DE102008034884A1

DE102008034884A1 - Elektrochemische Wickelzelle

Info

Publication number: DE102008034884A1
Application number: DE200810034884
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dürr (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Wickelzelle (1) mit als Folien ausgebildeten Elektroden, die auf einem Wickeldorn aufgerollt sind, wobei zwischen einer negativen und einer positiven Elektrodenfolie mindestens ein elektrisch isolierender Separator angeordnet ist, wobei der Wickeldorn als ein Wärmerohr (4) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Wickelzelle mit als Folien ausgebildeten Elektroden, die auf einem Wickeldorn aufgerollt sind, wobei zwischen einer negativen und einer positiven Elektrode mindestens ein elektrisch isolierender Separator angeordnet ist.
Aus dem Stand der Technik sind elektrochemische Wickelzellen bekannt. Dabei sind die Elektroden als Folien ausgebildet, die auf einem Wickeldorn aufgerollt sind. Zwischen einer negativen und einer positiven Elektrode ist mindestens ein elektrisch isolierender Separator angeordnet.
Nachteilig dabei ist, dass beispielsweise bei einer Strombelastung durch Laden oder Entladen der elektrochemischen Wickelzelle diese durch den eigenen Innenwiderstand eine Verlustwärme erzeugt, wodurch eine mögliche Leistung reduziert ist. Zudem altern die aktiven Massen der positiven und negativen Elektroden umso schneller, je höher die Temperatur ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Wickelzelle anzugeben, bei welcher eine erzeugte Verlustwärme effizient abführbar und ein zur Verfügung stehender Bauraum der elektrochemischen Wickelzelle optimal genutzt ist. Ziel ist es, zusätzlich zu der über das Gehäuse abführbaren Wärmeleistung, vom Inneren der Zelle heraus Wärme abzuführen, um die Betriebstemperatur der elektrochemischen Zelle im optimalen Bereich zu halten, d. h. entsprechend des verwendeten elektrochemischen Systems. Die Temperaturgradienten innerhalb der Wickelzelle werden dadurch verringert, was zu einer gleichmäßigeren Strombelastung und damit gleichmäßigeren Alterung der Aktivmassen führt, d. h. die Lebensdauer der elektrochemischen Zelle wird erhöht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Wickelzelle, im Weiteren als Wickelzelle bezeichnet, mit als Folien ausgebildeten Elektroden, die beispielsweise zylinderförmig oder spiralförmig auf einem Wickeldorn aufgerollt sind. Um beispielsweise Kurzschlüsse innerhalb der Wickelzelle zu vermeiden, ist zwischen einer negativen und einer positiven Elektrode besonders bevorzugt mindestens ein elektrisch isolierender Separator angeordnet. Dabei ist der Separator beispielsweise als eine Wärme resistente Kunststofffolie oder eine Zwischenlage aus miteinander verschweißten Kunststofffasern ausgeführt.
Um beispielsweise eine bei Leistungsabgabe durch die Wickelzelle erzeugte Verlustwärme abzuführen, ist der Wickeldorn erfindungsgemäß als ein Wärmerohr ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmerohr als eine so genannte Heatpipe ausgeführt. Im Sinne der Erfindung wird unter dem Wärmerohr bevorzugt ein hermetisch geschlossenes Rohr gefüllt mit einem Fluid, z. B. Wasser, verstanden. Die Art des Fluides und der auf den Siedepunkt des Fluides abgestimmte Druck im Rohr hängen vom gewünschten Temperaturbereich ab. Als Fluide können Flüssiggase, z. B. Helium, Stickstoff, Alkohole, Wasser eingesetzt werden. Das Wärmerohr ist in zwei Rohrbereiche aufgeteilt. Zum einen die Wärmeübertragungsfläche für die Wärmequelle, hier wird das Fluid, z. B. Wasser, durch Wärmezufuhr in einer Verdampfungszone (auch Heizzone genannt) verdampft und strömt in eine Kondensationszone (auch Kühlzone genannt). Der zweite Rohrbereich ist die Wärmeübertragungsfläche für die Wärmesenke, dort wird der Dampf in der Kondensationszone unter Abgabe der Verdampfungswärme kondensiert und fließt zurück in die Verdampfungszone.
Zusammenfassend ist der Wickeldorn als hermetisch geschlossenes Wärmerohr eine feste und im Betrieb nutzbare Komponente der Wickelzelle. Durch die Nutzung des Wickeldorns als hermetisch geschlossenes Wärmerohr ist die Verlustwärme in vorteilhafter Weise effektiv aus einem Zellinneren nach außen abführbar, da zumindest eine Elektrodenfolie thermisch direkt an das Wärmerohr gekoppelt ist und der Weg zu der Wärmesenke verkürzt ist gegenüber den bisherigen Wärmeabfuhrmöglichkeiten nur über Gehäuse und Pole. Die Wickelzelle ist vorteilhaft von innen kühlbar, wodurch sich eine Leistungsabgabe der Wickelzelle vorzugsweise erhöht bzw. optimiert. Darüber hinaus ist eine Lebensdauer der Wickelzelle ebenso erhöht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine Schnittdarstellung einer als Rundzelle ausgeführten elektrochemischen Wickelzelle mit einem als Wärmerohr ausgeführten Wickeldorn.
In der einzigen 1 ist eine als elektrochemische Wickelzelle 1, im Weiteren als Wickelzelle 1 bezeichnet, ausgeführte Batterieeinzelzelle dargestellt. Die Wickelzelle 1 ist dabei beispielsweise als Rundzelle, insbesondere zylinderförmig mit rundem Querschnitt, ausgebildet.
Alternativ kann die Wickelzelle 1 auch eine Flachzelle oder eine Rundzelle zylinderförmig mit prismatischem Querschnitt sein.
Die Wickelzelle 1 umfasst ein Zellengehäuse 2, welches ein Zellinneres 3 vor äußeren Einflüssen schützt bzw. dieses von einer Umgebung abgrenzt.
Im Zellinneren 3 sind beispielsweise eine nicht gezeigte bandförmig ausgebildete positive Elektrodenfolie sowie eine bandförmig ausgebildete negative Elektrodenfolie und eine diese trennende Separatorfolie um einen Wickeldorn 4 aufgewickelt angeordnet.
Zwischen den Elektrodenfolien ist die Separatorfolie insbesondere als ein Separator angeordnet, der die Elektrodenfolien elektrisch voneinander isoliert. Dabei ist der Separator beispielsweise als Kunststofffolie oder eine Zwischenlage aus verschweißten Kunststofffasern ausgebildet. Zusätzlich ist der Separator besonders bevorzugt Wärme resistent ausgeführt.
Die Elektrodenfolien mit zwischen diesen angeordnetem Separator sind insbesondere zylinderförmig oder spiralförmig auf dem Wickeldorn 4 aufgerollt.
Um beispielsweise eine bei Leistungsabgabe der Wickelzelle 1 erzeugte Verlustwärme W effizient abzuführen, ist der Wickeldorn 4 erfindungsgemäß als ein Wärmerohr, insbesondere als eine so genannte Heatpipe, d. h. ein hermetisch geschlossenes Rohr gefüllt mit einem Medium, ausgeführt. Im Weiteren wird zur besseren Übersichtlichkeit das Wärmerohr mit dem Bezugszeichen 4 versehen, da der Wickeldorn 4 in der Wickelzelle 1 als Wärmerohr verbleibt und dieses bildet.
Das Wärmerohr 4 führt bevorzugt die Verlustwärme W aus dem Zellinneren 3 heraus, wodurch die Wickelzelle 1 in vorteilhafter Weise von innen kühlbar ist.
Das als Heatpipe ausgeführte Wärmerohr 4 ist besonders bevorzugt aus Kupfer. Kupfer eignet sich besonders gut als Material für das Wärmerohr 4, da dieses einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweist.
Das Wärmerohr 4 ist derart in dem Zellengehäuse 2 angeordnet, dass beispielsweise ein Ende 4.1 auf einer Grundfläche G, insbesondere eines Zellenbodens 2.1, in der Mitte liegend angeordnet sowie befestigt ist. Hierbei ist das Wärmerohr 4 insbesondere kraft-, form- und/oder stoffschlüssig an dem Zellenboden 2.1 befestigt, insbesondere geschweißt.
Achtung! Funktioniert nur bei gleichem Potenzial!
Für die Verschweißung mit dem Gehäuseboden könnte aber das Rohr ggf. aus Alu sein, dann allerdings als + Pol = Gehäuse.
Um die Verlustwärme W der Wickelzelle 1, insbesondere durch Verdampfung und Kondensation im Wärmerohr 4, abzuführen, ist in das Wärmerohr 4 ein Arbeitsmedium 5, insbesondere das Fluid, eingefüllt. Hierzu ist beispielsweise Wasser als Arbeitsmedium 5 in das Wärmerohr 4 eingefüllt.
Um den hermetisch abgeschlossenen Raum des Wärmerohrs 4 sicherzustellen, ist ein dem Ende 4.1 gegenüberliegendes Ende 4.2 des Wärmerohrs 4 hermetisch mit einem vom Arbeitsmedium 5 abhängigen Nenndruck verschlossen, insbesondere gekapselt.
Zur Durchführung einer Abführung, insbesondere der Verlustwärme W in dem Wärmerohr 4 mittels des Arbeitsmediums 5, weist das Wärmerohr 4 eine nicht dargestellte Kapillarstruktur auf. Hierzu ist beispielsweise eine Kupfergewebeeinlage in Längsausdehnung des Wärmerohrs 4 angeordnet oder das Wärmerohr 4 weist in Längsausdehnung ausgeformte Rillen auf.
Im Betrieb der Wickelzelle 1 erzeugt diese Verlustwärme. Die Verlustwärme W ist aufgrund des hohen Wärmeleitkoeffizienten von Kupfer dem Wärmerohr 4 zuführbar. Bei Wärmeeintrag in das Wärmerohr 4 verdampft das Arbeitsmedium 5, insbesondere Wasser, an einer Verdampfungszone V und entzieht dadurch dem Wärmerohr 4 die zugeführte Wärme. Dabei befindet sich die Verdampfungszone V in einem Bereich des Wärmerohrs 4, welcher mit einem warmen Bereich der Wickelzelle 1 thermisch gekoppelt ist.
In einer Kondensationszone K kondensiert das Arbeitsmedium 5 in dem Wärmerohr 4, wobei sich die Kondensationszone K in einem Bereich des Wärmerohrs 4 befindet, der an einen kühleren Bereich der Wickelzelle 1 thermisch gekoppelt und/oder an einen kühlen Umgebungsbereich, z. B. am aus der Wickelzelle 1 herausgeführtem Ende des Wärmerohrs 4, angeordnet ist.
Das kondensierte Arbeitsmedium 5 ist durch die Kapillarkräfte hervorrufende Kapillarstruktur, beispielsweise die Kupfergewebeeinlage oder ausgeformte Rillen, zu der Verdampferzone V zurückführbar.
In besonders vorteilhafter Weise bildet das Wärmerohr 4 einen elektrischen Pol 4.3 der Wickelzelle 1. Hierzu ist das Wärmerohr 4 insbesondere aus einem Zelldeckel 2.2 herausgeführt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der aus dem Zelldeckel 2.2 herausgeführte elektrische Pol 4.3 beispielsweise ein "Minus-Pol". Um das Wärmerohr 4 als "Minus-Pol" auszuführen, ist dieses elektrisch leitend mit der negativen Elektrodenfolie verbunden. Hierzu kann das Wärmerohr 4 an einem äußeren Bereich z. B. eine spangenförmige Ausformung aufweisen, mittel derer die negative Elektrodenfolie an diesem fixierbar ist. Darüber hinaus ist die negative Elektrodenfolie vorteilhaft thermisch direkt an das Wärmerohr 4 gekoppelt.
Die positive Elektrodenfolie der Wickelzelle 1 ist beispielsweise mit dem Zellengehäuse 2 verbunden, wodurch dieses als weiterer elektrischer Pol 4.3, insbesondere "Plus-Pol", der Wickelzelle 1 ausgeführt ist.
Bei Verwendung der Wickelzelle 1 ist diese beispielsweise in einem nicht dargestellten Zellenverbund einer Batterie, z. B. einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie für ein Hybrid-Fahrzeug, ein rein batteriebetriebenes Fahrzeug oder ein durch Brennstoffzellen angetriebenes Fahrzeug, senkrecht angeordnet.

Claims

Elektrochemische Wickelzelle (1) mit als Folien ausgebildeten Elektroden, die auf einem Wickeldorn aufgerollt sind, wobei zwischen einer negativen und einer positiven Elektrodenfolie mindestens ein elektrisch isolierender Separator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldorn als ein Wärmerohr (4) ausgeführt ist.
Elektrochemische Wickelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (4) als ein hermetisch abgeschlossenes Rohr gefüllt mit einem Arbeitsmedium (5) ausgebildet ist.
Elektrochemische Wickelzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (5) ein Fluid, insbesondere Wasser, ist.
Elektrochemische Wickelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (4) eine Kapillarstruktur aufweist.
Elektrochemische Wickelzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur eine Kupfergewebeeinlage und/oder in dem Wärmerohr (4) ausgeformte Rillen ist bzw. sind.
Elektrochemische Wickelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (4) einen elektrischen Pol (4.3) der elektrochemischen Wickelzelle (1) bildet.
Elektrochemische Wickelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (4) aus Kupfer ist.