WO2012171787A1 - Elektrischer energiespeicher mit einem sorptionsmittel enthaltendem wasserreservoir - Google Patents

Elektrischer energiespeicher mit einem sorptionsmittel enthaltendem wasserreservoir Download PDF

Info

Publication number
WO2012171787A1
WO2012171787A1 PCT/EP2012/060032 EP2012060032W WO2012171787A1 WO 2012171787 A1 WO2012171787 A1 WO 2012171787A1 EP 2012060032 W EP2012060032 W EP 2012060032W WO 2012171787 A1 WO2012171787 A1 WO 2012171787A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
water
electrical energy
water reservoir
sorbent
energy store
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/060032
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Hanebuth
Sylvio Kosse
Uwe Lenk
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2012171787A1 publication Critical patent/WO2012171787A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • 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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215—Glass; Ceramic materials
    • H01M8/0217—Complex oxides, optionally doped, of the type AMO3, A being an alkaline earth metal or rare earth metal and M being a metal, e.g. perovskites
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • ELECTRICAL ENERGY STORAGE WITH WATER RESERVOIR CONTAINING SORPTION A concept of an electrical energy storage, e.g., the Rechargeable Oxide Battery (ROB) provides for the use of a metal in conjunction with an air electrode.
  • ROB Rechargeable Oxide Battery
  • the oxygen-conducting solid electrolyte yttrium- or scandium-stabilized zirconia can be used. These electrolytes characterize a highly selective oxygen ion conduction, but require relatively high operating temperatures of, for example, at least 600 ° C. It has proven to be very beneficial ⁇ way, hinder- bring water vapor between metal storage and electrolytes as a transport medium for oxygen ions.
  • reaction kinetics can be improved, which also has a positive effect on the power density of the energy storage.
  • water vapor with a slight overpressure can prevent the inflow of external air, which excludes a possible cause of a high-temperature air battery failure.
  • a tech ⁇ nical challenge is to keep the operation of the battery always steam in sufficient quantity with the right temperature with the appropriate pressure in the right place.
  • One difficulty here is that a loss of water and thus longer operating times can lead to a reduction of the power density due to small leaks.
  • the invention is thus based on the object, a rechargeable battery according to the concept described above for
  • the solution of the problem consists in an electrical energy storage device according to claim 1.
  • the electrical energy storage according to claim 1 comprises a thermally insulated space in which one or more electrochemical cells are arranged, wherein take place in the elek ⁇ trochemischen cells electrochemical reactions under participation of water vapor.
  • the thermally insulated space to a water supply wherein the electrical energy storage is characterized in that the water is supplied via a water reservoir, which is stored in a sorbent.
  • a sorbent is understood to be a material which is suitable for absorbing water or another medium by adsorption and releasing it again by desorption.
  • the sorbent is disposed in a container which, in one embodiment of the invention, is located outside of the thermally insulated space 4.
  • the sorbent is at a certain temperature water with a temperature-dependent partial pressure from. The water thus released in the form of water vapor is conducted via the described water supply into the isolated space.
  • the isolated space is often referred to as a so-called hot-box of elek ⁇ cal energy storage.
  • the desorption temperature of the water from the adsorbent can be in a wide temperature range, this is between 20 ° C and 500 ° C. However, it has proved to be useful when the desorption temperature is between 90 ° C and 190 ° C.
  • the water has a partial pressure, which is preferably between 0.9 hPa and 1.2 hPa.
  • a porous solid As a sorbent, a porous solid has been found to be well suited. These include, in particular, based on zeolites, for example zeolite A, zeolite X, ZSM-5, and also chabazite. Also advantageous are modified activated carbon or inorganic substances having a high specific surface area, such as, for example, silica gel.
  • the water reservoir or the water reservoir container can be heated by an electric heater.
  • the insulated space of the electrical energy storage device has a process gas supply line and a process gas outlet line. From one of these two lines, a branch can be provided, which are the process gas, having a temperature near the process temperature of the electric energy storage is usually branched, and are turned for heating the water reservoir to ⁇ .
  • FIG. 1 shows a schematic structure of an electrical energy ⁇ memory with a thermally insulated room, a heat exchanger and a water reservoir, which is connected to the thermally insulated room,
  • FIG. 2 shows an electrical energy store according to FIG. 1 with an additional heating element of the water reservoir
  • FIG. 3 shows an electric energy accumulator according to Figure 1 with a heating of the water reservoir through a Pro ⁇ zessgas
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the heating of the water reservoir according to FIG. 3,
  • 5 shows an example of adsorption isotherms with the use of silica gel as the adsorbent and 6 shows an example of adsorption isotherms at the use of modified activated carbon as an adsorption medium ⁇ .
  • Figure 7 is a schematic representation of an electrical
  • ROB Rechar ⁇ geable oxides Battery
  • a common structure of a ROB is that a process gas, in particular air over a process gas supply 16, is supplied to a positive electrode 70, wherein depending on the operating ⁇ state oxygen is withdrawn from the air or discharged to the air, in the form of Oxygen ions (0 2 ⁇ ) passes through a solid electrolyte 74 to a negative electrode 72 or a positive electrode 70. There it is unloaded or loaded, oxidised or reduced. If now at the negative electrode of a solid layer to the oxidizing or reducing material (eg. B.
  • a gaseous redox couple for example H 2 / H 2 O
  • the oxygen is transported through the pore channels of the porous body to the oxidizable material, that is to say the metal.
  • the metal or metal oxide is oxidized or reduced and the oxygen required for this purpose supplied by the gaseous redox couple H 2 / H 2 O or transported back to the solid electrolyte 74.
  • This mechanism is also referred to as a shuttle mechanism.
  • the shuttle mechanism requires water which must be present in the negative electrode for the electrochemical reaction of sufficient concentration.
  • the present invention is directed to the supply of water to a thermally insulated space 4 of the electrical energy storage device 2, which is also referred to as a hot box in the rule.
  • a thermally insulated space 4 of the electrical energy storage device 2 which is also referred to as a hot box in the rule.
  • the entire thermally insulated space 4 can be under a certain water vapor pressure.
  • FIG. 1 the components of a Rechargeable Oxide Battery (ROB) are shown schematically in their interaction.
  • the ROB central module on a thermally insulated ⁇ room 4, which is also referred to as a hot box.
  • the insulated space 4 is supplied by a process gas supply line 16 with a process gas, usually air.
  • the Pro ⁇ zessgas is also fed back from the thermally insulated space by the Rothgasauslasstechnisch 18th Since the ROB is operated at temperatures between 600 and 800 ° C, the process gas prior to entry must be ⁇ heated in the isolated space.
  • the exiting process gas in turn has a temperature which corresponds approximately to the temperature in the thermally insulated space 4, which is why a heat exchanger 22 is provided outside of the insulated space 4, in which the temperatures of the incoming process gas and the out ⁇ flowing process gas equalize.
  • a blower 26 is provided for conveying the process gas.
  • the thermally insulated room 4 electrical supply and discharge lines 28.
  • a water reservoir 8 or a water reservoir 8 is provided, in which in turn in a preferred embodiment, a cartridge 10 is provided in which a special sorbent is filled ⁇ .
  • the sorbent releases water at a specific temperature by desorption at a certain partial pressure. Adsorption isotherms and the resulting partial pressure for examples selected Sorptionsmit ⁇ tel and are shown in Figures 5 and 6.
  • sorbents as water reservoirs for the ROB, a simple construction of the water supply is possible. For example, no pump is needed here, as would be the case in contrast to the use of water in liquid form.
  • the sorbents generally have the property that the water is not desorbed in bursts, but continuously escapes. For liquid water would be additional measures, such. As a heated buffer volume, necessary to avoid jerky evaporation or Siedeverrat to avoid ⁇ , otherwise the battery could be damaged by pressure surges. It is also advantageous that the partial pressure of the water with the adsorbent at a given temperature Tem ⁇ a function of the loading of the sorbent is (loading, the mass ratio of adsorbed water to the sorbent). In this way the water reserves can be voir with simple technical means, such. B.
  • FIGS. 2 to 4 show advantageous embodiments of how the water reservoir 8, in which the sorbent cartridge is arranged, can be subjected to the required temperature.
  • an additional heating element 14 is additionally arranged on the water reservoir 8, by means of which basically a heat base supply for the water reservoir 8 can be ensured by introducing electrical energy.
  • a branch 20 is provided in the process gas outlet line 18.
  • the hot process gas which is derived in Figure 3 between the thermally insulated space 4 and the heat exchanger 22, optionally flows through a cooler 30 and throttled by a throttle valve 32 in the water reservoir 8, heats the adsorbent in the adsorbent cartridge 10 and is replaced by an Ab ⁇ line 34 from the water reservoir 8 again triggered tet.
  • the temperature of the sorbent can be influenced by the throttle valve 32 and the amount of incoming H possessga ⁇ ses.
  • the branch 20 may be arranged behind the heat exchanger with respect to the process gas outlet.
  • the already cooled process gas to a lower temperature and can ⁇ given case are introduced directly into the water reservoir.
  • the desorption temperature ie the temperature of the desorptive agent and thus the temperature of the escaping water, is basically technically meaningful in a range between 20 ° C. and 500 ° C.
  • the Desorp ⁇ tion temperature is in a temperature range between 90 ° C and 190 ° C.
  • Adsorpti ⁇ onsisotherme of the porous sorbent for water as Ad ⁇ sorbate runs so that, when the desorption temperature of the absolute water vapor partial pressure of at least 1000 hPa is (1 bar).
  • the Adsorptionsisothermen at adsorption, ie before installation in the water reservoir 8, and at desorption temperature, ie in operation when releasing the water, should be such that sufficient amount of water per used mass of the adsorber is available. This is ge ⁇ ensured if the sorption isotherms so extend, as shown in Figures 5 (for silica as an example of an ad ⁇ sorbent) and Figure 6 (modified activated carbon) ver ⁇ run.
  • the curve with the reference numeral 36 describes the Adsorptionsisotherme at low temperatures, typically 10 ° C to 40 ° C, and the Adsorptionsisothermen with the reference numeral 38, which are at high temperatures (typically between 90 ° C and 190 ° C).
  • 1100 hPa here represents a usually well usable Be ⁇ rich for the sorptive hydrogen storage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einem thermisch isolierten Raum, in dem eine oder mehrere elektrochemische Zellen angeordnet sind, wobei der thermisch isolierte Raum eine Wasserzufuhr aufweist. Die Erfindung besteht darin, dass die Wasserzufuhr über ein Wasserreservoir erfolgt, das in einem Sorptionsmittel gespeichert ist.

Description

Beschreibung
ELEKTRISCHER ENERGIESPEICHER MIT EINEM SORPTIONSMITTEL ENTHALTENDEM WASSERRESERVOIR Ein Konzept eines elektrischen Energiespeichers, z. B. die Rechargeable Oxide Battery (ROB) , sieht die Verwendung eines Metalls in Verbindung mit einer Luftelektrode vor. Als Sauerstoffleitender Feststoffelektrolyt kann Yttrium- oder Scandi- um-stabilisiertes Zirkondioxid verwendet werden. Diese Elek- trolyten zeichnen eine hochselektive Sauerstoffionenleitung, benötigen jedoch relativ hohe Betriebstemperaturen von beispielsweise mindestens 600°C. Es hat sich als sehr vorteil¬ haft herausgestellt, zwischen Metallspeicher und Elektrolyten Wasserdampf als Transportmedium für Sauerstoffionen einzu- bringen. Auf diese Weise kann die Reaktionskinetik verbessert werden, was sich ebenfalls positiv auf die Leistungsdichte des Energiespeichers auswirkt. Zudem hat sich herausgestellt, dass Wasserdampf mit einem geringen Überdruck das Einströmen von Fremdluft verhindern kann, was eine mögliche Fehlerursa- che einer Hochtemperatur-Luftbatterie ausschließt. Eine tech¬ nische Herausforderung besteht darin, im Betrieb der Batterie stets Wasserdampf in genügender Menge mit der richtigen Temperatur mit passendem Druck an der richtigen Stelle vorzuhalten. Eine Schwierigkeit ist hierbei, dass aufgrund von gerin- gen Undichtigkeiten ein Verlust an Wasser und somit bei längeren Betriebszeiten eine Verminderung der Leistungsdichte erfolgen kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine wieder- aufladbare Batterie nach dem oben beschriebenen Konzept zur
Verfügung zu stellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Versorgung mit dem für die elektrochemische Reaktion notwendigen Wasserdampf aufweist. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Energiespeicher nach Patentanspruch 1. Der elektrische Energiespeicher nach Patentanspruch 1 umfasst einen thermisch isolierten Raum, in dem ein oder mehrere elektrochemische Zellen angeordnet sind, wobei in den elek¬ trochemischen Zellen elektrochemische Reaktionen unter Betei- ligung von Wasserdampf stattfinden. Hierfür weist der thermisch isolierte Raum eine Wasserzufuhr auf, wobei sich der elektrische Energiespeicher dadurch auszeichnet, dass die Wasserzufuhr über ein Wasserreservoir erfolgt, das in einem Sorptionsmittel gespeichert ist.
Unter einem Sorptionsmittel versteht man ein Material, das dazu geeignet ist, Wasser oder ein anderes Medium durch Ad¬ sorption aufzunehmen und durch Desorption wieder abzugeben. Das Sorptionsmittel ist in einem Behälter angeordnet, das sich in einer Ausgestaltungsform der Erfindung außerhalb des thermisch isolierten Raumes 4 befindet. Das Sorptionsmittel gibt hierbei bei einer bestimmten Temperatur Wasser mit einem von der Temperatur abhängigen Partialdruck ab. Das so abgegebene Wasser in Form von Wasserdampf wird über die beschriebe- ne Wasserzufuhr in den isolierten Raum geleitet. Der isolierte Raum wird häufig auch als so genannte Hot-Box des elek¬ trischen Energiespeichers bezeichnet. Hierdurch kann die Ad¬ sorption des Wassers durch das Sorptionsmittel in einer sepa¬ raten Vorrichtung erfolgen, die mit Wasser beladenen Sorpti- onsmittelkartuschen können anschließend gegebenenfalls durch eine geeignete Wechselvorrichtung in den Wasserreservoirbe¬ hälter eingesetzt werden, und die entladene Sorptionsmittel¬ kartusche kann hieraus entfernt werden und in der separaten Aufladevorrichtung wieder mit Wasser beladen werden. Die De- Sorptionstemperatur des Wassers aus dem Adsorptionsmittel kann in einem weiten Temperaturbereich liegen, dieser beträgt zwischen 20°C und 500°C. Es hat sich jedoch als zweckmäßig herausgestellt, wann die Desorptionstemperatur zwischen 90°C und 190°C liegt. Hierbei weist das Wasser einen Partialdruck auf, der bevorzugt zwischen 0,9 hPa und 1,2 hPa liegt.
Als Sorptionsmittel hat sich ein poröser Feststoff als gut geeignet herausgestellt. Hierunter fallen insbesondere Sorp- tionsmittel auf der Basis von Zeolithen, beispielsweise Zeo- lith A, Zeolith X, ZSM-5, und auch Chabasit. Vorteilhaft sind auch modifizierte Aktivkohle oder anorganische Substanzen mit einer hohen spezifischen Oberfläche, wie beispielsweise Kie- selgel.
Zur besseren Kontrolle des Wasserpartialdrucks , der aus dem Wasserreservoir bzw. aus dem Sorptionsmittel resultiert, kann das Wasserreservoir bzw. der Wasserreservoirbehälter durch eine elektrische Beheizung beheizt werden.
Zusätzlich oder alternativ zu der elektrischen Beheizung kann eine Beheizung des Wasserreservoirs durch ein Prozessgas er¬ folgen. In der Regel weist der isolierte Raum des elektri- sehen Energiespeichers eine Prozessgaszuführungsleitung und eine Prozessgasauslassleitung auf. Von einer dieser beiden Leitungen kann eine Abzweigung vorgesehen sein, die das Prozessgas, das in der Regel eine Temperatur in der Nähe der Prozesstemperatur des elektrischen Energiespeichers aufweist, abgezweigt werden und zur Beheizung des Wasserreservoirs an¬ gewandt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei sind die beschriebenen Kombinationen rein beispielhaft zu sehen und stellen keine Einschränkung des Schutzbereiches dar.
Dabei zeigen: Figur 1 einen schematische Aufbau eines elektrischen Energie¬ speichers mit einem thermisch isolierten Raum, einen Wärmetauscher und ein Wasserreservoir, das mit dem thermisch isolierten Raum verbunden ist,
Figur 2 einen elektrischen Energiespeicher gemäß Figur 1 mit einem zusätzlichen Heizelement des Wasserreservoirs,
Figur 3 einen elektrischen Energiespeicher nach Figur 1 mit einer Beheizung des Wasserreservoirs durch ein Pro¬ zessgas, Figur 4 eine alternative Ausgestaltung der Beheizung des Wasserreservoirs gemäß Figur 3,
Figur 5 ein Beispiel für Adsorptionsisothermen bei der Verwendung von Silicagel als Adsorptionsmittel und Figur 6 ein Beispiel für Adsorptionsisothermen bei der Verwendung von modifizierter Aktivkohle als Adsorptions¬ mittel .
Figur 7 eine schematische Darstellung eines elektrischen
Energiespeichers in Form einer Rechargeable Oxide Battery und deren schematischen Funktionsweise.
Anhand der Figur 7 soll grob die Wirkungsweise einer Rechar¬ geable Oxide Battery (ROB) , bzw. einer darin angewandten elektrochemischen Zelle, beschrieben werden, soweit dies für die folgende Beschreibung der Erfindung notwendig ist. Ein üblicher Aufbau einer ROB besteht darin, dass einer positiven Elektrode 70 ein Prozessgas, insbesondere Luft über einer Prozessgaszufuhr 16, zugeführt wird, wobei je nach Betriebs¬ zustand aus der Luft Sauerstoff entzogen oder an die Luft ab- gegeben wird, der in Form von Sauerstoffionen (02~) durch einen Festkörperelektrolyten 74 zu einer negativen Elektrode 72 oder einer positiven Elektrode 70 gelangt. Dort wird er ent¬ laden bzw. geladen, aufoxidiert oder reduziert. Würde nun an der negativen Elektrode eine feste Schicht des zu oxidieren- den bzw. reduzierenden Materials (z. B. wird hierfür Eisen, Mangan oder Nickel verwendet) vorliegen, so wäre die Ladeka¬ pazität der Batterie schnell erschöpft. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, einer negativen Elektrode ein Energiespeichermedium in Form eines porösen Körpers einzusetzen, der das funktional wirkende oxidierbare Material, also in zweckmäßi¬ ger Form das Metall enthält.
Über ein, bei Betriebszustand der Batterie gasförmiges Redox- paar, beispielsweise H2/H2O, wird der Sauerstoff durch die Porenkanäle des porösen Körpers zu dem oxidierbaren Material, also dem Metall, transportiert. Je nachdem, ob ein Lade- oder Entladevorgang vorliegt, wird das Metall bzw. Metalloxid oxi- diert oder reduziert und der hierfür benötigte Sauerstoff durch das gasförmige Redoxpaar H2/H2O angeliefert oder zum Festkörperelektrolyten 74 zurücktransportiert. Dieser Mechanismus wird auch als Shuttlemechanismus bezeichnet. Für den Shuttlemechanismus ist Wasser notwendig, das in, für die elektrochemische Reaktion ausreichender Konzentration, an der negativen Elektrode vorliegen muss. Die vorliegende Erfindung widmet sich der Wasserzuführung zu einem thermisch isolierten Raum 4 des elektrischen Energiespeichers 2, der in der Regel auch als Hot-Box bezeichnet wird. In welcher Weise das Wasser nun in der Hot-Box bzw. in dem thermisch isolierten Raum 4 an die in diesen Zeichnungen nicht dargestellte elektrochemische Zelle gelangt, ist für diese Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Grundsätzlich kann der gesamte thermisch isolierte Raum 4 unter einem bestimmten Wasserdampfdruck stehen. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, durch gezielte Leitungen im elektrochemischen Raum den Wasserdampf Stacks (eine Bündelung von mehreren elektrochemischen Zellen) zuzuführen, oder die einzelne elektrochemische Zelle an sich direkt mit dem Was¬ serdampf zu versorgen.
In Figur 1 sind die Komponenten einer Rechargeable Oxide Bat- tery (ROB) schematisch in ihrem Zusammenwirken aufgezeigt. Hierbei weist die ROB zentrale Baugruppe einen thermisch iso¬ lierten Raum 4 auf, der auch als Hot Box bezeichnet wird. Der isolierte Raum 4 wird durch eine Prozessgaszuführleitung 16 mit einem Prozessgas, in der Regel Luft, versorgt. Das Pro¬ zessgas wird durch die Prozessgasauslassleitung 18 wieder aus dem thermisch isolierten Raum hinausgeleitet. Da die ROB bei Temperaturen zwischen 600 und 800°C betrieben wird, muss das Prozessgas vor dem Eintritt in den isolierten Raum 4 aufge¬ heizt werden. Das austretende Prozessgas weist wiederum eine Temperatur auf, die in etwa der Temperatur in dem thermisch isolierten Raum 4 entspricht, weshalb ein Wärmetauscher 22 außerhalb des isolierten Raumes 4 vorgesehen ist, in dem sich die Temperaturen des einströmenden Prozessgases und des aus¬ strömenden Prozessgases angleichen. Zur Beförderung des Prozessgases ist ein Gebläse 26 vorgesehen. Ferner weist der thermisch isolierte Raum 4 elektrische Zu- und Abführleitungen 28 auf.
Da wie beschrieben Wasser bzw. Wasserdampf ein entscheidender Bestandteil des elektrochemischen Prozesses, der sich im thermisch isolierten Raum 4, und dort in elektrochemischen Zellen abspielt, ist, und der thermisch isolierte Raum 4 ge¬ genüber Wasserdampf nur schwer vollständig abzudichten ist, ist eine Wasserzufuhr 6 sowie eine Abfuhr des Wasserdampfes 27 vorgesehen, über die die Konzentration des Partialdruckes des Wasserdampfes im Inneren des Raumes 4 beeinflusst und ge¬ steuert werden kann.
Zur Bereitstellung des Wasserdampfes ist ein Wasserreservoir 8 bzw. ein Wasserreservoirbehälter 8 vorgesehen, in dem wiederum in einer bevorzugten Ausgestaltungsform eine Kartusche 10 vorgesehen ist, in der ein spezielles Sorptionsmittel ein¬ gefüllt ist. Das Sorptionsmittel gibt bei einer speziellen Temperatur Wasser durch Desorption mit einem bestimmten Par- tialdruck ab. Adsorptionsisothermen und der daraus resultierende Partialdruck für exemplarisch ausgewählte Sorptionsmit¬ tel und sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
Durch die Verwendung von Sorptionsmitteln als Wasserspeicher für die ROB ist ein einfacher Aufbau der Wasserversorgung möglich. Beispielsweise ist hier keine Pumpe nötig, wie es im Gegensatz bei der Verwendung von Wasser in flüssiger Form der Fall wäre. Außerdem haben die Sorptionsmittel im Allgemeinen die Eigenschaft, dass das Wasser nicht stoßweise desorbiert, sondern kontinuierlich entweicht. Bei flüssigem Wasser wären zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. ein beheiztes Puffervolumen, nötig, um stoßweises Verdampfen bzw. Siedeverzüge zu vermei¬ den, da ansonsten die Batterie durch Druckstöße beschädigt werden könnte. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass der Partial- druck des Wassers mit dem Adsorbens bei einer gegebenen Tem¬ peratur eine Funktion der Beladung des Sorptionsmittels ist (Beladung ist das Masseverhältnis von adsorbiertem Wasser zu Sorptionsmittel) . Auf diese Weise lässt sich das Wasserreser- voir mit einfachen technischen Mitteln, wie z. B. einem
Druckmesser, erfassen, um gleichzeitig einen Volumenstrom des Wasserdampfes sicherzustellen. Hierfür müsste bei der Verwendung von flüssigem Wasser ein Füllstandsmesser vorgesehen sein, der jedoch ein Versagen der ebenfalls notwendigen Pumpe nicht sicher erfassen könnte. Der technische Aufwand durch die Verwendung von flüssigem Wasser wäre somit deutlich komplexer, technisch aufwändiger und kostenintensiver, als dies durch den beschriebenen Aufbau mit einem Adsorptionsmittel als Wasserspeicher ist.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungsformen, wie das Wasserreservoir 8, in dem die Sorptionsmittelkartu¬ sche angeordnet ist, mit der erforderlichen Temperatur beauf- schlagt werden kann. In Figur 2 ist im Unterschied zu Figur 1 noch ein zusätzliches Heizelement 14 am Wasserreservoir 8 angeordnet, durch das grundsätzlich durch Einbringen von elektrischer Energie eine Wärmegrundversorgung für das Wasserreservoir 8 gewährleistet werden kann. Alternativ oder zusätz- lieh zur Heizmethode nach Figur 2 ist in Figur 3 eine Wärme¬ versorgung des Wasserreservoirs 8 durch Einleiten des Pro¬ zessgases vorgesehen. Hierbei ist eine Abzweigung 20 in der Prozessgasauslassleitung 18 vorgesehen. Das heiße Prozessgas, das in Figur 3 zwischen dem thermisch isolierten Raum 4 und dem Wärmetauscher 22 abgeleitet wird, strömt gegebenenfalls durch einen Kühler 30 und durch ein Drosselventil 32 gedrosselt in das Wasserreservoir 8, erwärmt das Adsorptionsmittel in der Adsorptionsmittelkartusche 10 und wird durch eine Ab¬ leitung 34 aus dem Wasserreservoirbehälter 8 wieder ausgelei- tet. Die Temperatur des Sorptionsmittels kann hierbei durch das Drosselventil 32 und die Menge des einströmenden Heißga¬ ses beeinflusst werden.
Alternativ kann, wie in Figur 4 dargestellt, die Abzweigung 20 bezüglich des Prozessgasaustritts hinter dem Wärmetauscher angeordnet sein. In dieser Form weist das bereits abgekühlte Prozessgas eine niedrigere Temperatur auf und kann gegebenen¬ falls direkt in das Wasserreservoir 8 eingeleitet werden. Die Desorptionstemperatur, also die Temperatur des Desorpti- onsmittels und damit die Temperatur des austretenden Wassers, liegt grundsätzlich technisch sinnvoll in einem Bereich zwi- sehen 20°C und 500°C. Besonders vorteilhaft liegt die Desorp¬ tionstemperatur jedoch in einem Temperaturbereich zwischen 90°C und 190°C. Dabei ist es zweckmäßig, wenn eine Adsorpti¬ onsisotherme des porösen Sorptionsmittels für Wasser als Ad¬ sorbat so verläuft, dass bei der Desorptionstemperatur der absolute Wasserdampf-Partialdruck mindestens 1000 hPa beträgt (1 bar) . Die Adsorptionsisothermen bei Adsorptionstemperatur, also vor dem Einbau in den Wasserreservoirbehälter 8, und bei Desorptionstemperatur, also im Betrieb beim Freisetzen des Wassers, sollte so liegen, dass hinreichend viel Wasser pro eingesetzter Masse des Adsorbers nutzbar ist. Dies ist ge¬ währleistet, wenn die Sorptionsisothermen so verlaufen, wie sie in den Figuren 5 (für Silikagel als Beispiel für ein Ad¬ sorptionsmittel) und Figur 6 (modifizierte Aktivkohle) ver¬ laufen. Hierbei beschreibt die Kurve mit dem Bezugszeichen 36 jeweils die Adsorptionsisotherme bei niedrigen Temperaturen, typischerweise 10°C bis 40°C, und die Adsorptionsisothermen mit dem Bezugszeichen 38, die bei hohen Temperaturen (typischerweise zwischen 90°C und 190°C) liegen. Der Abstand 80 zwischen den Adsorptionsisothermen bei ca.
1100 hPa stellt hierbei einen üblicherweise gut nutzbaren Be¬ reich für den sorptiven WasserstoffSpeicher dar.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Energiespeicher mit einem thermisch isolierten Raum (4), in dem eine oder mehrere elektrochemische Zel- len angeordnet sind, wobei der thermisch isolierte Raum (4) eine Wasserzufuhr (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzufuhr (6) über ein Wasserreservoir (8) erfolgt, das ein Sorptionsmittel enthält, in dem Wasser gespeichert ist .
2. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserreservoir 8 außerhalb des iso¬ lierten Raums (4) angeordnet ist.
3. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserreservoir (8) eine aus¬ wechselbare Sorptionsmittelkartusche (10) umfasst.
4. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Desorptionstem- peratur des Sorptionsmittel zwischen 20°C und 500°C, insbe¬ sondere zwischen 90°C und 190°C, liegt.
5. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserpartial- druck (12) des aus dem Sorptionsmittel desorbierten Wassers zwischen 900 hPa und 1200 hPa liegt.
6. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionmittel ein poröser Feststoff ist.
7. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel ein Zeolith, ein Chabasit, eine modifizierte Aktivkohle oder Kieselgel umfasst.
8. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Be¬ heizung (14) des Wasserreservoirs (8) vorgesehen ist.
9. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch iso¬ lierte Raum (4) eine Prozessgaszuführungsleitung (16) und eine Prozessgasauslassleitung (18) aufweist, wobei von der Prozessgaszuführungsleitung (16) und/oder der Prozessgasauslass- leitung (10) eine Abzweigung (20) vorgesehen ist, durch die das Prozessgas zur Beheizung des Wasserreservoirs (8) abzweigbar ist.
PCT/EP2012/060032 2011-06-17 2012-05-29 Elektrischer energiespeicher mit einem sorptionsmittel enthaltendem wasserreservoir WO2012171787A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011077692.3 2011-06-17
DE102011077692A DE102011077692A1 (de) 2011-06-17 2011-06-17 Elektrischer Energiespeicher

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012171787A1 true WO2012171787A1 (de) 2012-12-20

Family

ID=46208482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/060032 WO2012171787A1 (de) 2011-06-17 2012-05-29 Elektrischer energiespeicher mit einem sorptionsmittel enthaltendem wasserreservoir

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011077692A1 (de)
WO (1) WO2012171787A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9502742B2 (en) 2012-03-12 2016-11-22 Siemens Aktiengesellschaft Electrical energy store

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030015093A1 (en) * 2001-04-30 2003-01-23 Wegeng Robert S. Method and apparatus for thermal swing adsorption and thermally-enhanced pressure swing adsorption
US20030049504A1 (en) * 2001-09-07 2003-03-13 Wheat William S. Fuel cell energy management system for cold environments
US20050164051A1 (en) * 2004-01-22 2005-07-28 Ion America Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
WO2005107000A2 (en) * 2004-04-23 2005-11-10 Nucellsys Gmbh Fuel cell based power generation systems and methods of operating the same
DE102008061771A1 (de) * 2008-12-11 2010-06-24 Volker Harbusch Brennstoffzelleneinheit für gasförmige Brennstoffe

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB437821A (en) * 1934-05-12 1935-11-06 Christian Jensen Gordon Improvements in electric primary cells
DE19918849C2 (de) * 1999-04-19 2003-04-30 Mannesmann Ag Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, sowie deren Verwendung
DE102004020029A1 (de) * 2004-04-23 2005-12-01 Ballard Power Systems Ag Brennstoffzellenbasiertes Energieerzeugungssystem und Verfahren zur Verbesserung der Kaltstartfähigkeit desselben

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030015093A1 (en) * 2001-04-30 2003-01-23 Wegeng Robert S. Method and apparatus for thermal swing adsorption and thermally-enhanced pressure swing adsorption
US20030049504A1 (en) * 2001-09-07 2003-03-13 Wheat William S. Fuel cell energy management system for cold environments
US20050164051A1 (en) * 2004-01-22 2005-07-28 Ion America Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
WO2005107000A2 (en) * 2004-04-23 2005-11-10 Nucellsys Gmbh Fuel cell based power generation systems and methods of operating the same
DE102008061771A1 (de) * 2008-12-11 2010-06-24 Volker Harbusch Brennstoffzelleneinheit für gasförmige Brennstoffe

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9502742B2 (en) 2012-03-12 2016-11-22 Siemens Aktiengesellschaft Electrical energy store

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011077692A1 (de) 2012-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69313130T2 (de) Metallhydridzellen mit verlängerter lebensdauer für elektrische kraftfahrzeuge
DE102009032463B4 (de) Batteriesystem
EP2160232B1 (de) Speicherbehälter für gasförmige krafstoffe und dessen anwendung
EP2864192B1 (de) Betriebsgassystem für ein unterwasserfahrzeug, verfahren zum betrieb eines solchen betriebsgassystems sowie ein unterwasserfahrzeug mit einem solchen betriebsgassystem
DE102015204678A1 (de) Batteriekonditionierung mit Sorptionsmittelregeneration
DE102006061370A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ammoniakspeicherung und -zufuhr unter Verwendung von in-situ-Wiedersättigung einer Zufuhreinheit
WO2011072936A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur minderung der feuchtigkeit eines gases in einem gehäuseinnenraum
EP0718904A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO2021058343A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, sowie brennstoffzellensystem
DE102006009062A1 (de) Kryoadsorptionssammelgefäß zur Verdampfungsverlustkompensation für Flüssiggasspeicherung
DE102009000508A1 (de) Speicherbehälter und Verfahren zum verlustreduzierten Speichern eines Brennstoffs
DE10317123B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Brennstoffzellenkaltstart mit Metallhydriden und deren Verwendung
DE112014001907T5 (de) Ammoniakspeicheraufbau und zugehörige Systeme
DE102014018232B3 (de) Akkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug
EP1022796B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102007048337A1 (de) Verfahren und Vorrichtung für die sichere Verwendung von Ammoniak erzeugenden Materialien
WO2012171787A1 (de) Elektrischer energiespeicher mit einem sorptionsmittel enthaltendem wasserreservoir
WO2020229065A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem
EP3179548B1 (de) Trocknungsvorrichtung einer batterie, verfahren zum betrieb derselben sowie batterie und fahrzeug diese enthaltend
DE102011077690B4 (de) Elektrischer Energiespeicher
DE102007052149A1 (de) Brennstoffzelle und Verfahren zur Erwärmung einer Brennstoffzelle
EP2308121B1 (de) Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems und ein brennstoffzellensystem
DE112020006758T5 (de) Brennstoffzellensystem
WO2008148368A1 (de) Hochtemperatur-polymerelektrolyt-brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben desselben
EP1555709B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Energiewandlers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12725695

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12725695

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1