DE10238235A1

DE10238235A1 - Elektrochemischer Energiespeicher mit Wärmeaustauscherstruktur und mehreren elektrochemischen Speicherzellen

Info

Publication number: DE10238235A1
Application number: DE2002138235
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr.-Ing. Geisse; Johann German; Karl-Ernst Dipl.-Ing. Noreikat
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher (1) mit einer Wärmeaustauscherstruktur und mehreren elektrochemischen Speicherzellen (2), die in Reihen (3, 4, 5, 6) nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den Speicherzellenreihen sind Kanalbauteile angeordnet, die je in zwei benachbarten Reihen Wärmetauscherkanäle aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind. Die Kühlmediumszufuhr zu den Wärmetauscherkanälen ist so ausgebildet, dass in je zwei nebeneinander in der gleichen Reihe und in je zwei in benachbarten Reihen angeordneten Wärmetauscherkanälen einander entgegengerichtete Strömungen des Kühlmediums entstehen, wodurch in den Speicherzellen weitgehend homogene Temperaturen erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Wärmeaustauscherstruktur und mehreren elektrochemischen, jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordneten, gleich geformten Speicherzellen, die in der Wärmeaustauscherstruktur angeordnet sind, die von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscher-Kanäle aufweist.
Es ist bereits eine Wärmeaustauscherstruktur für mehrere in wenigstens einer Reihe benachbart zueinander angeordnete, elektrochemische Speicherzellen bekannt ( DE 198 49 491 C1 ). Die Wärmeaustauscherstruktur hat wenigstens zwei, auf gegenüberliegenden Seiten der Speicherzellen angeordnete Vorlaufkanäle und zwei korrespondierende Rücklaufkanäle, die auf der gegenüberliegenden Seite der Speicherzellenreihe verlaufen. Die parallel angeordneten Wärmeaustauscherkanäle erstrecken sich unter einmaliger Durchquerung der Speicherzellenreihe zwischen dem jeweiligen Vor- und Rücklaufkanal und werden in entgegengesetzten Richtungen von einem Temperiermedium durchströmt.
Bekannt ist weiterhin eine Wärmeaustauscherstruktur für mehrere, elektrochemische Speicherzellen, die ein Kanalbauteil aufweist, das zwei parallel zueinander angeordnete Materialstreifen enthält, die zwischen sich einen Wärmeaustauscherkanal bilden. Die Materialstreifen haben an die Speicherzellenform angepasste Ausformungen. Es sind zwei Wärmeaustauscherkanäle zwischen je zwei Materialstreifen vorhanden. Ein Wär meaustauscherkanal ist an der Oberseite und der andere an der Unterseite der Speicherzellenreihe angeordnet. Die Wärmeaustauscherkanäle sind mit Verteilern verbunden, die an den Längsseiten der in Reihen nebeneinander angeordneten Speicherzellen angebracht sind ( DE 100 34 134 ).
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Wärmeaustauscherstruktur und mit mehreren, jeweils in wenigstens zwei Reihen benachbart zueinander angeordneten Speicherzellen anzugeben, bei dem in den Speicherzellen unabhängig von ihrer Lage innerhalb der Reihen besonders aneinander angeglichene Temperaturen erreicht werden können.
Das Problem wird bei einem Energiespeicher der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Reihen von Speicherzellen ein an den Speicherzellen anliegendes Kanalbauteil vorgesehen ist, das in zwei nebeneinander angeordneten Reihen in Längsrichtung der Reihen von Speicherzellen verlaufende, nebeneinander in jeder der beiden Reihen angeordnete Wärmetauscherkanäle aufweist, dass an den Enden der Reihen von Speicherzellen je ein Vorlaufverteilerkanal und je ein Rücklaufsammelkanal angeordnet ist, dass benachbarte Wärmeaustauscherkanäle in der einen Reihe jeweils an ihren einen Enden mit dem an einem und dem am anderen Ende der Reihe von Speicherzellen angeordneten Vorlaufverteilerkanal für die Einspeisung des Temperiermediums in zueinender entgegengesetzten Strömungsrichtungen in die benachbarten Wärmetauscherkanäle verbunden sind, dass jeder Wärmeaustauscherkanal in der einen Reihe an seinem anderen Ende mit dem Ende des in der anderen Reihe benachbarten Wärmeaustauscherkanals verbunden ist und dass die anderen Enden der Wärmeaustauscherkanäle der anderen Reihe entsprechend ihrer Lage am Ende der Reihe mit dem Rücklaufsammelkanal an dem einen oder dem anderen Ende der Reihen von Speicherzellen verbunden sind. Unter Verbindung der Wärmeaustauscherkanäle untereinander oder mit den Vorlauf- oder Rücklaufsammelkanälen ist hierbei zu verstehen, dass Öffnungen an den Kanälen zum Überleiten des Temperiermediums von einem Kanal zum anderen vorhanden sind. Mit der erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur wird eine sehr gleichförmige Ableitung der in den einzelnen Speicherzellen erzeugten Wärmemengen erreicht, so dass die Speicherzellen nahezu gleiche Temperaturen aufweisen. Besonders günstig ist die erfindungsgemäße Wärmesaustauscherstruktur bei Energiespeichern mit zahlreichen Reihen von Speicherzellen. Da mit der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherstruktur in den Speicherzellen weitgehend gleiche Temperaturen erzielt werden, ergeben sich auch weitgehend einander angeglichene elektrische Eigenschaften der Speicherzellen, so dass ungleichmäßige Belastungen der Speicherzellen und Verlustwärmen bedeutend vermindert werden. Damit wird ein weniger störanfälliger Betrieb des Energiespeichers erreicht.
Zweckmäßigerweise ist an den nach außen gerichteten Seiten der Speicherzellen an den Außenseiten des Energiespeichers jeweils ein Kanalbauteil vorgesehen, dessen den Speicherzellen zugewandte Seite an den Speicherzellen anliegt und dessen den Speicherzellen abgewandte Seite eben ist. Bei dieser Ausführungsform stehen auch die in den äußeren Reihen des Energiespeichers liegenden Speicherzellen in ihrer Längsrichtung beiderseits mit einem Kanalbauteil mit Wärmeaustauscherkanälen in Verbindung. Damit wird auch bei den Speicherzellen in den äußeren Reihen jeweils eine Temperatur erzielt, die derjenigen in den Speicherzellen der inneren Reihen weitgehend angeglichen ist.
Bei bevorzugten Ausführungsform sind die Verteilerkanäle für den Vorlauf und die Rücklaufsammelkanäle jeweils neben den Enden der Reihen von Speicherzellen zwischen den beiden äußeren Reihen von Speicherzellen abwechselnd mit den Enden über die Speicherzellen beiderseits vorstehend parallel zueinander angeordnet. Mit dieser Anordnung wird eine kompakte Bauform der Wärmeaustauscherstruktur außerhalb der Räume zwischen den Speicherzellen erreicht.
Es ist günstig, wenn die Verteilerkanäle für den Vorlauf an den beiden Enden der Speicherzellenreihen an ihren, an einer Seite über die Speicherzellenreihen vorstehenden Enden je mit einem vorgeschalteten Verteilerkanal für den Vorlauf verbunden sind, der nahe an den Enden der Speicherzellenreihen auf einer Seite des Energiespeichers sich zwischen den Speicherzellen der äußeren Reihen erstreckt. Diese Ausführungsform trägt zum kompakten Aufbau der Wärmeaustauscherstruktur bei.
Vorzugsweise sind die Rücklaufsammelkanäle an den beiden Enden der Speicherzellenreihen auf der anderen Seite des Energiespeichers mit ihren über die Speicherzellen vorstehenden Enden mit einem nachgeschalteten Rücklaufkanal verbunden, der nahe an den Enden der Speicherzellenreihen sich zwischen den Speicherzellen der äußeren Reihen erstreckt. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des Rücklaufteils erreicht, der außerhalb der Räume zwischen den Speicherzellen verläuft.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform sind die beiden vorgeschalteten Verteilerkanäle für den Vorlauf und die beiden nachgeschalteten Rücklaufsammelkanäle je über eine Rohrleitung mit Ausgängen eines Vorlaufverteilerkopfs bzw. mit Eingängen eines Rücklaufverteilerkopfs verbunden, wobei der Eingang des Vorlaufverteilerkopfs und der Ausgang des Rücklaufverteilerkopfs an eine externe Kühleinrichtung oder an einen Klimaanlagenkompressor angeschlossen sind.
Insbesondere weisen die Kanalbauteile an ihren, den Mänteln von zylindrischen Speicherzellen zugewandten Seiten eine wellenförmige Struktur mit an die Mäntel der Speicherzellen angepassten halbzylindrischen Vertiefungen auf. Mit dieser Ausführungsform wird ein guter Wärmeübergang von den Speicherzellen auf die Kanalbauteile erreicht.
Bei Speicherzellen mit elektrisch leitenden Gehäusen sind die Kanalbauteile zweckmäßigerweise aus einem elektrisch isolie renden Material, wobei die Wärmeaustauscherkanäle wellenförmig in der Struktur verlaufen, um das Temperiermedium näher an die Speicherzellenflächen zu bringen, die allerdings aufgrund ihrer metallischen Gehäuse einen besseren Wärmeübergang bewirken als isolierende Gehäuse.
Bei Speicherzellen mit elektrisch isolierenden Gehäusen bestehen die Kanalbauteile vorzugsweise aus Metall, insbesondere Aluminium. Die Wärmeaustauscherkanäle können dann geradlinig in den Kanalbauteilen verlaufen, da das Metall gut wärmeleitend ist.
Die Herstellung der Kanalbauteile kann vereinfacht werden, wenn einzelne Teile der Kanalbausteine für sich gefertigt und danach zu einem kompletten Kanalbauteil zusammengefügt werden. Die Wärmetauscherkanäle können aus mit Nuten versehenen Platten, auf die ebene Platten geklebt werden, hergestellt werden.
Der Vorlaufverteilerkopf und der Rücklaufverteilerkopf sind bei einer vorteilhaften Ausführungsform in einem Kreislauf mit einer Pumpe und einem Kühler verbunden. Der Kühler kann entsprechend einem Kraftfahrzeugkühler aufgebaut sein. Ein Lüfter kann am Kühler für die Durchleitung von Luft vorgesehen sein, wobei eine Temperaturmessung des Temperiermittels vorteilhaft ist und der Lüfter nur bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperatur des Temperiermittels eingeschaltet wird.
Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher läßt sich besonders vorteilhaft bei einem Elektrofahrzeug einsetzen. Das Fahrzeug kann als Energiequelle eine Brennstoffzelle aufweisen, wobei der Energiespeicher die für schnelle Geschwindigkeitsänderungen notwendige Energie schnell verfügbar macht, während die Brennstoffzelle, die ein längeres Ansprechverhalten hat, den Energiespeicher in Perioden konstanter Betriebsverhältnisse auflädt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten Merkmale und Vorteile ergeben.
Dabei zeigen:
1 einen elektrochemischen Energiespeicher mit Speicherzellen und einer Wärmeaustauscherstruktur in einem teilweise im Schnitt dargestellten Gehäuse in perspektivischer Ansicht,
2 den Energiespeicher gemäß l ohne Gehäuse in perspektivischer Ansicht,
3 die Wärmeaustauscherstruktur gemäß l ohne Speicherzellen in perspektivischer Ansicht,
4 Kanalbauteile, Umströmungsverteilerkanäle, vorgeschaltete Verteilerkanäle für den Vorlauf und nachgeschaltete Rücklaufsammelkanäle der Wärmeaustauscherstruktur gemäß l in perspektivischer Ansicht,
5 Kanalbauteile der Wärmeaustauscherstruktur gemäß l schematisch in Explosivdarstellung in perspektivischer Ansicht,
6 ein Kanalbauteil mit einem Verteilerkanal für den Vorlauf und einem Rücklaufsammelkanal in perspektivischer Ansicht,
7 einen Schnitt längs der Linien I-I des in 6 dargestellten Kanalbauteils,
8 einen Schnitt längs der Linien II-II des in 6 dargestellten Kanalbauteils,
9 eine Hälfte eines Kanalbauteils in geteilter Ausführung mit einem Verteilerkanal für den Vorlauf in Seitenansicht,
10 die andere Hälfte des Kanalbauteils gemäß 9 mit einem Rücklaufsammelkanal in Seitenansicht,
11 einen Schnitt längs der Linien I-I der in 9 dargestellten Kanalbauteilhälfte,
12 einen Schnitt längs der Linien II-II der in 10 dargestellten Kanalbauteilhälfte,
13 einen Verteilerkopf im Querschnitt,
14 einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Wärmespeicherstruktur und integriertem Flüssigkeitskühler in Seitenansicht,
15 den Energiespeicher gemäß 14 von der gegenüberiegenden Seite aus,
16 den Energiespeicher gemäß l4 in einer Ansicht von unten,
17 den externen Teil eines Kühlkreislaufs für einen elektrochemischen Energiespeicher in perspektivischer Ansicht.
Ein elektrochemischer Energiespeicher 1 weist eine Anzahl von elektrochemischen, zylindrischen Speicherzellen 2 auf, die in mehreren Reihen angeordnet sind. Die Speicherzellen 2 sind in jeder Reihe nebeneinander mit ihren äußeren Zylinderflächen in paralleler Ausrichtung angeordnet. Bei dem in l dargestellten Energiespeicher 1 sind vier Reihen von Speicherzellen vorgesehen. Es können auch mehr oder weniger als vier Speicherzellenreihen in einem Energiespeicher vorgesehen sein. Die Anzahl der Speicherzellenreihen richtet sich nach der Leistung bzw. Speicherkapazität des Energiespeichers. Die vier Reihen von Speicherzellen 2 sind in l durch Pfeile 3, 4, 5, 6 bezeichnet, die jeweils auf eine Speicherzelle an einem Ende der Reihe hindeuten. Die Speicherzellen der Reihen 3 und 4, 4 und 5, 5 und 6 sind je durch Kanalbausteine voneinander getrennt, die unten näher erläutert werden und die in l aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher bezeichnet sind. Am äußeren Rand der Reihe 3 ist ein Kanalbauteil 7 in l bezeichnet. Die Kanalbauteile, z. B. das Bauteil 5, weisen jeweils in zwei benachbarten Reihen angeordnete Wärmeaustauscherkanäle auf, die in jeder Reihe nebeneinander angeordnet sind. Von einem in l nicht dargestellten Kühler oder Klimaanlagenkompressor wird ein Temperiermedium, z. B. Wasser, in einen Verteilerkopf eingespeist, von dem aus zwei Rohrleitungen 9,10 zu vorgeschalteten Verteilerkanälen 11, 12 für den Vorlauf verlegt sind. Die vorgeschalteten Verteilerkanäle 11, 12 befinden sich jeweils nahe an den Enden der Reihen 3 bis 6 und erstrecken sich quer zur Längsrichtung der Reihen 3 bis 6 auf jeweils einer Seite des Energiespeichers. Die Enden der vorgeschalteten Verteilerkanäle stehen über das Kanalbauteil 7 und das entsprechende Kanalbauteil am äußeren Rand der unteren Reihe 6 vor. Ein gleich ausgebildeter Rücklaufverteilerkopf 13 ist mit einem anderen Anschluß des Kühlers oder des Klimaanlagenkompressors verbunden. Vom Rücklaufverteilerkopf 13 verlaufen zwei Rohrleitungen 14, 15 je zu einem nachgeschalteten Rücklaufsammelkanal 16, 17. Die Rücklaufsammelkanäle befinden sich auf der anderen Seite des Energiespeichers 1 nahe an den Enden der Reihen 3 bis 6 und erstrecken sich ebenfalls quer zur Längsrichtung der Reihen 3 bis 6. Die vorgeschalteten Verteilerkanäle 11, 12 und die nachgeschalteten Rücklaufkanäle 16, 17 sind gleich groß und haben quaderförmige Gehäuse.
Der Energiespeicher 1 hat ein quaderförmiges Gehäuse 18, das die Speicherzellenreihen 3 bis 6, die Rohrleitungen 9, 10, 14, 15, die Kanalbauteile zwischen den Reihen 3 bis 6, die vorgeschalteten Verteilerkanäle 11, 12, die nachgeschalteten Rücklaufkanäle 16, 17 und Umströmungsverteilerkanäle 19, 20 aufweist, die jeweils neben den Enden der Reihen 3 bis 6 in gleichen Abständen parallel zueinander und zu nicht näher dargestellten Mittellinien der Gehäusezylinder der Speicherzellen 2 angeordnet sind. In den Umströmungsverteilerkanälen 19, 20 befindet sich jeweils ein unten noch näher beschriebe ner Verteilerkanal für den Vorlauf und ein unten noch näher beschriebener Rücklaufsammelkanal. Die Verteilerköpfe 8, 13 sind jeweils auf der Vorder- und Rückseite des Gehäuses 18 in eine Aussparung eingefügt und befestigt.
In 3 ist die Wärmeaustauscherstruktur 21 des Energiespeichers 1 ohne die Speicherzellen schematisch dargestellt. Die Wärmeaustauscherstruktur 21 bzw. die Wärmetauschereinheit enthält das Kanalbauteil 7 an der Außenseite der Speicherzellenreihe 3, ein entsprechendes, gleich ausgebildetes Kanalbauteil 22 an der Außenseite der unteren Speicherzellenreihe 6, Kanalbauteile 23, 24, 25 jeweils zwischen den Speicherzellenreihen 3, 4 und 4, 5 und 5, 6, sowie die Umströmungsverteilerkanäle 19, 20, die vorgeschalteten Vorlaufverteilerkanäle 11, 12 und die nachgeschalteten Rücklaufsammelkanäle 16, 17.
In 4 sind von der Wärmeaustauscherstruktur 21 nur die Kanalbauteile 7, 22, 23, 24 und 25 schematisch dargestellt, die jeweils zwischen einem Umströmungsverteilerkanal 19 und einem Umströmungsverteilerkanal 20 angeordnet sind. Die Kanalbauteile 7 und 22 bis 25 weisen innen Wärmeaustauscherkanäle auf, die unten näher beschrieben sind. Die Kanalbauteile 7 und 22, die sich in Längsrichtung der Speicherzellenreihen 3 bzw. 6 erstrecken, haben je eine ebene äußere Oberfläche und eine den Speicherzellen 2 zugewandte Struktur 26, deren Oberfläche konkav an die Hälften der zylindrischen Außenseiten der Speicherzellen 2 angepaßt ist. Die Struktur 26 ist wellenförmig.
Die Kanalbauteile 23, 24, und 25 haben auf ihren Längsseiten beiderseits die wellenförmige Struktur 26, deren konkave Flächen die Speicherzellen 2 berühren, wodurch sich ein guter Wärmeübergang ergibt.
In den Kanalbauteilen 7, 22, 23, 24 und 25 sind nahe an den beiden Enden der Speicherzellenreihen 3, 4, 5 und 6 jeweils Öffnungen 27, 28, 29 bzw. 30, 31, 32 von Wärmeaustauscherkanälen im Inneren der Kanalbauteile 7 und 22 bis 25 vorhanden. Die Öffnungen 27, 28 29 sind gegen die Öffnungen 30, 31, 32 um eine Teilung eines Wärmeaustauscherkanals in Querrichtung der Kanalbauteile 7 und 22 bis 25 versetzt angeordnet.
In 5 sind die Kanalbauteile 22 und 25 in Explosivdarstellung schematisch neben den zugeordneten UmStrömungsverteilerkanälen 19 und 20 gezeigt. Im Kanalbauteil 22 sind in Längsrichtung, die der Längsrichtung der Speicherzellenreihen 3 bis 6 entspricht, in gleichen Abständen nebeneinander zwei Reihen von Wärmetauscherkanälen angeordnet. Die beiden Reihen von Wärmetauscherkanälen verlaufen nebeneinander parallel. In 5 sind im unteren Teil 33 des Kanalbauteils 22 nebeneinander in gleichen Abständen sechs Wärmeaustauscherkanäle 34, 35, 36, 37, 38 und 39 vorgesehen. Im oberen Teil 40 des Kanalbauteils 22 sind entsprechend sechs weitere Wärmetauscherkanäle vorgesehen, die parallel zu den Wärmeaustauscherkanälen 34 bis 39 verlaufen. Der untere Teil 33 hat eine ebene Außenseite, während der obere Teil 40 die Struktur 26 hat. Die im oberen Teil 40 nicht näher dargestellten sechs, jeweils in Gruppen von drei um eine Teilung eines Wärmeaustauscherkanals zueinander versetzt angeordneten Wärmeaustauscherkanäle haben gleiche Öffnungen 27, 28, 29, 30, 31 und 32, in die der Vorlauf aus den Umströmungsverteilerkanälen 19, 20 eingespeist wird. Die Einspeisung des Vorlaufs des Temperiermediums erfolgt daher bei zwei benachbarten Wärmeaustauscherkanälen in einander entgegegesetzten Richtungen. An den Enden der Wärmeaustauscherkanäle im Teil 40, die den Öffnungen 27, 28, 29 und 30, 31, 32 entgegengesetzt sind, befinden sich Umlenkkanalabschnitte, die die Wärmeaus tauscherkanäle der einen Reihe jeweils mit einem Wärmeaustauscherkanal 34 bis 39 im Teil 33 verbinden. Die Umlenkkanalabschnitte sind insbesondere Öffnungen 41 in den Wärmeaustauscherkanälen im Teil 40 und korrespondierende Öffnungen im Teil 33, die den Übergang des Temperiermediums je von einem Wärmeaustauscherkanal im Teil 40 zu einem Wärmeaustauscherkanal im Teil 33 bewirken. In 5 ist eine solche Öffnung im Wärmeaustauscherkanal 35 dargestellt. Die nicht mit den Umlenkkanalabschnitten verbundenen Enden der Wärmeaustauscherkanäle 34 bis 35 weisen den Öffnungen 27, 28, 29 und 30, 31, 32 entsprechende Öffnungen auf, die sich ebenso wie die Öffnungen 27 bis 32 in einem der Umströmungsverteilerkanäle 19 bzw. 20 befinden, in die auch der Rücklauf des Temperiermittels in jeweils einen Rücklaufsammelkanal eingespeist wird.
Der Kanalbauteil 25 weist ein oberes Teil auf, das dem oberen Teil 40 des Kanalbauteils 22 gleicht und deshalb gleiche Öffnungen 27 bis 32 und eine gleiche Struktur hat. Deshalb ist das obere Teil des Kanalbauteils 25 mit der gleichen Bezugsziffer 40 versehen. Das untere Teil 42 des Kanalbauteils 25 hat ebenso wie das Teil 33 die Wärmeaustauscherkanäle 34 bis 39 und Öffnungen 41. Die Anordnung des Kanalbauteils 25 bezüglich der Umströmungsverteilerkanäle 19, 20 entspricht derjenigen des Kanalbauteils 22. Der Unterschied zwischen den Kanalbauteilen 22 und 25 besteht darin, dass der untere Teil 42 eine wellenförmige Struktur 26 hat, d. h. beide Teile 40 und 42 haben die gleiche wellenförmige Außenseite in ihrer Längsrichtung. Die in 5 in Explosivdarstellung gezeigten Teile 33 und 40 des Kanalbauteils 22 und die Teile 40 und 42 des Kanalbauteils 25 bilden jeweils eine Einheit, die z. B. dadurch hergestellt wird, dass die Teile unlösbar, z. B. durch Kleben, miteinander verbunden werden.
In 6 ist beispielhaft für die gleich geformten Kanalbauteile 23, 24 und 25 der Kanalbauteil 25 in Seitenansicht dargestellt. Der Kanalbauteil 25 ist in Längsrichtung der Speicherzellenreihen 5 und 6 wellenförmig ausgebildet und ragt jeweils an jedem Ende in seiner Längsrichtung in einen Umströmungsverteilerkanal 19, 20. Die Umströmungsverteilerkanäle 19, 20 haben jeweils zwei Kammern, die voneinander getrennt sind. Die eine Kammer ist ein Verteilerkanal für den Vorlauf und wird deshalb auch als Vorlaufverteilerkanal 43 bezeichnet. Die andere Kammer ist für die Aufnahme des Rücklaufs des Temperiermediums bestimmt und wird deshalb auch als Rücklaufsammelkanal 44 bezeichnet.
In 7 ist der Kanalbauteil 25 im Querschnitt längs der Linien I-I dargestellt. Im Querschnitt sind die Wärmeaustauscherkanäle 34, 35, 36, 37, 38 und 39 sichtbar. Der Rücklaufverteilerkopf 13 ist in 7 ebenfalls im Querschnitt dargestellt. In den Wärmeaustauscherkanälen 34 bis 39 fließt jeweils das Temperiermedium in den durch Pfeile symbolisierten Strömungsrichtungen. Die Wärmeaustauscherkanäle 34, 36 und 38 haben jeweils Öffnungen 45, 46, 47 in ihren, in den Rücklaufsammelkanal 44 des Umströmungsverteilerkanals 19 ragenden Enden. Die Wärmetauscherkanäle 35, 37 39 haben jeweils Öffnungen 48, 49 50 in ihren in den Rücklaufsammelkanal 44 des Umströmungsverteilerkanals 20 ragenden Enden. An denjenigen Enden der Wärmeaustauscherkanäle 34, 36 und 38, die den Enden mit den Öffnungen 45, 46 47 entgegengesetzt sind, befinden sich jeweils die Öffnungen 41, die einen Durchgang zu der Reihe von Wärmeaustauscherkanälen 51, 52, 53, 54, 55, 56 bilden, die zu der Reihe der Wärmeaustauscherkanäle 34 bis 39 parallel angeordnet ist. Die Reihe von Wärmeaustauscherkanälen 51, 52, 53, 54, 55 und 56 ist im Querschnitt längs der Linien II-II des Kanalbausteins 25 in 8 dargestellt. In 7 sind schematisch noch die Verbindungen zwischen den Rücklaufsammelkanälen 44 in den Umströmungsverteilerkanälen 19, 20 und den nachgeschalteten Rücklaufsammelkanälen 16,17 sowie die Verbindungen von letzteren zum Rücklaufverteilerkopf 13 durch Linien dargestellt.
Die 8 zeigt im Querschnitt den Vorlaufverteilerkopf 8, die vorgeschalteten Vorlaufverteilerkanäle 11 und 12 und die Vorlaufverteilerkanäle 43 in den Umströmungsverteilerkanälen 19 und 20. Die Wärmeaustauscherkanäle 51, 53 und 55 haben jeweils Öffnungen 57, 58, 59, die in den Vorlaufverteilerkanal 43 ragen. An den anderen Enden haben die Wärmeaustauscherkanäle 51, 53, 55 jeweils als Umlenkkanalabschnitte Öffnungen 60, die Durchlässe zu den korrespondierenden Öffnungen 41 der Wärmeaustauscherkanäle 34, 36 und 38 bilden. Die Wärmetaustauscherkanäle 52, 54 56 haben jeweils an den einen Enden, die in den Vorlaufverteilerkanal 43 ragen, Öffnungen 61, 62, 63. An ihren anderen Enden haben die Wärmeaustauscherkanäle 52, 54, 56 Öffnungen 60, die Durchlässe für das Temperiermedium jeweils zu den Öffnungen 41 der Wärmeaustauscherkanäle 35, 37 und 39 bilden.
Über den Vorlaufverteilerkopf 8 strömt das Temperiermedium zu den in 8 im Querschnitt ebenfalls dargestellten vorgeschalteten Vorlaufverteilerkanälen 11, 12 und von dort in die Vorlaufverteilerkanäle 43 in den Umströmungsverteilerkanälen 19 und 20. Das Temperiermedium gelangt vom Vorlaufverteilerkanal 43 im Umströmungsverteilerkanal 19 in die Wärmetauscherkanäle 52, 54 und 56. Vom Vorlaufverteilerkanal des Umströmungsverteilerkanals 20 gelangt das Temperiermedium in die Wärmeaustauscherkanäle 51, 53 und 55. Die Strömungsrichtungen des Temperiermediums in den Wärmeaustauscherkanälen 51, 53 und 55 sind entegegengesetzt zu denjenigen in den Wärmeaustauscherkanälen 52, 54, 56. Von den Wärmeaustauscherkanälen 51, 53 und 55 gelangt das Temperiermedium über die Öff nungen 60 und 41 in die wärmeaustauscherkanäle 34, 36 und 38 und verlässt diese jeweils im Rücklaufsammelkanal 44 des Umströmungsverteilerkanals 19. Von den Wärmeaustauscherkanälen 52, 54, 56 gelangt das Temperiermedium über die Öffnungen 60,41 je in die Wärmeaustauscherkanäle 35, 37 und 39 und verlässt diese jeweils im Rücklaufsammelkanal 44 des Umtrömungsverteilerkanals 20. Die Strömungsrichtungen des Temperiermediums sind somit auch in benachbarten Kanälen der Reihe von Wärmeaustauscherkanälen 34 bis 39 gegenläufig. Die gegenläufigen Strömungsrichtungen in jeweils zwei nebeneinander liegenden Wärmeaustauscherkanälen bewirkt in allen Speicherzellen 2 unabhängig von ihrer Lage in der jeweiligen Reihe 3, 4, 5 oder 6 eine weitgehend homogene Temperatur.
Von einem aus zwei Hälften zusammengesetzten Kanalbauteil ist in 9 in Seitenansicht die eine Hälfte 64 und in 10 die andere Hälfte 65 in Seitenansicht dargestellt. Die beiden Hälften 64, 65 haben jeweils in Längsrichtung der Speicherzellenreihen 3 bis 6 eine wellenförmige Oberfläche. In der Hälfte 64, deren Enden in die Vorlaufverteilerkanäle 66 und 67 ragen, befinden sich Wärmeaustauscherkanäle 68, 69 70, 71, 72 und 73. In die Wärmeaustauscherkanäle 69, 71 und 73 wird über Öffnungen 74 an den einen Enden bei zusammengesetzten, z. B. miteinander verklebten, Hälften 64, 65 und Einbau in einen Energiespeicher 1 das Temperiermedium eingespeist. In die Wärmeaustauscherkanäle 68, 70 und 72 wird über Öffnungen 74 an den einen Enden ebenfalls Temperiermedium von dem Vorlaufverteilerkanal 67 aus eingespeist. An den anderen Enden der Wärmeaustauscherkanäle 68, 70, 72 gelangt das Temperiermittel über nicht näher dargestellte Umlenkkanalabschnitte jeweils in die Enden von Wärmeaustauscherkanälen 75, 77 und 79. Aus den Wärmeaustauscherkanälen 75, 77, 79 strömt das Temperiermittel in einen Rücklaufsammelkanal 81. An den anderen Enden der Wärmeaustauscherkanäle 69, 71, 73 strömt das Temperiermittel über nicht dargestellte Umlenkkanalabschnitte wie Öffnungen in die Wärmeaustauscherkanäle 76, 78 und 80, von denen aus das Temperiermittel in einen Rücklaufsammelkanal 82 fließt. Auch bei dem aus zwei zusammengesetzten Hälften bestehenden Kanalbauteil fließen somit in benachbarten Wärmeaustauscherkanälen immer gegenläufige Ströme des Temperiermediums.
Der in 13 im Querschnitt dargestellte Verteilerkopf, z. B. der Vorlaufverteilerkopf 8 weist einen Anschluß 83 für die Verbindung zu einem externen Kühler oder Klimagerät und zwei Anschlüsse 84, 85 für die Verbindung zu vorgeschalteten Vorlaufverteilerkanälen 11, 12 sowie einen Flansch 86 auf. Mit dem Flansch 86 ist der Verteilerkopf 8 am Gehäuse 18 befestigt. Der Rücklaufverteilerkopf hat den gleichen Aufbau.
In l4 ist in Seitenansicht eine elektrochemische Speicherbatterie mit ihrem Batteriegehäuse 87 und einem externen Kühlkreislauf dargestellt, der einen Kühler 88 und eine Umwälzpumpe 89 für das Kühlmedium aufweist. Die 15 zeigt die Speicherbatterie von der anderen Seite aus. Die Speicherbatterie ist in 16 in der Ansicht von unten dargestellt. Es sind drei Lüfter 90 vorhanden, die einen Luftstrom durch den Kühler 88 treiben. Der Kühler 88 ist in 16 perspektivisch dargestellt. Eine Vorlaufleitung 91 ist an die Umwälzpumpe 89 angeschlossen. Ein Teil der Rücklaufleitung 92 ist in 6 ebenfalls dargestellt.
Die Kanalbauteile 7, 22, 23, 24, 25 bestehen aus Metall insbesondere Aluminium, wenn die Speicherzellen 2 ein elektrisch isoliertes Gehäuse haben. Bei Speicherzellen mit elektrisch leitendem, an die Kanalbauteile angrenzendem Gehäuseteil sind die Kanalbauteile aus nichtleitendem Material, z. B. Kunststoff, hergestellt. In solchen Kunststoff-Kanalbauteilen sind die Wärmetauscherkanäle an die wellenförmige Struktur angepasst.
Wenn der Energiespeicher prismatische Zellen enthält, werden Kanalbauteile mit ebenen Außenflächen verwendet.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher wird vorteilhafterweise in einem Elektrofahrzeug eingesetzt. Ein solches Fahrzeug kann insbesondere eine Brennstoffzelle als Hauptenergiequelle haben. Der Energiespeicher liefert die Energie für die dynamischen Bewegungsvorgänge, da die Brennstoffzelle eine gewisse Trägheit hat.

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher mit einer Wärmeaustauscherstruktur und mehreren elektrochemischen, jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordneten, gleich geformten Speicherzellen, die in der Wärmeaustauscherstruktur angeordnet sind, die von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscherkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Reihen von Speicherzellen (2) ein an den Speicherzellen (2) anliegendes Kanalbauteil vorgesehen ist, das in zwei nebeneinander angeordneten Reihen in Längsrichtung der Reihen (3, 4, 5, 6) von Speicherzellen (2) verlaufende, nebeneinander in jeder der beiden Reihen angeordnete Wärmeaustauscherkanäle (51, 52, 53, 54, 55, 56; 34, 35, 36, 37, 38, 39) aufweist, dass an den Enden der Reihen (3 bis 6) von Speicherzellen (2) je ein Vorlaufverteilerkanal (43) und je ein Rücklaufsammelkanal (44) angeordnet ist, dass benachbarte Wärmeaustauscherkanäle (51, 52, 53, 54, 55, 56) in der einen Reihe jeweils an ihren einen Enden mit dem an einem und dem am anderen Ende der Reihe von Speicherzellen angeordneten Vorlaufverteilerkanal (43) für die Einspeisung des Temperiermediums in zueinander entgegengesetzten Strömungsrichtungen in die benachbarten Wärmeaustauscherkanäle verbunden sind, dass jeder Wärmeaustauscherkanal (51, 51, 52, 53, 54, 55, 56) in der einen Reihe an seinem anderen Ende mit dem Ende des in der anderen Reihe benachbarten Wärmetauscherkanals (34, 35, 36, 37, 38, 39) verbunden ist und dass die anderen Enden der Wärmeaustauscherkanäle (34, 35, 36, 37, 38, 39) der anderen Reihe entsprechend ihrer Lage am Ende der Reihe mit dem Rücklaufsammelkanal 44) an dem einen oder dem anderen Ende der Reihen (3, 4, 5, 6) von Speicherzellen (2) verbunden sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den nach außen gerichteten Seiten der Speicherzellen (2) an den Außenseiten des Energiespeichers (1) jeweils ein Kanalbauteil (7, 22) vorgesehen ist, dessen den Speicherzellen (2) zugewandte Seiten an den Speicherzellen (2) anliegt und dessen den Speicherzellen abgewandte Seite eben ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle (43) für den Vorlauf und die Rücklaufsammelkanäle (44) jeweils neben den Enden der Reihen (3, 4, 5, 6) von Speicherzellen (2) zwischen den beiden äußeren Reihen (3, 6) von Speicherzellen (2) abwechselnd mit ihren Enden über die Speicherzellen beiderseits vorstehend parallel zueinander angeordnet sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle (43) für den Vorlauf an den beiden Enden der Speicherzellenreihen (3, 4, 5, 6) an ihren, an einer Seite über die Reihen der Speicherzellen (2) vorstehenden Enden je mit einem vorgeschalteten Verteilerkanal (11, 12) für den Vorlauf verbunden sind, der nahe an den Enden der Speicherzellenreihen (3, 4, 5, 6) auf einer Seite des Energiespeichers (1) sich zwischen den Speicherzellen der äußeren Reihen (3, 6) erstreckt.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufsammelkanäle (44) an den beiden Enden der Speicherzellenreihen (3, 4, 5, 6) auf der anderen Seite des Energiespeichers mit ihren über die Speicherzellen (2) vorstehenden Enden mit einem nachgeschalteten Rücklaufkanal (16, 17) verbunden sind, der nahe an den Enden der Speicherzellenreihen (3, 4, 5, 6) sich zwischen den Speicherzellen der äußeren Reihen (3, ) erstreckt.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden vorgeschalteten Verteilerkanäle (11, 12) für den Vorlauf und die beiden nachgeschalteten Rücklaufsammelkanäle (16, 17) je über eine Rohrleitung (9, 10; 14, 15) mit Ausgängen eines Vorlaufverteilerkopfs (8) bzw. mit Eingängen eines Rücklaufverteilerkopfs (13) verbunden, wobei der Eingang des Vorlaufverteilerkopfs (8) und der Ausgang des Rücklaufverteilerkopfs an eine externe Kühleinrichtung oder an einen Klimaanlagenkompressor angeschlossen sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbauteile (7, 22, 23, 24, 25) an ihren, den Speicherzellen zugewandten Seiten eine wellenförmige Struktur (26) mit an die zylindrischen Gehäuse der Speicherzellen (29) angepassten halbzylindrischen Vertiefungen aufweisen.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Speicherzellen mit elektrisch leitenden, an die Kanalbauteile anliegenden Gehäuseteilen die Kanalbauteile aus elektrisch isolierendem Material bestehen.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Speicherzellen mit elektrisch isolierenden, an die Kanalbauteile anliegenden Gehäuseteilen die Kanalbauteile aus Metall bestehen.
Elektrochemischer Energiespeicher Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Aluminium ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbauteile aus einzeln gefertigten Bauteilen zusammengesetzt (64, 65) sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlaufverteilerkopf (8) und der Rücklaufverteilerkopf (13) in einem Kreislauf mit einer Umwälzpumpe (89) und einem Kühler (88) angeordnet sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung in einem Elektrofahrzeug.