DE102020129089A1

DE102020129089A1 - Energiespeicherzelle, Energiespeicher sowie Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle

Info

Publication number: DE102020129089A1
Application number: DE102020129089.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Biedermann
Original assignee: RUAG Ammotec AG
Current assignee: RUAG Ammotec AG
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2021-09-09
Also published as: EP4241033A1; CA3198780A1; AU2021374729A1; CN116615632A; WO2020182725A1; WO2022096166A1; DE102019105988A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle umfassend ein längliches, hohles Metallbehältnis, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, welches mittels eines Deckels gasdicht abgeschlossen ist, wobei die Energiespeicherzelle einen Zwischenfertigungszustand, in dem der Deckel derart in dem Metallbehältnis vorpositioniert ist, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis verhindert ist, und einen darauffolgenden Fertigungszustand aufweist, in dem der Deckel und das Metallbehältnis zum dauerhaften gasdichten Abschließen des Metallbehältnisses zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Energiespeicher. Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle bereit.
Bekannte Energiespeicherzellen sind in der Regel als Kunststoff-Kapseln realisiert und weisen im Inneren der Kunststoff-Kapsel ein Phasenwechselmaterial auf, das derart eingestellt ist, dass es bei Wärmezufuhr in die flüssige Phase übergeht (endotherme Reaktion) und bei Abkühlung wieder kristallisiert und somit Wärme an seine Umgebung abgibt (exotherme Reaktion). Die gattungsgemäßen Energiespeicherzellen werden vor allem in Energiespeichern eingesetzt, die im Wesentlichen wie folgt aufgebaut sind und nach folgendem Prinzip funktionieren: in einem mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder Öl, befüllten Tank ist eine Vielzahl von gattungsgemäßen Energiespeicherzellen angeordnet. Zu einem Zeitpunkt, an dem Energieüberschuss vorhanden ist, zum Beispiel tagsüber bei Sonneneinstrahlung, wird die überschüssige Energie dazu verwendet, die in dem Tank sich befindende Flüssigkeit zu erwärmen. Dabei gibt die Flüssigkeit Wärme an die Energiespeicherzellen ab, sodass das Phasenwechselmaterial unter endothermer Reaktion in die flüssige Phase übergeht. Kühlt die in dem Tank sich befindende Flüssigkeit bis zu einer Phasenwechselmaterial-spezifischen Phasenübergangstemperatur ab, zum Beispiel Nachts, kristallisiert sich das Phasenwechselmaterial unter exothermer Reaktion, wobei Wärme an die Flüssigkeit abgegeben beziehungsweise übertragen wird.
Die Energiespeicherzellen müssen zum einen eine ausreichende Dichtigkeit gegenüber einem Außendruck von 3 bis 4 bar, welcher in dem Flüssigkeitstank herrscht, besitzen. Ein weiterer Dichtigkeitsaspekt liegt allerdings auch gegenüber dem innerhalb der Energiespeicherzelle angeordneten Phasenwechselmaterial vor. Diese muss daher auch chemikalien- beziehungsweise salzbeständig sein. Im Allgemeinen besteht ein Bestreben, die Energiespeicherzellen mit einer möglichst großen Oberfläche zu versehen, die dann zum Wärmeaustausch mit der diese umgebenden Flüssigkeit zur Verfügung steht. Daher wurden die Energiespeicherzellen bisher kugelförmig oder eiförmig hergestellt. Daran hat sich allerdings die chaotische, nicht kontrollierbare Anordnung der Energiespeicherzellen in dem Tank als nachteilig erwiesen. Ferner sind die bekannten Energiespeicherzellen zu träge, d. h. die Phasenübergänge des Phasenwechselmaterials infolge von Temperaturänderungen sind zu reaktionsträge.
Aus der Veröffentlichungsschrift DE 10 2019 105 988 A1 der Anmelderin ist eine reaktionsschnellere und kostengünstiger herzustellendere gattungsgemäße Energiespeicherzelle bekannt, welche sich grundsätzlich großer Beliebtheit erfreut. Die Energiespeicherzelle umfasst eine geschlossene Metallkapsel, in der Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
Von entscheidender Bedeutung für die sichere und langlebige Funktionalität der Energiespeicherzelle ist das fluiddichte Verschließen der Kapsel von entscheidender Bedeutung. Die Energiespeicherzelle soll über die Lebensdauer von wenigstens 20 Jahren oder 10.000 Zyklen, reversible exotherme und endotherme Reaktion, eine zuverlässige Abtrennung des Phasenwechselmaterials von der Umgebung, nämlich der Flüssigkeit, sicherstellen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass an der Energiespeicherzelle gemäß DE 10 2019 105 988 A1 Verbesserungspotenziale sowohl aus herstellungstechnischen als auch aus funktionellen Gesichtspunkten bestehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik zu verbessern, insbesondere eine Energiespeicherzelle sowie einen Energiespeicher derart weiterzubilden, dass deren Fluiddichtigkeit verbessert und deren Herstellung vereinfacht ist, insbesondere sich besser für eine Massenfertigung eignet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Danach ist eine Energiespeicherzelle, insbesondere ein Akkumulator, bereitgestellt. Die Energiespeicherzelle kann dazu eingerichtet sein beziehungsweise derart beispielsweise in einem Energiespeicher angeordnet sein, dass die Energiespeicherzelle von einer Flüssigkeit, wie Wasser, Öl oder dergleichen, umgeben und/oder umströmt ist. Die Energiespeicherzelle kann beispielsweise nach folgenden Prinzip funktionieren: bis zu einer gewissen Flüssigkeitstemperatur nimmt die Energiespeicherzelle Wärme, d. h. Energie, von der die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit auf. Die Energiespeicherzelle ist dabei dazu ausgelegt, die aufgenommene Wärme beziehungsweise Energie zu speichern. Bei Bedarf kann die Energiespeicherzelle die gespeicherte Energie wieder abgeben. Dies kann beispielsweise ohne jegliche Steuer- und/oder Regeleinrichtung beziehungsweise externe Zugriffe auf die Energiespeicherzelle erfolgen, sondern vorzugsweise ausschließlich durch eine Temperatursensibilität bezüglich der die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Beispielsweise handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen Wassertank, wie einen Boiler, der im Freien angeordnet ist und in dem sich die Energiespeicherzelle befindet. Tagsüber kann das in dem Wassertank angeordnete Wasser durch Sonnenstrahlung erwärmt werden und dabei die Energiespeicherzelle erwärmen, welche die aufgenommene Wärme in Form von Energie speichert. Kühlt das in dem Wassertank befindliche Wasser ab, zum Beispiel Nachts, kann die Energiespeicherzelle die Wärme wieder abgeben, um so das Wasser aufzuwärmen. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Die Energiespeicherzelle ist wiederaufladbar und/oder als Akkumulator ausgebildet.
Die Energiespeicherzelle umfasst ein längliches, hohles Metallbehältnis, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, welches mittels eines Deckels gasdicht abgeschlossen ist.
Das Metallbehältnis kann aus Metall hergestellt beziehungsweise gefertigt sein. Als Metalle kommen beispielsweise Aluminium, Messing, Stahl oder Kupfer sowie Legierungen davon zum Einsatz. Metalle sind kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Bei den erfindungsgemäßen Metallbehältnissen hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch konnte eine reaktionsschnelle Energiespeicherzelle geschaffen werden. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von Metall, insbesondere gegenüber dem bisher verwendeten Material Kunststoff, reagierte das Phasenwechselmaterial deutlich schneller, insbesondere sensibler, auf Temperaturänderungen der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metallen in der Regel um den Faktor 10 bis 1000 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann das Phasenwechselmaterial um diesen Faktor schneller auf Temperaturänderungen der Flüssigkeit reagieren. Das Metallbehältnis kann eine Wandung aufweisen, die einen Hohlraum, vorzugweise einen Speicherraum, begrenzt, wobei insbesondere die Wandung dazu dient, den Hohlraum von seiner Umgebung zu trennen und/oder abzuschirmen. Das Metallbehältnis ist im Allgemeinen nicht auf eine bestimmte Form und/oder Geometrie beschränkt. Das Metallbehältnis kann dabei derart fluiddicht bezüglich der Umgebung gestaltet sein, dass keine Flüssigkeit aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere eintreten und/oder keine innerhalb des Metallbehältnisses angeordnete Materialien, wie Phasenwechselmaterialien, in die Umgebung austreten können.
Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien, die einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme speichern können. Als latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene oder abgegebene Enthalpie zu verstehen. Dies bedeutet, dass Phasenwechselmaterialien einen hohen Anteil von Wärme- und/oder Kälteenergie speichern können und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Phasenwechselmaterialien besitzen den Vorteil, in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig, oder umgekehrt, gasförmig zu fest, oder umgekehrt, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig, sehr große Wärmemengen speichern zu können. Phasenwechselmaterialien, beziehungsweise deren Energiespeicherkapazitäten, basieren auf der Ausnutzung der Phasenumwandlungsenthalpie, zum Beispiel beim Phasenübergang fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen), oder umgekehrt. Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat, oder anorganische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine, Fettsäuren, oder dergleichen, umfassen. Weitere beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind Wasser oder auch metallische Phasenwechselmaterialien, wie eine Aluminium-Silicium-Legierung. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt beziehungsweise eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Als endotherme Reaktion wird im Allgemeinen eine Reaktion verstanden, bei der Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Die exotherme Reaktion bezeichnet das Gegenteil, bei welcher Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, an die Umgebung, nämlich die Flüssigkeit, abgegeben wird. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie und/oder der Phasenwechsel kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführung der Energiespeicherzelle kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt und/oder eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Die endotherme und die exotherme Reaktion können reversibel ausführbar sein. Der Vorteil der Energiespeicherzelle ist, dass diese nicht nur einmal sondern wiederholt eingesetzt werden kann, d. h. nach Abgeben der aufgenommenen und gespeicherten Energie erneut Energie aufnehmen und speichern kann. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung kann das Phasenwechselmaterial wenigstens zwei Phasen einnehmen. Ferner kann das Phasenwechselmaterial dazu eingerichtet sein, bei einem Phasenwechsel von der ersten in die zweite Phase Energie aufzunehmen und bei einem umgekehrten Phasenwechsel von der zweiten in die erste Phase Energie abzugeben, und/oder sich reversibel zwischen den wenigstens zwei Phasen umzuwandeln. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle dazu eingerichtet, Energie von einer die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit aufzunehmen sowie zu speichern und in einem vorbestimmten Betriebspunkt, insbesondere bei einer vorbestimmten Temperatur der Flüssigkeit, die gespeicherte Energie insbesondere an die Flüssigkeit abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, Öl oder dergleichen handeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung ist das Metallbehältnis aus einem korrosions- und/oder salz- und/oder chemikalienbeständigen Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall oder einem Edelstahl, beispielsweise einem Chromnickelstahl. Es wurde herausgefunden, dass zum einen eine Beständigkeit gegenüber dem innerhalb des Metallbehältnisses angeordneten Phasenwechselmaterial als auch eine Beständigkeit gegenüber der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit gefordert sein kann. Die angegebenen Materialien haben sich diesbezüglich als geeignet erwiesen.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Energiespeicherzelle einen Zwischenfertigungszustand, in dem der Deckel derart in den Metallbehältnis vorpositioniert ist, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis verhindert ist, insbesondere derart, dass das Metallbehältnis insbesondere vorübergehend gasdicht abgeschlossen ist, und einen darauffolgenden Fertigungszustand, insbesondere Endfertigungszustand, in dem der Deckel und das Metallbehältnis zum dauerhaften gasdichten Abschließen des Metallbehältnisses zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht unter anderem darin, dass die Energiespeicherzelle bereits in einem Zwischenfertigungszustand, in dem das Phasenwechselmaterial in das Metallbehältnis untergebracht ist und bereits bezüglich der Umgebung abgedichtet ist, ohne dass bereits die Energiespeicherzelle vollständig hergestellt und der Deckel final stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis verbunden ist, zuverlässig gehandhabt beziehungsweise transportiert, beispielsweise zu der nachfolgenden Fertigungsstation übergeben, werden kann, ohne dass Phasenwechselmaterial verloren geht beziehungsweise der innerhalb der Energiespeicherzelle gewünschte, einzustellende Druck verändert beziehungsweise verloren geht.
Der Ausdruck „vorübergehend“ kann beispielsweise dahingehend verstanden werden, dass zumindest bis zum nachfolgenden Stoffschluss-Fertigungsschritt eine temporäre Gasdichtigkeit des Metallbehältnisses mittels des Deckels hergestellt ist. Ferner kann der Ausdruck „vorübergehend“ dahingehend verstanden werden, dass die in dem Fertigungszustand erreichte Gasdichtigkeit sich nicht für den gattungsgemäßen Einsatz der Energiespeicherzelle eignet beziehungsweise dazu ausreichend ist, sondern sich auf Handhabungs- oder Transportschritte beziehungsweise -zeiträume während der Herstellung der Energiespeicherzelle beschränkt.
Beispielsweise kann eine Passung zwischen Deckel und Metallbehältnis so gewählt werden, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis verhindert ist. Ferner kann eine Presspassung zwischen Deckel und Metallbehältnis in dem Zwischenfertigungszustand vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Außendimensionierung des Deckels in Bezug auf eine Innendimensionierung des Metallbehältnisses überdimensioniert sein. Ferner ist es möglich, dass der Deckel mit dem Metallbehältnis verpresst ist, insbesondere darin eingepresst ist. Im Allgemeinen kann gelten, dass in dem Zwischenfertigungszustand ein umlaufender beziehungsweise umfänglicher Spalt, insbesondere Luftspalt, zwischen Deckel und Metallbehältnis von weniger als 0,01 mm vorliegt. Das so erzielte insbesondere spaltfreie Aneinanderliegen von Deckel und Metallbehältnis verhindert bereits in dem Zwischenfertigungszustand einen Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Behältnis und/oder Eintritt von Luft in das Metallbehältnisinnere, insbesondere zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Druckverhältnisses innerhalb des Metallbehältnisses.
In einer beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle sind der Deckel und das Metallbehältnis mittels Schweißen, insbesondere mittels Laserschweißen, miteinander verbunden. Das Schweißen, insbesondere das Laserschweißen, hat sich für gattungsgemäße Energiespeicherzellen aus Metall als besonders vorteilhaft und effektiv erwiesen, um einerseits geringe Herstellungskosten insbesondere bei Massenfertigung zu gewährleisten und andererseits die zwingend erforderliche Dichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, gegenüber der Umgebung zu erreichen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Deckel derart in dem Metallbehältnis vorpositioniert, dass der Deckel und das Metallbehältnis bündig ineinander übergehen. Beispielsweise kann der Deckel mit dem Metallbehältnis verpresst, insbesondere darin eingepresst, sein. Beispielsweise kann der Deckel innerhalb des Metallbehältnisses aufgenommen sein, insbesondere derart, dass ein nach außen hin genannter Übergang zwischen Metallbehältnis und Deckel bündig, stufenfrei, vorsprungsfrei, kantenfrei und/oder kontinuierlich erfolgt. Dadurch ist eine besonders gute Scheißnaht, insbesondere Laserschweißnaht, zu generieren.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle weist das Metallbehältnis an dem offenen Ende eine in Längsrichtung orientierte, der Umgebung zugewandte Umfangskante auf. Beispielsweise ist das Metallbehältnis rotationsförmig, insbesondere hohl zylinderförmig geformt. Die Umfangskante kann dann eine Ringfläche ausbilden. Des Weiteren kann der Deckel bezüglich der Umfangskante derart formangepasst sein, dass ein umlaufender, bündiger Übergang zwischen dem Deckel und der Umfangskante gebildet ist. Beispielsweise kann der Deckel eine ebene Basis und einen an die Basis anschließenden, von der Basis vorstehenden Ringrand aufweisen, welcher zum Anliegen an der Metallbehältnisinnenkontur angepasst ist und dazu dient, mit dem Metallbehältnis verschweißt zu werden. Des Weiteren ist es möglich, dass der Deckel eine Scheibenform aufweist, die eben ausgebildet sein kann, sodass sich eine entlang der vollständigen Breitenerstreckung, also quer zur Längserstreckung des länglichen Metallbehältnisses, ergebende Stirnfläche des Metallbehältnisses ergibt, wobei ein Übergang zwischen Deckel und Metallbehältnis umlaufend beziehungsweise in Umfangsrichtung kontinuierlich bündig, vorsprungs- und/oder kantenfrei ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten beispielhafter Ausführungen kombinierbar ist, ist eine Energiespeicherzelle bereitgestellt, die beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte und/oder Ausführungen ausgebildet sein kann.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle umfasst ein längliches Metallbehältnis, das einen Hohlraum begrenzt. Das Metallbehältnis kann aus Metall hergestellt beziehungsweise gefertigt sein. Als Metalle kommen beispielsweise Aluminium, Messing, Stahl oder Kupfer sowie Legierungen davon zum Einsatz. Metalle sind kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Bei den erfindungsgemäßen Metallbehältnissen hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch konnte eine reaktionsschnelle Energiespeicherzelle geschaffen werden. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von Metall, insbesondere gegenüber dem bisher verwendeten Material Kunststoff, reagierte das Phasenwechselmaterial deutlich schneller, insbesondere sensibler, auf Temperaturänderungen der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metallen in der Regel um den Faktor 10 bis 1000 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann das Phasenwechselmaterial um diesen Faktor schneller auf Temperaturänderungen der Flüssigkeit reagieren. Das Metallbehältnis kann eine Wandung aufweisen, die einen Hohlraum, vorzugweise einen Speicherraum, begrenzt, wobei insbesondere die Wandung dazu dient, den Hohlraum von seiner Umgebung zu trennen und/oder abzuschirmen. Das Metallbehältnis ist im Allgemeinen nicht auf eine bestimmte Form und/oder Geometrie beschränkt. Das Metallbehältnis kann dabei derart fluiddicht bezüglich der Umgebung gestaltet sein, dass keine Flüssigkeit aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere eintreten und/oder keine innerhalb des Metallbehältnisses angeordnete Materialien, wie Phasenwechselmaterialien, in die Umgebung austreten können.
In dem Hohlraum ist Phasenwechselmaterial angeordnet. Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien, die einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme speichern können. Als latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene oder abgegebene Enthalpie zu verstehen. Dies bedeutet, dass Phasenwechselmaterialien einen hohen Anteil von Wärme- und/oder Kälteenergie speichern können und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Phasenwechselmaterialien besitzen den Vorteil, in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig, oder umgekehrt, gasförmig zu fest, oder umgekehrt, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig, sehr große Wärmemengen speichern zu können. Phasenwechselmaterialien, beziehungsweise deren Energiespeicherkapazitäten, basieren auf der Ausnutzung der Phasenumwandlungsenthalpie, zum Beispiel beim Phasenübergang fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen), oder umgekehrt. Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat, oder anorganische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine, Fettsäuren, oder dergleichen, umfassen. Weitere beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind Wasser oder auch metallische Phasenwechselmaterialien, wie eine Aluminium-Silicium-Legierung. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt beziehungsweise eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Als endotherme Reaktion wird im Allgemeinen eine Reaktion verstanden, bei der Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Die exotherme Reaktion bezeichnet das Gegenteil, bei welcher Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, an die Umgebung, nämlich die Flüssigkeit, abgegeben wird. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie und/oder der Phasenwechsel kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführung der Energiespeicherzelle kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt und/oder eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Die endotherme und die exotherme Reaktion können reversibel ausführbar sein. Der Vorteil der Energiespeicherzelle ist, dass diese nicht nur einmal sondern wiederholt eingesetzt werden kann, d. h. nach Abgeben der aufgenommenen und gespeicherten Energie erneut Energie aufnehmen und speichern kann. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung kann das Phasenwechselmaterial wenigstens zwei Phasen einnehmen. Ferner kann das Phasenwechselmaterial dazu eingerichtet sein, bei einem Phasenwechsel von der ersten in die zweite Phase Energie aufzunehmen und bei einem umgekehrten Phasenwechsel von der zweiten in die erste Phase Energie abzugeben, und/oder sich reversibel zwischen den wenigstens zwei Phasen umzuwandeln. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle dazu eingerichtet, Energie von einer die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit aufzunehmen sowie zu speichern und in einem vorbestimmten Betriebspunkt, insbesondere bei einer vorbestimmten Temperatur der Flüssigkeit, die gespeicherte Energie insbesondere an die Flüssigkeit abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, Öl oder dergleichen handeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung ist das Metallbehältnis aus einem korrosions- und/oder salz- und/oder chemikalienbeständigen Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall oder einem Edelstahl, beispielsweise einem Chromnickelstahl. Es wurde herausgefunden, dass zum einen eine Beständigkeit gegenüber dem innerhalb des Metallbehältnisses angeordneten Phasenwechselmaterial als auch eine Beständigkeit gegenüber der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit gefordert sein kann. Die angegebenen Materialien haben sich diesbezüglich als geeignet erwiesen.
Das Metallbehältnis weist wenigstens ein offenes Ende auf, das mittels eines Deckels gasdicht abgeschlossen ist. Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Deckel derart geformt, dass sich der Deckel beim axialen Einsetzen, insbesondere Einpressen, in den Hohlraum zunehmend mit dem Metallbehältnis verkeilt. Beispielsweise ist das Metallbehältnis rotationssymmetrisch geformt. Ferner kann das Metallbehältnis eine Umfangswand aufweisen, welche den Hohlraum quer zur Längserstreckung des Metallbehältnisses begrenzt. Beim axialen Einsetzen des Deckels in das Metallbehältnis kann sich eine Außenseite des Deckels mit einer Innenseite der Metallbehältniswandung zunehmend verkeilen. Beispielsweise kann unter darunter verstanden werden, dass sich beim axialen Einsetzen sich eine zwischen Deckel und Metallbehältnis wirkende Normalkraft, die senkrecht auf Metallbehältnis und/oder Deckel wirkt, zunehmend erhöht. Dadurch kann sicher gestellt werden, dass bereits beim Einsetzen des Deckels in das Metallbehältnis, insbesondere ohne dass das Metallbehältnis und der Deckel bereits final stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sind, bereits das Metallbehältnis insbesondere gasdicht verschlossen ist. Jedenfalls kann gewährleistet werden, dass Phasenwechselmaterial nicht aus dem Metallbehältnis in die Umgebung gelangen kann. Auf diese Weise sind Handhabung und Transport des noch nicht fertig gestellten Metallbehältnisses auf einfache Weise möglich, wobei ein Verlust des Phasenwechselmaterials ausgeschlossen ist.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle umfasst der Deckel eine ebene Basis und einen an die Basis anschließenden Ringrand, der derart geformt ist, dass sich der Ringrand beim axialen Einsetzen in den Hohlraum zunehmend mit einer Umfangswandung des Metallbehältnisses verkeilt. Beispielsweise kann der Ringrand mit der ebenen Basis über eine Sollbiege- beziehungsweise -knickstelle miteinander verbunden sein, relativ zu der der Ringrand beim axialen Einsetzen, insbesondere Einpressen in das Metallbehältnis insbesondere in Folge der zwischen der Umfangswandung und dem Ringrand wirkenden Normalkraft umgebogen wird.
In einer weiteren beispielhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle steht der Ringrand von der Ebenenbasis in Längsrichtung des Metallbehältnisses vor und ist in einem Winkelbereich von 1° bis 5°, insbesondere von 3°, bezüglich der Längsachse des Metallbehältnisses orientiert. Beispielsweise verringert sich ein Außendurchmesser des Ringrands in Richtung der Basis kontinuierlich. Der Ringrand alleine betrachtet kann beispielsweise eine Kegelstumpfform besitzen, wobei eine Längsdimension des Kegelstumpfes deutlich kleiner bemessen ist als dessen Abmessung quer dazu.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle weist der Deckel eine Kegelstumpfform auf. Der Deckel kann dabei grundsätzlich als ebene Scheibe gebildet sein, wobei eine umlaufende Scheibenwand gekrümmt ist, sodass sich ein insbesondere umlaufender Kegelmantel ergibt. Der umlaufende Kegelmantel des Deckels kann in Bezug auf die Längsachse des Deckels in einem Winkelbereich von 1° bis 5°, insbesondere von 3° orientiert sein.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist eine Außenabmessung des Deckels in Bezug auf eine Innenabmessung des Metallbehältnisses überdimensioniert. Auf diese Weise kann zum einen ein dichtes Abschließen des Metallbehältnisses erreicht werden und zum anderen eine Verkeilung zwischen Deckel und Metallbehältnis ausgebildet werden, welche die Dichtigkeit noch weiter erhöhen kann. Beispielsweise besteht ein Übermaß im Bereich von 0,04mm bis 0,08mm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielshaften Ausführungen kombinierbar ist, ist eine Energiespeicherzelle bereitgestellt, die beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielshaften Ausführungen ausgebildet sein kann.
Die Energiespeicherzelle umfasst ein längliches, hohles Metallbehältnis, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist.
Das Metallbehältnis kann aus Metall hergestellt beziehungsweise gefertigt sein. Als Metalle kommen beispielsweise Aluminium, Messing, Stahl oder Kupfer sowie Legierungen davon zum Einsatz. Metalle sind kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Bei den erfindungsgemäßen Metallbehältnissen hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch konnte eine reaktionsschnelle Energiespeicherzelle geschaffen werden. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von Metall, insbesondere gegenüber dem bisher verwendeten Material Kunststoff, reagierte das Phasenwechselmaterial deutlich schneller, insbesondere sensibler, auf Temperaturänderungen der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metallen in der Regel um den Faktor 10 bis 1000 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann das Phasenwechselmaterial um diesen Faktor schneller auf Temperaturänderungen der Flüssigkeit reagieren. Das Metallbehältnis kann eine Wandung aufweisen, die einen Hohlraum, vorzugweise einen Speicherraum, begrenzt, wobei insbesondere die Wandung dazu dient, den Hohlraum von seiner Umgebung zu trennen und/oder abzuschirmen. Das Metallbehältnis ist im Allgemeinen nicht auf eine bestimmte Form und/oder Geometrie beschränkt. Das Metallbehältnis kann dabei derart fluiddicht bezüglich der Umgebung gestaltet sein, dass keine Flüssigkeit aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere eintreten und/oder keine innerhalb des Metallbehältnisses angeordnete Materialien, wie Phasenwechselmaterialien, in die Umgebung austreten können.
Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien, die einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme speichern können. Als latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene oder abgegebene Enthalpie zu verstehen. Dies bedeutet, dass Phasenwechselmaterialien einen hohen Anteil von Wärme- und/oder Kälteenergie speichern können und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Phasenwechselmaterialien besitzen den Vorteil, in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig, oder umgekehrt, gasförmig zu fest, oder umgekehrt, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig, sehr große Wärmemengen speichern zu können. Phasenwechselmaterialien, beziehungsweise deren Energiespeicherkapazitäten, basieren auf der Ausnutzung der Phasenumwandlungsenthalpie, zum Beispiel beim Phasenübergang fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen), oder umgekehrt. Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat, oder anorganische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine, Fettsäuren, oder dergleichen, umfassen. Weitere beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind Wasser oder auch metallische Phasenwechselmaterialien, wie eine Aluminium-Silicium-Legierung. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt beziehungsweise eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Als endotherme Reaktion wird im Allgemeinen eine Reaktion verstanden, bei der Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Die exotherme Reaktion bezeichnet das Gegenteil, bei welcher Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, an die Umgebung, nämlich die Flüssigkeit, abgegeben wird. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie und/oder der Phasenwechsel kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführung der Energiespeicherzelle kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt und/oder eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Die endotherme und die exotherme Reaktion können reversibel ausführbar sein. Der Vorteil der Energiespeicherzelle ist, dass diese nicht nur einmal sondern wiederholt eingesetzt werden kann, d. h. nach Abgeben der aufgenommenen und gespeicherten Energie erneut Energie aufnehmen und speichern kann. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung kann das Phasenwechselmaterial wenigstens zwei Phasen einnehmen. Ferner kann das Phasenwechselmaterial dazu eingerichtet sein, bei einem Phasenwechsel von der ersten in die zweite Phase Energie aufzunehmen und bei einem umgekehrten Phasenwechsel von der zweiten in die erste Phase Energie abzugeben, und/oder sich reversibel zwischen den wenigstens zwei Phasen umzuwandeln. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle dazu eingerichtet, Energie von einer die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit aufzunehmen sowie zu speichern und in einem vorbestimmten Betriebspunkt, insbesondere bei einer vorbestimmten Temperatur der Flüssigkeit, die gespeicherte Energie insbesondere an die Flüssigkeit abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, Öl oder dergleichen handeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung ist das Metallbehältnis aus einem korrosions- und/oder salz- und/oder chemikalienbeständigen Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall oder einem Edelstahl, beispielsweise einem Chromnickelstahl. Es wurde herausgefunden, dass zum einen eine Beständigkeit gegenüber dem innerhalb des Metallbehältnisses angeordneten Phasenwechselmaterial als auch eine Beständigkeit gegenüber der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit gefordert sein kann. Die angegebenen Materialien haben sich diesbezüglich als geeignet erwiesen.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt ist das offene Ende mittels Pressfügen mit einem Deckel gasdicht abgeschlossen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass sich die bewährte Pressfüge-Technik für die erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen sehr gut eignet, um auf herstellungstechnisch einfache und kostengünstige Art und Weise, die auch für eine Massenfertigung geeignet ist, eine ausreichende Dichtigkeit des Metallbehältnisses sicher zu stellen, die sowohl einen Austritt des Phasenwechselmaterials aus dem Metallbehältnis in die Umgebung sowie einen Eintritt von Luft und/oder Wasser aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere unterbindet.
In einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Deckel muffenförmig, insbesondere als Pressmuffe, ausgebildet und/oder teleskopartig auf das Metallbehältnis aufgeschoben und mittels Pressfügen fest mit dem Metallbehältnis verbunden. Der Deckel, insbesondere die Pressmuffe, kann man mit einem Dichtungselement versehen sein, um die Abdichtung zwischen Metallbehältnis und Deckel zu verstärken. Beispielsweise definiert die Muffe eine Öffnung, in die das Metallbehältnis eingesetzt wird. Die Muffenwandungsinnendimension kann bezüglich einer Metallbehältnisaußendimension angepasst sein, insbesondere derart, dass ein Spalt, insbesondere Luftspalt, zwischen Metallbehältnis und Muffe von weniger als 0,01 mm vorliegt.
Des Weiteren kann eine Presspassung zwischen Muffeninnendimension und Metallbehältnisaußendimension eingestellt sein.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung beträgt eine insbesondere umlaufende, axiale Presslänge zwischen Deckel und Metallbehältnis wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 20%, 25%, 30%, 35% oder wenigstens 40% einer Gesamtlängsabmessung des Metallbehältnisses.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Metallbehältnis zu einem Ende hin geschlossen ausgebildet. Beispielsweise besitzt das Metallbehältnis eine Becherform. Das becherförmige Metallbehältnis ist am gegenüberliegenden Ende mittels des Deckels gasdicht abgeschlossen. Alternativ kann das Metallbehältnis zu beiden Enden hin offen ausgebildet sein, insbesondere eine Röhrenform aufweisen und an beiden offenen Enden mittels je eines Deckels gasdicht abgeschlossen sein. Die Befestigung von Deckel und Metallbehältnis zum gasdichten Verschließen der jeweiligen offenen Enden des Metallbehältnisses kann gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen erfolgen. Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle ist damit nicht auf eine bestimmte Form von Rohmaterial beschränkt, sondern kann auf Basis eines röhrenförmigen oder becherförmigen Ausgangsmaterials hergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator-System, bereitgestellt. Der Energiespeicher kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, bei Energieüberschuss die überschüssige Energie aufzunehmen und zu speichern, und diese bei Bedarf wieder abzugeben. Der Energiespeicher ist wiederaufladbar und/oder als Akkumulator ausgebildet.
Der Energiespeicher umfasst einen fluiddicht abgeschlossenen und wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit, wie Wasser, Öl oder dergleichen, befüllten Tank. Die Flüssigkeit dient dabei im Wesentlichen als Energieträger beziehungsweise Energieempfänger, von dem beziehungsweise zu dem Energie abgegeben beziehungsweise übergeben wird.
Erfindungsgemäß ist in dem Tank wenigstens eine Energiespeicherzelle, vorzugsweise eine Vielzahl, insbesondere mehrere hunderte oder tausende Energiespeicherzellen, angeordnet, die gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte oder beispielhaften Ausführungen ausgestaltet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung der mit vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Verfahren zum Herstellen einer insbesondere gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen ausgebildete Energiespeicherzelle bereit gestellt.
Gemäß dem Verfahren können ein längliches, hohles Metallbehältnis, das an wenigstens einem Ende offen ist, sowie ein Deckel zum Verschließen des offenen Endes bereitgestellt werden. In Bezug auf beispielhafte Ausführungen von Metallbehältnis und Deckel sei auf die vorigen Ausführungen verwiesen.
Erfindungsgemäß wird ein längliches, hohles Metallbehältnis an wenigstens einem offenen Ende mittels eines Deckels dadurch gasdicht abgeschlossen, dass zunächst der Deckel in das Metallbehältnis eingepresst wird und anschließend der Deckel stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis verbunden wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht unter anderem darin, dass die Energiespeicherzelle bereits in einem Zwischenfertigungszustand, in dem das Phasenwechselmaterial in das Metallbehältnis untergebracht ist und bereits bezüglich der Umgebung abgedichtet ist, ohne dass bereits die Energiespeicherzelle vollständig hergestellt und der Deckel final stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis verbunden ist, zuverlässig gehandhabt beziehungsweise transportiert, beispielsweise zu der nachfolgenden Fertigungsstation übergeben, werden kann, ohne dass Phasenwechselmaterial verloren geht beziehungsweise der innerhalb der Energiespeicherzelle gewünschte, einzustellende Druck verändert beziehungsweise verloren geht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielshaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Verfahren zum Herstellen einer insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen ausgebildeten Energiespeicherzelle bereit gestellt.
Gemäß dem Verfahren können ein längliches, hohles Metallbehältnis, das an wenigstens einem Ende offen ist, sowie ein Deckel zum Verschließen des offenen Endes bereitgestellt werden. In Bezug auf beispielhafte Ausführungen von Metallbehältnis und Deckel sei auf die vorigen Ausführungen verwiesen.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Deckel zunehmend in einem länglichen, hohlen Metallbehältnis verkeilt, um das Metallbehältnis gasdicht abzuschließen. Das Verkeilen kann unter anderem sicherstellen, dass bereits beim Einsetzen des Deckels in das Metallbehältnis, insbesondere ohne dass das Metallbehältnis und der Deckel bereits final stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sind, bereits das Metallbehältnis insbesondere gasdicht verschlossen ist. Jedenfalls kann gewährleistet werden, dass Phasenwechselmaterial nicht aus dem Metallbehältnis in die Umgebung gelangen kann. Auf diese Weise sind Handhabung und Transport des noch nicht fertig gestellten Metallbehältnisses auf einfache Weise möglich, wobei ein Verlust des Phasenwechselmaterials ausgeschlossen ist.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verfahren dazu eingerichtet, eine Energiespeicherzelle gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen herzustellen.
Bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Im Folgenden werden weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung mittels Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden beispielhaften Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle;
2 eine Schnittansicht der Energiespeicherzelle gemäß 1;
3 eine Detailansicht eines Details III aus 2; und
4 eine Schnittansicht einer weiteren beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle.

In der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeicherzelle 1 im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen. Die Energiespeicherzelle 1 ist beispielsweise aus einem korrosionsbeständigen Metall hergestellt.
Die Energiespeicherzelle 1 umfasst die folgenden Hauptkomponenten: Ein hohlzylindrisches Metallbehältnis 3, das gemäß der beispielhaften Ausführungen der 1 bis 3 einseitig offen ist und somit eine Becherform bildet und gemäß der beispielhaften Ausführungen in 4 beidseitig offen ist und eine Röhrenform aufweist; und einen Deckel 5, mittels dem das wenigstens eine offene Ende des Metallbehältnisses 3 gasdicht abgeschlossen ist.
In 2 ist die beispielhafte Ausführung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 gemäß 1 in Schnittansicht dargestellt. Das Metallbehältnis 3, das ein offenes Ende 9 und einen in Bezug auf die Längsrichtung L betrachteten gegenüberliegenden Boden 11 umfasst, weist eine insbesondere aus einem Stück hergestellte, umfängliche Metallbehältniswandung 13 auf, die einen Hohlraum 7 begrenzt. Die Metallwandung weist beispielsweise eine konstante Wandstärkt auf. Innerhalb des Hohlraums 7 ist Phasenwechselmaterial (nicht dargestellt) angeordnet. Zu beispielhaften Ausführungen und den Eigenschaften der erfindungsgemäßen verwendeten Phasenwechselmaterialien wird auf obige Beschreibung verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden. Der Hohlraum 7 kann beispielhaft zwischen 40 % bis 60 % mit Phasenwechselmaterial belegt sein, wobei die Füllmenge in Abhängigkeit des zu wählenden Phasenwechselmaterials eingestellt werden kann.
Wie insbesondere aus der Detailansicht gemäß 3 ersichtlich ist, ist der Deckel 5 aus einem Stück hergestellt und weist eine konstante Wandstärke auf. Der Deckel 5 umfasst eine ebene, scheibenförmige Basis 15 und einen daran anschließenden, sich im Wesentlichen in Richtung der Längsachse L erstreckenden Ringrand 17, welcher dazu eingerichtet ist, in einen Anlagekontakt mit einer Innenseite 19 der Metallbehältniswandung 13 zu gelangen. Der Deckel 5, insbesondere dessen Ringrand 17, und das Metallbehältnis 3 sind bündig bezüglich einander beziehungsweise gehen bündig ineinander über. Mit anderen Worten ist ein stufen- und übergangsfreier, kontinuierlicher Übergang 21 zwischen Ringrand 17 und axialen Endabschnitt der Metallbehältniswandung 13 gegeben.
Der Ringrand kann leicht kegelstumpfförmig geformt beziehungsweise in seiner Längserstreckung bezüglich der Längsachse L in einem spitzen Winkel im Bereich von 1° bis 5°, insbesondere von etwa 3°, orientiert sein. Beim axialen, teleskopartigen ineinander Einschieben von Deckel 5 und Mantel 3 verkeilt sich der Deckel 5, insbesondere dessen Ringrand 17, zunehmend mit der Metallbehältniswandung 13. Dies wird unter anderem auch dadurch realisiert, dass eine Außenabmessung des Ringrands 17 bezüglich einer Innenabmessung der Metallbehältniswandung 13 überdimensioniert ist. Der Deckel 15 wird demnach in das Metallbehältnis 3 eingepresst. Dies hat zum einen den Vorteil, dass bereits ein Zwischenfertigungszustand erlangt wird, der bereits einen Austritt des Phasenwechselmaterials aus dem Metallbehältnis 3 verhindert. Ferner ist durch das insbesondere im Wesentlichen spaltfreie aneinander Anliegen von Deckel 5 und Metallbehältnis 3 eine optimale Voraussetzung für das folgende stoffflüssige Verbinden, insbesondere Schweißen, wie Laserschweißen, gegeben. Der Deckel 5 kann so dimensioniert und/oder ausgebildet sein, dass beim axialen Einpressen in das Metallbehältnis 3 der Ringrand 17 seine Orientierung in Bezug auf die Längsachse L dadurch verändert, dass dieser in Bezug auf eine den Ringrand 17 mit der Basis 15 verbindenden Sollknick- beziehungsweise -biegestelle 23 nach radial innen umgebogen wird. Beispielsweise ist das Metallbehältnis 33 aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul als das Material des Deckels 5 hergestellt.
In 4 ist eine alternative Ausführungsform einer beispielhaften erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 abgebildet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Wesentlichen auf die sich in Bezug auf die vorhergehende Ausführung ergebende Unterschiede eingegangen.
Ein Unterschied der Energiespeicherzelle 1 aus 4 gegenüber der Energiespeicherzelle 1 der 1 bis 3 besteht darin, dass das Metallbehältnis beidseitig offen ausgebildet ist, das heißt neben dem offenen Ende 9 ein weiteres offenes Ende 10 gegenüber liegend dem offenen Ende 9 umfasst. Somit weist das Metallbehältnis 3 eine rotationsförmige Röhrenform auf, die es zur Bildung der Energiespeicherzelle beidseitig gasdicht abzuschließen gilt.
Hierfür sind zwei insbesondere identische ausgebildete Deckel 5 vorgesehen, die sich in mehrfacher Hinsicht von dem Deckel 5 gemäß der Ausführungen der 1 bis 3 unterscheiden. Bei den Deckeln 5 handelt es sich um rotationsförmige Pressmuffen, welche von radial außen auf das Metallbehältnis aufgesetzt sind und zum gasdichten Abschließen des Behältnisses mittels Pressfügen mit diesem starr aneinander befestigt werden. An dem Metallbehältnis 3 angeordneten Ende des Deckels 5 weist dieser einen in Radialrichtung, also quer zur Längserstreckungsrichtung L, vorstehenden Ringwulst 27 auf, in dessen Ringraum 29 ein Dichtungsring 31 angeordnet ist.
Eine axiale umlaufende Presslänge ist in 4 mit dem Bezugszeichen a versehen und beträgt in etwa 20% bis 25% einer Gesamterstreckung des Metallbehältnisses 3. Die Pressmuffe 5 gemäß der 4 umfasst eine kappenförmige Gestalt mit einem geschlossenen Kappenboden 33, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungsrichtung L orientiert ist und in einem axialen Abstand in Längsrichtung L bezüglich eines jeweiligen stirnseitigen Endes 35 des Metallbehältnisses 3 angeordnet ist. Der Kappenboden 33 geht mittels eines abgerundeten Übergangs 37 in einen sich parallel zur Längserstreckungsrichtung L und damit zur Metallbehältniswandung 13 erstreckenden Pressmantel 39 über, an welchem sich die Presslänge a bemisst.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicherzelle
3: Metallbehältnis
5: Deckel
7: Hohlraum
9, 10: offenes Ende
11: Boden
13: Metallbehältniswandung
15: Basis
17: Ringrand
19: Innenseite der Wandung
21: Übergang
23: Sollbiegestelle
25: Ende
27: Ringwulst
29: Ringraum
31: Ringdichtung
33: Kappenboden
35: stirnseitiges Ende
37: Übergang
39: Pressmantel
L: Längserstreckungsrichtung
a: Presslänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019105988 A1 [0004, 0005]

Claims

Energiespeicherzelle (1) umfassend ein längliches, hohles Metallbehältnis (3), in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, welches mittels eines Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist, wobei die Energiespeicherzelle (1) einen Zwischenfertigungszustand, in dem der Deckel (5) derart in dem Metallbehältnis (3) vorpositioniert ist, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis (3) verhindert ist, und einen darauffolgenden Fertigungszustand aufweist, in dem der Deckel (5) und das Metallbehältnis (3) zum dauerhaften gasdichten Abschließen des Metallbehältnisses zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1, wobei der Deckel (5) und das Metallbehältnis (3) mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen, miteinander verbunden sind.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel (5) derart in dem Metallbehältnis (3) vorpositioniert ist, dass der Deckel (5) und das Metallbehältnis (3) bündig ineinander übergehen.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metallbehältnis (3) an dem offenen Ende eine in Längsrichtung orientierte, der Umgebung zugewandte Umfangskante aufweist und der Deckel (5) dazu derart formangepasst ist, dass ein umlaufender, bündiger Übergang zwischen dem Deckel (5) und der Umfangskante gebildet ist.
Energiespeicherzelle (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein längliches Metallbehältnis (3), das einen Hohlraum (7) begrenzt, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist, wobei das Metallbehältnis (3) wenigstens ein offenes Ende aufweist, das mittels eines Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist, der derart geformt ist, dass sich der Deckel (5) beim axialen Einsetzen, insbesondere Einpressen, in den Hohlraum (7) zunehmend mit dem Metallbehältnis (3) verkeilt.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel (5) eine ebene Basis (15) und einen an die Basis (15) anschließenden Ringrand (17) aufweist, der derart geformt ist, dass sich der Ringrand (17) beim axialen Einsetzen in den Hohlraum (7) zunehmend mit einer Umfangswandung des Metallbehältnisses verkeilt.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 6, wobei der Ringrand (17) von der ebenen Basis (15) in Längsrichtung des Metallbehältnisses vorsteht und in einem Winkel im Bereich von 1° bis 5°, insbesondere von 3°, bezüglich der Längsachse des Metallbehältnisses orientiert ist.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel (5) eine Kegelstumpfform aufweist, wobei insbesondere ein umlaufender Kegelmantel des Deckels (5) in Bezug auf dessen Längsachse in einem Winkel im Bereich von 1° bis 5°, insbesondere von 3°, orientiert ist.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Außenabmessung des Deckels (5) in Bezug auf eine Innenabmessung des Metallbehältnisses überdimensioniert ist, wobei insbesondere ein Übermaß im Bereich von 0,04 mm bis 0,08 mm besteht.
Energiespeicherzelle (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein längliches, hohles Metallbehältnis (3), in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, das mittels Pressfügen mit einem Deckel (5) gasdicht abgeschlossen ist.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 10, wobei der Deckel (5) muffenförmig, insbesondere als Pressmuffe, ausgebildet ist und/oder teleskopartig auf das Metallbehältnis (3) aufgeschoben ist und mittels Pressfügen fest mit dem Metallbehältnis (3) verbunden ist.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metallbehältnis (3) zu einem Ende hin geschlossen ausgebildet ist, insbesondere eine Becherform aufweist, und am gegenüberliegenden Ende mittels des Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist oder zu beiden Enden hin offen ausgebildet ist, insbesondere eine Röhrenform aufweist, und an beiden offenen Enden mittels je eines Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist.
Energiespeicher umfassend einen fluiddicht abgeschlossenen und wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllten Tank, in dem wenigstens eine nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildete Energiespeicherzelle (1), insbesondere eine Vielzahl von nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Energiespeicherzellen (1), angeordnet ist, wobei insbesondere in dem Tank ein Druck von über 1 bar, insbesondere von über 2 bar, 3 bar oder 4 bar, herrscht.
Verfahren zum Herstellen einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Energiespeicherzelle (1), bei dem ein längliches, hohles Metallbehältnis (3) an wenigstens einem offenen Ende mittels eines Deckels (5) dadurch gasdicht abgeschlossen wird, dass zunächst der Deckel (5) in das Metallbehältnis (3) eingepresst wird und anschließend der Deckel (5) stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis (3) verbunden wird.
Verfahren, insbesondere nach Anspruch 14, zum Herstellen einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Energiespeicherzelle (1), bei dem ein Deckel (5) zunehmend in einem länglichen, hohlen Metallbehältnis (3) verkeilt wird, um das Metallbehältnis (3) gasdicht abzuschließen.
Verfahren, insbesondere nach Anspruch 14 oder 15, zum Herstellen einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Energiespeicherzelle (1), bei dem ein längliches, hohles Metallbehältnis (3) mittels Pressfügen mit einem Deckel (5) gasdicht verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, das dazu eingerichtet ist, eine Energiespeicherzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 herzustellen.