DE2835501C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit zu Zellenblöcken zusammengefaßten Einzelzellen.

Beim Betrieb von Batterien, die aus einzelnen galvanischen Elementen bestehen, können Betriebszustände eintreten, die eine Erhöhung der Temperatur zur Folge haben. Die Tempera­ turen können dabei solche Werte erreichen, daß eine Zer­ störung der Baumaterialien sowie der aktiven Zellenteile (Elektroden, Elektrolyte) und aber auch daß unzulässige elektrochemische Reaktionsabläufe eintreten können. Anderer­ seits kann es erforderlich sein, daß erst eine bestimmte Temperatur erreicht werden muß, um eine elektrochemische Reaktionsfähigkeit zu erreichen.

Bei galvanischen Batterien, bei denen wenigstens ein Reaktant (Luft, Gas oder flüssige Brennstoffe) oder der Elektrolyt unmittelbar an die eigentliche Zelle herangeführt wird, kann dieses Fluid auch zur Abführung oder Zuführung von Wärme herangezogen werden. So sind z. B. in DE-AS 21 64 623 oder DE-OS 20 60 585 Batterien oder Zellen beschrieben, bei denen die einzelnen Elektroden direkt angeströmt werden. Um eine gleichmäßige Versorgung der Elektroden mit Elektro­ lyten oder Reaktanten sicherzustellen, besitzen die Zu- und Ableitungssammelkanäle einen stromab sich verjüngenden oder erweiternden Querschnitt, wobei sich die Eintritts- und Aus­ trittsöffnungen diametral gegenüberliegen.

Bei galvanischen Batterien, bei denen die einzelnen Zellen beispielsweise ummantelt sind, oder bei denen mehrere Ein­ zelzellen zu Zellenblöcken (Moduln) zusammengefaßt und beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, wie dies z. B. bei Hochtemperaturakkumulatoren, Nickel- Wasserstoff-Zellen oder anderen Systemen der Fall ist, kann es vorkommen, daß die Zuführung eines aktiven Fluids zu gering für den Wärmetransport ist oder ganz entfällt (Akkumulatoren). Bei diesen Batterien ist es bekannt, entwe­ der die gesamte Batterie zu kühlen oder zu heizen (DE-OS 26 45 261) oder die einzelnen Zellenblöcke so anzuordnen, daß sie innerhalb des gemeinsamen Gehäuses von einem Kühl- oder Heizmedium umströmt werden können (z. B. GB-PS 13 86 525 oder Argonne National Laboratory Report ANL-8109, Januar 1975, Seiten 108 bis 109). Die so erreichte Kühlung ist jedoch nicht immer befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige Kühlung oder Heizung an allen Zellenblöcken durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 beschriebene Batterie gelöst.

Jeweils mehrere Einzelzellen sind zu einem ummantelten Zellen­ block zusammengefaßt und mehrere Zellenblöcke sind so ange­ ordnet, daß die Zwischenräume Kanäle für ein Kühl- oder Heiz­ medium bilden, wobei ein Zuführungskanal für die Kanäle zwi­ schen den Zellenblöcken einen stromab sich verjüngenden Quer­ schnitt aufweist, und ein Sammelkanal für die Ableitung aus den Kanälen einen stromab sich erweiternden Querschnitt auf­ weist und wobei die Zuführung und der Austritt einander dia­ metral gegenüberliegen.

Die Zellenblöcke sind in einem sowohl elektrisch isolierenden als auch wärmeisolierenden Material angeordnet und zur Vereinfachung des Aufbaus sind die das Medium zuführenden und abführen­ den Hauptkanäle teilweise in diesem Material ausgebildet.

Der Eintrittskanal liegt in einer Ebene unterhalb der Zellen­ blockunterkante und der Sammelkanal in einer Ebene oberhalb der Zellenblockoberkante. Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Hochtemperaturakkumulatoren, wie beispielswei­ se Na/S-Batterien, sowie Nickel/Wasserstoffbatterien, die auf­ grund ihrer Konstruktion einer besonders wirksamen Kühlung be­ dürfen. In derartigen Batterien sind gewöhnlich eine oder mehrere Elektrodenstapel zu einem Zellenblock vereinigt und in einem gemeinsamen gasdichten Druckgehäuse eingeschlossen. Diese Zellenblöcke (20) sind in Fig. 1 eingezeichnet. Auf eine Wärmeisolierung kann bei Nickel/Wasserstoffbatterien ver­ zichtet werden.

In vorteilhafter Weise kann eine getrennte Zu- und Abführung bzw. Zirkulation des wärmeaufnehmenden oder wärmetragenden Mittels, wie z. B. Luft, Wasser oder Öl, durchge­ führt werden.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich dann, wenn die Zellenblöcke parallel zueinander angeordnet sind.

Dadurch wird eine besonders günstige Strömung des Mediums er­ zielt, weil erreicht wird, daß längs der Kanäle ein nahezu kon­ stanter Druck herrscht und sich gleiche Geschwindigkeiten in den Kanälen einstellen.

Ein sehr einfacher und gut funktionierender Aufbau kann dadurch erreicht werden, daß die Zuführung und der Austritt an diagonal gegenüberliegenden Ecken einer rechtecki­ gen oder parallelogrammartigen Kammer liegen.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, daß die das Medium zu- und abführenden Hauptkanäle in auf die Batterie aufgesetzten Kam­ merelementen ausgebildet sind.

Um den Mediumdurchsatz zu erhöhen, kann an der Medieneinlaß­ seite ein Gebläse vorgesehen sein. Falls eine Heizung er­ wünscht ist, kann an der Medieneinlaßseite eine Heizung vor­ gesehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Schnittansichten einer Batterie.

Aus Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Einzelzellen 1, beispiels­ weise Elektrolytrohre von Na/S-Zellen, senkrecht zur Zeichenebene und parallel zueinander angeordnet sind. Jeweils eine Reihe sol­ cher z. B. elektrisch parallelgeschalteter Einzelzellen ist zu einem Zellenblock 2 zusammengefaßt, welcher mit einem Blechge­ häuse umschlossen ist. Es kann aber auch eine Anordnung gewählt werden, bei der jeweils einzelne konzentrisch ummantelte Zellen in einer Reihe bautechnisch zu einem Zellenblock zusammengefaßt werden. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der die einzelnen Zellen liegend, statt stehend angebracht sind. Eine solche Anord­ nung ist in der Mitte der Fig. 1 für eine Ni/H₂-Batterie gezeigt, wobei die Zellenblöcke mit 20 und die Zwischenräume mit 30 bezeich­ net sind. Bei Ni/H₂-Batterien besteht ein Zellenblock aus mehreren Plattenpaaren einzelner positiver und negativer Platten und wird auch als Modul bezeichnet. Der Einfachheit halber soll im übrigen zur Darstellung lediglich ein geschlossener Kasten angedeutet wer­ den. Um eine möglichst hohe Batteriespannung zu erhalten, würden dann viele solcher Zellenblöcke in Serie geschaltet werden. Die Zellenblöcke 2 sind parallel und mit kleinen Abständen zueinander angeordnet, und diese Zwischenräume bilden zwischen den Zellen­ blöcken 2 verlaufende Kanäle 3. Eine Vielzahl solcher Zellenblöcke bilden einen Batterieblock 4. Je nach der notwendigen Anzahl von Zellenblöcken werden ein oder mehrere Batterieblöcke 4 zu einer Batterie zusammengefaßt (im vorliegenden Beispiel drei).

Na/S-Batterien arbeiten vorzugsweise bei einer Temperatur von 300 bis 350°C. Ist die Batterie vollgeladen, muß die Temperatur wenigstens 116°C erreichen, damit die beiden Reaktionspartner Natrium und Schwefel reaktionsfähig (flüssig) sind. Deshalb muß die Batterie zuerst auf die Betriebstemperatur gebracht werden, was beispielsweise über eine einschaltbare elektrische Heiz­ wicklung 5, die einem Gebläse 6 nachgeschaltet ist, erfolgen kann.

Um beim Betrieb oder während Betriebspausen die notwendige Tem­ peratur aufrechtzuerhalten, ist die gesamte Batterie mit einer Wärmeisolierung 7 ummantelt. Während der Abgabe von elektrischer Leistung entsteht in den Zellen Verlustwärme. Diese wird über den Kühlluftstrom 8 nach außen gebracht. Die zur Führung des Kühl­ luftstroms notwendigen Hauptkanäle 9, 10, 11 und 12 (s. auch Fig. 2) sind dabei teilweise in die Isolierung 7 eingelassen. Der Kanal 9 ist dabei so gestaltet, daß er in einer Ebene unter­ halb der Zellenblockunterkante 13 (Fig. 2) zu liegen kommt und sich vom Eintrittsquerschnitt kontinuierlich nach hinten verjüngt. Die Luft kann nun quer zu diesem Kanal 9 in den unteren Verteilerkanal 10 einströmen. Dieser Kanal verjüngt sich ebenfalls in Strömungs­ richtung und stellt den eigentlichen Verteilerkanal für die Luft­ strömung in die Zellenblöcke dar. Vom unteren Verteilerkanal 10 strömt die Luft durch die Zwischenräume 3 oder 30 zwischen den Zellenblöcken hindurch in den oberhalb der Zellenblöcke gelegenen Sammelkanal 11, wobei die Zellenblöcke als Leitelemente dienen und der Sammelkanal sich in Strömungsrichtung kontinuierlich er­ weitert. Die zwischen den Zellenblöcken hindurchströmende Luft fin­ det eine große Oberfläche vor, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen den Zellenwänden und der durchströmenden Luft stattfin­ det. Vom Sammelkanal 11 strömt die Luft auf der gesamten Länge in den parallel zum Eintrittskanal 9 gelegenen Austrittskanal 12, der sich in einer Ebene oberhalb der Zellenblockoberkante 14 und in Strömungsrichtung erweiternd erstreckt. Von dort gelangt der Luftstrom ins Freie oder in einen zusätzlichen Führungskanal oder in ein Kanalsystem und kann beispielsweise in ein Zirkulations­ system (z. B. Fahrzeugheizung) eingegliedert werden.

Die im vorliegenden Beispiel gezeigte Anordung schließt die Ver­ wendung anderer wärmeauf- und -abgebender Medien nicht aus.

Aufgrund der symmetrischen Anordnung für die Strömungsführung ist auch ein Wechselbetrieb möglich, d. h. ein oder mehrere Medien können abwechselnd in der beschriebenen Richtung vom Austritt zum Eintritt strömen.

Anstelle der erwähnten, zu Zellenblöcken zusammengefaßten gal­ vanischen Einzelzellen können im Prinzip auch andere Reaktions­ systeme treten, die z. B. während ihrer Reaktion Wärme abgeben oder aufnehmen.

Claims (8)

1. Batterie mit Zuführungssammelkanälen für eine Flüssigkeit oder ein Gas, die einen stromab sich verjüngenden Querschnitt besitzen und mit Ableitungssammelkanälen, die einen stromab sich erweiternden Querschnitt besitzen und wobei die Zu­ führungsöffnung und die Austrittsöffnung einander diametral gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Batterie in an sich bekannter Weise aus zu ummantelten Zellenblöcken (2) zusammengefaßten Einzelzellen (1) besteht, die so angeordnet sind, daß die Zwischenräume Kanäle (3) für ein Kühl- oder Heizmedium bilden,
daß die Zellenblöcke (2) owohl in einem elektrisch isolierenden als auch wärmeisolierenden Material (7) angeordnet sind,
daß die das Medium zu- und abführenden Sammelkanäle (9, 10, 11, 12) außerhalb der Zellenblöcke angeordnet und teilweise in dem isolierenden Material (7) ausgebildet sind.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenblöcke (2) parallel zueinander angeordnet sind.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (9) und der Austritt (12) an diagonal gegenüberliegenden Ecken einer rechteckigen oder parallelogrammartigen Kammer liegen.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittskanal (9, 10) in einer Ebene unterhalb der Zellenunterkante (13) und der Sammelkanal (11) in einer Ebene oberhalb der Zellenblockoberkante (14) liegen.

5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie eine Na/S-Batterie ist.

6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie eine Nickel/Wasserstoffbatterie ist.

7. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Mediumeinlaß ein Gebläse (6) vorgesehen ist.

8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Mediumeinlaß eine Heizung (5) vorgesehen ist.