CN103125039A - 具有多个电化学电池单元的电化学储能装置 - Google Patents

Abstract

一种电化学储能装置，其中具有多个电化学电池单元（2）和中间元件（7-17），该中间元件（7-17）在每两个各自邻近的电化学电池单元之间或在电化学电池单元和外壳壁之间，该中间元件由灭火剂或灭火剂添加剂组成或包含或包括灭火剂或灭火剂添加剂。

Description

具有多个电化学电池单元的电化学储能装置

技术领域

本发明涉及一种电化学储能装置。结合此种储能装置的预防和/或消灭火灾是特别重要的。预防或消灭火灾是一种用于增加此种电化学储能装置的安全性的特别重要装置。特别是在该储能装置用于车辆运输旅客时。

背景技术

德国专利102008059948A1公开了一种用于机动车、摩托车的锂电池的预防和/或消灭火灾的方法和装置，特别是其中该电池的内部包括该电池的单个电池单元，该电池的内部经应急管线连接至灭火剂储存室，且其中该电池内部和灭火剂储存室至少临时通过应急开口流动性连接。

德国专利102008059942A1公开了一种预防和/或消灭机动车中的火灾的装置，该装置具有冷却剂回路和灭火器装置。该灭火器装置安装有应急开口，该开口被打开以消灭或预防火灾并且可通过该开口喷射灭火剂。

德国专利102008059968A1公开了一种用于运行机动车的锂离子电池的方法和装置，其中用于防火和/或灭火的目的，该电池的内部含有该电池的单个电池单元，该电池的内部经过管线流体地连接至该电池的冷却剂回路且制冷剂在需要时至少临时性地从冷却剂回路引入至该内部。

发明内容

本发明为基于以下目的：详细说明利用电化学储能装置预防和/或消灭火灾的技术教导由此尽可能地克服现有技术中的许多局限性或不利之处。

该目的通过电化学储能装置或用于其各自的生产来实现，或通过结合根据独立权利要求的任一项中的电化学储能装置用于消灭或预防火灾的方法来实现。从属权利要求用于保护本发明的有利的进一步发展。

根据本发明，提供了一种电化学储能装置，该装置具有多个电化学电池单元和在每两个各自邻近的电化学电池单元之间的中间元件或在电化学电池单元和外壳壁之间的中间元件，其中所述中间元件由灭火剂或灭火剂添加剂组成或包括或包含灭火剂或灭火剂添加剂。该中间元件优选设计为间隔物或边缘保护板的形式。

在此，电化学储能装置应理解为一种以化学形式储存能量的装置并且该装置可以电形式向外部电负载发出该能量。燃料电池和原电池以及多个此种电池的集合为此种储能装置的显著的实例。该电池优选优选为蓄电池；即，电化学储能装置不仅可将化学形式储存的能量向负载以电的形式发出，而且其在提供有电能时，还可以以化学形式将其储存；即也可被充电。

在本文中，火灾是指通过有害的化学反应改变或分解能量储存或部分的能量储存的任何作用。此种意义上火灾特别是指储能装置或其环境的元件或部件的放热化学反应，该化学反应作为储存能量的结果频繁地发生或者其部件过热。

为了理解，本文中的灭火剂为一种物质或几种物质的混合物，它们对火灾发挥熄灭的作用；即优选阻滞作用，和/或其防止或阻止火灾的发生。结合本发明，灭火作用优选指阻碍火灾的作用；即，灭火作用可防止或减少火灾的后果或发生。在重要实施例中灭火剂或它们包含的优选的物质为能使化学反应物丧失火源的物质，没有该物质火势无法维持或者该物质抑制导致火灾的发生或补充的化学反应。灭火剂优选通过将灭火剂添加剂与溶剂或载体混合来生产。

根据本发明的优选的灭火剂添加剂为所谓的凝胶样剂，该凝胶凝剂在结合其他材料、溶剂或载体例如优选水时，优选形成粘合剂并优选为粘性凝胶或粘弹性流体，该粘性凝胶或粘弹性流体优选通过它们对于燃烧物质及其表面的粘着性来表征。凝胶凝剂为优选基于所谓的超级吸收剂的灭火剂添加剂的实施例，且优选以粉末或固体材料或还可作为乳剂提供。超级吸收剂还可在水中或其他载体物质中吸收数倍于它们的重量或体积的水。与常规的泡沫垫相比，通过将对应的超级吸收剂与水混合形成的水基的凝胶具有形成密封的屏障的优点，该密封的屏障持续时间长于常规的泡沫垫并且用显著更少的水熄灭燃烧物。

结合本发明的描述，粘弹性流体应理解为具有粘弹性性质的流体。一种（理想的）流体应理解为对于任何给定的缓慢剪切不具有（或多或少）阻力的物质。可压缩的流体（气体）和不可压缩的流体（液体）之间有区别。涵盖性术语“流体”被使用是因为多数物理定律同样适用于（或多或少）气体和液体且它们许多性质仅在数量上而通常不是在质量上不同。基于它们的表现，真正的流体可区分成具有典型流体力学性质的“牛顿流体”和具有典型的流变力的非牛顿流体。这两者之间的区别在于该介质的流动行为，通过剪切或抗剪应力和扭曲或剪切速率之间的函数关系表征。

粘弹性指依赖于时间、温度和/或频率的流体弹性，例如，聚合物熔体或固体例如塑料。粘弹性特征为部分弹性的、部分粘性的性质。在除去外力后该材料仅回复至其部分初始状态；其余的能量以流动过程的形式被耗尽。

在本发明描述的内容中，凝胶应理解为至少一个第一相、通常为固相，且至少一个第二相，通常为液相的精细分散的系统。胶体通常构成凝胶。因此固相通常为海绵状的、三维的网状物，该网状物的孔填充有液体或还有气体。因此这两种相通常完全相互渗透。胶体定义为分布于另一介质（固体、气体或液体），分散介质中的颗粒或液体。

本发明的一个优选实施例提供了一种电化学储能装置，其具有多个电化学电池单元，该这些电池单元之间至少部分地设置有灭火剂或灭火剂添加剂。对于该电化学储能装置特别优选的是其包括无框架的棱柱状的电化学电池单元，这些电池单元通过它们的侧表面或接触件电连接。

本发明的另一优选实施例提供了一种电化学储能装置，其中至少一个电化学电池单元的至少一部分涂覆有或设置有灭火剂或灭火剂添加剂。特别优选的是其中该电化学电池单元的至少一部分的侧表面与灭火剂或灭火剂添加剂层压在一起。

本发明的另一优选实施例提供了一种电化学储能装置，其中该灭火剂或灭火剂添加剂为固体或弹性可变形的材料或该灭火剂或灭火剂添加剂包含于此种材料中。本文中术语固体也包括粉末或泡沫，特别是弹性可变形的泡沫的压缩的聚集物。

根据本发明的另一优选实施例，电化学储能装置设有外壳，该外壳具有至少部分地涂覆有或者设置有灭火剂或灭火剂添加剂的壁。

电化学储能电池应理解为适合并将用于防止或阻碍该电化学储能电池的部件和其环境之间的物质传递的任何装置。该外壳优选还适合于并将用于防止或阻碍在该电化学储能装置和其环境之间的不利的能量交换，特别是当以不利的方式交换能量时，尤其包括例如以非电性的如热能或机械能形式。外壳因此优选用于保护电化学储能装置防止从其环境有不利的影响，并保护环境防止有可能来自于电化学储能装置的外力或危险。然而，此种外壳通常不总是完全安装上，且在一些情况下，设置为允许储能装置和其环境之间的气体交换。

对于用于此种储能装置的外壳的壁，该外壳的部件适用于防止与阻碍在该储能装置和其环境之间的不想要的物质交换或不想要的能量交换。该壁尤其还包括将该外壳的不同部分彼此分开的该外壳的部件。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂或灭火剂添加剂可吸收或包含几倍于其体积的水。在此特别优选的是基于凝胶剂的灭火剂，特别是包含所谓基于超级吸收剂的灭火剂添加剂的那些灭火剂。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种聚合物，优选为共聚物，特别优选为丙烯酰胺共聚物或丙烯酸钠共聚物。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种脂肪酸酯。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种表面活性剂。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂或灭火剂添加剂包含至少水和至少一种脂肪酸酯的至少一个混合物或乳液，至少一种聚合物，优选为共聚物，特别优选为一种丙烯酰胺共聚物或丙烯酸钠共聚物。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂包含约28%的至少一种聚合物，约6%的至少一种表面活性剂，约23%的至少一种酯油和约43%水的混合物或乳液。

本发明的另一优选实施例提供一种电化学储能装置，其中该灭火剂添加剂结合水和约50%的至少一种聚合物，约10%的至少一种表面活性剂和约40%的至少一种酯油的混合物或乳液使用。

根据另一优选的实施例，该灭火剂添加剂与一载体物质混合成灭火剂，该载体物质为流动通过冷却剂回路的冷却剂，该冷却剂回路在正常的储能操作过程中关闭，并设计为使得该冷却剂在着火的情况下从该关闭的冷却剂回路中在特定位置处释放，并且可在这些位置发挥灭火作用。这使得在特定位置的灭火作用的靶向性的启动通过着火引起，并且同时能保持冷却作用。

在本发明的一个意义上，冷却剂是指可流动的材料，特别是气体或液体传热介质，该介质从其周围吸收热，将这种热以流的方式传输，并且还可将热释放至周围环境，且利用其物理性质，其能够将在该传热介质中的热以空气动力学或水动力学流动方式，特别是还有对流方式通过热传导和/或热传输进行传输。通常本领域中传热介质的明显的例子包括例如空气、水或其他常用制冷剂。取决于具体的应用，其他气体或液体也是常用的，例如化学惰性的（低活性的）气体或液体例如惰性气体或液化的惰性气体或具有高容量和/或热导性的物质。

在本文中可流动的物质应理解为可以空气动力学或水动力学进行流动或者可保持该流动的任何物质。此种物质的实例为气体和特别是液体。然而，在这方面流体还可以液体和/或气体和精细分散的固体的混合物，所谓的气溶胶或以胶状溶液形式被维持或起始。

根据本发明的特别优选的装置包括一种用于使冷却剂在着火时该冷却剂从冷却剂回路在特定位置处释放时压力稳定的装置。本发明的该实施例可与保持冷却剂压力结合，因此在冷却剂从冷却剂回路在特定位置处释放时保持冷却至较大的或完全的程度的效果以在这些位置保持器灭火效果。

本发明的另一优选实施例使用水作为冷却剂，由此该冷却剂流动通过冷却剂回路，该冷却剂回路在储能的正常操作时保持关闭，并设计为使得在着火时水可从该关闭的冷却剂回路在特定位置释放，且该水一旦从该冷却剂回路出来则与灭火剂添加剂混合，其中形成凝胶或粘弹性流体。

利用由至少一种聚合物、至少一种表面活性剂和至少一种酯油的混合物组成的灭火剂添加剂因此为特别优选的。

对于添加剂还特别优选的是其由约50%的至少一种聚合物、约10%的至少一种表面活性剂和约40%的至少一种酯油的混合物组成。

在计算混合比例时，优选考虑冷却剂/灭火剂混合物的有利效果，或添加剂基于所述冷却剂/灭火剂混合物的粘弹性及其结合水的能力。该冷却剂粘附至光滑表面的力因此还可增加。该液体不使用时不会流出。

根据与静止阶段比较导致粘性的显著减少的动能合适地计算混合物比例，特别是在聚合物、酯油、表面活性剂和水的混合物情况下。此种混合物因此可以低粘性流动通过冷却剂回路，且同时从冷却剂回路在着火的位置处释放时具有高粘性。此种混合物的流动性因此首先取决于流速。

该液体的化学-物理粘结至胶体结构中，该粘结可显著地减少该液体的蒸发速率，甚至在较高温度下。这显著减少了液体的消耗。由于相对高的层厚度和减少的蒸发速率，粘合至凝胶结构的液体可在着火的位置产生增加的冷却效果。该效果在抑制非常高温的火灾时非常重要。

在一些优选实施例中，该灭火剂添加剂优选具有相对于该添加剂的总体积的P wt%的至少一种聚合物、T wt%的至少一种表面活性剂和E wt%的至少一种酯油组成的混合物的形式，其中：

45≤P≤55,

8≤T≤12,

35≤E≤45,

且

P+T+E=100。

附图说明

以下将通过优选的实施例和附图来对本发明进行更详细的描述。附图中：

图1为本发明的第一实施例；

图2为本发明的第二实施例；

图3为本发明的第三实施例；

图4为本发明的第四实施例；

图5为本发明的第五实施例；

图6为本发明的第六实施例；和

图7为本发明的第七实施例。

具体实施方式

图1示意性描述了本发明的电化学储能装置的实施例，其包括外壳1，该外壳1的壁用灭火剂或灭火剂添加剂7、8涂覆或设置于其内部，且该外壳1的底部用灭火剂或灭火剂添加剂9涂覆或设置于其内部。在该实施例中，该电化学储能装置包括多个电化学电池单元2，在该情况下包括4个，它们的接触件，即它们的电连接3，被连接成经电连接件6的电串联，以使图1中显示的该电化学电池单元2产生的总电压连接伸出该外壳的接触件4和5。

该实施例与已知的电化学储能装置的结构相比具有的优点是在外壳内部着火的情况下，在该外壳中燃烧的或易燃的材料由于重力的作用下沉至外壳1的底板，应用于外壳的壁或底板上的灭火剂或灭火剂添加剂7、8和9在该易燃的或燃烧的材料上引发燃烧延迟效应以有效地阻碍该火势或火势的蔓延。涂层7、8和9不应该是灭火剂而是灭火剂添加剂，其与灭火剂添加剂一起发挥作用的物质通过破坏或燃烧的电化学电池单元2的破坏而释放并与灭火剂添加剂一起混合成灭火剂或可与灭火剂添加剂反应生成灭火剂，这是有利的。在其他情况下，如果着火或用于防止火灾，灭火剂添加剂可与之混合或共混成灭火剂的载体物质例如水，可从外部引入。

本发明的实施例中，用于涂覆或设置于外壳臂上的材料为化合物，该化合物还由一些区域的灭火剂添加剂和载体物质组成，该载体物质和该灭火剂添加剂一起共同组成灭火剂，以使该化合物混合或进行化学反应因此在着火时产生的高温作用下形成灭火剂，该实施例为优选的。其他优选的实施例提供了将通过涂覆或其他方式应用于外壳内壁或还应用于外壳外壁的灭火剂添加剂以使得经过外部施用灭火剂或其他载体物质例如水，应用至外壳壁或外壳底部的灭火剂添加剂与从外部引入的溶剂，优选为水结合，因此反应生成灭火剂。

一个优选的灭火剂添加剂为至少一种聚合物、至少一种表面活性剂和至少一种酯油的混合物或乳液。该混合物或乳液与水混合成灭火剂，该灭火剂使水长时间地保持在燃烧表面之上因此产生较长时间持续的并且更有效的对燃烧的阻止并且比不含灭火剂添加剂的水更好地冷却。因此该灭火剂添加剂优选包含约50%的至少一种聚合物，优选包含约10%的至少一种表面活性剂且优选包含约40%的至少一种酯油。

在一些情况下，其中灭火剂添加剂已经以混合物或乳液的形式沉积于电化学储能装置的外壳壁上或在外壳底部上或在其他部件上，该混合物或乳液与其溶剂或载体物质组合，特别是与水组合，该灭火剂优选具有凝胶样的，特别是粘性的稠度并优选由约28%的至少一种聚合物、约6%的至少一种表面活性剂、约23%的至少一种酯油和约43%的水组成。

结合本发明所有描述的或阐述的执行的实例或实施例，这些实例或实施例的特征还可以有利地相互组合，灭火剂或灭火剂添加剂优选为凝胶或粘性流体。本发明的其他实施例提供了固体的或弹性可变形的材料制成的灭火剂或灭火剂添加剂，或者该灭火剂或灭火剂添加剂包含于此种固体或弹性可形变的材料中。

图2示意性描述的本发明的实施例中，除了应用于外壳壁的灭火剂或灭火剂添加剂7、8，以及应用于外壳底部的灭火剂或灭火剂添加剂9，还有灭火剂或灭火剂添加剂10设置于电化学电池单元2之间，其中该灭火剂或灭火剂添加剂优选设置于图2中示意性描述的部分中。

图3显示了本发明的一个实施例，其中电化学电池单元2不具有任何伸出该电池单元外壳或伸出电池单元壳的电接触件3，而是在其中电化学电池单元2通过它们的电池单元壁或侧壁壳表面11接触由此将多个电池单元2串联电连接以在图3所示的电导性或至少部分导性的电池单元壁之间接触。

伸出外壳1的电接触件4和5与外部电化学电池单元的电池单元壁接触，该电接触件4和5设置于多个电池单元2的电池组的末端。该实施例中，灭火剂或灭火剂添加剂设置于电池单元壁7、8上的部分中或设置于底板9上。图3显示的电池组由两个部分电池组组成，每个电池组包括三个各自的电池单元，并且通过电接触件3和6进行连接。电连接件6设计为使得灭火剂或灭火剂添加剂10可设置于两个部分电池组之间的区域中。

图4示意性地描述了本发明的一个实施例，其中电化学电池单元，或它们各自的侧壁，至少部分地涂覆有灭火剂或灭火剂添加剂12。在电池单元壳被破坏打开时，应用于该电池单元壳上的灭火剂或灭火剂添加剂可阻止火势发展因为避开了燃烧的或易燃的材料。

图5显示了本发明的一个实施例，其中电化学电池单元2的侧表面为至少部分地与灭火剂13或与灭火剂添加剂13层压在一起。在电池单元壁的这些区域中，其中没有设置灭火剂或灭火剂添加剂13，优选设置电导性材料的接触元件或接触层14，该接触元件或接触层14产生电池单元的电连接。在本发明的其他实施例中，在这些点处，在电化学电池单元之间没有电接触件14且其中灭火剂或灭火剂添加剂10优选设置于此种电化学电池单元之间，伸出电池单元外壳或伸出电池单元壳接触件3可经电导体连接件6与电池单元相互连接。

图6显示了图5显示的实施例的设计变体，其中灭火剂或灭火剂添加剂以一定范围铺展于壁涂层7和8上和底部涂层9上以使该涂层延伸至电化学电池单元的边缘和壁处。设置于部分电池组之间的灭火剂或灭火剂添加剂10还以一定程度铺展以便事实上完全填满电化学电池单元之间的空间和电化学电池单元下面的空间。在本发明的该实施例中，灭火剂的火势延迟和冷却作用启动了对于电化学电池单元2的外壳壁或壳壁的直接作用。

图7显示了图5和6中描述的本发明的实施例的另一设计变体，其中在电池单元外壳边缘之上或之下还有空间区域，其中接触件优选伸出电池外壳或壳的外面，该空间区域填充有灭火剂或灭火剂添加剂15、16和17。

以下参考数字结合本发明的关于附图的描述使用：

1        外壳

2        电化学电池单元

3        电化学电池单元的电连接件（接触件）

4,5      自外壳伸出的接触突起

6        接触件之间的电传导性连接

7,8      设置于外壳壁的内侧上的灭火剂或灭火剂添加剂

9        设置于外壳的底部上的灭火剂或灭火剂添加剂

10       设置于电化学电池单元之间的灭火剂或灭火剂添加剂

11       接触电池单元壁

12       灭火剂或灭火剂添加剂涂覆电池单元壁

13       设置于或层压于电化学电池单元之间的灭火剂或灭火剂添加剂

14       电池单元壁之间的电导连接件

15,16,17 设置于电池单元边缘处的灭火剂或灭火剂添加剂

Claims (16)

1.一种电化学储能装置，包括多个电化学电池单元和中间元件，所述中间元件在每两个各自邻近的电化学电池单元之间或在电化学电池单元和外壳壁之间，其中所述中间元件由灭火剂或灭火剂添加剂组成或包含或包括灭火剂或灭火剂添加剂。

2.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其特征在于，包括无框架的棱柱状的电化学电池单元，所述电化学电池单元通过它们的侧表面或接触件电连接。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，至少一个电化学电池单元的至少部分涂覆有或设置有灭火剂或灭火剂添加剂。

4.根据权利要求2或3所述的电化学储能装置，其特征在于，所述电化学电池单元的至少部分的侧表面与灭火剂或灭火剂添加剂层压在一起。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂各自为凝胶或粘性流体。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂各自为固体或弹性可变形的材料或包含于此种材料中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述储能装置外壳的至少一个壁为至少部分地涂覆有或设置有灭火剂或灭火剂添加剂。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂可在水中吸收或包含几倍于其体积的水。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种聚合物，优选共聚物，特别优选丙烯酰胺共聚物或丙烯酸钠共聚物。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种脂肪酸酯。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种表面活性剂。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂或灭火剂添加剂包含至少一种水和至少一种脂肪酸酯、至少一种聚合物、优选为共聚物、特别优选为丙烯酰胺共聚物或丙烯酸钠共聚物的混合物或乳液。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂包含：

约28%的至少一种聚合物，

约6%的至少一种表面活性剂，

约23%的至少一种酯油，和

约43%的水

的混合物或乳液。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其特征在于，所述灭火剂添加剂与水组合使用，并且所述灭火剂添加剂包含：

约50%的至少一种聚合物，

约10%的至少一种表面活性剂，和

约40%的至少一种酯油

的混合物或乳液。

15.一种生产电化学储能装置的方法，特别是根据前述权利要求中任一项所述的电化学储能装置，其中中间元件设置于多个电化学电池单元中的每两个各自邻近的电化学电池单元之间或在电化学电池单元和外壳壁之间，其中所述中间元件由灭火剂或灭火剂添加剂组成或包含或包括灭火剂或灭火剂添加剂。

16.一种利用电化学储能装置预防或消灭火灾的方法，其中中间元件设置于多个电化学电池单元中的每两个各自邻近的电化学电池单元之间或在电化学电池单元和外壳壁之间，其中所述中间元件由灭火剂或灭火剂添加剂组成或包含或包括灭火剂或灭火剂添加剂。

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