DE102013214138A1

DE102013214138A1 - Systemanordnung mit Hochtemperaturbatterie mit getrennten Fluidkreisläufen

Info

Publication number: DE102013214138A1
Application number: DE201310214138
Authority: DE
Inventors: Michael Kühne; Dieter Most
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2015-01-22
Also published as: WO2015007680A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Systemanordnung (1) umfassend eine mehrere Batteriezellen (11) aufweisende Hochtemperaturbatterie (10), die in einem ersten Fluidbehältnis (20) mit einem ersten Wärmefluid (21) derart angeordnet ist, dass das erste Wärmefluid (21) mit der Hochtemperaturbatterie (10) in direktem Wärmekontakt ist, welches erste Fluidbehältnis (20) mit einem zweiten Fluidbehältnis (30) wärmetechnisch verschaltet ist, das ein zweites Wärmefluid (31) beinhaltet, wobei das erste Fluidbehältnis (20) und das zweite Fluidbehältnis (30) sich nicht in Fluidaustausch befinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Systemanordnung umfassend eine mehrere Batteriezellen aufweisende Hochtemperaturbatterie, die in einem Fluidbehältnis mit einem Wärmefluid angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Systemanordnung.
Hochtemperaturbatterien, wie bspw. Natrium-Nickel-Chlorid-Zellen bzw. Natrium-Schwefel-Zellen, erfordern während ihres Betriebs und der Dauer ihrer Betriebsbereitschaft ein umfassendes Temperaturmanagement, um die thermischen Rahmenbedingungen für einen störungsfreien und wartungsarmen Betrieb erfüllen zu können. So ist es etwa erforderlich, dass die Hochtemperaturbatterie innerhalb eines verhältnismäßig engen Temperaturbandes von bspw. 20°C betrieben bzw. zum Betrieb bereitgehalten wird. Dies verhindert die Überhitzung der Hochtemperaturbatterie und damit die Schädigung. Gleichzeitig gewährleistet die geeignete Temperierung, dass der Innenwiderstand der Hochtemperaturbatterie nicht durch Abkühlung auf für den Betrieb ungeeignet hohe Werte ansteigt.
Um diesen Anforderungen Rechnung zu tragen, schlug die Anmelderin bereits in ihrer Anmeldung DE 10 2012 215 904.5 vor, die Hochtemperaturbatterie bzw. die Batteriezellen in einen geschlossenen Fluidkreislauf zu geben, in welchem ein Wärmefluid die Hochtemperaturbatterie bzw. die einzelnen Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie umströmen kann. Durch Temperierung des Wärmefluids kann somit auch das Temperaturniveau der Hochtemperaturbatterie weitgehend innerhalb eines engen Temperaturbandes gehalten werden. Das Wärmefluid ist hierbei in der Lage, die Hochtemperaturbatterie bzw. deren einzelne Batteriezellen mit Wärme zu versorgen bzw. Wärme, die bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie entsteht, abzuführen.
Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass die Positionierung der Hochtemperaturbatterie bzw. einzelner Batteriezellen auf unterschiedlichen geometrischen Höhen zu einem hydrostatischen Druckgefälle zwischen einzelnen Batteriezellen führt. Tiefer liegende Batteriezellen werden nämlich etwa mit einem höheren hydrostatischen Druck beaufschlagt als weiter höher liegende, wodurch jedoch eine ungleichmäßige Beanspruchung verschiedener Batteriezellen resultiert. Insbesondere Dichtungen an der Hochtemperaturbatterie bzw. den Batteriezellen können bei relativ höheren hydrostatischen Drücken stärker beansprucht werden und damit einer verstärkten Alterung unterliegen.
Weiterhin eignen sich derartige Systemanordnungen nur bedingt für Anwendungen, in welchen die mobilen Hochtemperaturbatterien bzw. Batteriezellen unterschiedlichen Beschleunigungskräften unterliegen. Aufgrund der verschiedenen Beschleunigungskräfte ergeben sich mitunter auch schwankende Druckgefälle in dem System. Wechselnde Druckunterschiede können zu einer Störung einer gleichmäßigen Fluidversorgung einzelner Hochtemperaturbatterien bzw. der Batteriezellen führen und damit zu einer thermischen Ungleichversorgung. Diese wiederum kann zu lokal unterschiedlichen Wärmeabfuhrraten bzw. Wärmezufuhrraten führen oder im schlimmsten Fall zu einem vollkommenen Ausfall der zu kühlenden Hochtemperaturbatterie bzw. deren Batteriezellen. Ebenso können die wechselnden Druckunterschiede zu ungewünschten wechselnden hydraulischen Belastungen der einzelnen Batteriezellen führen.
Die fluidtechnische Verschaltung einzelner Hochtemperaturbatterien bzw. deren Batteriezellen entsprechend dem Stand der Technik erfordert zudem eine geeignete Strömungsführung bzw. deren Justierung mittels geeigneter Dosiereinrichtungen. Liegt eine solche nicht vor, dass kann wiederum eine ungleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Wärmesystems die Folge sein.
Weiterhin erweist sich bei der aus dem Stand der Technik bekannten Systemanordnung als möglicherweise nachteilig, dass in Speichersystemen für einen groß- bzw. kraftwerkstechnischen Einsatz viele einzelne Komponenten (bspw. einzelne Batteriezellen) eingesetzt werden müssen, welche das hydraulische Wärmeleitungssystem mit höheren Druckschwankungen z.B. durch Kavitation, Anfahrmomente oder auch Verdampfung von Restwasser im Wärmefluidsystem nachteilig beeinflussen können. Die erhöhten Belastungen der in dem Wärmesystem umfassten Hochtemperaturbatterien bzw. deren Batteriezellen führt jedoch wiederum zu einem schnelleren Alterungsprozess und damit zu einer unerwünscht höheren Ausfallrate.
Weiterhin ist das weiter oben beschriebene Wärmeleitungssystem aus dem Stand der Technik weniger servicetauglich, da bei Austausch einer Hochtemperaturbatterie bzw. einzelner Batteriezellen das gesamte Wärmeleitungssystem geöffnet werden muss. Folglich ist ein Betrieb der übrigen Hochtemperaturbatterien bzw. deren Zellen nicht weiter möglich, wodurch höhere Ausfallzeiten entstehen.
Entsprechend dieser Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden, und eine Systemanordnung zur gleichzeitigen Wärmeversorgung und Wärmabfuhr einer Hochtemperaturbatterie vorzugschlagen, welche geringere hydrostatische Druckschwankungen in dem die Hochtemperaturbatterie umgebenden Wärmefluid erfährt. Gleichzeitig soll der Aufbau einer solchen Systemanordnung eine erleichterte Wartung sowie eine verbesserte Umweltverträglichkeit zur Folge haben. Dennoch soll die Systemanordnung weiterhin in effizienter Weise die thermischen Rahmenbedingungen insoweit erfüllen, als dass die Hochtemperaturbatterie bzw. die Batteriezellen bei deren Betrieb innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbandes betrieben werden kann/können.
Diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch eine Systemanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Systemanordnung gemäß Anspruch 14 gelöst.
Insbesondere werden diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch eine Systemanordnung umfassend eine mehrere Batteriezellen aufweisende Hochtemperaturbatterie, die in einem ersten Fluidbehältnis mit einem ersten Wärmefluid derart angeordnet ist, dass das erste Wärmefluid mit der Hochtemperaturbatterie in direktem Wärmekontakt ist, welches erste Fluidbehältnis mit einem zweiten Fluidbehältnis wärmetechnisch verschaltet ist, das ein zweites Wärmefluid beinhaltet, wobei das erste Fluidbehältnis und das zweite Fluidbehältnis sich nicht in Fluidaustausch befinden.
Weiterhin werden diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Systemanordnung, wie sie vorab und nachfolgend beschrieben ist, welches folgende Schritte umfasst:

– Betreiben der mehrere Batteriezellen aufweisenden Hochtemperaturbatterie;
– Übertragen von Wärme von der Hochtemperaturbatterie an das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis;
– Übertragen von Wärme von dem ersten Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis an das zweite Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis.

Hier wie auch im Weiteren soll der Begriff der Wärme sowohl im Sinne von positiver thermischer Energie, wie auch im Sinne von negativer thermischer Energie, also Kälte, verstanden werden.
Die erfindungsgemäße Hochtemperaturbatterie erfordert eine Betriebstemperatur von wenigstens 100°C. Sie kann auch bevorzugt eine maximale Betriebstemperatur von etwa 500°C aufweisen. Die Hochtemperaturbatterie umfasst hierbei besonders bevorzugt wenigstens eine Natrium-Schwefel- und/oder Natrium-Nickel-Chlorid-Batteriezelle. Weiterhin sind ganz besonders bevorzugt nicht nur die Hochtemperaturbatterie sondern auch die von dieser umfassten Batteriezellen mit dem ersten Wärmefluid in direktem Wärmekontakt.
Dichtungen dieser Art von Hochtemperaturbatterien basieren oftmals auf Glasloten oder Thermal Compression Bondings, die gegenüber mechanischen Belastungen brüchig sein können und bei normalem Betrieb nur geringen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein dürfen. Insbesondere bei Betrieb der Hochtemperaturbatterien über längere Zeiträume hinweg, können sich thermisch und/oder chemisch bedingte Materialveränderungen in solchen Dichtungen ergeben, wodurch diese gegenüber mechanischen Belastungen noch weniger widerstandsfähig werden.
Auch weitere Bestandteile dieser Art von Hochtemperaturbatterien, wie insbesondere z.B. der keramische Separator oder das kathodische Elektrodenmaterial, sollten keinen erhöhten mechanischen Belastungen wie Schwingungen oder Druckstößen ausgesetzt werden, da durch diese die Lebensdauer und/oder die Kapazität der elektrochemischen Speichereinrichtung ebenfalls in negativer Weise beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß werden nun die Hochtemperaturbatterie und/oder die Batteriezellen in einem ersten Fluidbehältnis angeordnet, in welchem ein erstes Wärmefluid zum Wärmeaustausch vorgesehen ist. Dieses erste Fluidbehältnis ist wiederum mit einem zweiten Fluidbehältnis wärmetechnisch verschaltet, so dass ein direkter Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie und dem zweiten Wärmefluid, welches in dem zweiten Fluidbehältnis geführt wird, nicht möglich ist. Der Wärmeaustausch erfolgt also nur indirekt. Die Versorgung der Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie mit Wärme, etwa zum Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur, erfolgt also indirekt, indem nämlich mittels des zweiten Wärmefluids zunächst Wärme auf das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis übertragen wird, welches infolge auf direkt die Hochtemperaturbatterie und/oder die Batteriezellen übertragen werden kann. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Druckschwankungen innerhalb des ersten Wärmefluids in dem ersten Fluidbehältnis verhältnismäßig gering gehalten werden, und insbesondere entkoppelt werden, von den Druckschwankungen innerhalb des zweiten Wärmefluids in dem zweiten Fluidbehältnis. Ebenso ist eine geeignete Strömungsführung innerhalb des ersten Wärmefluids leichter möglich, da etwa die Strömungsverhältnisse nur an die geometrischen Rahmenbedingungen des ersten Fluidbehältnisses geeignet angepasst sein müssen. So kann bspw. die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Wärmefluids in dem ersten Fluidbehältnis deutlich geringer gehalten werden, als die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Wärmefluids in dem zweiten Fluidbehältnis. Infolgedessen können sich geringere Druckschwankungen in dem ersten Fluidbehältnis ergeben, welche wiederum geringere mechanische Einwirkungen auf die Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie haben.
Bevorzugt ist das erste Fluidbehältnis derart ausgebildet, dass eine konvektive Bewegung des ersten Wärmefluids in dem ersten Fluidbehältnis bei Wärmeaustausch resultiert, und so für eine konvektive Wärmeübertragung bzw. Wärmemischung in dem ersten Fluidbehältnis sorgt.
Bevorzugt erfolgt die Wärmekopplung auch nur bereichsweise derart, dass eine geeignete Wärmekonvektion bei lokaler Wärmeübertragung auf das erste Fluidbehältnis resultieren kann. So können bspw. das erste und das zweite Fluidbehältnis über mehrere, lokal angeordnete Wärmekontaktbereiche miteinander gekoppelt sein, um so eine geeignete konvektive Wärmeströmung innerhalb des ersten Fluidbehältnisses zu erreichen. Alternativ oder auch unterstützend hierzu können auch geeignete Strömungsgeneratoren in dem ersten bzw. zweiten Fluidbehältnis vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch das erste Fluidbehältnis vollständig mit erstem Wärmefluid angefüllt. Ein mit Luft gefüllter Abschnitt befindet sich also nicht in dem ersten Fluidbehältnis. Demgemäß ergeben sich in dem ersten Fluidbehältnis keine Druckschwankungen aufgrund von Wellenbewegung bzw. Kavitation, wodurch hydraulische Druckschwankungen innerhalb des ersten Wärmefluids verhältnismäßig gering gehalten werden können. Da bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen das erste Wärmefluid aufgrund der thermischen Ausdehnung unterschiedliche Volumina einnimmt, ist es bspw. denkbar, das erste Fluidbehältnis mit einem geeigneten Ausgleichbehälter zu versehen. Dieser kann derart an dem ersten Fluidbehältnis angebracht sein (bspw. an einem oberen Anbringungsort), so dass das erste Fluidbehältnis trotz Volumenänderung des ersten Wärmefluids infolge von Temperaturänderungen stets vollständig gefüllt ist.
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist also, dass die Systemanordnung zwei fluidtechnisch getrennte Fluidbehältnisse, die geeignete Fluidkreisläufe enthalten können bzw. davon umfasst sein können, aufweisen. Zwischen diesen Fluidbehältnissen bzw. Fluidkreisläufen ist ein Wärmeaustausch möglich, wobei dieser jedoch typischerweise durch geeignete konstruktive bzw. steuerungs- bzw. regelungstechnische Maßnahmen unterstützt wird. Insofern erfolgt zwischen der Hochtemperaturbatterie und/oder den Batteriezellen ein unmittelbarer Wärmeaustausch mit dem ersten Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis und daran indirekt anschließend erst ein zweiter Wärmeaustausch mit dem zweiten Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis.
Der direkte Wärmeaustausch mit dem ersten Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis kann insbesondere bei vergleichsweise geringen Strömungsgeschwindigkeiten erfolgen, wenn etwa das erste Wärmefluid in flüssigem Aggregatzustand vorliegt. Ein flüssiges Wärmefluid weist zudem gegenüber einem gasförmigen Wärmefluid eine deutlich erhöhte Wärmekapazität auf, die in der Lage ist, kleinere thermische Schwankungen auszugleichen. Ein flüssiges Wärmefluid vermag mitunter auch leichter durch regelungstechnische bzw. steuerungstechnische Maßnahmen in einem laminaren Strömungsbereich gehalten zu werden, welcher besonders geeignet ist, um Wärme mit der Hochtemperaturbatterie bzw. den Batteriezellen auszutauschen.
Die fluidtechnische Trennung zwischen erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis kann zudem vorteilhaft sein aus Kostengesichtspunkten. So erfordern fluidtechnische Verbindungen, insbesondere technische Vorkehrungen hinsichtlich der elektrischen Isolierung, chemische Beständigkeit wie etwa gegenüber Buntmetallen, wie auch Spannungsfestigkeit bei Temperaturschwankungen. Aufgrund der fluidtechnischen Trennung ist es bspw. auch möglich ein höherwertiges, jedoch kostenaufwendigeres Wärmefluid, innerhalb des ersten Fluidbehältnisses vorzusehen, wohingegen im zweiten Fluidbehältnis ein verhältnismäßig kostengünstigeres Wärmefluid eingesetzt werden kann.
Das erste Wärmefluid kann sich bspw. auszeichnen hinsichtlich seiner Wärmeübertragungseigenschaften, seiner Wärmekapazität bzw. seines Strömungsverhaltens. Die Verwendung unterschiedlicher Wärmefluide kann insbesondere auch dann vorteilhaft sein, wenn zur Einhaltung von sicherungstechnischen Anforderungen besondere Fluideigenschaften erforderlich sind. So ist etwa im Fall einer Batteriezelle, die auf der Technologie der Natrium-Nickel-Chlorid-Zellen basiert, diese nicht von einem Wärmefluid zu umgeben, welches bei einem Schadensfall mit den von der Batteriezelle umfassten Chemikalien stark reagieren könnte. Insbesondere sollte das erste Wärmefluid nicht Wasser sein, da dieses mit dem in der Batteriezelle befindlichen elementaren Natrium stark reagieren würde.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, liegt das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis und/oder das zweite Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis bei geringem Druck (≤5 bar) vor bzw. besonders vorzugsweise bei Umgebungsdruck. Aufgrund dieser Druckverhältnisse können elektrische wie mechanische Durchführungen aus dem ersten Fluidbehältnis zuverlässiger und kostengünstiger gestaltet werden. Darüber hinaus werden auch die von der Hochtemperaturbatterie umfassten Batteriezellen geringeren statischen wie auch dynamischen Druckbelastungen ausgesetzt. Auch dies vermindert erneut den konstruktiven Aufwand, welcher betrieben werden müsste, um die Batteriezellen gegen Druckschwankungen bei höheren Druckniveaus zu sichern.
Durch die fluidtechnische Entkopplung zwischen erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis kann auch weitergehenden mechanischen bzw. chemischen Sicherheitsanforderungen Rechnung getragen werden. So kann etwa das von einem externen Fluidkreislauf umfasste zweite Fluidbehältnis als drucktragendes System (z.B. ORC-Arbeitsmedium, Dampf- oder Prozesswasser mit Temperatur von mehr als 100°C) ausgeführt werden, während das erste Fluidbehältnis nahe dem Umgebungsdruck betrieben werden kann. Eine vergleichbare Entkopplung betrifft auch die chemische Reaktionsfähigkeit bzw. Stabilität der einzelnen Wärmefluide. So kann insbesondere der Innenraum des ersten Fluidbehältnisses vor chemischen Angriffen durch das zweite Wärmefluid geeignet geschützt werden.
Die Entkopplung von erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis trägt zudem Umweltgedanken Rechnung. So kann etwa durch die Entkopplung bei Freisetzung von Chemikalien im ersten Fluidbehältnis aufgrund von einem Schadensfall der Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie bzw. bei ungewollter Degeneration des ersten Wärmefluids etwa infolge von Überhitzung keine Kontamination des zweiten Wärmefluids in dem zweiten Fluidbehältnis die Folge sein. Zur Dekontaminierung würde es also ausreichen, lediglich das erste Fluidbehältnis auszutauschen, da die Kontamination lokal auf diesen Bereich begrenzt ist.
Durch die fluidtechnische Trennung von erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis ist es zudem möglich, das erste Fluidbehältnis als geschlossenes bzw. gekapseltes System auszuführen, wodurch dieses in modularer Bauweise ausgeführt sein kann. Eine solche modulare Bauweise erweist sich insbesondere hinsichtlich der Wartungsfähigkeit der Systemanordnung als besonders bevorzugt, da einzelne Module als gesamtes ausgetauscht werden können, ohne den Betrieb für weitere Module unterbrechen zu müssen. So kann bspw. vollständig darauf verzichtet werden, das zweite Fluidbehältnis zu öffnen und dabei mit dem zweiten Wärmefluid in Kontakt zu geraten. Das ist besonders vorteilhaft, wenn auch dieses zweite Fluidbehältnis als geschlossener Kreislauf ausgeführt ist. In einem solchen Fall kann das Modul mit der Hochtemperaturbatterie samt dem ersten Fluidbehältnis entfernt werden, ohne den Betriebszustand in dem zweiten Fluidbehältnis ändern zu müssen. Ebenso kann vermieden werden, dass bei diesem Austausch zweites Wärmefluid aus dem zweiten Fluidbehältnis austritt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wärmetechnische Verschaltung zwischen erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis durch wenigstens eine Wärmetauscherfläche erreicht wird, welche insbesondere zur Vergrößerung der Oberfläche geeignete Formelemente aufweist. Diese Formelemente können derart angeordnet sein, dass zusätzlich eine geeignete Strömungsführung des zweiten Wärmefluids bzw. des ersten Wärmefluids erreicht wird. Die Wärmetauscherfläche wird hierbei typischerweise von einem Wärmetauscher umfasst, welcher auch von dem ersten Fluidbehältnis und/oder dem zweiten Fluidbehältnis umfasst sein kann. Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann wenigstens ein Teil, aber auch die gesamte Wärmetauscherfläche von einer Wandung der Hochtemperaturbatterie mit umfasst sein. Insbesondere kann die effektive Größe der Wärmetauscherfläche geeignet eingestellt sein, etwa durch bewegliche Elemente, die die effektive Größe der Wärmetauscherfläche bestimmen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das erste Fluidbehältnis und das zweite Fluidbehältnis jeweils druckdicht miteinander verschaltet. Die Druckdichtigkeit kann hier variieren, beträgt aber typischerweise für ein gasförmiges zweites Wärmefluid zwischen 5 und 25 bar. Damit ist es bspw. auch möglich, gasförmige Wärmefluide vorzusehen, die bei erhöhtem Druck in einem Fluidbehältnis vorliegen und eine verbesserte Wärmetransportfähigkeit bzw. Wärmekapazität aufweisen.
Für ganz besondere Anwendungsfälle kann auch vorgesehen sein, dass das zweite Fluidbehältnis und dessen Wärmekreislauf als Hochdrucksystem z.B. für Wasser als Betriebsmittel ausgebildet ist. Bei den typischen Betriebstemperaturen von Hochtemperaturbatterien können hierbei Betriebsdrücke von bis zu 150 bar und darüber erreicht werden.
Durch die wärmetechnische Verschaltung von erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis über wenigstens eine Wärmetauscherfläche kann ebenfalls eine lösbare Verbindung zwischen beiden Fluidbehältnissen ausgebildet sein. Diese Verbindung kann etwa bei Wartungsarbeiten von großem Vorteil sein, da das erste Fluidbehältnis leicht vom zweiten Fluidbehältnis entfernt und möglicherweise ausgetauscht werden kann. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Wärmekontaktfläche zwischen erstem und zweitem Fluidbehältnis die Wärmetauscherfläche ausbildet. Beide Behältnisse können zu verbessertem Wärmekontakt über eine Schicht eines geeigneten Wärmeleitmaterials indirekt miteinander verbunden sein. Ein solches Wärmeleitmaterial ist bspw. expandierter Kohlenstoff.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis und/oder das zweite Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie mit einer Strömung beaufschlagt ist. Die Strömungen können hierbei insbesondere durch geeignete Strömungsgeneratoren in oder an den Fluidbehältnissen erzeugt werden, wobei bevorzugt die Strömungsgeschwindigkeiten gesteuert bzw. geregelt variabel eingestellt werden können, um damit etwa den Wärmefluss zwischen den beiden Fluidbehältnissen gezielt beeinflussen zu können. So kann etwa ein erhöhter Fluidstrom in dem zweiten Fluidbehältnis verstärkt Wärme an das erste Wärmefluidbehältnis zu- bzw. abführen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Systemanordnung ist vorgesehen, dass das erste Wärmefluid und das zweite Wärmefluid unterschiedliche Stoffe sind. Insbesondere ist etwa das erste Wärmefluid eine Flüssigkeit, wohingegen das zweite Wärmefluid den Aggregatzustand eines Gases oder einer Flüssigkeit hat. Ein Gas kann bspw. unter erhöhtem Druck vorliegen. Ganz besonders bevorzugt ist das erste Wärmefluid ein Thermoöl, welches für den Hochtemperatureinsatz geeignet ist. Durch die Wahl unterschiedlicher Stoffe für erstes und zweites Wärmefluid, können so etwa die Strömungsgeschwindigkeiten in dem ersten Fluidbehältnis bzw. zweiten Fluidbehältnis geeignet eingestellt werden, wobei insbesondere dadurch Druckschwankungen in dem ersten Fluidbehältnis vermindert werden können, die etwa nachteilige Auswirkungen auf die Unversehrtheit der Hochtemperaturbatterie und/oder der Batteriezellen haben können.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Fluidbehältnis mit dem zweiten Fluidbehältnis mittels mindestens einer Wärmebrücke wärmetechnisch verschaltet ist. Die Wärmebrücke kann hier ausschließlich oder auch nur zusätzlich die wärmetechnische Verschaltung zwischen beiden Fluidbehältnissen bewirken. Eine Wärmebrücke ist ausgestaltet, etwa als Wärmerohr (Heat-Pipe) bzw. als Thermosiphon. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Hochtemperaturbatterie und/oder einzelne Batteriezellen wärmetechnisch direkt mit der Wärmebrücke zu verschalten. Ausführungsgemäß kann der Wärmeausgleich insofern noch schneller und damit über einen geringeren Wärmewiderstand erfolgen. Das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis könnte demnach ausführungsgemäß nur unterstützend zu einem Wärmeaustausch beitragen. Optional kann die mindestens eine Wärmebrücke auch an einen Wärmespeicher wärmetechnisch angekoppelt sein, so dass bei erhöhtem Wärmeangebot bzw. bei erhöhter Wärmetransportrate für eine zeitlich nachfolgende Nutzung Wärme in dem Wärmespeicher vorgehalten werden kann.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmebrücke(n) in erster Linie für eine geeignete Wärmeverteilung innerhalb des ersten Fluidbehältnisses ausgebildet ist(sind), wobei die Wärmeübertragung zwischen erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis durch die Wärmetauscherfläche(n) erreicht wird.
Mittels der ausführungsgemäßen Wärmebrücke kann zudem eine räumlich gezielte Einbringung in das erste und/oder zweite Fluidbehältnis von Wärme erreicht werden. So kann bspw. die Wärmebrücke gezielt in das erste Fluidbehältnis eingebracht werden, um dort etwa eine günstige Wärmekonvektion des ersten Wärmefluids zum Wärmeaustausch zu erreichen. Ebenso kann die Wärmebrücke derart variabel gestaltet sein, dass Teile der Wärmebrücke je nach Anforderung in das erste Fluidbehältnis eingeführt bzw. wiederum ausgeführt werden können. Damit kann bspw. die Wärmeübertragungsrate zwischen Wärmebrücke und erstem Fluidbehältnis den thermischen Anforderungen nach eingestellt werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung kann vorgesehen sein, dass das erste Fluidbehältnis und/oder das zweite Fluidbehältnis gegenüber der Umwelt geschlossen ausgebildet ist. Dies erlaubt die Ausbildung einer besonders robusten Systemanordnung, die auch in bewegten Systemen, etwa in mobilen Systemen, zum Einsatz kommen kann, ohne unerwünscht starke Druckschwankungen in dem ersten Fluidverhältnis bzw. zweiten Fluidbehältnis fürchten zu müssen. Derartige geschlossene Systeme eignen sich etwa zum Einsatz in Schiffen, Eisenbahnen bzw. Fahrzeugen aller Art. Solche geschlossenen Systeme erlauben zudem die Ausbildung von gekapselten Systemanordnungen, welche etwa auch ein gekapseltes also nach außen dichtes Ausdehnungsgefäß aufweisen können. Alternativ hierzu können das erste Fluidbehältnis und/oder das zweite Fluidbehältnis natürlich auch gegenüber der Umgebung offen ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung ist vorgesehen, dass das zweite Fluidbehältnis weiter mit einem externen Wärmereservoir wärmetechnisch verschaltet ist, insbesondere mit mindestens zwei Wärmereservoirs, welche auf jeweils unterschiedlichen Temperaturniveaus bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie vorliegen. Ebenso kann das zweite Fluidbehältnis auch mit den externen Wärmereservoirs fluidtechnisch verschaltet sein. Die wärmetechnische Ankopplung an die Wärmereservoirs kann durch direkte oder indirekte Wärmeleitung erfolgen, also etwa auch über Wärmetauscherflächen, oder aber auch über Wärmebrücken wie Heat-Pipes und/oder Thermosiphons. Das Vorsehen eines Wärmereservoirs erlaubt eine schnellere wärmetechnische Antwort bei veränderten Anforderungen hinsichtlich einer Wärmezu- bzw. abfuhr an bzw. von der Hochtemperaturbatterie bzw. den Batteriezellen. So kann bspw. Wärme aus einem Wärmereservoir bei einem höheren Temperaturniveau dann entnommen werden, wenn die Batteriezellen der Hochtemperaturbatterien bei Anfahrbetrieb verstärkt mit Wärme versorgt werden müssen. Ebenso kann Wärme aus einem sich auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindlichen Wärmereservoir entnommen werden, etwa dann, wenn die Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie infolge von elektrochemischen Reaktionen verstärkt Wärme bereitstellen, und diese effizient abgeführt werden muss.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis im Vergleich zum zweiten Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis eine andere Wärmekapazität bzw. Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere weist das erste Wärmefluid eine höhere Wärmekapazität bzw. Wärmeleitfähigkeit als das zweite Wärmefluid auf. Dadurch können insbesondere kurzfristige Temperaturschwankungen ausgeglichen werden. Weiterhin können die Wärmefluide so in Bezug zueinander angepasst werden, dass eine vorteilhafte Wärmeversorgung unter Beibehaltung von gleichzeitig geringen Druckschwankungen in dem ersten Fluidbehältnis erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Fluidbehältnis eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, welche derart angeordnet ist, dass sie Wärme direkt an das erste Wärmefluid abgeben kann. Die Heizvorrichtung erlaubt somit die schnelle Erwärmung des ersten Wärmefluids in dem ersten Fluidbehältnis, wenn die Batteriezellen der Hochtemperaturbatterie etwa nach einem Stillstand bzw. einem Stand-by-Betrieb wieder in Betrieb genommen werden sollen. Eine Wärmeübertragung mittels der aus dem zweiten Fluidbehältnis übertragenen Wärme allein mag hierbei mitunter nicht ausreichend sein, um etwa eine ausreichend schnelle Betriebsaufnahme zu gewährleisten.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie die Wärme indirekt, etwa über die Gehäusewand des ersten Fluidbehältnisses, an das erste Wärmefluid abgibt.
Ausführungsgemäß kann auch weiterhin in dem zweiten Fluidbehältnis eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, welche derart angeordnet ist, dass sie Wärme direkt an das zweite Wärmefluid abgegeben kann. Dadurch kann kurzfristig die Temperatur des zweiten Wärmefluids zu höheren Temperaturen eingestellt werden, so dass auch kurzfristig größere Mengen an Wärme an das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis übertragen werden können.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie die Wärme indirekt, etwa über die Gehäusewand des zweiten Fluidbehältnisses, an das zweite Wärmefluid abgibt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis und/oder das zweite Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie bei im Wesentlichen Umgebungsdruck vorliegt. Insbesondere bei Vorliegen des ersten Wärmefluids bei Umgebungsdruck können so die Komponenten der einzelnen Batteriezellen bzw. Hochtemperaturbatterie vor größeren mechanischen Belastungen verschont werden, wodurch einzelne Bauteile auch weniger Verschleiß unterliegen. Zu berücksichtigen ist, dass vor allem im zweiten Fluidbehältnis noch ein hydrostatischer Druckanteil sowie dynamische Komponenten mit hinzuzurechnen sein können. Die dynamischen Komponenten können bspw. durch den Betrieb von z.B. Umwälzpumpen hervor gerufen sein. Insofern kann der Betriebsdruck in dem zweiten Fluidbehältnis von dem Umgebungsdruck auch abweichen, entspricht bevorzugt jedoch im Wesentlichen dem Umgebungsdruck.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das erste Fluidbehältnis als Modul ausgestaltet sein kann, welches aus der Systemanordnung als Ganzes entfernt werden kann. Die Entfernung dient im Wesentlichen der wartungsfreundlichen Ersetzung eines Moduls etwa bei Ausfall. So wird etwa der leichte Austausch der Hochtemperaturbatterie ermöglicht, ohne mit dem ersten Wärmefluid in direkten Kontakt kommen zu müssen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dieser Kontakt für den Benutzer mit Gefahren verbunden ist, bzw. das erste Wärmefluid unter hoher Temperatur und Druck vorliegt. Bevorzugt weist das erste Fluidbehältnis hierbei eine geeignete Aufnahme auf, insbesondere eine Steckverbindung, welche erlaubt, das Modul schnell und sicher in die Systemanordnung einzusetzen bzw. aus dieser zu entfernen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die wärmetechnische Verschaltung zwischen erstem Fluidbehältnis und zweitem Fluidbehältnis mittels eines Wärmetauschers erreicht wird, der durch geeignete Stellmittel erlaubt, vorbestimmte Bereiche zur Wärmeübertragung zu- bzw. abzuschalten. Insbesondere kann der Wärmetauscher hierzu Ventile bzw. Stellmittel im Allgemeinen aufweisen, welche gesteuert bzw. geregelt zu- bzw. abgeschaltet werden können, so dass mit den vorbestimmten Bereichen ein geringerer bzw. kein Wärmeaustausch erfolgen kann. Ebenso können vorbestimmte Flächenabschnitte zur Wärmeübertragung zu- bzw. abgeschaltet werden. Hierzu können bspw. die betreffenden Flächenabschnitte in vorbestimmte Aufnahmeabschnitte der Fluidbehältnisse eingeführt werden, bzw. in das Innere der Fluidbehältnisse selbst ein- bzw. ausgeführt werden. Demnach kann auf sich ändernde thermische Anforderungen durch eine geeignete Einstellung der Stellmittel bzw. der Flächenabschnitte zur Wärmeübertragung steuerungstechnisch bzw. regelungstechnisch reagiert werden, indem etwa durch diese Maßnahmen eine verstärkte bzw. verminderte Wärmeübertragung erreicht wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungsrate zwischen dem ersten Wärmefluid in dem ersten Fluidbehältnis und dem zweiten Wärmefluid in dem zweiten Fluidbehältnis während des Betriebs der Hochtemperaturbatterie verändert wird, insbesondere durch Einstellen eines oder mehrerer physikalischer Betriebsparameter. Derartige Betriebsparameter sind etwa die Strömungsgeschwindigkeit der Wärmefluide bzw. das Strömungsprofil, also die geometrische Verteilung über die Zeit des Wärmefluids in dem jeweiligen Fluidbehältnis, aber auch die Einstellung der effektiven Größe der Wärmetauscherflächen, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidbehältnis die wärmetechnische Verschaltung gewährleisten. Ebenso kann bspw. der Massenstrom der Fluidströmungen gezielt eingestellt werden, also etwa mehr oder weniger Wärmefluid umgepumpt bzw. den Fluidbehältnissen zugegeben werden. Die Einstellung erfolgt hierbei bevorzugt temperaturgesteuert, so dass in dem ersten Fluidbehältnis weitgehend die Temperatur konstant gehalten werden kann (innerhalb eines geeigneten Temperaturbandes).
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail näher dargestellt werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind, und damit keine Einschränkung hinsichtlich der Ausführbarkeit der Erfindung erreicht wird.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Bauteile bzw. technischen Merkmale die mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, gleiche technische Wirkungen aufweisen.
Weiterhin sollen die in den nachfolgenden Figuren dargestellten technischen Merkmale für sich allein sowie in beliebiger Kombination miteinander beansprucht werden, soweit die Kombination zur Lösung der Erfindungsaufgabe geeignet ist.
Hierbei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung 1 in systematischer Schaltansicht;
2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung 1 in systematischer Schaltansicht;
3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung in systematischer Schaltansicht;
4 eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer vorab wie auch nachfolgend dargestellten Systemanordnung 1.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung 1 in einer schematischen Schaltansicht. Die Systemanordnung 1 weist hierbei eine mehrere Batteriezellen 11 umfassende Hochtemperaturbatterie 10 auf, welche in einem ersten Fluidbehältnis 20 angeordnet sind. Das erste Fluidbehältnis 20 weist zudem ein erstes Wärmefluid 21 auf, welches durch direkten Kontakt die Wärme von den Batteriezellen 11 abführen bzw. diesen zuführen kann.
Weiterhin weist die ausführungsgemäße Systemanordnung 1 ein zweites Fluidbehältnis 30 auf, in welchem ein zweites Wärmefluid 31 vorgesehen ist. Das zweite Fluidbehältnis 30 ist hierbei als Fluidkreislauf ausgestaltet, bzw. kann jedoch auch nur als Abschnitt dieses Fluidkreislaufes ausgestaltet sein. Das zweite Fluidbehältnis 30 weist überdies ein erstes Wärmereservoir 50 auf, über welches der Fluidkreislauf versorgt werden kann. Die Fluidströmung wird etwa durch einen vorliegend nicht weiter gezeigten Strömungsgenerator erzeugt. Zur Temperierung des in dem zweiten Fluidbehältnis 30 befindlichen zweiten Wärmefluids 31 ist eine Heizvorrichtung 70, insbesondere eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung 70, vorgesehen, mittels welcher durch direkten Wärmeeintrag das zweite Wärmefluid gezielt hinsichtlich des Wärmegehalts eingestellt werden kann.
Zur Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluidbehältnis 20 und dem zweiten Fluidbehältnis 30, die beide miteinander fluidtechnisch nicht verschaltet sind, sondern fluidtechnisch entkoppelt, ist ein Wärmetauscher 25 vorgesehen, welcher eine Wärmetauscherfläche 26 aufweist, über welche Wärme aus dem zweiten Fluidbehältnis 30 in das erste Fluidbehältnis 20 überführt werden kann. Die Wärmetauscherfläche 26 kann hierbei zudem geeignete Formelemente 27 aufweisen, (vorliegend schematisch nur als Ecke gezeigt) die eine verbesserte Wärmeübertragung aufgrund einer vergrößerten Oberfläche zwischen den beiden Fluidbehältnissen 20, 30 ermöglicht.
Um die Wärmeübertragungsrate weiter geeignet einstellen zu können, kann der Wärmetauscher 25 auch noch hinsichtlich seiner Eintauchtiefe in das erste Fluidbehältnis 20 bzw. in das zweite Fluidbehältnis 30 eingestellt werden. So kann bspw. die Wärmetauscherfläche 26 verstärkt in das erste Fluidbehältnis 20 eingeführt werden, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragungsrate mittels des Wärmetauschers 25 ermöglicht werden kann. Diese Bewegung ist vorliegend schematisch durch vier Doppelpfeile angedeutet.
Sollte die Wärmeübertragung zur Bereitstellung von positiver thermischer Energie an die Batteriezellen 11 der Hochtemperaturbatterie 10 nicht ausreichend sein, weist das erste Fluidbehältnis 20 zudem noch eine Heizvorrichtung 60 auf, welche insbesondere als elektrisch betriebene Heizvorrichtung ausgebildet ist. Mittels dieser kann wiederum durch direkten Kontakt mit dem ersten Wärmefluid 21 Wärme effizient in das erste Fluidbehältnis 20 übertragen werden.
Wird nun bei Betrieb der Systemanordnung 1 Wärme aus dem zweiten Fluidbehältnis 30 in das erste Fluidbehältnis 20 mittels des Wärmetauschers 25 überführt, erwärmt sich das erste Wärmefluid 21 im Bereich des Wärmetauschers 25. Demzufolge entsteht eine konvektive Strömung innerhalb des ersten Fluidbehältnisses 20 die einen geeigneten Wärmeaustausch bzw. eine geeignete Wärmeverteilung innerhalb des Fluidbehältnisses 20 erreichen kann. Durch eine geeignete geometrische Anordnung des Wärmetauschers 25, bzw. der Wärmetauscherfläche 26, so wie der Heizvorrichtung 60 in dem ersten Fluidbehältnis 20 kann die konvektive Strömungsrichtung vorteilhaft beeinflusst werden, um so einen Wärmeübertrag effizient zu gestalten.
Insbesondere während des Entladebetriebs der Hochtemperaturbatterie 10 kann es notwendig werden, die dabei anfallende Reaktionsenthalpie über das erste Wärmefluid 21 nach außen abzuführen und auf das zweite Wärmefluid 31 zu übertragen. Dies ist möglich, solange das zweite Wärmefluid eine geringere Temperatur aufweist als das erste Wärmefluid 21. Sollte die Aufnahmekapazität für Wärme, die im Wesentlichen durch die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Wärmefluid 21 und dem zweiten Wärmefluid 31, der Wärmekapazität des zweiten Wärmefluids 31 sowie dessen Gesamtvolumen im zweiten Fluidbehältnis 30, im ersten Wärmereservoir 50 sowie dem verbindenden Leitungssystem bestimmt ist, zum Abtransport der Reaktionswärme nicht mehr ausreichen, so muss die überschüssige Wärme über einen geeigneten Wärmetauscher z.B. aus dem ersten Wärmereservoir 50 abgeführt werden. Dieser Wärmetauscher ist in 1 aus Vereinfachungsgründen nicht gezeichnet.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung 1, welches sich im Wesentlichen von der in 1 gezeigten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass das erste Fluidbehältnis 20 und das zweite Fluidbehältnis 30 über eine gemeinsame Kontaktfläche als Wärmetauscher 25 in Wärmeaustausch sind. Insbesondere ist diese Kontaktfläche als Wärmetauscherfläche 26 ausgebildet. Weiterhin ist diese Kontaktfläche bevorzugt durch einen Wandungsabschnitt des ersten Fluidbehältnisses 20 sowie durch einen korrespondierenden Wandungsabschnitt des zweiten Fluidbehältnisses 30 ausgebildet.
Zur Unterstützung einer gleichmäßigen und kontrollierten Strömungsführung des ersten Wärmefluids 21 in dem ersten Fluidbehältnis 20 sind zudem zwei erste Strömungsgeneratoren 22 vorgesehen, mittels welcher eine teilweise Kreisströmung erzeugt werden kann. Die Strömung erlaubt eine gezielte Verteilung, der aus dem zweiten Fluidbehältnis 30 an das erste Fluidbehältnis 20 übertragenen Wärme. Bei Wärmeabfuhr aus dem ersten Fluidbehältnis 20 können die beiden Strömungsgeneratoren 22 zudem die Wärmeübertragung an das zweite Fluidbehältnis 30 verbessern, indem das erste Wärmefluid gezielt an der Kopplungsfläche des Wärmetauschers 25 vorbeigeführt wird.
3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung 1, welche sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass die Wärmeübertragung zwischen zweitem Fluidbehältnis 30 und erstem Fluidbehältnis 20 neben einem thermischen Austausch über die Kopplungsfläche (Wärmetauscher 25 mit Wärmetauscherfläche 26) über zwei (oder mehr) Wärmebrücken 40 erfolgt. Die Wärmebrücken 40 können hierbei als Heat-Pipe bzw. Thermosiphon ausgebildet sein. Ähnlich dem Wärmetauscher 25 gemäß der Ausführungsform aus 1 können die Wärmebrücken 40 jeweils tiefer oder weniger tief in das erste Fluidbehältnis 20 eingetaucht werden. Durch Unterstützung der beiden Strömungsgeneratoren 22 ergibt sich folglich bei Wärmeübertragung in das erste Fluidbehältnis 20 ein Strömungsprofil, welches aus konvektiver Strömung sowie Strömungsbeaufschlagung resultiert.
Weiterhin weist die Systemanordnung 1 ein erstes Wärmereservoir 50 auf, welches über Stellmittel 55 mit dem zweiten Fluidbehältnis 30 in fluidtechnischen Kontakt gebracht werden kann. Ebenso weist die Systemanordnung 1 ein zweites Wärmereservoir 51 auf, welches ebenfalls vermittelt über die Stellmittel 55 mit dem zweiten Fluidbehältnis 30 in fluidtechnischem Kontakt steht. Ausführungsgemäß kann etwa das erste Wärmereservoir 50 ein zweites Wärmefluid 31 aufweisen, welches im Vergleich zu dem in dem zweiten Wärmereservoir 51 befindlichen zweiten Wärmefluid 31 auf einem höheren Temperaturniveau vorliegt. Sollen bspw. die Batteriezelle 11 der Hochtemperaturbatterie 10 in dem ersten Fluidbehältnis 20 erwärmt werden, kann zur verstärkten Bereitstellung von thermischer Energie zweites Wärmefluid 31 aus dem ersten Wärmereservoir 50 entnommen werden, um dieses mit den beiden Wärmebrücken 40 in Kontakt zu bringen. Während dieses Vorganges sind die Stellmittel 55, die das zweite Wärmereservoir 51 mit dem zweiten Fluidbehältnis 30 verbinden, geschlossen. Diese Stellmittel 55 werden jedoch dann geöffnet zur Ausleitung von zweitem Wärmefluid 31 aus dem zweiten Wärmereservoir 51, wenn aus dem ersten Fluidbehältnis 20 Wärme, etwa durch Betrieb der Batteriezellen 11 der Hochtemperaturbatterie 10 verursacht, abgeführt werden soll. So kann bspw. zweites Wärmefluid 31 aus dem zweiten Wärmereservoir 51 entnommen werden, um die aus dem ersten Fluidbehältnis 20 abgeführte Wärme aufzunehmen. Beide Wärmereservoirs 50, 51 können darüber hinaus noch mit weiteren Fluidleitungssystemen verschaltet sein, um bspw. Wärme bzw. Fluid aus diesen bzw. in diese abzuführen bzw. einzuführen.
4 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer bei der oben beschriebenen Systemanordnungen 1, welches die folgenden Schritte umfasst:

– Betreiben der mehrere Batteriezellen 11 aufweisenden Hochtemperaturbatterie 10 (erster Verfahrensschritt 101);
– Übertragen von Wärme von der Hochtemperaturbatterie an das erste Wärmefluid 21 in dem ersten Fluidbehältnis 20 (zweiter Verfahrensschritt 102);
– Übertragen von Wärme von dem ersten Wärmefluid 21 in dem ersten Fluidbehältnis 20 an das zweite Wärmefluid 31 in dem zweiten Fluidbehältnis 30 (dritter Verfahrensschritt 103).

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012215904 [0003]

Claims

Systemanordnung (1) umfassend eine mehrere Batteriezellen (11) aufweisende Hochtemperaturbatterie (10), die in einem ersten Fluidbehältnis (20) mit einem ersten Wärmefluid (21) derart angeordnet ist, dass das erste Wärmefluid (21) mit der Hochtemperaturbatterie (10) in direktem Wärmekontakt ist, welches erste Fluidbehältnis (20) mit einem zweiten Fluidbehältnis (30) wärmetechnisch verschaltet ist, das ein zweites Wärmefluid (31) beinhaltet, wobei das erste Fluidbehältnis (20) und das zweite Fluidbehältnis (30) sich nicht in Fluidaustausch befinden.
Systemanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmetechnische Verschaltung zwischen erstem Fluidbehältnis (20) und zweitem Fluidbehältnis (30) durch wenigstens eine Wärmetauscherfläche (26) erreicht wird, welche insbesondere zur Vergrößerung der Oberfläche geeignete Formelemente (27) aufweisen.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmefluid (21) in dem ersten Fluidbehältnis (20) und/oder das zweite Wärmefluid (31) in dem zweiten Fluidbehältnis (30) bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie (10) mit einer Strömung beaufschlagt ist.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmefluid (21) und das zweite Wärmefluid (31) unterschiedliche Stoffe sind.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluidbehältnis (20) mit dem zweiten Fluidbehältnis (30) mittels mindestens einer Wärmebrücke (40) wärmetechnisch verschaltet ist.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluidbehältnis (20) und/oder das zweite Fluidbehältnis (30) gegenüber der Umwelt geschlossen ausgebildet sind.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluidbehältnis (30) weiter mit einem externen Wärmereservoir (50) wärmetechnisch verschaltet ist, insbesondere mit mindestens zwei externen Wärmereservoirs (50, 51), welche auf jeweils unterschiedlichen Temperaturniveaus bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie (10) vorliegen.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmefluid (21) in dem ersten Fluidbehältnis (20) im Vergleich zum zweiten Wärmefluid (31) in dem zweiten Fluidbehältnis (30) eine andere Wärmekapazität bzw. Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Fluidbehältnis (20) eine Heizvorrichtung (60) vorgesehen ist, welche derart angeordnet ist, dass sie Wärme direkt an das erste Wärmefluid (21) abgeben kann.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Fluidbehältnis (30) eine Heizvorrichtung (70) vorgesehen ist, welche derart angeordnet ist, dass sie Wärme direkt an das zweite Wärmefluid (21) abgeben kann.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmefluid (21) in dem ersten Fluidbehältnis (20) und/oder das zweite Wärmefluid (31) in dem zweiten Fluidbehältnis (30) bei Betrieb der Hochtemperaturbatterie (10) bei im Wesentlichen Umgebungsdruck vorliegt.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluidbehältnis (20) als Modul ausgestaltet ist, welches aus der Systemanordnung (1) als Ganzes entfernt werden kann.
Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmetechnische Verschaltung zwischen erstem Fluidbehältnis (20) und zweitem Fluidbehältnis (30) mittels einem Wärmetauscher (25) erreicht wird, der durch geeignete Stellmittel erlaubt, vorbestimmte Bereiche zur Wärmeübertragung zu- bzw. abzuschalten.
Verfahren zum Betrieb einer Systemanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: – Betreiben der mehrere Batteriezellen (11) aufweisenden Hochtemperaturbatterie (10); – Übertragen von Wärme von der Hochtemperaturbatterie (10) an das erste Wärmefluid (21) in dem ersten Fluidbehältnis (20); – Übertragen von Wärme von dem ersten Wärmefluid (21) in dem ersten Fluidbehältnis (20) an das zweite Wärmefluid (31) in dem zweiten Fluidbehältnis (30);
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsrate zwischen dem ersten Wärmefluid (21) in dem ersten Fluidbehältnis (20) und dem zweiten Wärmefluid (31) in dem zweiten Fluidbehältnis (30) während des Betriebs der Hochtemperaturbatterie (10) verändert wird, insbesondere durch Einstellen eines oder mehrerer physikalischer Betriebsparameter.