DE102014217704A1

DE102014217704A1 - Vorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wärmeenergie sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014217704A1
Application number: DE102014217704.9A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kohlrausch; Vikram Anil Godbole
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-03-10
Also published as: WO2016034308A1

Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wärmeenergie beschrieben, welche insbesondere Verwendung in einem Energiespeicher findet. Weiterhin wird ein Verfahren beschrieben, welches die Vorrichtung bzw. einen Teil der Vorrichtung erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus wenigstens einem Strangpressprofil, welches aus einem Metallschaum besteht. Hierzu hat sich besonders ein Aluminiumschaum als vorteilhaft erwiesen, wobei die Erfindung nicht auf Aluminiumschaum beschränkt sein soll. Dieser Metallschaum hat die Eigenschaft, dass die in dem Schaum befindlichen Poren mit Wasser gefüllt sind. Um ein Herausfließen des Wassers zu verhindern, ist die Oberfläche des Strangpressprofils mit einer Schutzschicht bedeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wärmeenergie, insbesondere zum Einsatz in einem Energiespeicher.
Stand der Technik
Sowohl bei der Beladung als auch der Entladung von Batterien kommt es zur Wärmeentwicklung. Diese Wärmeentwicklung kann wiederum negative Auswirkungen auf das Speichervermögen der Batterie haben, z.B. indem die Kapazität der Batterie herab gesetzt wird. Im ungünstigsten Fall können auch irreversible Vorgänge gestartet werden, z.B. Erzeugung von Gasen, die die Nutzung der Batterie einschränkt oder sogar gefährden.
Um die so entstehende Wärme von der Batterie abzuführen, sind verschiedene Wärmekopplungen bekannt. Neben einer aktiven Kühlung durch entsprechende Kühlvorrichtungen mit Kühlmittelflüssen sind gerade passive Kühlelemente von Vorteil, die keine eigenständige Energieversorgung benötigen. Hierzu werden zwischen den einzelnen Energiezellen der Batterie verschiedene Materialien gebracht, die thermisch mit den Energiezellen gekoppelt sind. Typische Materialien, die eine Entwärmung und Speicherung erlauben sind verschiedene Kunststoffe, Metalle, Vergussmassen aber auch Kombinationen/Verbundmaterialien aus Kunststoffen und Keramiken oder Graphiten und Phase Change Materials (PCM).
Nachteilig bei den typischen Entwärmungsmaterialien ist, dass sie üblicherweise entweder auf eine hohe Wärmeleitung oder eine hohe Wärmekapazität optimiert sind. Darüber hinaus fehlt bei einigen der genannten Materialien auch die Fähigkeit, sie nach Belieben zu verarbeiten, um sie in eine gewünschte Form für die Anwendung in Batteriepacks zu bringen oder Ihnen fehlt die Stabilität, um sie auch bei beweglichen Batteriepacks einzusetzen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die diese Nachteile nicht aufweist. Somit können auch Batteriepacks in unterschiedlicher Ausgestaltung für den Outdoorbereich hergestellt werden, z.B. für den Elektrofahrzeugbereich, insbesondere den Elektrofahrrädern.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wärmeenergie beschrieben, welche insbesondere Verwendung in einem Energiespeicher findet. Weiterhin wird ein Verfahren beschrieben, welches die Vorrichtung bzw. einen Teil der Vorrichtung erzeugt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus wenigstens einem Strangpressprofil, welches aus einem offenporigen Metallschaum besteht. Hierzu hat sich besonders ein Aluminiumschaum als vorteilhaft erwiesen, wobei die Erfindung nicht auf Aluminiumschaum beschränkt sein soll. Dieser Metallschaum hat die Eigenschaft, dass die in dem Schaum befindlichen Poren mit Wasser gefüllt sind. Um ein Herausfließen des Wassers zu verhindern, ist die Oberfläche des Strangpressprofils mit einer Schutzschicht bedeckt.
Mit einer derartig einfach herzustellenden Vorrichtung kann eine individuell an die gewünschte Nutzung angepasste Form einer Entwärmung bzw. Speicherung von Wärmeenergie erzeugt werden. Durch die Kombination des Metalls, insbesondere des Aluminium, mit dem Wasser können sich gegenüber den bekannten Materialien zudem höhere Werte für die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität erreichen lassen.
Die Porengröße des Metallschaums kann durch die Einstellung während des Strangpressens derart eingestellt werden, dass die Porengröße, insbesondere die mittlere Porengröße, kleiner als 1 cm im Durchmesser ist. Die Größe der Poren kann so gewählt werden, dass eine schnelle Befüllung mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit möglich und trotzdem den äußeren Poren versiegelt werden können, um ein Austreten des Wassers zu verhindern. Weiterhin kann das Verhältnis von Poren zum Metall des Strangpressprofils derart gewählt werden, dass das Metall nur noch einen Volumenanteil von 5 bis 15 % aufweist. Dabei hat sich insbesondere ein Volumenanteil von um die 10 % als besonders effizient erwiesen.
Zwar wird das Herausfließen des Wassers durch die Schutzschicht verhindert, jedoch kann auch vorgesehen sein, dass die Poren derart klein gewählt werden, dass das Wasser aufgrund von Kapillarwirkung und/oder Oberflächenspannung nicht austreten kann.
Die Schutzschicht kann zusätzlich oder optional auch die Funktion einer elektrischen Isolierung aufweisen.
Als Schutzschicht können beispielsweise Lacke oder ein Epoxidharz verwendet werden.
Selbstverständlich können auch mehrere einzeln hergestellte Strangpressprofile miteinander verbunden werden, z.B. indem Sie nebeneinander mit ihrer länglichen Seite verbunden werden und so ein Paket bilden. Bei den Strangpressprofile kann es sich generell um sternförmige, dreieckige oder quadratische Formen im Querschnitt handeln.
Besonders von Vorteil sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Einsatz bei Energiespeichern, bei denen durch die thermische Kopplung zwischen Vorrichtung und Energiezelle ein Abtransport und Speicherung der Wärme ermöglicht wird. Die Speicherung der Wärme kann dabei auch dazu genutzt werden, die Energiezelle auf einer gewünschten Temperatur zu halten, beispielsweise bei der Nutzung im Outdoorbereich im Winter.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines vorgenannten Strangpressprofils wird mittels eines Strangpressverfahrens aus einem Metallschaum ein Strangpressprofil geformt. Die Poren des Metallschaums werden anschließend wenigstens teilweise mit Wasser verfüllt, z.B. indem ein Unterdruck an eine Seite des Strangpressprofils angelegt wird und somit das Wasser durch die verbundenen Poren des Metallschaums aufgesogen wird. Anschließend wird eine Schutzschicht auf die Oberfläche des Strangpressprofils aufgebracht, die elektrisch isolieren wirkt und/oder das Wasser in den Poren zurück hält.
Ein weiterer Vorteil bei Verwendung der beschriebenen Materialkombination aus Metallschaum und Wasser liegt in Ausnutzung der Verdampfungswärme des Wasser. Sollte in einem besonders kritischen Fall eine Zelle in sich über eine kritische Temperatur (etwa 140°C bei Li-Ion Batterien) erhitzen (man spricht in diesem Fall vom thermal runaway“, so kann verhindert werden, dass sich die benachbarten Zellen ebenfalls auf die kritische Temperatur erhitzen, und die bekannte, kritische „ thermal runaway propagation“ wird verhindert. Dies erfolgt durch Entnahme der Wärme aus dem System durch die Verdampfung des Wassers.
Sollte das Wasser in den Metallschauprofilen verdampfen, so wird es in das freie Volumen des Batteriepacks als Dampf austreten. Die Schutzschicht ist entsprechend auszuführen. In diesem Fall ist es Vorteilhaft ein Überdruckventil im Gehäuse des Batteriepacks vorzusehen. Über dieses Ventil kann der Wasserdampf an die Umgebung abgegeben werden und die Temperatur in der Batterie vermindert werden. Optional kann hierbei vorgesehen sein, dass z.B. mittels eines geeigneten Sensors der Nutzer über das Verdampfen des Wassers informiert wird, so dass eine Regeneration des Systems z.B. durch Hinzufügen von Wasser ermöglicht wird. Alternativ kann diese Regeneration auch automatisch z.B. mittels eines Wasservorrats oder der Rückgewinnung des verdampften Wassers erfolgen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der 1 ist schematisch eine Großaufnahme der Poren eines Metallschaums dargestellt. Die 2a bis c zeigen ein einzelnes erfindungsgemäßes Strangpressprofil sowie Vorrichtungen aus zusammengesetzten Strangpressprofilen. Mit dem Flussdiagramm der 3 wird schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Strangpressprofils gezeigt.
Ausführungsbeispiel
Zur Aufnahme und Speicherung von Wärme bieten sich Metalle mit ihren hohen Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten an. Aufgrund Ihrer Masse und der Kosten ist jedoch die Verwendung von massiven Metallblöcken zur Ableitung und Speicherung von Wärme nur bedingt sinnvoll.
Stattdessen sind Metallschäume bekannt, mit denen große Volumina bei geringem Materialeinsatz und hoher Stabilität realisiert werden können. Da bei derartigen Metallschäume jedoch gerade ein geringerer Volumenanteil des Metalls vorhanden ist, können die im Metall vorhanden Poren mit einer Flüssigkeit verfüllt werden, die ebenfalls verhältnismäßig gute Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten aufweisen, um den gewünschten Effekt zu erreichen.
Im nachstehenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung anhand eines Aluminiumschaums dargestellt, der mit Wasser getränkt ist. Darüber hinaus sind auch andere Metalle denkbar, die als Schaum verarbeitbar sind und entsprechend gute Wärmeleitfähigkeiten bzw. Wärmekapazitäten aufweist.
In der 1 ist eine Großaufnahme eines offenporigen Aluminiumschaums zu sehen. Derartige Metallschäume lassen sich durch verschiedene Prozesse herstellen bzw. verarbeiten und sollen nicht explizit Gegenstand dieser Erfindung sein. Wie in der Großaufnahme deutlich zu erkennen ist, bildet der Aluminiumschaum ein Gitter aus Aluminiumstegen, zwischen denen sich Poren gebildet haben, die insbesondere miteinander verbunden sind. Mit der Verwendung eines derartigen Aluminiumschaums ist mittels eines Strangpressverfahrens die Herstellung eines Strangpressprofils 10 möglich, wie er in 2a abgebildet ist. Bei der Verarbeitung des Aluminiumschaums lassen sich dabei die Poren derart einstellen, dass sie Porengrößen von > 1 µm bis zu mehreren Zentimetern bilden können, so dass der Metallschaum ein Porenvolumen von bis zu 95 % aufweisen kann.
Für die vorstehende Erfindung wird dabei eine (mittlere) Porengröße von unter einem Zentimeter im Durchmesser vorgesehen, so dass sich ein Volumenanteil des Aluminiums am Aluminiumschaum von 5 bis 15 % ergibt. Hierbei hat sich ein Aluminiumanteil von 10 % Volumenanteil als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Porengröße kann dabei auch derart gewählt werden, dass die Poren das Wasser aufgrund der Kapillarwirkung und/oder Oberflächenspannung zurückhalten, ohne dass eine weitere Bedeckung der Poren notwendig ist.
Um das Wasser in den Poren zu halten und/oder um die Oberfläche des Strangpressprofils 10 elektrisch zu isolieren, ist eine Schutzschicht vorgesehen. Diese Schutzschicht kann aus Lacken oder einem Epoxidharz bestehen.
Die einzelnen Strangpressprofile können in die gewünschte Länge geschnitten und mit anderen Strangpressprofile zu einem Verbund 20 bzw. 30 zusammengeführt werden, wie es 2b und 2c zeigen. Bei der Verwendung von sternförmigen Strangpressprofilen, wie es das Beispiel der 2a zeigt, können so Durchgangslöcher erzeugt werden, durch die eine weitere Kühlung, z.B. durch Luft oder einem anderen Kühlmittel möglich ist. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Querschnittsprofile wie Dreiecke, Kreuze, Rauten oder andere Rechtecke möglich.
Durch die zweigeteilte Herstellung des Verbunds, indem zuerst das Strangpressprofil 10 erzeugt wird und anschließend diese Strangpressprofile zugeschnitten werden, können die so hergestellten Verbünde an die gewünschte Form angepasst werden. So kann der Verbund als Zellhalter für Energiezellen einer Batterie verwendet werden, um die bei der Ladung oder Entladung der Energiezellen erzeugten Abwärme abzuführen und ggf. zu speichern. Hierzu können sowohl die Zuschnitte der Strangpressprofile als auch deren Querschnitte an die Energiezellen angepasst sein, um diese formschlüssig und somit mit guter thermischer Kopplung aufnehmen zu können. Eine besonders gute thermische Kopplung zwischen Strangpressprofil bzw. Verbund wird dann erreicht, wenn die Energiezelle im Wesentlichen weitestgehend umschlossen ist.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Strangpressprofile kann ein Verfahren verwendet werden, welches schematisch als Flussdiagramm in 3 dargestellt ist. Danach wird in einem Schritt 100 das Strangpressprofil 10 aus einem Metallschaum, z.B. Aluminiumschaum hergestellt. Da die Herstellung eines derartigen Strangpressprofils, auch mittels Metallschaum, industriell als Standard anzusehen ist, soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden. Anschließend können optionale die Strangpressprofile zugeschnitten und miteinander zu einem Verbund verbunden werden. Im Schritt 120 wird das einzelne Strangpressprofil oder der Verbund mit Wasser getränkt, so dass die Poren, die sich im Metallschaum befinden, sich wenigstens teilweise mit Wasser füllen können. Sollten sich die Poren nicht alleine Füllen lassen, kann auch mit Unterdruck gearbeitet werden, z.B. indem auf einer Seite bzw. Fläche des Strangpressprofils der Unterdruck angesetzt wird und somit eine Sogwirkung erzielt wird. Da sich die Poren in dem Metallschaum nicht nur an der Oberfläche befinden sondern sich durch das gesamte Strangpressprofil hindurch verzweigen und miteinander verbunden sind, kann somit das Wasser in die Poren eingesaugt werden. Mit dem Schritt 130 wird die Oberfläche des Strangpressprofils bzw. des Verbunds mit einer Schutzschicht versehen. Diese Schutzschicht kann dabei als elektrische Isolierung des Metalls des Strangpressprofils zu dienen. Zusätzlich oder optional kann diese Schutzschicht aber auch die Poren oberflächlich verschließen, so dass das Wasser nicht mehr herausfließen kann. Letzteres kann durchaus sinnvoll sein, selbst wenn die Poren das Wasser aufgrund von Kapillarwirkung und/oder Oberflächenspannung selbsttätig zurück halten würden, da dadurch ein Verdunsten verhindert wird. Falls die Strangpressprofile einzeln, d.h. im ursprünglich hergestellten oder schon zugeschnitten Zustand, mit dem Wasser getränkt worden sind, kann in einem weiteren optionalen Schritt 140 die Verbindung zu einem Verbund durchgeführt werden.

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme und Speicherung von Wärmeenergie, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Strangpressprofil (10) aufweist, welches wenigstens teilweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus Aluminium, mit Poren besteht, wobei die Poren wenigstens teilweise mit Wasser gefüllt sind, wobei die Oberfläche des Strangpressprofils mit einer Schutzschicht bedeckt ist, die ein Austreten des Wassers aus den Poren verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere mittlere Porengröße < 1 cm im Durchmesser ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße derart gewählt ist, dass das Metall an dem Strangpressprofil einen Volumenanteil von 5 bis 15 %, insbesondere 10 % beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße derart gewählt ist, dass das Wasser aufgrund von Kapillarwirkung und/oder Oberflächenspannung nicht abgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine elektrische Isolierung bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einem Lack oder einem Epoxidharz besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strangprofile über ihre länglichen Seiten zu einer Einheit (20, 30) miteinander verbunden werden.
Energiespeicher mit wenigstens einer Energiezelle, wobei die Energiezelle wenigstens teilweise von einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umschlossen ist, wobei die Wärmeabgabe der Energiezelle bei der Beladung oder Entladung auf die Vorrichtung übertragen wird.
Energiespeicher mit wenigstens einer Energiezelle, wobei die Energiezelle wenigsten teilweise von einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umschlossen ist, der über ein Geschlossenes, Wasserdichtes Gehäuse umschlossen ist, welches mit einem Überdruckventil versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strangpressprofils zur Nutzung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei – mittels eines Strangpressverfahrens aus einem Poren aufweisenden Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, ein Strangpressprofil (10) geformt wird (100), und – die Poren des Metallschaums wenigstens teilweise mit Wasser verfüllt werden (120), und – die Oberfläche des Strangpressprofils mit einer Schutzschicht verschlossen wird (130).
Verfahren zur Herstellung eines Strangpressprofils nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllen der Poren mittels Unterdruck erfolgt.