-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere
eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Solche elektrochemischen Energiespeicher
finden beispielsweise in Kraftfahrzeugen Anwendung. Die Erfindung
kann aber auch bei elektrochemischen Energiespeichern ohne Lithium
und auch unabhängig von Kraftfahrzeugen Anwendung finden.
-
Es
sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen
eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt.
-
So
offenbart die
DE
10 2005 017 648 A1 eine flüssigkeitsgekühlte
Batterie mit mehreren Speicherzellen und wenigstens einem mit den
Speicherzellen in wärmeleitenden Kontakt stehen Volumen,
welches von einem Kühlmedium durchströmbar ist.
Dabei weist jede der Speicherzellen ein Sicherheitsventil auf, das
ab einem vorgegebenen Mediendruck in der Speicherzelle diese öffnet
und das Volumen der Speicherzelle mit der Umgebung verbindet. Dabei sind
die Sicherheitsventile so in den Speicherzellen angeordnet, dass
im Falle des Öffnens eines der Sicherheitsventile eine
Verbindung zwischen dem von dem Kühlmedium durchströmbaren
Volumen und dem Inneren der Speicherzelle mit dem geöffneten Sicherheitsventil
entsteht.
-
Weitere
Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen von elektrochemischen
Energiespeichern sind bekannt geworden, die hier nicht erschöpfend oder
annähernd repräsentativ dargestellt werden können.
So unterschiedlich diese Vorrichtungen und Verfahren auch sind,
haben sie doch alle gemeinsam, dass sie eine Überhitzung
eines elektrochemischen Energiespeichers und in der Folge einen
möglichen Brand dieses Energiespeichers nicht mit letzter
Sicherheit verhindern können.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Kühlen von elektrochemischen Energiespeichern
anzugeben, die bzw. das die Folgen einer Überhitzung und
insbesondere eines Brandes des Energiespeichers mildern kann. Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren nach einem
der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
-
Erfindungsgemäß sind
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers,
insbesondere einer Lithium enthaltenen galvanischen Zelle, vorgesehen,
bei der bzw. dem ein Kühlmittel, welches beim Auftreten
eines Brandes eine Löschwirkung entfaltet, den Energiespeicher,
dessen Gehäuse oder Teile des Energiespeichers oder seines
Gehäuses umströmt oder durchströmt.
-
Die
Aufgabe wird ferner gelöst durch die Verwendung eines Gemisches
aus einem Polymer, einem Tensid, einem Esteröl und Wasser
oder durch die Verwendung eines Additivs in Form eines Gemisches
aus einem Polymer, einem Tensid und bzw. oder einem Esteröl
in Verbindung mit Wasser als Kühlmittel zum Kühlen
eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium
enthaltenden galvanischen Zelle, wobei das Kühlmittel den Energiespeicher,
dessen Gehäuse oder Teile des Energiespeichers oder seines
Gehäuses umströmt oder durchströmt und
beim Auftreten eines Brandes eine Löschwirkung entfaltet.
-
Im
Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll
unter einem elektrochemischen Energiespeicher jede Art von Energiespeicher
verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann,
wobei eine elektrochemische Reaktion im Innern des Energiespeichers
abläuft. Der Begriff umfasst insbesondere galvanische Zellen
aller Art, insbesondere Primärzellen, Sekundärzellen
und Zusammenschaltungen solcher Zellen zu Batterien aus solchen
Zellen. Solche elektrochemischen Energiespeicher weisen üblicherweise
negative und positive Elektroden auf, die durch einen sogenannten
Separator getrennt sind. Zwischen den Elektroden findet ein Ionentransport
durch einen Elektrolyten statt.
-
Unter
einem Kühlmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung soll
ein strömungsfähiges Material, insbesondere ein
gasförmiges oder flüssiges Wärmetransportmedium
verstanden werden, das Wärme aus seiner Umgebung aufnehmen,
diese Wärme durch Strömung transportieren, und
diese Wärme auch an seine Umgebung abgeben kann, und das aufgrund
seiner physikalischen Eigenschaften geeignet ist, Wärme
durch Wärmeleitung und/oder Wärmetransport über
aerodynamische oder hydrodynamische Ströme, insbesondere
auch über Konvektionsströme, im Wärmetransportmedium
zu transportieren. Wichtige Beispiele für allgemein in
der Technik verwendete Wärmetransportmedien sind beispielsweise
Luft oder Wasser oder andere gebräuchliche Kühlmittel.
Je nach dem Anwendungszusammenhang sind auch andere Gase oder Flüssigkeiten
gebräuchlich, etwa chemisch inerte (wenig reaktionsfähige)
Gase oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Edelgase oder
verflüssigte Edelgase oder Stoffe mit hoher Wärmekapazität
und/oder Wärmeleitfähigkeit.
-
Unter
einem strömungsfähigen Material soll in diesem
Zusammenhang jedes Material verstanden werden, in dem sich eine
Strömung im aero- oder hydrodynamischen Sinne ausbilden
kann, oder in dem eine solche Strömung aufrecht erhalten
werden kann. Beispiele für solche Materialien sind insbesondere
Gase und Flüssigkeiten. Aber auch in einem Gemisch aus Flüssigkeiten
bzw. Gasen und feinverteilten Festkörpern, sog. Aerosolen,
oder in kolloidalen Lösungen können Strömungen
in diesem Sinne aufrecht erhalten werden oder entstehen.
-
Unter
einer Löschwirkung soll im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung eine Wirkung verstanden werden, die einem Brand entgegenwirkt,
d. h. die die Folgen oder die Entstehung eines Brandes verhindern
oder mildern kann.
-
In
diesem Zusammenhang ist unter einem Brand jeder Vorgang zu verstehen,
bei dem sich der Energiespeicher oder Teile des Energiespeichers oder
seiner Umgebung in einer unerwünschten chemischen Reaktion
umwandeln oder zersetzen. Brände in diesem Sinne sind insbesondere
exotherme chemische Reaktionen von Bauelementen oder Komponenten
eines Energiespeichers oder seiner Umgebung, die häufig
in Folge einer Überhitzung des Energiespeichers oder seiner
Komponenten auftreten.
-
Im
Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll
unter einem viskoelastischen Fluid ein Fluid verstanden werden,
das die Eigenschaft der Viskoelastizität aufweist. Unter
einem (idealen) Fluid versteht man eine Substanz, die einer beliebig
langsamen Scherung (näherungsweise) keinen Widerstand entgegensetzt.
Man unterscheidet kompressible Fluide (Gase) und inkompressible
Fluide (Flüssigkeiten). Der übergeordnete Begriff „Fluid” wird
verwendet, weil die meisten physikalischen Gesetze für
Gase und Flüssigkeiten (näherungsweise) gleichermaßen
gelten und sich viele ihrer Eigenschaften nur quantitativ, aber
nicht grundsätzlich qualitativ von einander unterscheiden.
Reale Fluide können aufgrund ihres Verhaltens eingeteilt werden
in „newtonsche Fluide” mit der sie beschreibenden
Strömungsmechanik und nicht-newtonsche Fluide mit der sie
beschreibenden Rheologie. Der Unterschied besteht hier im Fließverhalten
des Mediums, das durch den funktionalen Zusammenhang von Schubspannung
bzw. Scherspannung und Verzerrungsgeschwindigkeit bzw. Schergeschwindigkeit beschrieben
wird.
-
Als
Viskoelastizität bezeichnet man die zeit-, temperatur-
und/oder frequenzabhängige Elastizität von Fluiden
wie z. B. von polymeren Schmelzen oder Festkörpern, wie
beispielsweise Kunststoffen. Die Viskoelastizität ist durch
ein teilweise elastisches, teilweise viskoses Verhalten geprägt.
Das Material kehrt nach Entfernen einer von außen einwirkenden Kraft
nur unvollständig in seinen Ausgangszustand zurück;
die verbleibende Energie wird in Form von Fließvorgängen
abgebaut.
-
Im
Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll
unter einem Gel ein feindisperses System aus mindestens einer ersten, häufig
festen und mindestens einer zweiten, häufig flüssigen
Phase verstanden werden. Ein Gel stellt häufig ein Kolloid
dar. Die feste Phase bildet dabei ein schwammartiges, dreidimensionales
Netzwerk, dessen Poren durch eine Flüssigkeit oder auch
durch ein Gas ausgefüllt sind. Beide Phasen durchdringen sich
dabei häufig vollständig. Als Kolloide werden Teilchen
oder Tröpfchen bezeichnet, die in einem anderen Medium
(Feststoff, Gas oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium,
fein verteilt sind.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Bei
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
strömt das Kühlmittel durch einen im Normalbetrieb
des Energiespeichers geschlossenen Kühlmittelkreislauf,
der so ausgestaltet ist, dass das Kühlmittel im Brandfall
an bestimmten Stellen aus dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf
austreten und an diesen Stellen eine Löschwirkung entfalten kann.
Auf diese Weise kann die Löschwirkung gezielt an bestimmten
Stellen entfaltet werden, die von einem Brand betroffen sind; gleichzeitig
kann die Wirkung als Kühlmittel erhalten bleiben.
-
Eine
besonders bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Einrichtung zur Stabilisierung des Kühlmitteldrucks
bei einem stellenweisen Austreten des Kühlmittels aus dem
Kühlmittelkreislauf im Brandfall auf. Diese Ausführungsform der
Erfindung kann mit einer weitgehenden oder vollständigen
Erhaltung des Kühlmitteldrucks und damit der Kühlwirkung
verbunden sein, wenn das Kühlmittel stellenweise aus dem
Kühlkreislauf austritt, um an diesen Stellen seine Löschwirkung
zu entfalten.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Kühlmittel ein Gel oder eine viskoelastisches Fluid.
Gele sind häufig mit einer gegenüber Flüssigkeiten
gesteigerten Kühlwirkung verbunden. Die Verdunstungsrate
der flüssigen Komponente eines Gels ist häufig
gegenüber der Flüssigkeit herabgesetzt. Damit
wird die Verweildauer und die Wirkdauer der flüssigen Komponente
häufig verbessert. Gleichzeitig kann ein Gel für
einen wirkungsvollen Luftabschluss am Brandherd sorgen.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Kühlmittel ein kolloides viskoelastisches Fluid.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
enthält das Kühlmittel Wasser. Wasser ist ein
gut verfügbares und in vielen Fällen sehr wirkungsvolles
Kühlmittel und Löschmittel. Seine Eignung wird
möglicherweise durch die Wahl einer bestimmten Technologie
für die galvanische Zelle eines elektrochemischen Energiespeichers
eingeschränkt.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht das Kühlmittel aus einem Gemisch aus Wasser und
einem Polymer, einem Tensid, und bzw. oder einem Esteröl.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht das Kühlmittel aus einem Gemisch aus wenigstens
einem Polymer, wenigstens einem Tensid, wenigstens einem Esteröl und
Wasser.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Kühlmittel aus einem Gemisch aus
P Gew.-% wenigstens eines Polymers, T Gew.-% wenigstens eines Tensids,
E Gew.-% wenigstens eines Esteröls und W Gew.-% Wasser,
bezogen auf die Gesamtmenge des Kühlmittels, wobei
10 ≤ P ≤ 35,
1 ≤ T ≤ 10,
10 ≤ E ≤ 35,
20 ≤ W ≤ 55
und
P
+ T + E + W = 100
gilt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Kühlmittel aus einem Gemisch aus
P Gew.-% wenigstens eines Polymers, T Gew.-% wenigstens eines Tensids,
E Gew.-% wenigstens eines Esteröls und W Gew.-% Wasser,
bezogen auf die Gesamtmenge des Kühlmittels, wobei
25 ≤ P ≤ 31,
4 ≤ T ≤ 8,
18 ≤ E ≤ 28,
38 ≤ W ≤ 48
und
P
+ T + E +W = 100
gilt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Kühlmittel aus einem Gemisch aus
ca. 28% wenigstens eines Polymers, ca. 6% wenigstens eines Tensids,
ca. 23% wenigstens eines Esteröls und ca. 43% Wasser.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Kühlmittel durch eine dynamische Viskosität
zwischen 100 und 1000 mPas charakterisiert.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Kühlmittel verwendet, das durch einen im Normalbetrieb
des Energiespeichers geschlossenen Kühlmittelkreislauf
strömt, der so ausgestaltet ist, dass das Kühlmittel
im Brandfall an bestimmten Stellen aus dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf
austreten kann und beim Austreten aus dem Kühlmittelkreislauf
mit einem Additiv vermischt wird, wobei ein Gel oder ein viskoelastisches
Fluid gebildet wird.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird Wasser als Kühlmittel verwendet, das durch einen im
Normalbetrieb des Energiespeichers geschlossenen Kühlmittelkreislauf strömt,
der so ausgestaltet ist, dass das Wasser im Brandfall an bestimmten
Stellen aus dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf austreten
kann und beim Austreten aus dem Kühlmittelkreislauf mit
einem Additiv vermischt wird, wobei ein Gel oder ein viskoelastisches
Fluid gebildet wird.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Additiv aus einem Gemisch aus wenigstens
einem Polymer, wenigstens einem Tensid und wenigstens einem Esteröl.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Additiv aus einem Gemisch aus P Gew.-% wenigstens
eines Polymers, T Gew.-% wenigstens eines Tensids und E Gew.-% wenigstens
eines Esteröls, bezogen auf die Gesamtmenge des Additivs,
wobei
12 ≤ P ≤ 78,
1 ≤ T ≤ 22,
12 ≤ E ≤ 78
und
P
+ T + E = 100
gilt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Additiv aus einem Gemisch aus P Gew.-% wenigstens
eines Polymers, T Gew.-% wenigstens eines Tensids und E Gew.-% wenigstens
eines Esteröls, bezogen auf die Gesamtmenge des Additivs,
wobei
45 ≤ P ≤ 55,
8 ≤ T ≤ 12,
35 ≤ E ≤ 45
und
P
+ T + E = 100
gilt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht das Additiv aus einem Gemisch aus ca. 50% wenigstens
eines Polymers, ca. 10% wenigstens eines Tensids und ca. 40% wenigstens
eines Esteröls. Besonders bevorzugt ist ferner die Verwendung
eines Gemisches aus P Gew.-% wenigstens eines Polymers, T Gew.-%
wenigstens eines Tensids, E Gew.-% wenigstens eines Esteröls
und W Gew.-% Wasser, bezogen auf die Gesamtmenge des Kühlmittels,
wobei
10 ≤ P ≤ 35,
1 ≤ T ≤ 10,
10 ≤ E ≤ 35,
20 ≤ W ≤55
und
P
+ T + E + W = 100
gilt.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner die Verwendung eines Gemisches aus aus P Gew.-%
wenigstens eines Polymers, T Gew.-% wenigstens eines Tensids, E
Gew.-% wenigstens eines Esteröls und W Gew.-% Wasser, bezogen
auf die Gesamtmenge des Kühlmittels, wobei
25 ≤ P ≤ 31,
4 ≤ T ≤ 8,
18 ≤ E ≤ 28,
38 ≤ W ≤ 48
und
P
+ T + E + W = 100
gilt.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner die Verwendung eines Gemisches aus ca. 28%
wenigstens eines Polymers, ca. 6% wenigstens eines Tensids, ca. 23%
wenigstens eines Esteröls und ca. 43% Wasser als Kühlmittel
zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere
einer Lithium enthaltenden galvanischen Zelle, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlmittel den Energiespeicher, dessen Gehäuse
oder Teile des Energiespeichers oder seines Gehäuses umströmt
oder durchströmt und beim Auftreten eines Brandes eine
Löschwirkung entfaltet.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner die Verwendung eines Additivs in Form eines
Gemisches bestehend aus einem Polymer, einem Tensid und bzw. oder
einem Esteröl in Verbindung mit Wasser als Kühlmittel
zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere
einer Lithium enthaltenden galvanischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlmittel den Energiespeicher, dessen Gehäuse
oder Teile des Energiespeichers oder seines Gehäuses umströmt
oder durchströmt und beim Auftreten eines Brandes in Verbindung
mit dem Additiv eine Löschwirkung entfaltet.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner die Verwendung eines Additivs in Form eines
Gemisches bestehend aus P Gew.-% wenigstens eines Polymers, T Gew.-%
wenigstens eines Tensids und E Gew.-% wenigstens eines Esteröls,
bezogen auf die Gesamtmenge des Additivs, wobei
12 ≤ P ≤ 78,
1 ≤ T ≤ 22,
12 ≤ E ≤ 78
und
P
+ T + E = 100
gilt.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner die Verwendung eines Additivs in Form eines
Gemisches bestehend aus P Gew.-% wenigstens eines Polymers, T Gew.-%
wenigstens eines Tensids und E Gew.-% wenigstens eines Esteröls,
bezogen auf die Gesamtmenge des Additivs, wobei
45 ≤ P ≤ 55,
8 ≤ T ≤ 12,
35 ≤ E ≤ 45
und
P
+ T + E = 100
gilt.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner die Verwendung eines Additivs bestehend aus
einem Gemisch aus ca. 50% wenigstens eines Polymers, ca. 10% wenigstens
eines Tensids und ca. 40% wenigstens eines Esteröls in
Verbindung mit Wasser als Kühlmittel zum Kühlen
eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium
enthaltenden galvanischen Zelle, wobei das Kühlmittel den
Energiespeicher, dessen Gehäuse oder Teile des Energiespeichers
oder seines Gehäuses umströmt oder durchströmt
und beim Auftreten eines Brandes in Verbindung mit dem Additiv eine
Löschwirkung entfaltet.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Figuren näher beschrieben.
-
Dabei
zeigt
-
1 in
schematischer Weise eine Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
2 in
schematischer Weise eine Darstellung der erfindungsgemäßen
Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
3 in
schematischer Weise eine Darstellung der erfindungsgemäßen
Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
4 in
schematischer Weise eine Darstellung der erfindungsgemäßen
Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Wie
in den 1 bis 4 schematisch dargestellt, weist
ein erfindungsgemäß elektrochemischer Energiespeicher
ein Gehäuse 101, 201, 301, 401 auf,
in dem sich verschiedene Komponenten des elektrochemischen Energiespeichers
befinden. Diese Komponenten umfassen eine Anordnung von Elektroden 105, 106 die
durch eine Anordnung von Separatoren voneinander getrennt sind,
und zwischen denen sich ein ionenleitfähiger Elektrolyt
befindet. Dabei können die aktiven Materialien im Innern des
elektrochemischen Energiespeichers, also in der galvanischen Zelle
in unterschiedlicher Weise angeordnet sein.
-
Typische
Anordnungen dieser Art sind sog. Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anordnung der Elektroden
und der weiteren aktiven Materialien in der galvanischen Zelle beschränkt.
Wie in den 1 bis 4 schematisch
dargestellt, sind die Elektroden 105, 106 häufig über
sog. innere Ableiter 107, 207, 307, 407 bzw. 108, 208, 308, 408 mit
sog. äußeren Stromableitern 102, 202, 302, 402 bzw. 103, 203, 303, 403 verbunden.
Dabei sind die positiven Elektroden 105, 205, 305, 405 mit
dem positiven Ableiter 102, 202, 302, 402 und
die negativen Elektroden 106, 206, 306, 406 mit
dem negativen Ableiter 103, 203, 303, 403 verbunden.
Zwischen ungleichnamigen Elektroden sind gewöhnlich Separatoren 112, 212, 312, 412 angeordnet,
die einen inneren Kurzschluss der galvanischen Zelle verhindern.
-
Beim
Vorgang des Ladens oder Entladens einer galvanischen Zelle treten
in dieser Zelle chemische Reaktionen auf, die mit einer häufig
erheblichen Wärmeentwicklung verbunden sind. Je nach Bauform
des elektrochemischen Energiespeichers bedarf es deshalb einer Kühlung,
um zu verhindern, dass diese Wärmeentwicklung zu einer
unerwünschten oder nicht hinnehmbaren Temperatursteigerung führt.
Wie in den 1 bis 4 schematisch
dargestellt, sieht die Erfindung vor, dass ein Kühlmittel 109, 209, 309, 409 den
Energiespeicher, dessen Gehäuse 101, 201, 301, 401 oder
Teile des Energiespeichers oder seines Gehäuses umströmt
oder durchströmt. Erfindungsgemäß ist
weiterhin vorgesehen, dass dieses Kühlmittel beim Auftreten
eines Brandes eine Löschwirkung entfaltet.
-
Dieser
allgemeine erfinderische Gedanke lässt sich auf unterschiedliche
Weisen verwirklichen. Ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist dazu in 1 schematisch dargestellt. Bei
diesem Ausführungsbeispiel strömt das Kühlmittel 109 durch spezielle
Strömungskanäle 104, die vorzugsweise
so ausgestaltet sind, dass das Kühlmittel zwar thermisch
in sehr gutem Kontakt mit dem Inneren des elektrochemischen Energiespeichers
kommt, dass jedoch gleichzeitig ein direkter, chemische Reaktionen
ermöglichender Kontakt des Kühlmittels mit dem Inneren
des Energiespeichers im Normalbetrieb vermieden wird. Damit das
Kühlmittel im Brandfall eine Löschwirkung entfalten
kann, werden die Strömungskanäle 104 vorzugsweise
so ausgelegt, dass das Kühlmittel im Brandfall aus den
Strömungskanälen austreten kann und so eine Löschwirkung
im Inneren des elektrochemischen Energiespeichers entfalten kann.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Strömungskanäle
so ausgestaltet sind, dass sie durch einen Brand örtlich
zerstört oder zumindest geöffnet werden, so dass
das Kühlmittel 109 aus den Strömungskanälen 104 austreten
kann.
-
Wie
in 2 schematisch dargestellt, ist bei einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass der
Austritt des Kühlmittels 209 aus dem Strömungskanal 204 durch
eine spezielle Einrichtung 210 bewirkt wird, welche im
Brandfall den Strömungskanal 204 gezielt öffnet,
so dass ein Kühlmittelaustritt in das Innere des elektrochemischen Energiespeichers
erfolgen kann. Bevorzugte Beispiele für solche Einrichtungen 210 sind
beispielsweise Berstscheiben, vorzugsweise thermisch gesteuerte
Ventile, oder auch beispielsweise elektrisch gesteuerte Ventile,
die mit vorzugsweise geeigneten Temperatursensoren und vorzugsweise
mit einer geeigneten Steuerungslogik verbunden sein können.
-
3 zeigt
in schematischer Weise ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Strömungskanäle 304,
durch welche das Kühlmittel 309 fließt,
außerhalb des Gehäuses 301 des elektrochemischen
Energiespeichers angeordnet sind, und bei dem eine Wärmeleiteinrichtung 311,
dafür sorgt, dass zwischen dem Strömungskanal 304 und
dem Gehäuse 301 des Energiespeichers ein ausreichend guter
Wärmeleitkontakt besteht. Das in 4 schematisch
dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unterscheidet sich vom dritten Ausführungsbeispiel
vornehmlich dadurch, dass hier, ähnlich wie in der 2,
eine Einrichtung 410 vorgesehen ist, welche ein kontrolliertes
Austreten des Kühlmittels aus dem Strömungskanal
im Brandfall bewirken soll.
-
Die
Wärmeleiteinrichtung 311, 411 ist vorzugsweise
ein metallischer, jedenfalls gut wärmeleitender Körper,
dessen Form vorzugsweise der Form der Strömungskanäle
und/oder der Form des Gehäuses so angepasst ist, dass eine
möglichst gute Wärmeleitung zwischen dem Kühlmittel
und dem Gehäuse erreicht wird.
-
Die
vorliegende Erfindung kann auf unterschiedliche Weisen verwirklicht
werden. Diese Ausführungsbeispiele haben gemeinsam, dass
ein Kühlmittel einen elektrochemischer Energiespeicher,
sein Gehäuse oder Teile des Energiespeichers oder seines
Gehäuses umströmt oder durchströmt, und
dass dieses Kühlmittel beim Auftreten eines Brandes eine Löschwirkung
entfaltet. Vorzugsweise wird das Kühlmittel dabei durch
einen im Normalbetrieb des Energiespeichers geschlossenen Kühlmittelkreislauf
strömen, wie dies in den 1 bis 4 schematisch dargestellt
ist. Dieser Kühlmittelkreislauf, der vorzugsweise Strömungskanäle
umfasst, ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass das Kühlmittel
im Brandfall an bestimmten Stellen aus dem geschlossenen Kühlkreislauf
austreten und an diesen Stellen eine Löschwirkung entfalten
kann.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die mit
auch anderen Ausführungsformen der Erfindung kombiniert
werden kann, sieht vor, dass der Kühlmitteldrucks bei einem
stellenweisen Austreten des Kühlmittels aus dem Kühlmittelkreislauf
im Brandfall durch eine Einrichtung stabilisiert wird. Solche Einrichtungen
können wiederum in unterschiedlicher Weise realisiert werden.
Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, den Kühlmitteldruck durch
eine Pumpeinrichtung so zu steuern, dass dieser beim stellenweisen
Austreten des Kühlmittels konstant gehalten oder wenigstens
auf einem Niveau gehalten werden kann, welches die weitere Funktion des
Kühlmittelkreislaufs gewährleistet. Eine solche Einrichtung
kann aber auch eine Ventilsteuerung umfassen, die dafür
sorgt, dass das Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf
stellenweise nur zeitlich beschränkt austritt und/oder
nur in begrenzter Menge, so dass der Kühlmitteldruckverlust
entweder beschränkt bleibt oder durch eine Nachlieferung
von Kühlmittel aus einem Reservoir schnell ausgeglichen
werden kann.
-
Bevorzugt
ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung
eines Gels oder eines viskoelastischen Fluids als Kühlmittel
vorgesehen. Solche Gele oder viskoelastischen Fluide können
durch auch Zumischung eines entsprechenden Additivs, beispielsweise
eines Gelkonzentrats zu Wasser leicht hergestellt werden. Solche
Gele bringen erfahrungsgemäß Brände schneller
unter Kontrolle, da durch geeignete Additive oder Gelkonzentrate
Wasser in ein feuerabweisendes und hitzeabsorbierendes Gel umgewandelt
wird, welches auch an glatten Flächen gut haftet, wodurch
das in dem Gel gebundene Wasser seine Löschkraft besser
entfalten kann, weil es nicht ungenutzt abfließt. Durch
die Verwendung eines Gels auf Wasserbasis anstelle von reinem Wasser
kann daher die gleiche Löschwirkung mit weniger Wasser
und damit mit weniger Kühlmittel erreicht werden, wodurch
der Kühlmitteldruck in den geschlossenen Kühlleitungen
einfacher aufrechterhalten werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, weil
damit erreicht werden kann, dass im Brandfall die Kühlwirkung
des Kühlmittels durch Kühlmitteldruckverlust nicht
zu sehr reduziert wird.
-
Besonders
bevorzugt sind neben Gelen oder viskoelastischen Flüssigkeiten
insbesondere kolloidale oder kolloide viskoelastische Flüssigkeiten
als Kühlmittel. Besonders bevorzugt sind dabei Kühlmittel,
die Wasser enthalten. Weiterhin besonders bevorzugt ist ein Kühlmittel
bestehend aus einem Gemisch aus wenigstens einem Polymer, wenigstens
einem Tensid, wenigstens einem Esteröl und Wasser. Besonders
bevorzugt ist dabei ein Kühlmittel bestehend aus einem
Gemisch aus ca. 28% wenigstens eines Polymers, ca. 6% wenigstens
eines Tensids, ca. 23% wenigstens eines Esteröls und ca.
43% Wasser.
-
Derart
zusammengesetzte Kühlmittel weisen in ihrer Struktur vorzugsweise
superabsorbierende Polymere auf, die mit Wasser geringfügig
verquollen sind. Die eine Zugabe von Esteröl werden die
Polymere an einer weiteren Wasseraufnahme gehindert. Durch das Einbringen
einer solchen Mischung in geeignete Wassermengen wird aus der Wasser-in-Öl-Emulsion
eine Öl-in-Wasser-Emulsion; es erfolgt also eine sogenannte
Phasenumkehr. Die hierbei freiwerdende restliche Aufnahmekapazität der
superabsobierenden Polymere bindet das restliche Wasser an sich.
-
Dieser
Vorgang kann durch Zufuhr kinetischer Energie, beispielsweise durch
Rühren, Pumpen oder Mischen in einen Wasserstrom spürbar
beschleunigt werden. An einer Austrittsöffnung eine Kühlmittelströmungskanals
kann sich so das gewünschte Viskositätsniveau
schnell einstellen, wodurch der Gel bei Austritt sofort zur Verfügung
steht.
-
Bevorzugt
sind ferner Kühlmittel mit einer dynamischen Viskosität
zwischen 100 und 1000 mPas. Eine höhere Viskosität
fördert dabei allgemein die Löschwirkung des Kühlmittels,
erschwert aber andererseits das Strömen des Kühlmittels
durch die Strömungskanäle. Bevorzugt sind daher
Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen die Viskosität
des Kühlmittels vor dessen Austritt aus den Strömungskanälen
gering gehalten wird, und bei denen die Viskosität des
Kühlmittels bei seinem Austritt aus den Strömungskanälen
möglichst rasch erhöht wird. Dies kann beispielsweise
erreicht werden, wenn als Kühlmittel in den Strömungskanälen
Wasser oder eine andere Flüssigkeit mit geringer Viskosität
verwendet wird, der beim Austritt aus den Strömungskanälen
im Brandfall ein Additiv beigemischt wird, welches die Viskosität
mit geringer Verzögerung, also möglichst rasch,
erhöht.
-
Bevorzugt
ist daher ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
Wasser als Kühlmittel verwendet wird, und bei dem dieses
Kühlmittel durch einen im Normalbetrieb des Energiespeichers
geschlossenen Kühlkreislauf strömt, der so ausgestaltet
ist, dass das Wasser im Brandfall an bestimmten Stellen aus dem
geschlossenen Kühlmittelkreislauf austreten kann und beim
Austreten aus dem Kühlmittelkreislauf mit einem Additiv
vermischt wird, wobei ein Gel oder ein viskoelastisches Fluid gebildet
wird.
-
Besonders
bevorzugt ist dabei die Verwendung eines Additivs bestehend aus
einem Gemisch aus wenigstens einem Polymer, wenigstens einem Tensid
und wenigstens einem Esteröl.
-
Besonders
bevorzugt ist ferner ein Additiv bestehend aus einem Gemisch aus
ca. 50% wenigstens eines Polymers, ca. 10% wenigstens eines Tensids
und ca. 40% wenigstens eines Esteröls.
-
Bei
der Bemessung der Mischungsverhältnisse ist vorzugsweise
zu berücksichtigen, dass die vorteilhaften Wirkungen des
Kühl- und Löschgemisches oder des Additivs auf
der Viskoelastizität des Kühl- und Löschgemisches
und auf seiner Fähigkeit, Wasser zu binden, beruhen. Hierdurch
kann die Adhäsionskraft des Kühlmittels auch an
glatten Flächen erhöht werden. Die Flüssigkeit
fließt nicht ungenutzt ab.
-
Insbesondere
bei Gemischen aus Polymeren, Esterölen, Tensiden und Wasser
führt eine geeignete Bemessung der Mischungsverhältnisse
unter dem Einfluss von kinetischer Energie zu einer wesentlichen
Reduktion der Viskosität als im Ruhestadium. Hierdurch
kann ein derartiges Gemisch mit niedriger Viskosität durch
einen Kühlkreislauf strömen und gleichzeitig bei
seinem Austritt an einer Brandstelle aus diesem Kühlkreislauf
eine hohe Viskosität aufweisen. Die Fließfähigkeit
solcher Gemische ist also hauptsächlich von der Strömungsgeschwindigkeit
abhängig.
-
Durch
die chemisch-physikalische Einbindung der Flüssigkeit in
eine Gelstruktur kann die Verdunstungsrate der Flüssigkeit
auch bei höheren Temperaturen beträchtlich reduziert
werden. Hierdurch kann der Flüssigkeitsverbrauch erheblich
reduziert werden.
-
An
der Brandstelle kann die in eine Gelstruktur eingebundene Flüssigkeit
durch die verhältnismäßig hohe Schichtdicke
und die reduzierte Verdunstungsgeschwindigkeit eine erhöhte
Kühlwirkung entfalten. Dieser Effekt ist bei der Bekämpfung
von Bränden mit sehr hohen Temperaturen von besonderer
Bedeutung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005017648
A1 [0003]
