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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Speicherung
elektrischer oder mechanischer Energie sowie auf ein Verfahren zur
Brandvermeidung bei einer solchen Vorrichtung nach dem Oberbegriff
der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Sowohl
Brennstoffzellen als auch leistungsfähige Akkumulatoren
gewinnen sowohl für mobile als auch für stationäre
Einsatzzwecke eine immer größere Bedeutung.
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In
der Regel werden Brennstoffzellen mit einem gasförmigen
brennbaren Energieträgern wie beispielsweise Wasserstoff
betrieben. Dabei besteht die Gefahr, dass Wasserstoff mit Luft brennbare
und unter gewissen Umständen sogar explosive Gasgemische
bildet. Diesbezüglich ist aus der
DE 103 36 326 A1 bekannt,
eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Sicherheitseinrichtung
zu versehen, die eine nicht brennbare Substanz bevorratet, mit der
eine die Brennstoffzelle aufweisende Kapselung bei Austritt unerwünschter
Gase geflutet und gespült werden kann.
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Weiterhin
ist es insbesondere bei leistungsstarken Akkumulatoren bzw. Batterien
bekannt, dass unter gewissen Umständen ein sogenannter „thermal runaway” auftreten
kann, bei dem sich der Akkumulator in kürzester Zeit so
stark erhitzt, dass es zu einem Brand kommen kann. Die Grenztemperatur,
bei der die Zünd grenze der jeweils betroffenen Materialien überschritten
wird, ist für die jeweiligen Batterie- bzw. Akkumulatorentypen
bekannt.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung
oder Speicherung elektrischer oder mechanischer Energie bereitzustellen,
die auch im Falle eines Defekts wirkungsvoll gegenüber
einem Brand geschützt ist.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise
durch eine Vorrichtung bzw. durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Dies
beruht darauf, dass brandgefährdete Komponenten der Vorrichtung,
wie beispielsweise ein der Erzeugung oder Speicherung elektrischer oder
mechanischer Energie dienendes Element der Vorrichtung bzw. ein
Kraftstofftank, innerhalb einer Kapselung positioniert sind. Auf
diese Weise ist der Zutritt von Luftsauerstoff, der einen Brand
begünstigen würde, zunächst gehemmt.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Vorratsbehälter
für eine brandhemmende Substanz, wobei diese Substanz im Brandfall
eine brandhemmende Komponente freisetzt. Der Vorteil der Verwendung
einer derartigen Substanz besteht darin, dass nicht die eigentliche brandhemmende
Komponente bevorratet werden muss, sondern diese in Form einer Vorstufe
gelagert werden kann. In einem solchen Fall sind in der Regel wesentlich
kleinere Speichervolumina ausreichend.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So
ist von Vorteil, wenn die eine brandhemmende Komponente freisetzende
Substanz ein Hydrogencarbonat, ein Triazin oder ein Azid ist, ggf.
unter Zusatz passivierender, d. h. die thermische Zersetzung der
Komponenten regulierender Substanzen. Bei den genannten Verbindungen
handelt es sich um Feststoffe, die beispielsweise bei Erwärmung
große Mengen an Kohlendioxid bzw. Stickstoff abgeben, die
wiederum brandhemmend, da sauerstoffverdrängend, sind.
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Eine
zweite vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, als Substanz,
die eine brandhemmende Komponente freisetzt, festes oder flüssiges
Kohlendioxid bzw. flüssigen Stickstoff heranzuziehen. Auch
in diesem Fall können deutlich kleinere Speichervolumina realisiert
werden als bei Speicherung von Kohlendioxid bzw. Stickstoff in gasförmiger
Form.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, als
Substanz, die eine brandhemmende Komponente freisetzt, Mikrokapseln
einzusetzen, die ihrerseits mit Kohlendioxid bzw. Stickstoff unter Druck
gefüllt sind. Sobald die Außenhülle der
Mikrokapseln thermisch oder chemisch bzw. mechanisch zersetzt wird,
werden die im Inneren der Mikrokapseln gespeicherten, unter Druck
stehenden Gase Kohlendioxid bzw. Stickstoff freigesetzt und wirken brandhemmend.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung steht der Vorratsbehälter über eine
mit dem Inneren der Kapselung in Kontakt stehende Berstscheibe bzw. über ein
Dosierventil in Verbindung. Auf diese Weise kann eine passive Auslösung
des Brandschutzes realisiert werden, da es bei einer Druckerhöhung
im Inneren der Kapselung oder des Vorratsbehälters automatisch
zur Freisetzung der brandhemmenden Substanz kommt. Eine weitere
vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, vorzugsweise im
Inneren der Kapselung einen Sensor zur Detektion von Brandgasen bzw.
der Temperatur vorzusehen, sodass die Freisetzung von Brandgasen
bzw. eine unerwünschte Änderung der Innentemperatur
frühzeitig detektiert und die Freisetzung brandhemmender
Substanzen initiiert werden kann. Dazu kann der Vorratsbehälter
beispielsweise ein Heizmittel umfassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
und
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2 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiele
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung oder
Speicherung elektrischer oder mechanischer Energie kann beispielsweise
als Brennstoffzellensystem ausgeführt sein. Dabei ist vorgesehen, dass
zumindest ein Teil der potenziell brandgefährdeten Komponenten
des Brennstoffzellensystems in einer Kapselung angeordnet sind,
um den Zutritt von Luftsauerstoff zu unterbinden bzw. das Übergreifen eines
möglichen Brandherds auf andere Komponenten des Brennstoffzellensystems
zu verhindern. Solche brandgefährdeten Komponenten des
Brennstoffzellensystems sind beispielsweise der Brennstoffzellenstack,
Kraftstofftanks oder ein im Brennstoffzellensystem vorgesehener
Reformer. Diese können jeweils einzeln gekapselt vorliegen
oder in einer gemeinsamen Kapselung vorgesehen sein. Die Kapselung
selbst ist dabei vorzugsweise luftdicht bzw. temperaturbeständig
ausgeführt.
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Alternativ
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als
Batterie bzw. Akkumulator ausgeführt sein. In diesem Fall
ist vorzugsweise die Batterie bzw. der Akkumulator als solches innerhalb
einer entsprechenden Kapselung angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Alternative umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung einen Verbrennungsmotor. Auch in diesem Fall sind potenziell brandgefährdete
Komponenten der Vorrichtung wie bspw. der Verbrennungsmotor selbst
oder ein möglicher Kraftstofftank entsprechend gekapselt
ausgeführt. Selbstverständlich sind auch Vorrichtungen Gegenstand
der Erfindung, die mehrere der vorgenannten alternativen Ausführungsformen
miteinander verbinden, wie beispielsweise Hybridsysteme.
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In 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur
Erzeugung oder Speicherung elektrischer oder mechanischer Energie
dargestellt. Dabei umfasst die Vorrichtung 10 beispielsweise
eine Kapselung 12, in der sich potenziell brandgefährdete
Komponenten der Vorrichtung 10 befinden. Weitere Peripheriekomponenten
wie Filter, Pumpen, Zu- und Ableitungen sind nicht dargestellt.
In Kontakt mit der Kapselung 12 steht ein Vorratsbehälter 14,
in dem eine Substanz gespeichert ist, die in der Lage ist, eine
brandhemmende Komponente bei Bedarf freizusetzen. Dabei steht der
Vorratsbehälter 14 mit der Kapselung 12 über
ein Dosierventil 16 in fluidleitendem Kontakt.
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Alternativ
ist der Vorratsbehälter 14 in physischem Kontakt
mit der Kapselung 12 positioniert und von deren Innerem
beispielsweise durch eine Berstscheibe getrennt. Dabei kann der
Vorratsbehälter 14 beispielsweise durch Schweißen
oder Flanschen ortsfest an der Außenhülle der
Kapselung 12 positioniert werden. Sowohl das Dosierventil 16 als
auch die Berstscheibe haben die Eigenschaft, dass sie bei einer
definierten Temperatur bzw. bei einem definierten Druck den Durchgang
freigeben und somit das Innere des Vorratsbehälters 14 mit
dem Inneren der Kapselung 12 in Kontakt kommt. Dabei werden
die entsprechende Temperatur bzw. der entsprechende Druck zur Freigabe
der Verbindung zwischen Vorratsbehälter 14 und
Kapselung 12 so gewählt, dass dieses vorzugsweise
nur im Brandfall geschieht und die von der im Vorratsbehälter 14 gespeicherten
Substanz freigesetzte brandhemmende Komponente mögliche
Brände innerhalb der Kapselung 12 zu löschen
vermag.
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Dabei
wird Form und Volumen der Kapselung 12 vorzugsweise so
gewählt, dass ein möglichst geringer Luftraum
zwischen den innerhalb der Kapselung 12 vorgesehenen Systemkomponenten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Wandung der
Kapselung 12 verbleibet. In diesem Fall ist bereits eine
geringe Menge einer freigesetzten brandhemmenden Komponente ausreichend,
um einen möglichen Brand zu löschen bzw. zu ersticken.
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Die
im Vorratsbehälter 14 gespeicherte Substanz ist
dabei so gewählt, dass diese beispielsweise bei Einwirkung
einer höheren Temperatur eine brandhemmende Komponente
freisetzt. Dadurch entsteht im Vorratsbehälter 14 ein Überdruck,
der beispielsweise den Öffnungsmechanismus in Form des
Dosierventils 16 bzw. in Form einer Berstscheibe zum Öffnen
bringt. Um dies zu gewährleisten, ist beispielsweise der
Vorratsbehälter 14 bzw. eine entsprechende leitende
Verbindung zwischen Vorratsbehälter 14 und Kapselung 12 aus
einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise einem
geeigneten Metall, vorzugsweise Kupfer, ausgeführt. Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn der Vorratsbehälter 14 und
die Kapse lung 12 einen möglichst geringen Abstand
zueinander aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
können sogenannte „heat pipes” zum Wärmetransport
zwischen Kapselung 12 und Vorratsbehälter 14 zum
Einsatz kommen.
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Als
im Vorratsbehälter 14 gespeicherte Substanz, die
bei Wärmezufuhr eine brandhemmende Komponente freisetzt,
sind beispielsweise Hydrogencarbonate, Triazine oder Azide geeignet.
Dabei setzen entsprechende Hydrogenkarbonate Kohlendioxid frei,
während sich Triazine und Azide unter anderem zu Stickstoff
zersetzen. Um eine stürmische Zersetzung der gespeicherten
Substanz zu verhindern, können zusätzlich passivierende,
d. h. den Reaktionsverlauf moderierende Verbindungen wie bspw. Kieselgel
zugesetzt werden.
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Es
erfolgt bevorzugt der Einsatz von Alkali- und Erdalkalihydrogencarbonaten,
wie beispielsweise Lithium-, Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat sowie
Magnesium-, Kalzium-, Strontium- und Bariumhydrogencarbonat. Die
jeweiligen Hydrogenkarbonate zerfallen bei unterschiedlichen Temperaturen und
setzen dabei Kohlendioxid frei.
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Dies
ermöglicht, die im Vorratsbehälter 14 gespeicherte
Substanz an die jeweilige Zündgrenze der potenziell brandgefährdeten
Komponenten der zu schützenden Vorrichtung anzupassen.
So ist beispielsweise bei Akkumulatoren der Effekt des sogenannten „thermal
runaway” bekannt, wobei eine Überhitzung des Akkumulators
auftritt, die sich durch innere Prozesse immer weiter verstärkt
und letztendlich zum Brand führt. Die Grenztemperaturen
für das Auftreten eines derartigen thermal runaways sind
für die jeweiligen Batterie- bzw. Akkumulatorentypen bekannt
und die Wahl einer geeigneten Kohlendioxid freisetzenden Substanz
zur Speicherung im Vorratsbehälter 14 kann in
Abhängigkeit ihrer Zersetzungstemperatur für jeden
Batterie- bzw. Akkumulatorentyp individuell ausgewählt
werden.
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Dabei
wird der Temperaturbereich der Kohlendioxidfreisetzung einer entsprechenden
im Vorratsbehälter 14 gespeicherten Substanz so
gewählt, dass eine nennenswerte Freisetzung von Kohlendioxid
im Bereich der Normarbeitstemperatur der Vorrichtung zur Erzeugung
elektrischer oder mechanischer Energie im Wesentlichen nicht stattfinden kann.
Weiterhin kann die Kapselung 12 oder der Vorratsbehälter 14 eine
abgestimmte thermische Isolierung aufweisen, die eine Kohlendioxidfreisetzung während
des normalen Arbeitsbetriebs verhindert.
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Eine
weitere Möglichkeit, die Freisetzung einer brandhemmenden
Komponente aus der im Vorratsbehälter 14 gespeicherten
Substanz zu initiieren, besteht darin, vorzugsweise innerhalb der
Kapselung 12 einen Detektor vorzusehen, der Brandgase oder die
innerhalb der Kapselung 12 herrschende Temperatur bzw.
den dort herrschenden Druck detektiert und an eine Steuereinheit
weitergibt. Diese vermag dann bei Überschreitung der Mindestkonzentration eines
Brandgases oder eines Temperaturlimits die Freisetzung brandhemmender
Komponenten aus der im Vorratsbehälter 14 gespeicherten
Substanz beispielsweise mittels einer Heizvorrichtung innerhalb des
Vorratsbehälters 14 einzuleiten. Gleichzeitig
ermöglicht eine derartige Anordnung auch, den Betreiber
der entsprechenden Vorrichtung über einen verhinderten
bzw. gelöschten Brand zu informieren, indem er über
die Existenz von Brandgasen, die Überschreitung eines Temperaturlimits
oder über das Überschreiten des Druckniveaus im
Vorratsbehälter 14 informiert wird.
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Wird
als im Vorratsbehälter 14 gespeicherte Substanz
beispielsweise Natriumhydrogencarbonat eingesetzt, so zerfällt
dieses oberhalb von 87°C in Natriumhydroxid und Kohlendioxid.
Dabei bilden sich aus einem Mol (84 g) Natriumhydrogencarbonat durch
thermischen Zerfall 22,4 l Kohlendioxid. Auf diese Weise lässt
sich die entsprechende Menge an Natriumhydrogencarbonat leicht an
das Innenraumvolumen der Kapselung 12 anpassen. Um ein
Verdrängen des in der Kapselung 12 enthaltenen Luftsauerstoffs
zu erleichtern, kann die Kapselung 12 weiterhin ein Überdruckventil
aufweisen. Allgemein sind als im Vorratsbehälter 14 gespeicherte
Substanz Verbindungen geeignet, die Kohlendioxid oberhalb eines
Temperaturbereichs von 100 bis 180 Grad Celsius, insbesondere oberhalb
von 130 bis 150 Grad Celsius freisetzen.
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Eine
weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
in 2 dargestellt. Dabei ist der Vorratsbehälter 14 innerhalb
der Kapselung 12 positioniert. Er steht mit dem Inneren
der Kapselung 12 beispielsweise über ein Dosierventil 16 oder
eine Berstscheibe in fluidleitendem Kontakt. Diese Ausführungsform
ist insbesondere bei Anwendungen von Vorteil, bei denen die Vorrichtung
zur Erzeu gung oder Speicherung elektrischer oder mechanischer Energie
einen Verbrennungsmotor umfasst. Dabei kann der Vorratsbehälter 14 innerhalb
der Motorkapselung angebracht sein, wobei entweder ein zentraler
Vorratsbehälter 14 vorgesehen ist oder mehrere Vorratsbehälter,
die insbesondere an den Stellen des Verbrennungsmotors positioniert
sind, wo eine erhöhte Brandgefahr existiert, so im Bereich
der Kolben oder der Zylinderkopfdichtungen. Weiterhin besteht die
Möglichkeit, den Vorratsbehälter 14 im
Brandfall nicht nur mit dem innerhalb der Kapselung 12 vorgesehenen
Luftraum in Kontakt zu bringen, sondern zusätzlich oder
alternativ die im Vorratsbehälter 14 gespeicherte
Substanz auch in den Verbrennungsmotor selbst einzubringen, beispielsweise über
die am Verbrennungsmotor vorgesehenen Einspritzventile.
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Der
Einsatz eines derartigen brandhemmenden Systems kann allgemein in
Vorrichtungen zur Erzeugung oder Speicherung elektrischer oder mechanischer
Energie für mobile, stationäre oder auch portable
Anwendungen erfolgen. Voraussetzung ist, dass sich ein entsprechender
Energiespeicher bzw. – wandler in einem abgeschlossenen
Kompartiment bspw. in Form einer Kapselung befindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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