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Die
Erfindung betrifft ein Kondensatormodul.
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Ultrakondensatoren
(auch elektrochemische Doppelschichtkondensatoren oder Supercaps)
werden für
die meisten Applikationen in Serie beziehungsweise parallel geschaltet
und bilden somit ein sogenanntes Ultrakondensatormodul. Beispielsweise
werden für
Anwendungen im Automobilbordnetz von 14 V derzeit 6 Kondensatoren
in Reihe geschaltet und bei 42 V 18 Kondensatoren.
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Es
ist möglich,
dass ein Eindringen von Spritz- oder Regen- oder stehendes Wasser bei Kontakt mit einem
Kondensator diesen beschädigt.
Sollte dies passieren, kann es zu einer Wasserbrücke zwischen Kondensatorteilen,
die einen Potentialunterschied beispielsweise von größer als
1,3 Volt und höher
ausgesetzt sind, kommen. Unter diesen Bedingungen setzt die Elektrolyse
von Wasser unter Knallgasbildung ein, welche für Personen gefährlich bzw.
gesundheitsschädlich
sein kann.
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Aus
WO 03/092023 A1 ist ein Kondensatormodul bekannt, bei dem sich zwei
Kondensatoren in jeweils getrennten, voneinander dicht abgeschlossenen
metallisch leitfähigen
Gehäusen
befinden.
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Aus
US 4,992,910 ist ein Kondensator
bekannt, dessen Gehäuse
mit einer gaspermeablen Membran ausgestattet ist.
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Aus
DE 198 30 557 A1 ist
ein poröser
Filter bekannt, der in einer Batterie Verwendung findet.
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Es
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kondensatormodul
anzugeben, das für Personen
möglichst
ungefährlich
ist.
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Die
Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich neben der nachfolgenden
Beschreibung auch aus den Unteransprüchen.
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Es
wird ein Kondensatormodul vorgeschlagen, aufweisend:
ein Modulgehäuse, in
dem mindestens zwei Kondensatoren angeordnet sind, wobei das Modulgehäuse einen porösen Filter
enthält,
der dem Innendruck des Modulgehäuses
ausgesetzt ist. Dabei besteht der Filter zumindest teilweise aus
einem Material, welches durch Reaktion mit einem von einem Kondensator
abgegebenen anderen Material derart reagiert, dass der Filter gasundurchlässig wird.
Dieser Prozess kann innerhalb weniger Minuten stattfinden.
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Mittels
des Filters kann daher eine kontrollierte Entweichung eines von
einem Kondensator ausgestoßenen
Gases erreicht werden.
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Es
wird bevorzugt, dass der Filter, welcher im Allgemeinen als poröse Fläche verstanden
werden kann, elastisch bis starr ausgebildet wird. Insbesondere
im elastischen Zustand wird der Filter als Membran verstanden.
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Der
Filter ist vorzugsweise flüssigkeitsundurchlässig, gleichzeitig
aber auch vorübergehend
gasdurchlässig.
Damit kann der erhöhte
Innendruck im Modulgehäuse
kontrolliert abgebaut werden, da ein durch ein Kondensator ausgestoßenes Gas
durch den Filter nach außen
strömen
kann und damit ein Aufplatzen des Modulgehäuses vermieden wird. Gleichzeitig
wird ein Eindringen von Flüssigkeit
in das Modulgehäuse
vermieden.
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Das
Risiko von Gesundheitsschäden
wird ebenso signifikant eingedämmt,
da die Gasemissionsrate durch den Filter reduziert ist und somit
auch die maximale Dosis, der eine Person ausgesetzt werden kann.
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Der
Filter kann zumindest teilweise aus hydrophoben Material bestehen.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Membran eine flüssigkeitsabweisende
Wirkung hat.
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Es
ist günstig,
wenn die Porosität
des Filters so gewählt
ist, dass ein über
den nominalen Druck im Kondensatormodul hinausgehender, zusätzlicher Überdruck
innerhalb von 10 bis 120 Sekunden wesentlich, vorzugsweise ganz,
absenkbar ist. Dadurch kann eine der strukturellen Intaktheit des
Modulgehäuses und/oder
des Filters gefährdender
kumulativer Druckanstieg, erzeugt durch das Aufplatzen eines weiteren Kondensators,
reduziert werden.
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Es
ist günstig,
wenn einer der Kondensatoren eine Sollbruchstelle gegen überhöhtem Innendruck
des Kondensators aufweist, welche bei ausreichendem Innendruck derart
anspricht, dass der Kondensator sich kontrolliert öffnet. Mittels
der Kombination des Filters und eines mit einer Sollbruchstelle
ausgebildeten Kondensators kann ebenfalls eine erhöhte Kontrolle über die
Emissionsrate des Modulgehäuses
erreicht und damit ein explosionsartiges Aufbrechen vermieden werden.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren
näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
Kondensatormodul mit einem einfachen, ersten Filter,
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2 ein
Kondensatormodul mit einem zweiten Filter, welcher ein Filtergehäuse und
eine Membran aufweist,
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3 eine
erste Ausführungsform
eines Filters,
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines Filters,
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5 ein
Kondensatormodul mit einem Filter und mehreren Kondensatoren.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, dass eine erste Möglichkeit, ein Anstehen eines
erhöhten
Innendrucks im Modulgehäuse
entgegenzuwirken, darin besteht, eine kleine Öffnung im Modulgehäuse vorzusehen. Durch
die Öffnung
würden
aber die Emissionen des ggf. ausgefallenen und undichten Kondensators
relativ unkontrolliert, d.h. in vorher schlecht abschätzbaren
Raten, nach außen
dringen können.
So bleiben im wesentlichen Gefahrenpotentiale außerhalb des Modulgehäuses in
Bezug auf Gesundheit, Feuer, Explosion erhalten. Weiterhin bietet
eine Öffnung
dieser Art keinen ausreichenden Schutz gegen das Eindringen von
stehendem-, Spritz- oder Regenwasser in das Modulgehäuse.
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Das
Problem kann dadurch gelöst
werden, dass ein durchgehend festes, geschlossenes Gehäuse um die
Kondensatoren gebaut wird. So wird ein Entweichen der Emissionen
und infolgedessen Gesundheits-, Explosions- oder Feuergefahren vermieden.
Allerdings kann sich unter diesen Bedingungen ein erheblicher Gasdruck
innerhalb des Kondensatormodulgehäuses aufbauen. Dies kann dazu
führen,
dass das Gehäuse
durch den Innendruck aufgerissen wird und die oben genannten Gefahren
nicht abschätzbar
und dadurch nicht tolerierbar sind.
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1 zeigt
ein Kondensatormodul mit einem Modulgehäuse 1, einem Kondensator 2 und
einem undichten Bereich 3 in der Form eines porösen Filters,
welcher auf eine Stirnseite des Modulgehäuses montiert ist und vorzugsweise
die einzige undichte Stelle des Modulgehäuses bildet. Der Filter weist
eine dem Innendruck des Modulgehäuses
ausgesetzte Fläche
auf. Er kann auch als poröse
Membran verstanden werden, insbesondere wenn er elastisch ausgebildet
ist. Es wird eine geringfügige
Elastizität
der Membran mit einer maximalen Ausdehnung von unter 5 mm bevorzugt.
Der Filter wird vorzugsweise derart druckfest ausgebildet, dass
ohne zu zerreißen
einen Druck von bis zu 7 bis 10 bar aushält. Der mit dem Filter versehenen
Stirnseite des Modulgehäuses
steht vorzugsweise ein geschlossener Gehäuseboden 8 axial gegenüber. Der
im Modulgehäuse
angeordnete Kondensator ist mittels eines Deckels 4 mit
einer Leiterplatte 5 verbunden. Der Deckel 4 weist
vorzugsweise Kontaktierungen 6 auf, welche einerseits einen
ersten Bereich der Leiterplatte mit einem im Kondensator aufgenommenen
Elektrodenwickel elektrisch verbinden und andererseits einen zweiten,
gegenpoligen Bereich der Leiterplatte mit dem Kondensatorgehäuse 2' verbinden,
je nachdem, wie die Elektrodenwickel im Kondensator entweder mit
dem Kondensatorgehäuse 2' oder mit dem
Gehäusedeckel
verbunden sind. Eine elektrische Entkopplung mittels Isolierungen
der beiden Pole bzw. Elektrodenwickel sowie deren Zuleitungen ist
vorgesehen um Kurzschlüsse
zu vermeiden.
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Die
Durchmesser der Poren des Filters 3 sind so gering gewählt, dass
ein Eindringen von Flüssigkeit, insbesondere
Wasser, über
den Filter in das Modulgehäuse
nicht ohne Weiteres möglich
ist. Kleine Tröpfchen oder
Gasmoleküle
können
dabei von der Seite des Kondensators durch den Filter strömen, wie
sie für
eventuelle Gasemissionen des Kondensators 2 entstehen.
Es werden Poren mit Durchmessern im Bereich von 0,05 bis 30 μm bevorzugt,
besonders aber im Bereich von 0,1 bis 10 μm. Die Poren sind vorzugsweise
homogen über
die Filterfläche
verteilt. Große
Tropfen wie sie im Spritz-, Regenwasser oder stehendem Wasser vorliegen,
vermögen
aber nicht den Filter von außen
zu durchdringen. Dieser wasserabweisende Effekt lässt sich durch
die Wahl eines hydrophoben Filtermaterials noch verstärken. Somit
liegt also ein semi-permeables Filtermaterial vor, das zwar vorübergehend
durchlässig
für die
gegebenenfalls im Modulgehäuse
freigesetzten Emissionen ist, nicht aber für von außen anstehende Flüssigkeit.
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Es
ist vorteihaft, dass die Integration der Filters ohne Weiteres wirtschaftlich
realisierbar ist.
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In
einer nicht beanspruchten Ausführungsform
kann der Filter aus einem chemisch inerten, hydrophoben Material,
wie zum Beispiel Polytetraflourethylen, bestehen. Polytetraflourethylen
ist chemisch inert und lässt
sich von organischen Elektrolyten benetzen. Dies würde den
Materialtransport durch den Filter nach außen fördern.
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Gleichzeitig
wird das Eindringen von Wasser in das Modulgehäuse vermieden oder zumindest
erschwert.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
besteht im Einsatz von nicht inertem Membranmaterial. Solche Materialien
könnten
zum Beispiel Polyamide sein. Sie werden von den vom Kondensator
ausgestoßenen
organischen Lösemitteln
angegriffen, d.h., der Filter kann bei Kontakt mit einem anderen
Material bzw. von einen Kondensator ausgestoßenem Gas aufquellen, gegebenenfalls
verkleben und wird damit gasundurchlässig. Solche Prozesse finden
im Minuten- und Stundenbereich statt. Die vom Kondensator ausgestoßene Gas/Flüssigkeitsmischung
besteht im Wesentlichen aus dem im Kondensator eingesetztem Elektrolyten,
zum Beispiel Tetraethylammoniumtetrafloroborat in Acetonitril, Tetraethylammonium,
Tetrafloroborat in Propylenkarbonat, oder andere Leitsalze in organischen
Elektrolyten. Weiterhin können
Elektrolysegase des Kondensators wie beispielsweise Wasserstoff,
Kohnenmonoxid, Kohlendioxid freigesetzt werden. Unter Verwendung
eines nicht inertem Membranmaterial ist es also möglich, nach
dem Abbau des erhöhten
Innendrucks eine selbstverschließende Funktion am defekten
Kondensatormodul zu integrieren. Dies würde vorteilhafterweise die
Handhabung des Moduls beim Ausbau und bei der Rückführung zum Recycling vereinfachen,
da das Gefahrenpotential für
eine Person reduziert ist.
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Der
Filter kann sehr dicht ausgebildet werden. Damit sinken die Emissionsraten
und mithin Risiken bezüglich
Gesundheit, Feuer, Explosion oder Eindringen von Wasser in das Kondensatormodul.
Relativ dichte Filter dieser Art können möglicherweise den Druckanstieg
im Modulgehäuse
aber nur sehr langsam abbauen, sodass ein durch mehrere ausgefallenen, geöffneten
Kondensatoren erzeugter kumulativer Druckanstieg den Filter zerstört. Daher
wird vorgeschlagen, den Filter derart porös auszubilden, dass ein über den
nominalen Druck im Kondensatormodul hinausgehender, zusätzlicher Überdruck
innerhalb von 10 bis 120 Sekunden wesentlich, vorzugsweise ganz,
abfällt.
Dadurch kann ein der strukturellen Intaktheit des Modulgehäuses und/oder
des Filters gefährender
kumulativer Druckanstieg, erzeugt durch das Aufplatzen eines weiteren
Kondensators, reduziert werden.
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Die
folgende Tabelle zeigt verschiedene Zustände eines Kondensatormoduls,
in dem bei verschiedenen Zustandsmessungen ein Polytetraflourethylenfilter
bzw. ein Polycarbonatfilter mit unterschiedlichen Porengrößen eingebaut
wurden:
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Bei
der Verwendung eines Kunststoffmodulgehäuses ist der Vorteil der Integration
eines Filters besonders groß,
da Kunststoffe bei steigenden Temperaturen erweichen und dementsprechend
die Festigkeit des Materials abnimmt, so dass das Kunststoffgehäuse normalerweise
bei einem zu hohen Innendruck aufgerissen wird.
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Bei
einer Überhitzung
oder Überspannung
des Kondensators oder aus anderen Gründen kann ein hoher Innendruck
im Kondensator selbst erzeugt werden. Wenn dieser Innendruck zu
sehr ansteigt, spricht vorzugsweise eine im Kondensatorgehäuse 2' angebrachte
Funktionseinheit an, die ein kontrolliertes (also nicht explosionsartiges)
Abblasen des Kondensators ermöglicht.
Diese Funktionseinheit kann beispielsweise eine geprägte Sollbruchstelle
oder ein Überdruckventil
sein. Wenn die Sollbruchstelle anspricht, öffnet sie sich nach voraussehbarem
Verhalten und es bläst
eine Gas/Flüssigkeitsmischung
aus dem Kondensator. Es ist auch möglich, dass beim Ansprechen
der Sollbruchstelle die elektrische Stromzufuhr zum Kondensator
unterbrochen wird. Dies kann anhand der Durchtrennung einer elektrischen
Kontaktierung zum Kondensator bzw. Kondensatorwickel erreicht werden.
Die Durchtrennung ist vorzugsweise mit dem Vorgang der Öffnung der
Sollbruchstelle gekoppelt.
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2 zeigt
ein Kondensatormodul mit einem Filter 3', der ein Filtergehäuse mit
einer im Filtergehäuse integrierten
Membran aufweist. Die Membran kann auch als Innenfilter verstanden
werden. Sie ist entlang ihres gesamten Umfangs mit der Innenwand
des Filtergehäuses
verklebt, verschweißt
oder zumindest flüssigkeitsundurchlässig verbunden.
Filter mit integrierten Membranen sind handelsüblich und können vorteilhafterweise günstig und
in größter Vielfalt
erworben werden. Die Membran ist im Filtergehäuse vorteilhafterweise vor äußeren mechanischen
Belastungen, wie beispielsweise Berührungen, geschützt.
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Zur
Integration des Filters 3' in
das Modulgehäuse 1 wird
erst eine erste Hälfte
des Modulgehäuses 1, beispielsweise
mit einem bereits aufgenommenen Kondensator 2, derart bereitgestellt,
dass der Filter in einer für
ihn vorgesehenen ersten Muldenhälfte
der ersten Modulgehäusehälfte eingeführt wird
und anschließend eine
zweite Hälfte
des Modulgehäuses
mit einer in ihrer Form auf die erste Muldenhälfte angepassten zweiten Muldenhälfte auf
die erste Muldenhälfte
montiert werden kann, sodass während
der Montage der Filter innerhalb der durch die Muldenhälften gebildeten
Mulde 7, des Modulgehäuses 1 eingeschlossen
wird. Die Modulgehäusehälften können dabei
miteinander verklebt, verschraubt oder verschweißt werden.
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Das
Modulgehäuse
bzw. die Hälften
des Modulgehäuses
werden stirnseitig mit einer Öffnung
versehen, unter der der Filter bzw. die Membran sowie die Mulde 7 angeordnet
ist. Der Filter kann mit einem nach außen, durch die Öffnung geführten Rohr 10 ausgebildet
sein, auf das vorzugsweise ein Entweichungsschlauch 9 geschoben
wird. Mit dem Entweichungsschlauch kann die Richtung des entweichenden
Gases kontrolliert werden.
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3 zeigt
eine detailliertere Ansicht des zu 2 vorgestellten
Filters 3'.
Der Filter weist eine Halterung 11 in der Form einer vorzugsweise
extrem druckfesten Randumspritzung auf, welche die Membran 3 bzw. den
Innenfilter hält.
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Auf
die der Kondensatoren zugewandte Fläche der Membran 3 ist
vorzugsweise ein mit einem Gewinde versehener Stift 12 aufgebracht,
welcher in einem vorzugsweise im Modulgehäuse eingearbeiteten Gewindeausgang
bzw. Gegenteil einschraubbar ist. Eine einfache Montage des Filters 3' in das Modulgehäuse durch Aufschrauben
ließe
sich hiermit in einfacher Weise erreichen. Der Stift 12 ist
ferner durchgängig
bzw. mit einem Innenrohr ausgebildet, sodass durch das Innenrohr
die aus den Kondensatoren geströmte
Mischung die volle, effektive Fläche
der mit Poren versehenen Membran 3 trifft.
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Es
ist ein weiterer mit einem Innenrohr versehener Stift 10 auf
der gegenüberliegenden
Seite der Membran, d.h., ausgangsseitig angeordnet. Durch diesen
durchgängigen
Stift werden die Kondensatoremissionen, nachdem sie von der Membran
gefiltert wurden, nach außen
geführt.
Es wird bevorzugt, dass der Stift Verstärkungsstege 13 aufweist,
welche mit der Membran, vorzugsweise auch mit der Randumspritzung 11 verbunden sind.
Damit wird die Festigkeit des Filters 3' bzw. der Membran 3 gegenüber einem
erhöhten Überdruck
des Kondensatormoduls gestärkt.
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4 zeigt
eine besondere Bauweise des zu 3 vorgestellten
Filters. Der Filter 3' weist
hier mehrere übereinander
gestapelte Innenfilter 15, 16 auf, welche unterschiedliche
Filtereigenschaften aufweisen. Sie sind vorzugsweise starr bis elastisch
ausgebildet. Einer der Innenfilter 15 ist beispielsweise
ein Glasfaser-Vorfilter, der größere Partikel
abfängt,
wie beispielsweise Feststoffe, Flüssigkeitstropfen oder Lösungen,
die beim Abdampfen Rückstände bilden.
Der Glasfaser-Vorfilter
weist ineinander verflochtene Glasfaser auf und ist die erste Filterfläche, auf
die die von den Kondensatoren ausgestoßenen Emissionen treffen. Der
hinter dem Vorfilter 15 (im Sinne der Ausstoßrichtung
der Emissionen) angeordnete Innenfilter 16, beispielsweise
mit Porendurchmessern von 0,2 oder 0,45 μm, hält dabei feinere Partikel oder
Kontaminationen zurück.
Die scheibenförmigen
Deckel 14 und 17 stellen dagegen jeweils die den
Kondensatoren zugewandte Hälfte
mit dem Gewindestift 12 und die nach außen gerichtete Hälfte mit
dem nach außen
gerichteten Stift 10 des in 3 dargestellten
Filters dar. Der nach außen
gerichtete Deckel 14 wird vorzugsweise mit einer im wesentlichen
axial ausgerichteten, von seinem Rand bis zum Stift 10 sich
erstreckenden, leicht nach außen
gewölbten
Fläche ausgebildet,
damit ausreichend Raum für
eine geringfügige
Auswölbung
des Innenfilters 16 möglich
ist. Die Deckel 14 und 17 werden unter Einschließung der
Innenfilter zusammengepresst-, geschraubt, geschnappt oder geklebt.
In diesem Zustand können
die Deckel zusammen als Filtergehäuse bezeichnet werden. Anschließend wird
der so zusammengebaute Filter mit der genannten druckfesten Randumspritzung 11 versehen.
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5 zeigt
ein Kondensatormodul, in dem mehrere Kondensatoren 2 angeordnet
sind. Die Kondensatoren können
jeweils mit einer Stirnseite mittels einer gemeinsamen Leiterplatte 5 in
der zu 1 erläuterten Weise
in Reihe geschaltet sein. Verschiedene, gegenpolige Bereiche der
Leiterplatte 5 können
mittels elektrischer Anschlüsse 6' nach außen mit
entsprechenden Spannungsquellen kontaktiert werden. Die Kondensatoren
können
auch genannte Sollbruchstellen aufweisen, welche bei ausreichendem
Innendruck ansprechen. Das Modulgehäuse 1 weist vorzugsweise
einen einzigen Filter 3' nach
einem der genannten Arten auf, welcher das von einem oder mehreren
Kondensatoren ausgestoßene
Gas nach außen
zumindest kontrolliert abfängt oder
entweichen lassen kann. Die Membran bzw. der Filter ist in diesem
Falle vorzugsweise auch die einzige undichte Stelle des Modulgehäuses.
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- 1
- Modulgehäuse
- 2
- Kondensator
- 2'
- Kondensatorgehäuse
- 3
- Filter
oder Membran
- 3'
- Filter
mit Membran
- 4
- Kondensatordeckel
- 5
- Leiterplatte
- 6
- Kontaktierung
- 7
- Filtermulde
des Modulgehäuses
- 8
- Modulgehäuseboden
- 9
- Entweichungsschlauch
- 10
- Filterrohr
- 11
- Filterrandumspritzung
- 12
- Stift
mit Gewinde und Innenrohr
- 13
- Verstärkungsstege
- 14
- Erste
Hälfte
des Filters
- 15
- Erster
Innenfilter
- 16
- Zweiter
Innenfilter
- 17
- Zweite
Hälfte
des Filters
