DE102007052163A1

DE102007052163A1 - Hochtemperaturbatterie

Info

Publication number: DE102007052163A1
Application number: DE200710052163
Authority: DE
Inventors: Hubert Schweiggart; Guenter Reitemann; John De Roche
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07
Also published as: WO2009056481A2; WO2009056481A3

Abstract

Eine Hochtemperaturbatterie (1), umfassend ein Gehäuse (2) zur Aufnahme wenigstens eines Reaktanden (3, 4), wenigstens einen von dem Gehäuse (2) aufgenommenen Reaktanden (3, 4), eine positiv ladbare Elektrode (5), eine negativ ladbare Elektrode (6), soll mit einem geringen Energieaufwand schnell auf die notwendige Betriebstemperatur erwärmbar sein. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Hochtemperaturbatterie (1) mit einer Heizeinrichtung (8), z. B. einer Heizwendel (10), zum Erwärmen des wenigstens einen Reaktanden (3, 4) auf die Betriebstemperatur versehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbatterie, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme wenigstens eines Reaktanden, wenigstens einen von dem Gehäuse aufgenommenen Reaktanden, eine positiv ladbare Elektrode und eine negativ ladbare Elektrode und eine Anordnung mit mehreren Hochtemperaturbatterien. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters von wenigstens zwei zu einer Anordnung zusammengefassten Hochtemperaturbatterien.
Stand der Technik
Hochtemperaturbatterien, z. B. Zebra-Batterien, müssen zur Abgabe eines elektrischen Stromes auf eine hohe Betriebstemperatur von z. B. 300°C erwärmt werden. Im Allgemeinen werden mehrere Hochtemperaturbatterien zu einer Anordnung zusammengefasst, die von einer Wärmeisolation umgeben sind. Zum Aufheizen der Hochtemperaturbatterien auf die Betriebstemperatur wird, sofern die Eigenwärme aus Auf- und Entladevorgängen nicht ausreicht, eine elektrische Heizung verwendet. Nachteilig ist hierbei, dass beim Erwärmen hohe Wärmeverluste auftreten und es eine relativ lange Zeit dauert, bis im Inneren der Hochtemperaturbatterien die Betriebstemperatur erreicht ist. Dies wirkt sich besonders negativ bei den häufigen Anwendungsgebieten von Hochtemperaturbatterien, nämlich zur Stromversorgung von batteriebetriebenen Personen- und Nutzfahrzeugen und für Notstromversorgungssysteme, aus.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Hochtemperaturbatterie, eine Anordnung mit mehreren Hochtemperaturbatterien und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters von wenigstens zwei zu einer Anordnung zusammengefassten Hochtemperaturbatterien zur Verfügung zu stellen, so dass die Hochtemperaturbatterien mit einem geringen Energieaufwand unter Berücksichtigung der angeforderten elektrischen Leistung schnell auf die notwendige Betriebstemperatur erwärmbar sind bes Weiteren soll der konstruktive Aufwand gering sein.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Hochtemperaturbatterie, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme wenigstens eines Reaktanden, wenigstens einen von dem Gehäuse aufgenommenen Reaktanden, eine positiv ladbare Elektrode, eine negativ ladbare Elektrode, wobei die Hochtemperaturbatterie mit einer Heizeinrichtung, z. B. eine Heizwendel oder eine Heizfolie, zum Erwärmen des wenigstens einen Reaktanden auf die Betriebstemperatur versehen ist. In vorteilhafter Weise treten damit geringe Wärmeverluste beim Aufheizen auf und die Betriebstemperatur kann sehr schnell erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist innerhalb des Gehäuses ein von der Heizeinrichtung erwärmbares Wärmeleitelement ausgebildet. Das Wärmeleitelement wird mittelbar oder unmittelbar von der Heizeinrichtung erwärmt.
Vorzugsweise steht die Heizeinrichtung in thermischer Verbindung mittels Wärmeleitung zum Wärmeleitelement.
In einer weiteren Ausführungsform ist innerhalb des Gehäuses die Heizeinrichtung ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist am und/oder im Gehäuse die Heizeinrichtung vorhanden. Das Gehäuse selbst kann auch als Heizeinrichtung ausgebildet sein.
Insbesondere ist das Wärmeleitelement in dem wenigstens einen Reaktanden angeordnet. Damit kann die Wärme unmittelbar vom Wärmeleitelement auf den wenigstens einen Reaktanden übertragen werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Heizeinrichtung in dem wenigstens einen Reaktanden angeordnet. Damit kann die Wärme unmittelbar von der Heizeinrichtung auf den wenigstens einen Reaktanden übertragen werden.
Zweckmäßig ist das Wärmeleitelement die positiv ladbare Elektrode und/oder die negativ ladbare Elektrode. Damit kann die Elektrode zusätzlich zum Erwärmen des wenigstens einen Reaktanden genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung, vorzugsweise über die gesamte Länge der jeweiligen Elektrode, in eine oder beide Elektroden integriert. Damit wird die Elektrode gleichmäßig erwärmt, so dass eine besonders schnelle Erwärmung der Reaktanden möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung an einer oder beiden Elektroden außerhalb des Gehäuses angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind eine oder beide Elektroden durch eine thermische Isolation, z. B. einen Isolationsring, gegen das Gehäuse isoliert.
In einer weiteren Ausführungsform sind innerhalb des Gehäuses zwei Reaktanden angeordnet, die durch eine nur für bestimmte Ionen durchlässige semipermeable Membrane, z. B. aus Keramik, voneinander getrennt sind und die positiv ladbare Elektrode steht in Kontakt zum ersten Reaktanden, z. B. Natrium-Nickel-Chlorid, und die negativ ladbare Elektrode steht in Kontakt zum zweiten Reaktanden, z. B. Natrium.
Vorzugsweis ist die negativ ladbare Elektrode das Gehäuse.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Reaktanden auf eine Temperatur im Bereich von 270°C bis 350°C erwärmbar.
Eine erfindungsgemäße Anordnung mit mehreren Hochtemperaturbatterien umfasst wenigstens eine oben beschriebene Hochtemperaturbatterie.
Insbesondere sind die Hochtemperaturbatterien selektiv erwärmbar. Dadurch können nur diejenigen Hochtemperaturbatterien erwärmt bzw. aktiviert werden, welche für die aktuelle elektrische Leistung notwendig sind, so dass die Wärme- bzw. Energiemenge zum Erwärmen an die angeforderte elektrische Leistung angepasst werden kann.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters von wenigstens zwei zu einer Anordnung zusammengefassten Hochtemperaturbatterien werden die Hochtemperaturbatterien selektiv erwärmt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Temperatur der selektiv erwärmten Hochtemperaturbatterien auf einer bestimmten Temperatur, z. B. im Bereich von 270°C bis 350°C, konstant geregelt. Damit kann die Temperatur der selektiv erwärmten Hochtemperaturbatterien während der Betriebsdauer auf der notwendigen Betriebstemperatur gehalten werden.
Vorzugsweise werden mittels einer Steuerungseinheit die Parameter elektrischer Strom, elektrische Spannung, Temperatur und Ladestand der Hochtemperaturbatterien selektiv gesteuert und/oder geregelt. Diese Parameter werden somit nur für diejenigen Hochtemperaturbatterien gesteuert und/oder geregelt, welche zur Stromabgabe genutzt werden bzw. erwärmt werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird mittels einer Fördereinrichtung, z. B. einem Gebläse, zu den Hochtemperaturbatterien Luft oder Flüssigkeit, z. B. Öl, zur Kühlung zugeführt.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt einer Hochtemperaturbatterie in einer ersten Ausführungsform,
2 einen schematischen Querschnitt der Hochtemperaturbatterie in einer zweiten Ausführungsform und
3 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung mit mehreren Hochtemperaturbatterien.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Hochtemperaturbatterie 1, z. B. eine Zebra-Batterie, zur chemischen Speicherung von elektrischer Energie dargestellt. Die Hochtemperaturbatterie 1 verfügt über ein Gehäuse 2, in dem eine positiv geladene Elektrode 5 und eine semipermeable Membrane 9 angeordnet sind. Die Membrane 9 ist beispielsweise nur für Natriumionen durchlässig. Innerhalb der Membrane 9 befindet sich ein erster Recktand 3, z. B. Natrium-Nickel-Chlorid (Na-Ni-Cl), Natrium-Schwefel (Na-S), Natrium-Eisen-Chlorid (Na-Fe-Cl) oder Natrium-Kupfer-Chlorid (Na-Cu-Cl), der somit in unmittelbaren Kontakt zur Elektrode 5 steht. Zwischen der Membrane 9 und dem Gehäuse 2 befindet sich der zweite Recktand 4, z. B. Natrium (Na). Das Gehäuse 2 ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und fungiert auch als negativ geladene Elektrode 6. Das Gehäuse 2 als Elektrode 6 steht damit in unmittelbaren Kontakt zum zweiten Reaktanden 4. Die Hochtemperaturbatterie 1 benötigt eine Betriebstemperatur, z. B. zwischen 270°C und 350°C, damit diese Strom abgeben kann. Natriumchlorid hat beispielsweise einen Schmelzpunkt von 157°C.
Die stabförmige Elektrode 5 ist aus gut wärmeleitfähigem Kupfer hergestellt. Am oberen Ende der Elektrode 5 befindet sich eine als Heizwendel 10 ausgebildete Heizeinrichtung 8, die mittels zweier Anschlüsse 16 mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Die Elektrode 5 ist durch einen als Isolationsring 12 ausgebildete Isolation 11 thermisch gegen das Gehäuse 2 isoliert. Zum Erwärmen der Hochtemperaturbatterie 1 auf Betriebstemperatur wird an den beiden Anschlüssen 16 eine elektrische Spannung angelegt. Die Heizwendel 10 erwärmt damit zunächst den oberen Teil der Elektrode 5. Aufgrund der sehr guten Wärmleitfähigkeit der Elektrode 5 erwärmt sich umgehend die gesamte Elektrode 5, so dass die Elektrode 5 als Wärmeleitelement 7 fungiert. Damit kann die Elektrode 5 den ersten Reaktanden 3 erwärmen sowie auch mittelbar den zweiten Reaktanden 4. Die beheizbare Elektrode 5 leitet damit die Wärme direkt zu dem zu verflüssigenden ersten Reaktanden 3. Mittels dieses „Tauchsiederprinzips" wird der erste Recktand 3 weitgehend gleichmäßig erwärmt und in den flüssigen Aggregatzustand überführt zur Ionenleitung und damit Abgabe des elektrischen Stromes.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Hochtemperaturbatterie 1. Die aus Kupfer ausgebildete, stabförmige Elektrode 5 ist im Inneren hohl, d. h. die Elektrode 5 ist rohrartig ausgebildet. An der Innenwandung der Elektrode 5 ist die Heizwendel 10 befestigt. Die Heizwendel 10 erwärmt damit gleichmäßig die gesamte Elektrode 5. Das Erwärmen des ersten Reaktanden 3 erfolgt in analoger Weise zur ersten Ausführungsform gemäß 1. Ergänzend zur in der Elektrode 5 angeordneten Heizwendel 10 ist außerdem am Gehäuse 2 außenseitig eine weitere Heizwendel 10 angebracht, so dass die beiden Reaktanden 3, 4 gleichzeitig von Innen und Außen erwärmt werden können. Im Übrigen entspricht die zweite Ausführungsform der ersten Ausführungsform gemäß 1. Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt wird.
In 3 ist eine Anordnung 17 mit mehreren Hochtemperaturbatterien 1 dargestellt. Die Hochtemperaturbatterien 1 sind von einer Wärmeisolation 13 umgeben, um Wärmeverluste zu vermeiden. Mittels einer Steuerungseinheit 14 werden die Parameter elektrischer Strom, elektrische Spannung, Temperatur und Ladestand der Hochtemperaturbatterien 1 gesteuert und/oder geregelt. Sofern eine Kühlung der Hochtemperaturbatterien 1 notwendig ist kann ein Gebläse 15 Luft zu den Hochtemperaturbatterien 1 führen, so dass durch Konvektion Wärme von den Hochtemperaturbatterien 1 abgeführt werden kann. Darüber hinaus können in besonders vorteilhafter Weise eine oder mehrere Hochtemperaturbatterien 1 selektiv erwärmt werden, die zur Abgabe von elektrischem Strom genutzt werden. Damit müssen, sofern nur eine geringe elektrische Leistung benötigt wird, nicht alle Hochtemperaturbatterien 1 der Anordnung 17 erwärmt werden. Die elektrischen Anschlüsse zum selektiven Erwärmen der einzelnen Hochtemperaturbatterien 1 sind in 3 nicht dargestellt.
Insgesamt betrachtet wird mit der erfindungsgemäßen Hochtemperaturbatterie 1 und der erfindungsgemäßen Anordnung 17 mit mehreren Hochtemperaturbatterien 1 der notwendige Wärme- bzw. Energiebedarf zum Aufheizen der Reaktanden 3, 4 auf die notwendige Betriebstemperatur deutlich gesenkt, weil Wärmeverluste nahezu vermieden werden können. Darüber hinaus kann die Betriebstemperatur sehr schnell erreicht werden, so dass keine längeren Wartezeiten mehr auftreten bis die geforderte elektrische Leistung zur Verfügung steht. In einer erfindungsgemäßen Anordnung 17 mit mehreren Hochtemperaturbatterien 1 können nur diejenigen Hochtemperaturbatterien 1 aktiviert bzw. erwärmt werden, welche für die aktuelle elektrische Leistung benötigt werden, so dass dadurch bei geringen angeforderten elektrischen Leistungen der Wärme- bzw. Energiebedarf zusätzlich erheblich abgesenkt werden kann.

Claims

Hochtemperaturbatterie (1), umfassend – ein Gehäuse (2) zur Aufnahme wenigstens eines Reaktanden (3, 4), – wenigstens einen von dem Gehäuse (2) aufgenommenen Reaktanden (3, 4), – eine positiv ladbare Elektrode (5), – eine negativ ladbare Elektrode (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbatterie (1) mit einer Heizeinrichtung (8), z. B. einer Heizwendel (10), zum Erwärmen des wenigstens einen Reaktanden (3, 4) versehen ist.
Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein von der Heizeinrichtung (8) erwärmbares Wärmeleitelement (7) ausgebildet ist.
Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (8) in thermischer Verbindung mittels Wärmeleitung zum Wärmeleitelement (7) steht.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) die Heizeinrichtung (8) ausgebildet ist.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am und/oder im Gehäuse (2) die Heizeinrichtung (8) vorhanden ist.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (8) in dem wenigstens einen Reaktanden (3, 4) angeordnet ist.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (7) in dem wenigstens einen Reaktanden (3, 4) angeordnet ist.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (7) die positiv ladbare Elektrode (5) und/oder die negativ ladbare Elektrode (6) ist.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (8) in eine oder beide Elektroden (5, 6) integriert ist.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (8) an einer oder beiden Elektroden (5, 6) außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet ist.
Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Elektroden (5, 6) durch eine thermische Isolation (11), z. B. einen Isolationsring (12), gegen das Gehäuse (2) isoliert sind.
Hochtemperaturbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) zwei Reaktanden (3, 4) angeordnet sind, die durch eine nur für bestimmte Ionen durchlässige semipermeable Membrane (9), z. B. aus Keramik, voneinander getrennt sind und die positiv ladbare Elektrode (5) in Kontakt zum ersten Reaktanden (3), z. B. Natrium-Nickel-Chlorid, steht und die negativ ladbare Elektrode (6) in Kontakt zum zweiten Reaktanden (4), z. B. Natrium, steht.
Anordnung (17) mit mehreren Hochtemperaturbatterien (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (17) wenigstens eine Hochtemperaturbatterie (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
Anordnung (17) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbatterien (1) selektiv erwärmbar sind.
Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung wenigstens eines Parameters von wenigstens zwei zu einer Anordnung (17) zusammengefassten Hochtemperaturbatterien (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbatterien (1) selektiv erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der selektiv erwärmten Hochtemperaturbatterien (1) auf einer bestimmten Temperatur, z. B. im Bereich von 270°C bis 350°C, konstant geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungseinheit (14) die Parameter elektrischer Strom, elektrische Spannung, Temperatur und Ladestand der Hochtemperaturbatterien (1) selektiv gesteuert und/oder geregelt werden.