用于储存电能的设备和操作该设备的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于储存电能的设备，其包括具有通过固体电解质(3)分隔开的阳极空间(5)和阴极空间(11)的至少一个电化学电池单元(1)，并且包括连接到阳极空间(5)的用于阳极物质的第一储存器(7)和连接到阴极空间(11)的用于阴极物质的第二储存器(23)，其特征在于，阴极空间(11)还连接到第三储存器(25)，第二储存器(23)和第三储存器(25)借助于气体管道(33)互相连接，其中气体管道(33)通向第二储存器(23)和第三储存器(25)的上部区域中，并且具有可逆输送方向的用于气体的输送设备(35)容纳在气体管道(33)中，并且其中，(i)第二储存器(23)具有在储存器(23)的下部区域中的取出点(27)，该取出点连接到通向阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)，并且第三储存器(25)具有在第三储存器(25)中所包含的液体的液面(31)处的取出点(29)，该取出点连接到通向阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，或者(ii)第二储存器(23)和第三储存器(25)各自具有在储存器的下部区域中的取出点(41)，这些取出点连接到通向阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，并且各自具有在储存器(23,25)中所包含的液体的液面(31)处的取出点(43)，这些取出点连接到通向阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)。本发明专利技术还涉及一种操作该设备的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于储存电能的设备和操作该设备的方法
本专利技术从一种用于存储电能的设备入手，该设备包括至少一个具有通过固体电解质分隔开的阳极空间和阴极空间的电化学电池单元，并且还包括连接到阳极空间的用于阳极物质的第一储存器和连接到阴极空间的用于阴极物质的第二储存器。本专利技术还涉及操作用于储存电能的设备的方法。
技术介绍
用于储存电能的电化学电池单元一般被称为电池或蓄能器。其它电化学设备例如为电解槽。这些例如可以用于由包含碱金属的合适的盐制备碱金属。除了在环境温度下工作的电池以外，还存在需要高于环境温度的工作温度的电池。这些通常是使用熔融电解质操作的电化学电池单元，至少一种电解质的熔点高于环境温度。该类型的电池例如是基于碱金属和硫的电池，其中硫和碱金属两者均在熔融状态下使用。例如由DE-A2635900或DE-A2610222获知这种基于作为阳极的熔融碱金属和一般为硫的阴极反应参与物而工作的电池。这里，熔融碱金属和阴极反应参与物通过可透过阳离子的固体电解质分离开。碱金属与阴极反应参与物的反应在阴极发生。例如在使用钠作为碱金属并使用硫作为阴极反应参与物时，这是钠和硫形成多硫化钠的反应。为了将电池充电，多硫化钠通过电能的引入而在电极处再次分解成钠和硫。为了增加基于熔融碱金属和阴极反应参与物的电池的蓄电容量，使用其中借助于附加储存容器来增加反应物的使用量的电池。为了实现放电，液体钠被供给到固体电解质。液体钠同时用作阳极并且形成经阳离子传导固体电解质输送到阴极的阳离子。流到阴极上的硫在阴极处还原为多硫化物，即与钠离子反应而形成多硫化钠。相应的多硫化钠可以被收集在又一容器中。作为替代方案，也可以将多硫化钠连同硫一起收集在阴极空间周围的容器中。由于密度差，硫上升并且多硫化钠沉积。该密度差还可以用于引起沿着阴极的流动。例如，WO2011/161072中描述了相应的电池设计。DE-A102011110843公开了一种基于熔融钠和熔融硫的电池，其中设置了用于钠、硫和多硫化钠的单独的储存器，并且在工作期间，在各种情况下需要的材料流经电池的单元。用于输出电力的电极布置在钠管道和多硫化物管道上。WO-A2010/135283描述了又一种钠-硫电池，其中使用分开的用于钠和硫的容器以便增加容量。这里，钠和硫各自借助泵而被输送通过电化学电池单元的相应电解质空间。这引起连续流动，使得在硫侧形成的多硫化钠从电解质空间连续排出。由于所有电化学反应物都以熔融形式存在并且离子导电陶瓷膜的最佳电导率范围仅在相对高的温度下达到，所以这种电池的工作温度通常处于300℃至370℃的范围内。最高温度一般由被用作固体电解质的陶瓷的劣化/降解决定。为了控制电池的温度，JP-A2010-212099或DE-A4029901例如公开了在电化学电池单元周围流动的温控介质的使用。然而，所有这些系统具有以下缺点：当多个电池单元结合以形成电池时，无法从位于内部的电化学电池单元向外传热，结果位于内部的电池单元变得明显比位于外部的电池单元热。这经常会将正在进行的操作期间所需的电力切断或节流，其不利地影响电池的经济性。另外，这种电池的加热和冷却，例如为了将其关闭或再次启动，仅在随着时间的推移具有非常适中的温度梯度的情况下才可以，并且因此需要大量的时间。现有技术中已知的电池的又一缺点是，与液体硫或液体碱金属直接接触的输送设备——一般而言为泵——必须用于输送硫和碱金属。这导致高腐蚀率并因此由于必要的维修和维护作业而导致电池的频繁关闭。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种具有至少一个电化学电池单元的用于储存电能的设备，以及一种操作这种设备的方法，所述设备和方法不具有从现有技术中已知的缺点。该目的通过一种用于储存电能的设备来实现，该设备包括至少一个具有通过固体电解质分隔开的阳极空间和阴极空间的电化学电池单元，并且还包括连接到阳极空间的用于阳极物质的第一储存器和连接到阴极空间的用于阴极物质的第二储存器，其中阴极空间还连接到第三储存器，并且第二储存器和第三储存器借助于气体管道互相连接，其中该气体管道分别通向第二储存器和第三储存器的上部区域中，并且在该气体管道中包括具有可逆输送方向的用于气体的输送设备，并且此外，(i)第二储存器具有在储存器的下部区域中的取出点，该下部区域中的取出点连接到通向阴极空间的上部区域中的管道，并且第三储存器具有在第三储存器中所包含的液体的液面处的取出点，该液面处的取出点连接到通向阴极空间的下部区域中的管道，或者(ii)第二储存器和第三储存器各自均具有在储存器的下部区域中的取出点，这些下部区域中的取出点连接到通向阴极空间的下部区域中的管道，并且各自均具有在储存器中所包含的液体的液面处的取出点，这些液面处的取出点连接到通向阴极空间的上部区域中的管道。通过气体管道连接的第二储存器和第三储存器的使用使得在放电期间可以将阴极物质输送到阴极空间中并将在阴极空间中形成的反应产物从阴极空间输送到相应的储存器中，并且在电池充电期间将反应产物输送到阴极空间中并将在阴极空间中形成的阴极物质输送到相应储存器中，不必另外使用与阴极物质或反应产物接触的泵。这尤其允许避免中断操作而进行由于与阴极物质或所形成的反应产物接触而引起的泵的腐蚀所导致的必须从事的维护作业。阴极物质和反应产物输送通过阴极空间仅借助于重力和通过将气体从一个储存器输送到另一个储存器而产生的压力差来实现。在一个特别优选的实施例中，硫被用作阴极物质，碱金属、特别是钠被用作阳极物质。所形成的反应产物是碱金属多硫化物，下文也称为多硫化物。除了使用硫和碱金属以外，根据本专利技术的设备和根据本专利技术的方法还可以用于其它阴极物质和阳极物质，只要阳极物质、阴极物质和反应产物在工作温度下为液体并且此外阴极物质和反应产物形成具有不同密度的两个不混溶相即可。出于简化的原因，下文将以硫作为阴极物质和碱金属作为阳极物质的例子来描述设备和方法两者。例如，当第二储存器位于电化学电池单元上方并且第三储存器位于电化学电池单元下方时，可以实现借助于重力来辅助硫或碱金属多硫化物输送通过阴极空间。在这种情况下，硫可以仅在重力作用下从第二储存器经电化学电池单元流入第三储存器中。由于碱金属多硫化物具有比硫高的密度，所以碱金属多硫化物当在阴极空间中形成时向下沉，因此同样可以仅借助于重力取出并引入第三储存器中。如果要提高从上部的第二储存器经阴极空间进入下部的第三储存器的硫和碱金属多硫化物的流速，则也可以通过向第二储存器中引入气体和第二储存器中相关联的压力累积来辅助硫的输送。将第二储存器定位在电化学电池单元上方并且将第三储存器定位在电化学电池单元下方的又一优点在于可以连续通风。阴极空间或管道中出现的任何气泡上行到第二储存器中并因此不会破坏硫在管道中的输送或阻塞电极的一部分。此外，可以通过升高压力、即通过向上部的第二储存器引入气体来将总液体(即硫和碱金属多硫化物)既从第二储存器又从电化学电池单元的阴极空间推入第三储存器中，使得电化学电池单元也大部分被清空。这样，在例如出于检查目的将电池冷却至低于硫或碱金属多硫化物的固化温度期间固体电解质破裂的风险大幅降低。在恢复操作时也可以进行无危险加热，因为硫和多硫化物的加热发生在下部的储存器中，并且只有空电池单元必须被加热。由于必须反转流动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于储存电能的设备，该设备包括具有通过固体电解质(3)分隔开的阳极空间(5)和阴极空间(11)的至少一个电化学电池单元(1)，并且还包括连接到所述阳极空间(5)的、用于阳极物质的第一储存器(7)和连接到所述阴极空间(11)的、用于阴极物质的第二储存器(23)，其特征在于，所述阳极物质、所述阴极物质和在所述阴极空间中形成的反应产物在工作温度下为液体，并且阴极物质和反应产物形成具有不同密度的两个不混溶相，所述阴极空间(11)还连接到第三储存器(25)，所述第二储存器(23)和所述第三储存器(25)借助于气体管道(33)互相连接，其中所述气体管道(33)分别通入所述第二储存器(23)的上部区域和所述第三储存器(25)的上部区域中，在所述气体管道(33)中容纳有具有可逆输送方向的用于气体的输送设备(35)，此外，(i)所述第二储存器(23)具有在所述储存器(23)的下部区域中的取出点(27)，该下部区域中的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)，所述第三储存器(25)具有在所述第三储存器中所包含的液体的液面(31)处的取出点(29)，该液面(31)处的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，或者(ii)所述第二储存器(23)和所述第三储存器(25)各自均具有在储存器的下部区域中的取出点(41)，这些下部区域中的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，所述第二储存器和所述第三储存器各自均具有在储存器(23,25)中所包含的液体的液面(31)处的取出点(43)，这些液面(31)处的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.08 EP 16159091.41.一种用于储存电能的设备，该设备包括具有通过固体电解质(3)分隔开的阳极空间(5)和阴极空间(11)的至少一个电化学电池单元(1)，并且还包括连接到所述阳极空间(5)的、用于阳极物质的第一储存器(7)和连接到所述阴极空间(11)的、用于阴极物质的第二储存器(23)，其特征在于，所述阳极物质、所述阴极物质和在所述阴极空间中形成的反应产物在工作温度下为液体，并且阴极物质和反应产物形成具有不同密度的两个不混溶相，所述阴极空间(11)还连接到第三储存器(25)，所述第二储存器(23)和所述第三储存器(25)借助于气体管道(33)互相连接，其中所述气体管道(33)分别通入所述第二储存器(23)的上部区域和所述第三储存器(25)的上部区域中，在所述气体管道(33)中容纳有具有可逆输送方向的用于气体的输送设备(35)，此外，(i)所述第二储存器(23)具有在所述储存器(23)的下部区域中的取出点(27)，该下部区域中的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)，所述第三储存器(25)具有在所述第三储存器中所包含的液体的液面(31)处的取出点(29)，该液面(31)处的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，或者(ii)所述第二储存器(23)和所述第三储存器(25)各自均具有在储存器的下部区域中的取出点(41)，这些下部区域中的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，所述第二储存器和所述第三储存器各自均具有在储存器(23,25)中所包含的液体的液面(31)处的取出点(43)，这些液面(31)处的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二储存器(23)位于所述电化学电池单元(1)的上方，所述第三储存器(25)位于所述电化学电池单元(1)的下方。3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，具有可逆输送方向的所述用于气体的输送设备(35)是具有可逆流动方向的压缩机单元。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，在所述第二储存器(23)与所述用于气体的输送设备(35)之间和/或在所述第三储存器(25)与所述用于气体的输送设备(35)之间设置有冷凝物分离器。5.根据权利要求1、3和4中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二储存器(23)和所述第三储存器(25)各自均具有在储存器(23，25)的下部区域中的取出点(41)，所述下部区域中的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的下部区域中的管道(19)，所述第二储存器和所述第三储存器各自均具有在储存器(23,25)中所包含的液体的液面(31)处的取出点(43)，所述液面(31)处的取出点连接到通入所述阴极空间(11)的上部区域中的管道(17)，所述第二储存器(23)和第三储存器(25)以使得来自所述第二储存器(23)的液体能被直接输送到所述第三储存器(25)中的方式互相连接。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二储存器(23)包括用于调节温度的设备，或所述第三储存器(25)包括用于调节温度的设备，或所述第二储存器(23)和所述第三储存器(25)各自均包括用于调节温度的设备。7.一种操作根据权利要求1至4中任一项所述的用于储存电能的设备(1)的方法，其中，使用熔融碱金属作为阳极物质并且使用硫作为阴极物质，所述方法包括以下步骤：(a)使碱金属多硫化物流过所述阴极空间(11)以便给所述用于储存电能的设备(1)充电，或使硫流过所述阴极空间(11)以便给所述用于储存电能的设备(1)放电，其中将来自所述第三储存器(25)的碱金...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·赫德布里彻，D·拜尔，W·亚布茨尼斯基，J·E·泽勒帕恩达，A·K·杜尔，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE