehendes Material sein. Im letzteren Fall leitet die zweite Elektrode Anionen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Verwendung des Luftsauerstoffs zur Oxidation ledig¬ lich als anschauliches Beispiel gewählt ist und dass statt Sauerstoffionen grundsätzlich auch andere Anionen herangezogen werden können.
Wenn nun das Oxidationsedukt des ersten Redoxpaares vollstän¬ dig oxidiert ist und daher kein Stromfluss auf der Basis ei¬ ner weiteren Oxidation dieses Redoxpaares mehr möglich ist, kann im zusätzlichen Betriebsmodus der zweiten Elektrode das Oxidationsedukt eines zweiten Oxidationspaares , beispielswei¬ se Wasserstoff, zugeführt werden, wobei die Batterie dann als Brennstoffzelle arbeitet. An der zweiten Elektrode erfolgt dann eine Oxidation des zweiten Oxidationsedukts unter Abgabe von Elektronen, die über einen Stromkreis an die erste Elekt¬ rode zurückgeleitet werden. Auf diese Weise kann die Stromab¬ gabe des Energiespeichers so lange verlängert werden, bis das zweite Oxidationsedukt aufgebraucht ist.
Zum Laden des Energiespeichers bzw. Wiederaufladen des Energiespeichers werden die erste und die zweite Elektrode an ei- ne Stromquelle angeschlossen, wobei die Polarität so gewählt ist, dass das Material des ersten Redoxpaares aufgrund der Stromzufuhr reduziert wird. Nachdem das Material des ersten Redoxpaares vollständig reduziert ist und somit der primäre Energiespeicher wiederaufgeladen ist, kann im zusätzlichen Betriebsmodus der zweiten Elektrode ein Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaares zugeführt und die Batterie als Elektroly- seur betrieben werden. Bei Verwendung von Wasserstoff als zweites Oxidationsedukt kann als Oxidationsprodukt beispiels¬ weise Wasserdampf zugeführt werden. Aufgrund des Stromflusses durch die Elektroden erfolgt eine Elektrolyse des Oxidationsprodukts des zweiten Redoxpaares, sodass das Oxidationsedukt des zweiten Redoxpaares entsteht, welches dann im zweiten Energiespeicher gespeichert werden kann.
Das beim Entladen des Energiespeichers entstehende Oxidati¬ onsprodukt des zweiten Redoxpaares muss nicht notwendigerwei¬ se mit dem beim Laden Verwendung findenden Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaares identisch sein. Beispielsweise kann das beim Entladen entstehende Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaares an die Umgebung abgeführt werden. Hierzu kann der Energiespeicher einen Ausgang zur Abfuhr des Oxidationspro- duktes des zweiten Redoxpaares aufweisen. Wenn das Oxidati- onsprodukt des zweiten Redoxpaares, das beim Entladen ent¬ steht, an die Umgebung abgeführt wird, ist zum Laden des Energiespeichers ein Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaa¬ res neu zuzuführen. Hierzu kann der Energiespeicher einen Eingang zur Zufuhr eines Oxidationsprodukts des zweiten Re- doxpaares aufweisen. Der Ausgang zur Abfuhr des beim Entladen entstehenden Oxidationsprodukts des zweiten Redoxpaares und der Eingang zum Einführen des Oxidationsprodukts des zweiten Redoxpaares beim Aufladen des Energiespeichers können insbe¬ sondere identisch sein. Die Ausgestaltung, in der das beim Entladen entstehende Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaa¬ res an die Umgebung abgeführt wird, eignet sich insbesondere, wenn das Oxidationsprodukt umweltverträglich und ohne großen Aufwand zu beschaffen ist. Dies ist etwa der Fall, wenn als Oxidationsedukt Wasserstoff Verwendung findet. Wenn dann zum Oxidieren beispielsweise Luftsauerstoff Verwendung findet, entsteht als Oxidationsprodukt Wasserdampf, der ohne Schädi¬ gung der Umwelt abgeführt werden kann. Wasserdampf zum Einbringen in den Energiespeicher beim Aufladen ist zudem ohne großen Aufwand erhältlich. Insbesondere wenn das beim Entladen des Energiespeichers ent¬ stehende Oxidationsprodukt nicht ohne weiteres umweltverträg¬ lich ist oder das Oxidationsprodukt beim Aufladen des Ener¬ giespeichers nur mit hohem Aufwand zu beschaffen ist, ist es vorteilhaft, wenn der Energiespeicher einen Sammelbehälter zum Sammeln des Oxidationsproduktes des zweiten Redoxpaares sowie eine Verbindungsleitung zwischen dem primären Energiespeicher und dem Sammelbehälter, die ein Leiten des zweiten Oxidationsprodukts vom primären Energiespeicher zum Sammelbehälter ermöglicht, umfasst. Das im Sammelbehälter gesammelte Oxidationsprodukt kann dann beim Aufladen des Energiespei¬ chers wiederverwendet werden.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches System mit einem elektri¬ schen Verbraucher ist mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Energiespeicher ausgestattet. Der Verbraucher kann insbesondere ein elektrisch betriebenes Gerät, etwa ein Elektromotor, sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Energiespeicher auswechselbar ausgestaltet ist, da dann ein Stillstand des elektrischen Verbrauches während der für das Laden des Energiespeichers nötigen Ladezeit vermieden werden kann.
Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Energiespeichers ermöglicht dem System auf einen Energiespeicher mit hoher Ladekapazität zurückzugreifen und erlaubt somit eine verlängerte Laufzeit des elektrischen Geräts ohne Wiederaufladen des Energiespeichers .
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Entladen und Laden eines erfindungsgemäßen Energiespeichers wird beim Entladen zuerst der primäre Energiespeicher unter Abgabe elektrischer Energie entladen, indem das erste Oxidationsedukt zum ersten Oxidati¬ onsprodukt oxidiert wird. Danach wird dem primären Energie¬ speicher zur weiteren Abgabe elektrische Energie das zweite Oxidationsedukt aus dem sekundären Energiespeicher zugeführt. Dieses wird dann an der zweiten Elektrode zum Oxidationspro¬ dukt des zweiten Redoxpaares oxidiert. Beim Laden des Ener¬ giespeichers wird zuerst der primäre Energiespeicher unter Aufnahme elektrischer Energie geladen, indem das erste Oxida¬ tionsprodukt des ersten Redoxpaares zum ersten Oxidationse- dukt reduziert wird. Danach wird dem primären Energiespeicher unter weiterer Aufnahme elektrischer Energie ein Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaares zugeführt, welches an der zweiten Elektrode zum zweiten Oxidationsedukt reduziert wird. Das an der zweiten Elektrode entstehende Oxidationsedukt wird zur Speicherung in den sekundären Energiespeicher geleitet.
Dadurch, dass nach dem Aufladen des primären Energiespeichers dieser als Elektrolyseur betrieben wird, lässt sich die Ladekapazität des Energiespeichers erhöhen. Ebenso kann durch den Betrieb als Brennstoffzelle nach dem Entladen des ersten Energiespeichers die Dauer der Stromabgabe verlängert werden.
Um die Speicherkapazität des ekundären Energiespeichers bei gegebenem Volumen zu erhöhen, kann im Fall eines gasförmigen zweiten Oxidationsedukts eine Verdichtung des zweiten Oxida- tionsedukts vor dem Speichern im sekundären Energiespeicher erfolgen .
Das beim Entladen des Energiespeichers entstehende Oxidati¬ onsprodukt des zweiten Redoxpaares kann entweder an die Umge¬ bung abgegeben werden oder in einen Sammelbehälter geleitet und dort gesammelt werden. Letzteres ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das beim Entladen des Energiespeichers ent¬ stehende Oxidationsprodukt nicht umweltfreundlich ist oder ein Oxidationsprodukt für das Laden des Energiespeichers nicht ohne größeren Aufwand zur Verfügung gestellt werden kann. Das im Sammelbehälter gesammelte Oxidationsprodukt steht dann zur Wiederverwendung beim Aufladen zur Verfügung. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .
Figur 1 zeigt ein Beispiel für einen primären Energiespeicher des erfindungsgemäßen Energiespeichers.
Figur 2 zeigt stark schematisiert einen erfindungsgemäßen
Energiespeieher .
Figur 3 zeigt den Energiespeicher aus Figur 2 in einen ersten
Entladungsmodus .
Figur 4 zeigt den Energiespeicher aus Figur 2 in einem zweiten Entladungsmodus.
Figur 5 zeigt den Energiespeicher aus Figur 2 in einem ersten
Aufladungsmodus .
Figur 6 zeigt den Energiespeicher aus Figur 2 in einem zweiten Aufladungsmodus .
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines in den Figuren 1 bis 6 stark schematisiert dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei erfolgt zuerst anhand von Figur 1 eine Erläuterung des primären Energiespeichers und seiner Funktionsweise. Anhand der Figuren 2 bis 6 wird dann der Aufbau des erfindungsgemäßen Energiespeichers sowie seine Funktionsweise erläutert. Der primäre Energiespeicher eines erfindungsgemäßen Energiespeichers ist stark schematisiert in Figur 1 dargestellt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird ein primärer Energie- Speicher beschrieben, der mit einem Metall und einem Metalloxid als erstem Redoxpaar ausgestattet ist und bei dem die Oxidation mit Hilfe von Luftsauerstoff durchgeführt wird. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass das erste Redoxpaar nicht notwendigerweise ein Metall und ein Metall— oxid umfassen muss, sondern beispielsweise zwei Metalloxide mit unterschiedlichen Oxidationsstufen oder ein nichtmetallisches Oxidationsedukt umfassen kann. Ebenso braucht das Oxi- dationsmittel nicht notwendigerweise Luftsauerstoff zu sein. Auch andere Anionen bildende Gase oder Flüssigkeiten können zur Oxidation herangezogen werden. Statt zweifach negativ geladener Sauerstoffionen erfolgt die Oxidation dann anhand eines anderen einfach oder mehrfach negativ geladenen Ions, beispielsweise C032~ oder P04 3~ . Zudem können auch andere Anio¬ nen bildende Elemente oder Verbindungen, etwa Fluor oder Chlor sowie Fluor- oder Chlorverbindungen, zur Oxidation herangezogen werden. Allerdings ist Luftsauerstoff als Oxidati- onsmittel besonders geeignet, da er überall reichlich vorhan¬ den ist und die Umwelt nicht belastet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der primäre Ener¬ giespeicher 1 eine erste Elektrode 3, die so angeordnet ist, dass Luft an ihr vorbeigeleitet werden kann. Sie ist aus ei¬ nem aus Sauerstoff transportierenden Material (Oxygen
Transporting Material, kurz OTM) hergestellt, welches aus dem Luftsauerstoff Sauerstoffionen 02~ erzeugt und zudem in der Lage ist, die Sauerstoffionen zu leiten. Geeignete Materia¬ lien für die erste Elektrode 3, im Folgenden Luftelektrode genannt, sind beispielsweise Perovskite (ABO3) oder Zirkoni¬ umoxid, welches mit Skandiumoxid oder Yttriumoxid dotiert ist (ScSZ und YSZ) sowie Kombinationen daraus.
Der primäre Energiespeicher umfasst eine zweite Elektrode, welche die Sauerstoffionen aufnimmt und/oder leitet und die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Metall, etwa Eisen, besteht, welches von den Sauerstoffionen oxidiert wird. Alternativ kann die zweite Elektrode 5 auch aus einem Sauerstoffionen leitenden Material wie etwa Perovskit beste- hen, das einen schwamm- oder gerüstartigen Aufbau hat. In diesem Fall kann ein flüssiges Redoxpaar Verwendung finden, in das die zweite Elektrode eingetaucht ist. Da die zweite Elektrode im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem von einem Metall und einem Metalloxid gebildeten Redoxpaar gebil- det ist, wobei sie je nach Ladezustand des primären Energie¬ speichers aus Metall, Metalloxid oder einem Gemisch von bei¬ den besteht, wird sie im Folgenden Metallelektrode 5 genannt.
Zwischen der Luftelektrode 3 und der Metallelektrode 5 ist eine Elektrolytschicht 7 angeordnet, die im vorliegenden Aus¬ führungsbeispiel eine Sauerstoffionen transportierende Kera¬ mikmembran ist. Sie kann beispielsweise aus einer einzelnen Phase von Zirkoniumoxid hergestellt sein, das mit Skandium¬ oxid oder Yttriumoxid stabilisiert ist. Alternativ können auch Mischungen aus Yttriumoxid, welches mit Zirkoniumoxid dotiert ist, und Yttriumoxid, welches mit Skandiumoxid do¬ tiert ist, zur Anwendung kommen.
Beim Entladen des primären Energiespeichers werden aus der an der Luftelektrode 3 vorbeigeleiteten Luft Sauerstoffionen 02~ gebildet, wobei vom Sauerstoff zur Anionenbildung Elektronen aus dem Material der Luftelektrode aufgenommen werden. Die entstandenen Sauerstoffionen wandern durch die Elektrolytschicht 7 zur Metallelektrode 5, wo sie unter Abgabe von Elektronen das Metall oxidieren. Der dabei in der Metallelektrode entstehende Elektronenüberschuss wird unter Zwi¬ schenschaltung eines elektrischen Verbrauchers 9 an die Luftelektrode 3 geleitet. Die beim Entladevorgang ablaufenden Reaktionen sind in Fig. 1 in der oberen Hälfte dargestellt.
Der Aufladevorgang und die dabei ablaufenden Reaktionen sind in der unteren Hälfte von Figur 1 dargestellt. Zum Laden des primären Energiespeichers wird statt eines elektrischen Verbrauchers eine Stromquelle 11 an die Elektroden 3, 5 ange¬ schlossen, wobei der negative Pol mit der Metallelektrode und der positive Pol mit der Luftelektrode verbunden wird. Durch die zur Metallelektrode fließenden Elektronen wird das Me- talloxid reduziert, wobei Sauerstoffionen frei werden, die durch die Elektrolytschicht 7 zur Luftelektrode 3 wandern. In der Luftelektrode 3, die mit dem positiven Pol der Energie¬ quelle 11 verbunden ist, werden die Elektronen von den Sauerstoffionen abgegeben, sodass sich molekularer Sauerstoff bildet, der von der Luftelektrode 3 an die Umgebung abgegeben wird. Wenn das Metalloxid der Metallelektrode 5 vollständig zu Metall reduziert ist, ist ein weiteres Aufladen des primä¬ ren Energiespeichers nicht möglich. Um den erfindungsgemäßen Energiespeicher auch dann weiter laden zu können, wenn das Metalloxid vollständig reduziert ist, umfasst der Energiespeicher einen sekundären Energiespeicher 13, der über eine Gasleitung 17 mit einem Gehäuse 15, welches die Metallelektrode 5 umschließt, in Verbindung steht (vgl. Figur 2) . Außerdem weist das Gehäuse 15 einen Eingang/Ausgang 19 auf, über den ein Gas oder Dampf in das Innere des Gehäu¬ ses 15 ein- oder aus dem Inneren des Gehäuses 15 abgeführt werden kann. Zum weiteren Laden des erfindungsgemäßen Energiespeichers kommt ein zweites, typischerweise gasförmiges Redoxpaar zur Anwendung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dieses zweite Redoxpaar aus Wasserstoff und Wasserdampf gebildet. Es kommen aber auch andere Redoxpaare, insbesondere gasförmige Redoxpaare in Frage. Jedoch sind auch flüssige Re¬ doxpaare nicht grundsätzlich ausgeschlossen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zum weiteren Aufla¬ den des erfindungsgemäßen Energiespeichers Wasserdampf durch den Eingang/Ausgang 19 in den Innenraum des Gehäuses 15 eingeleitet. Gleichzeitig bleibt der primäre Energiespeicher an die Stromquelle angeschlossen, wie dies in der unteren Hälfte von Figur 1 dargestellt ist. Statt einer weiteren Reduktion des Metalls erfolgt nunmehr eine Reduktion des in den Innenraum des Gehäuses 15 eingebrachten Wasserdampfes zu Wasser- stoff, welcher mittels eines in der Gasleitung 17 angeordne¬ ten Verdichters 21 in den sekundären Energiespeicher 13, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hochdruck-Gasspeicher ausgebildet ist, eingebracht wird. Die beim Reduzieren des Wasserdampfs entstehenden Sauerstoffionen werden wiederum über die Elektrolytschicht 7 an die Luftelektrode 3 weiterge¬ leitet und dort in molekularen Sauerstoff umgewandelt, der an die Umgebung abgegeben wird. Zum weiteren Aufladen des erfindungsgemäßen Energiespeichers wird der primäre Energiespei- eher also als Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasserdampf verwendet. Die Elektrolyse und das Speichern des Wasserstoffs kann so lange erfolgen, bis der sekundäre Energiespeicher 13 vollständig mit Wasserstoff gefüllt ist. Erst dann ist der erfindungsgemäße Energiespeicher vollständig aufgeladen.
Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Hochdruck- Gasspeicher zum Speichern des Wasserstoffs Verwendung findet, sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise kann der sekundäre Energiespeicher als Metallhydridspeicher ausge- bildet sein. Ebenso braucht das zweite Redoxpaar nicht von Wasserdampf und Wasserstoff gebildet zu sein. So kann der Wasserstoff beispielsweise durch Methan ersetzt werden. Eben¬ so kann der Wasserdampf durch eine andere Komponente ersetzt werden, beispielsweise durch Fluorwasserstoff. Die Verwendung von Wasserdampf als einer Komponente des Redoxpaares ist je¬ doch unter Umweltgesichtspunkten vorteilhaft. Außerdem kann sich das zum Laden verwendete Oxidationsprodukt von dem beim Entladen entstehenden Oxidationsprodukt unterscheiden. Ein Redoxpaar im Sinn der vorliegenden Erfindung kann daher auch mehr als ein Oxidationsprodukt umfassen. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn beide Oxidationsprodukte identisch sind, da sich dann ein vollständiger Materialkreislauf realisieren lässt. Das Entladen eines vollständig geladenen erfindungsgemäßen Energiespeichers ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt, das vollständige Wiederaufladen des Energiespeichers in den Figu¬ ren 5 und 6. Beim Entladen des erfindungsgemäßen Energiespeichers, also beim Verbrauch von elektrischer Energie durch ei- nen an die Elektroden 3, 5 des primären Energiespeichers 1 angeschlossenen Verbraucher 9, wird zuerst der primäre Energiespeicher durch Oxidieren der Metallelektrode 5 entladen. Dieser Entladungsmodus ist in Figur 3 dargestellt. Wenn der primäre Energiespeicher 1 entladen ist, wird dem Innenraum des Gehäuses 15 Wasserstoff aus dem sekundären Energiespeicher 13 zugeführt, welcher durch die in der Luftelektrode 3 gewonnenen Sauerstoffionen an der nunmehr oxidierten Metallelektrode 5 zu Wasserdampf oxidiert wird. Der Wasser- dampf wird schließlich über den Eingang/Ausgang 19 an die Umgebung abgegeben. Dieser Entladungsmodus, der in Figur 4 schematisch dargestellt ist, kann so lange fortgeführt wer¬ den, bis der sekundäre Energiespeicher 13 keinen Wasserstoff mehr abgeben kann.
Zum Aufladen des erfindungsgemäßen Energiespeichers wird statt des Verbrauchers 9 eine Stromquelle 11 an den primären Energiespeicher 1 angeschlossen, wie dies in der unteren Hälfte von Figur 1 dargestellt ist. Mit Hilfe dieser Strom- quelle wird das Metalloxid der Metallelektrode 5 zu Metall reduziert. Dieser Aufladungsmodus ist in Figur 5 dargestellt. Wenn ein weiteres Reduzieren der Metallelektrode 5 nicht mög¬ lich ist, wird über den Eingang/Ausgang 19 Wasserdampf in den Innenraum des Gehäuses 15 eingedüst und so lange zu Wasser- stoff reduziert, bis der sekundäre Energiespeicher 13 voll¬ ständig gefüllt ist. Dieser Aufladungsmodus ist in Figur 6 dargestellt . Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Abwandlungen des Ausführungsbeispiels sind weitere Abwandlungen möglich. So kann zum Beispiel ein Sammelbehälter 23, der über eine Verbindungsleitung 25 mit dem Innenraum des Gehäuses 15 verbunden ist (in Figur 2 gestrichelt dargestellt) für den beim Entla¬ den des sekundären Speichers entstehenden Wasserdampf vorhanden sein, in dem der Wasserdampf gesammelt wird, sodass er beim Aufladen des sekundären Energiespeichers wieder verwendet werden kann. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zweite Redoxpaar keinen Wasserdampf als Oxidationsprodukt enthält, sondern ein Oxidationsprodukt , welches nicht an die Umwelt abgegeben werden soll, sei es, weil es umweltschädigend ist oder weil es zum Wiederaufladen des sekundären Energiespeichers nicht ohne weiteres zu be- schaffen ist.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher eignet sich beispiels¬ weise für mobile Anwendungen, hierbei insbesondere für elekt¬ risch betriebene Kfz. In diesem Fall ist der in Figur 1 dar- gestellte Verbraucher 9 ein Elektromotor. Aber auch andere mobile oder nicht mobile elektrische Systeme, die einen elektrischen Verbraucher wie beispielsweise einen Elektromotor oder andere elektrisch betriebene Geräte aufweisen, können zur Energieversorgung einen erfindungsgemäßen Energie- Speicher besitzen. Denkbar sind beispielsweise mobile medizinische Geräte oder Lampen.
Zudem ist es möglich, den Energiespeicher austauschbar zu gestalten, sodass ein vollständig entladener Energiespeicher gegen einen neuen, geladenen Energiespeicher ausgetauscht werden kann. Auf diese Weise können Stillstandszeiten während des Ladens des Energiespeichers vermieden werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass ein derartiges elektrisches System mehr als einen erfindungsgemäßen Energiespeicher, ins- besondere zwei Energiespeicher aufweist. Dann kann der eine Energiespeicher aufgeladen werden, während der andere Energiespeicher den elektrischen Verbraucher mit Strom versorgt. Die Ausführungsvariante mit wenigstens zwei Energiespeichern ist insbesondere bei stationären elektrischen Systemen sinnvoll, wohingegen die Variante mit einem austauschbaren erfindungsgemäßen Energiespeicher bei mobilen Anwendungen vorteilhaft ist.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeicher, umfassend:
- einen wiederaufladbaren primären Energiespeicher (1) mit einer Anionen erzeugenden und Anionen leitenden ersten Elektrode (3), einer Anionen aufnehmenden und/oder Anionen leitenden zweiten Elektrode (5), einem zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (5) angeordneten Anionen leitenden Elektrolyten (7) und einem die zweite Elektrode (5) bildenden oder mit dieser in Kontakt stehenden ersten Redox- paar, welches ein Oxidationsedukt und ein Oxidationsprodukt umfasst ;
- wenigstens ein speicherbares zweites Oxidationsedukt, das einem zweiten Redoxpaar angehört;
- einen sekundären Energiespeicher (13), der als Speicher für das zweite Oxidationsedukt ausgebildet ist; und
- eine Verbindungsleitung (17) zwischen dem primären Energiespeicher (1) und dem sekundären Energiespeicher (13), die ein Leiten des zweiten Oxidationsedukts vom primären Energiespei- eher (1) zum sekundären Energiespeicher (13) und zurück ermöglicht .
2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Ausgang (19) zur Abfuhr des Oxidationsprodukts des zweiten Redoxpaares und/oder einen Eingang (19) zur Zufuhr eines Oxidationsprodukts des zweiten Redoxpaares auf¬ weist.
3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass er einen Sammelbehälter (23) zum Sammeln des
Oxidationsprodukts des zweiten Redoxpaares sowie eine Verbin¬ dungsleitung (25) zwischen dem primären Energiespeicher (1) und dem Sammelbehälter (23) umfasst, die ein Leiten des zweiten Oxidationsprodukts vom primären Energiespeicher (1) zum Sammelbehälter (23) ermöglicht.
4. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem das erste Redoxpaar ein Metall und sein Oxid oder zwei unterschiedliche Oxidationsstufen eines Metalls umfasst.
5. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem das zweite Oxidationsedukt gasförmig ist.
6. Energiespeicher nach Anspruch 5, in dem das zweite Oxidationsedukt Wasserstoff ist.
7. Energiespeicher nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, in dem zwischen dem primären Energiespeicher (1) und dem sekundären Energiespeicher (13) ein Verdichter (21) zum Verdichten des sekundären Oxidationsedukts vorhanden ist.
8. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in dem der sekundäre Energiespeicher (13) ein Hochdruck-Gasspeicher oder ein Metallhydridspeicher ist.
9. Elektrisches System mit einem elektrischen Verbraucher (9) und wenigstens einem Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Elektrisches System nach Anspruch 9, in dem der elektri- sehe Verbraucher (9) ein Elektromotor ist.
11. Elektrisches System nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem der Energiespeicher auswechselbar ist.
12. Verfahren zum Entladen und Laden eines Energiespeichers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in dem
- beim Entladen zuerst der primäre Energiespeicher (1) unter Abgabe elektrischer Energie entladen wird, indem das erste Oxidationsedukt zum ersten Oxidationsprodukt oxidiert wird, und danach dem primären Energiespeicher (1) zur weiteren Abgabe elektrischer Energie das zweite Oxidationsedukt aus dem sekundären Energiespeicher (13) zugeführt und an der zweiten Elektrode (5) zum Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaares oxidiert wird, und
- beim Laden zuerst der primäre Energiespeicher (1) unter Aufnahme elektrischer Energie geladen wird, indem das erste Oxidationsprodukt des ersten Redoxpaares zum ersten Oxidati¬ onsedukt reduziert wird, und danach dem primären Energiespei¬ cher (1) unter weiterer Aufnahme elektrischer Energie ein Oxidationsprodukt des zweiten Redoxpaares zugeführt wird, welches an der zweiten Elektrode (5) zum zweiten Oxidationse- dukt reduziert wird, und das an der zweiten Elektrode (5) entstehende Oxidationsedukt zur Speicherung in den sekundären Energiespeicher (13) geleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, in dem ein gasförmiges zwei- tes Oxidationsedukt Verwendung findet und das zweite Oxidati¬ onsedukt vor dem Speichern im sekundären Energiespeicher (13) verdichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem das beim Entladen entstehende Oxidationsprodukt des zweiten Redo- xopaares an die Umgebung abgegeben wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem das beim Entladen entstehende Oxidationsprodukt des zweiten Redo- xopaares in einen Sammelbehälter (23) geleitet und dort gesammelt wird.
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