WO2015169566A1 - Systemanordnung mit natrium-nickel-chlorid-batterie und wärmeversorgungssystem - Google Patents

Systemanordnung mit natrium-nickel-chlorid-batterie und wärmeversorgungssystem Download PDF

Info

Publication number
WO2015169566A1
WO2015169566A1 PCT/EP2015/058395 EP2015058395W WO2015169566A1 WO 2015169566 A1 WO2015169566 A1 WO 2015169566A1 EP 2015058395 W EP2015058395 W EP 2015058395W WO 2015169566 A1 WO2015169566 A1 WO 2015169566A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
fluid
temperature
liquid
battery
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/058395
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kühne
Dieter Most
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2015169566A1 publication Critical patent/WO2015169566A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/617—Types of temperature control for achieving uniformity or desired distribution of temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/39—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
    • H01M10/399—Cells with molten salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • H01M10/6568—Liquids characterised by flow circuits, e.g. loops, located externally to the cells or cell casings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a system arrangement comprising at least one battery cell sodium-nickel-chloride battery and a method for operating such a system arrangement, as well as a memory system comprising at least two of these system arrangements.
  • Sodium-nickel-chloride batteries are reckoned among the high-temperature batteries, and are typically operated in a temperature range between 270 ° C and 350 ° C.
  • the high operating temperatures are required in order to make sufficient ion-conductive for a solid electrolyte comprised of the battery cells for the separation of anode space and cathode space, so that a sufficiently low internal resistance prevails for the battery-internal ion exchange.
  • a cooling air is mainly used, is in which waste heat from the Bat ⁇ teriezellen discharged via externally supplied cooling air.
  • air cooling is known, for example, from DE 40 29 901 A1, in which air ensures a heat distribution by targeted flow around parts of the surfaces of the battery cells.
  • suitable flow spaces are provided above and below the respective cells, through which the air can flow in a predetermined direction. A further cooling measure to dissipate the operating heat is not provided.
  • Another known from the prior art solution for cell cooling relates to a cooling method by means of suitable Coolant, as described for example DE 43 09 070 Al. It is proposed in a heat-insulating housing to cool a high-temperature battery by means of suitable cooling liquid ⁇ speed via a cooling circuit. If necessary, the housing is evacuated and individual battery cells are arranged next to one another in stacks. To mediate the cooling effect of a cooling plate in the region of the bottom surface of the bat ⁇ teriezellen is provided on which the high-temperature battery cells are arranged. The cooling plate is flowed through by a cooling fluid based on a silicone oil, so that the operating heat from the battery cells can be dissipated via the bottom surface into the cooling fluid. Outside ⁇ half of the battery case, a circulating pump is provided, which drives the cooling liquid circuit, and a heat exchanger, via which the heat from the circuit ist ⁇ leads can be.
  • a sodium-nickel-chloride battery In addition to a supply of the battery cells with cooling power, it may also be necessary, depending on the operating condition, to supply the battery cells accordingly with heating power. Especially after a long standstill of a sodium-nickel-chloride battery, the cell temperature can drop below an operating temperature threshold of about 270 ° C. after just a few hours, under which economical operation of the battery cells is no longer possible. In this respect, a sodium-nickel-chloride battery must also be connected to a suitable heat supply system, which can provide the necessary heating power when needed. Generic heaters are known from the prior art in the field of molten salt batteries (Molten Salt Battery).
  • US 2012/0171524 AI describes a heat supply of individual molten salt batteries, which are surrounded in a container of heating fluid.
  • the heating fluid is used to directly supply the batteries with thermal heating power, wherein the liquid can be passed over an external circuit to a heating element for heat absorption.
  • the tion a targeted cooling of the heating fluid by Füh ⁇ tion of the same in a further external circuit, in which the heating fluid can be passed to a source of heat for the release of heat energy over.
  • the targeted flow around the batteries at the same time excessive cooling, as well as unwanted overheating should be prevented so as to be able to keep the cells in a desired operating range.
  • a heat supply system which is to provide by air cooling or air heating for a suitable heat exchange with the battery cells proves to be very poor. It is precisely in those based on an air circulation heat supply systems sometimes experience high temperature differences between the outer surface of a battery cell and the ternal in ⁇ components of the battery cell. In particular, in the case of high current loads of sodium nickel chloride battery cells, such as a high current discharge, so sometimes temperature differences of 50K and more can be the result. However, this sometimes means that inside the battery cells a temperature prevails that is 50K above the appropriate working temperature of the sodium-nickel-chloride battery.
  • a system arrangement comprising at least one battery cell having sodium-nickel-chloride battery, which is arranged in a liquid container with a heat fluid such that the heat fluid is in direct thermal contact with the battery cells, said Heat fluid with a flow can be acted upon by a Strö ⁇ tion generator, which reaches each battery cell, further comprising a heat supply system, which supplies the heat fluid with heat such that the battery cells a temperature band of a width of at most 10 ° C throughout the operation of the Sodium nickel chloride battery is kept.
  • a storage system comprising at least two such system arrangements in advance, as well as the system arrangements described below, which are electrically and / or thermally interconnected with each other, comprising an insulating layer which has the least surrounds at least two system arrangements and thermally insulated to the outside.
  • a sodium-nickel-chloride battery is a battery that works on the basis ⁇ position of the technology of sodium-nickel-chloride cells.
  • battery cells are also included, which in addition to nickel as iron in the cathode compartment of the battery cell as redox material.
  • heat-liquid is a liquid intended for the transport of heat. Heat can be in the sense of positive thermal energy
  • Heating energy As well as negative thermal energy (cooling energy).
  • the heat fluid can be acted upon by a flow.
  • the heat fluid is applied during operation of the sodium-nickel-chloride battery with a flow.
  • System arrangement be suitable for pressurizing the heat fluid with a ent ⁇ speaking flow during operation of the sodium-nickel-chloride battery. However, it may be that, for example, during downtime or standby times, to a flow admission is temporarily omitted.
  • the heat supply by the heat supply system can both increase the temperature and also lower the temperature of the battery cells.
  • the heat supply system can supply the heat fluid with both cold (negative thermal energy) and heat (positive thermal energy).
  • the average temperature of the battery cells In order to determine the average temperature of the battery cells, it should be averaged over the entire temperature distribution on the outer surface of a battery cell.
  • the Tempe ⁇ raturbetician can be achieved by suitable temperature sensors so far, for example, which are attached to the outer surface of a battery cell.
  • the Be ⁇ operating temperature of a battery cell can be determined only indirectly via the temperature of the heat fluid.
  • the heat exchange with individual battery cells is much more efficient.
  • the heat capacity of the heat fluid is able to very quickly thermal energy to the battery donate cells or record.
  • the temperature of the heating fluid can be drawn into it within limits as a measure of the average Tempe ⁇ temperature of the battery cells.
  • the Applicant has recognized in their internal experiments that a heat supply by means of heat fluid alone does not lead to a lifetime extension of the respective battery cells. Rather, it is necessary to reduce the thermal temperature fluctuations in and on the battery cells in order to largely avoid the said negative loads on the battery cells. Accordingly proposes to ⁇ melderin to provide the heating fluid over a heat supply ⁇ system such heat or cold to the individual battery cells can be maintained in a temperature band of an average width of more than 10 ° C during the entire loading drive.
  • the heat supply system serves for a suitable heat supply of the heat fluid.
  • it is necessary to operate the flow Gene ⁇ ator such that the heat liquid egg ⁇ ner sufficiently large or small flow can be acted upon.
  • the storage system comprises an insulating layer which at least two system arrangements surrounding and thermally insulated to the outside.
  • an excessive heat loss to the outside, especially at times of required supply of the battery cells with thermal heat energy can be improved.
  • unnecessary cost of materials is reduced additionally, which would result in approximately a ⁇ Iso-regulation of the individual system assemblies.
  • the invention thus ensures that a direct
  • Thermal contact between the heat fluid and the battery cell achieves a significantly improved heat transfer rate compared to heat transfer to approximately air. So takes about each Mo ⁇ lekül a heat fluid, the same specific amount of heat per 1C temperature difference on, regardless of whether it is in the gas phase or in the liquid phase. However, since the liquid phase has a density compared to gas of about 1000 times more, the heat exchange at the surface of the battery cell is also significantly higher in the case of a heat-liquid. A similar consideration applies to a consideration of the volume-specific heat capacity. More heat energy can be stored per unit volume as in a thermal fluid opposite ei ⁇ nem gaseous medium thousand times.
  • the heating fluid is acted upon by a flow through the flow generator, the fluid dynamic performance of the heat fluid as a function of a dependent of the temperature of the furnishedflüs ⁇ stechnik size as control parameters is regulated.
  • This quantity could be the temperature itself, but also a quantity derived therefrom, such as a temperature difference or a temperature deviation from a predetermined desired value would be suitable. So the temperature of the heat liquid carried out as above is execution According to, a good measure of the temperature at the Au ⁇ z Formation the battery cell is used as control parameters for the flow generator.
  • the flow generator can apply an increased flow to the heat fluid if necessary, whereby the exchange rate of the heat fluid at the surface of the battery cells can be increased. As a result, more heat energy can be released to the heat-liquid and dissipated via the flow of the heat-liquid.
  • a storage container in which heat fluid is provided, wherein the storage container is connected fluid-technically with the liquid container.
  • the fluidic interconnection is achieved in particular by means of hoses or pipes and suitable to ⁇ connections, which can also be thermally insulated.
  • heat liquid can be exchanged from the storage container with the liquid container so that a suitable conditioning of the temperature level of the heat liquid in the liquid container can take place.
  • This exchange may also, according to another embodiment, be made regulated, for example, depending on a dependent of the temperature of the heat liquid size as Regelpa ⁇ parameters.
  • both containers are not identical.
  • the supply container at least holds a portion of the heat supply system, in particular a cold ⁇ source and / or heat source of the heat supply system environmentally which is provided for the thermal conditioning of the heating fluid therein.
  • the thermal conditioning of the thermal fluid can completely be partial or even in the storage container, which must be provided for such components ⁇ by in the liquid container on the one hand less space required, on the other hand may also take place an improved homogenization of the temperatures of the heating fluid, as before feeding of heat fluid from the storage container already a fürmi ⁇ tion of the newly added heat fluid can be done.
  • the cherriesmentsssys ⁇ system which supplies the heating fluid with heat, in dependence from a ⁇ the dependent from the temperature of the heating fluid in size than control parameters can be adjusted or regulated.
  • the temperature of the heat liquid can describe the temperature on the wall of the battery cells to a good approximation or be drawn on behalf of it.
  • the temperature of the heat fluid can heranzo ⁇ gen will also be a suitable control parameters to adjust the temperature of the battery cells suitable.
  • the required temperature measurement may possibly be averaged at different locations of the
  • Liquid container take place.
  • the temperature in the region of the flow generator is detected, at which a mechanical homogenization of the heat liquid and there ⁇ takes place with good temperature mixing.
  • the heat fluid is thermally stable at operating temperature ⁇ .
  • such decomposition phenomena would be highly relevant to safety and to avoid.
  • the heating fluid is chemically stable at Be ⁇ operating temperature.
  • no chemical reactions should take place with the components of the system arrangement with which the heat fluid is in contact.
  • metallic substances for example the walls of the battery cells.
  • the heat fluid is electrically insulating at the operating temperature.
  • no electrical ⁇ rule flows between the individual battery cells or between the battery cells and the wall of the liquid container to be transported, so that about a direct discharge between adjacent battery cells or the wall of the fluid container would result.
  • the heat liquid to a very high electrical spe ⁇ -specific resistance, for example, in a typical operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellent operating temperature ofexcellents 2xl0 4 ⁇ x mm 2 / m.
  • the heat fluxes a flow is acted upon by the flow generator whose fluid-dynamic working power at the heat fluid in response to a dependent of the temperature of the heat liquid size is regula- ble or regulated as a control parameter.
  • the advantages ⁇ ser embodiment reference is made to the advantages of the comparable system arrangement.
  • the heat supply system which supplies the heating fluid with heat, in dependence of a dependent of the temperature of the heating fluid size as the control parameter is re ⁇ Gelbar or regulated.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a system arrangement according to the invention in a sectional view from above;
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the system arrangement according to the invention in a sectional view from above; 3 shows a first embodiment of the method according to the invention in a flow diagram;
  • FIG. 4 shows an embodiment of the storage system according to the invention in a lateral sectional view
  • FIG. 5 shows an experimental temperature profile of an operating sodium-nickel-chloride battery as part of a system arrangement, which was designed according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a system arrangement 1 in a schematic view from above, in which in a liquid container 20 comprises a plurality of one another elekt ⁇ driven of interconnected battery cells 11 of a sodium nickel chloride battery 10th
  • the battery cells 11 are surrounded by heat fluid 21, which fills the remplisstechniksbe ⁇ ratio 20.
  • the heat fluid is now applied 21 by means of a flow generator 22 at a flow, wel ⁇ che generated in the liquid container 20, a flow which reaches all the battery cells, ie there is a mechanical heat exchange fluid 21 takes place on at least part of the surface of the battery cells 11.
  • the flow is in this case designed such that a circular flow is formed in the liquid container 20, which ensures a heat ⁇ me cheesekeits described to the respective battery cells 11.
  • the thermal fluid enters Bauelemen ⁇ th of a heat supply system 30, whereby the heat of liquid 21 can be supplied with positive as well as negative thermal energy of thermal energy. Due to the surface contact of the sans gall ⁇ speed on the components of the heat supply system 30, there is a local heating or cooling of the heat fluid 21.
  • the components of the heat supply system 30 are preferably a suitable heat source or heat sink.
  • the battery cells can be operated by the heat fluid such that during the entire operation of the sodium nickel chloride battery 10 the battery cells in a Tempe ⁇ raturband TB a width of at most 10 ° C can be maintained.
  • 2 shows a further embodiment of the invention shown SEN system arrangement 1 in a sectional view from above.
  • a storage container 25 is furthermore provided which is fluidically connected to the liquid container 20.
  • at least one component of the heat supply system 30 is arranged in the storage container 25.
  • Liquid container 20 to provide a heat and cold source of Wär ⁇ mementsssystems 30.
  • FIG 3 shows a first embodiment of the method according to the invention for operating a system arrangement described in advance, as well as below, comprising the following steps: Operating the at least one battery cell 11 auf jos- the sodium-nickel-chloride battery 10 (first procedural ⁇ rens effet 101);
  • FIG. 4 shows a sectional view from the side through an exemplary form of an inventive memory system 100 that includes three system configurations 1, as they were approximately shown in advance, said system arrangements are connected electrically and / or thermally to each other, comprising ei ⁇ ne insulating layer 40, surrounding the three electrically and / or thermally interconnected system arrangements 1 and thermally insulated to the outside.
  • the system arrangements 1 shown are connected in series electrically and / or thermally.
  • the system arrangements 1 shown can also be interconnected electrically and / or thermally in parallel with one another.
  • FIG. 5 shows a time curve of the temperature of a battery cell, which is arranged in one embodiment of a system arrangement 1 according to the invention.
  • the average temperature of the detected battery cell is kept in a temperature band TB of a width of at most 10 ° C throughout the operation of the sodium-nickel-chloride battery.
  • the Temperaturent ⁇ winding during a portion of the measuring time increases with increasingly small local fluctuations. The fluctuations result from the alternating charging and discharging operating conditions, which require a release or absorption of thermal energy, in addition to one of the exact execution of form the system arrangement 1 dependent heat loss rate are superimposed.
  • the charging or discharging operation of the sodium-nickel-chloride battery 10 corresponds here during the daily gear an assumed energy conversion, as it might prevail, for example, in public power supply networks. In order to replicate the reduced energy sales for the weekend of a completed week, this was reduced from the fifth day.
  • the rising profile shows a reduced heat loss from the system assembly 1 to the outside during the entire operation.
  • This rising profile could be substantially avoided by providing a suitable source of cold, thereby resulting in a substantially horizontal, average temperature profile.
  • the Applicant's experiments already show impressively that even under these simplified circumstances, operation of the sodium-nickel-chloride battery can already be maintained for a few days in the temperature band of the highest 10 ° C. according to the invention. With the provision of further improvements, even a further reduction of this temperature band TB can be expected.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Systemanordnung (1) umfassend eine mindestens eine Batteriezelle (11) aufweisende Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (10), die in einem Flüssigkeitsbehältnis (20) mit einer Wärmeflüssigkeit (21) derart angeordnet ist, dass die Wärmeflüssigkeit (21) mit den Batteriezellen (11) in direktem Wärmekontakt ist, wobei die Wärmeflüssigkeit (21) mit einer Strömung durch einen Strömungsgenerator (22) beaufschlagbar ist, die jede Batteriezelle (11) erreicht, und wobei weiterhin ein Wärmeversorgungssystem (30) umfasst ist, welches die Wärmeflüssigkeit (21) derart mit Wärme versorgt, dass die Batteriezellen (11) in einem Temperaturband (TB) einer Breite von durchschnittlich höchstens 10°C während des gesamten Betriebs der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (10) gehalten wird.

Description

Beschreibung
Systemanordnung mit Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie und Wär¬ meversorgungssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Systemanordnung umfassend mindestens eine Batteriezelle aufweisende Natrium- Nickel-Chlorid-Batterie sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Systemanordnung, wie auch ein Speichersystem, welches wenigstens zwei dieser Systemanordnungen umfasst.
Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien werden zu den Hochtemperaturbatterien gerechnet, und werden typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 270 °C und 350 °C betrieben. Die hohen Betriebstemperaturen sind erforderlich, um einen von den Batteriezellen umfassten Festkörperelektrolyten zur Trennung von Anodenraum und Kathodenraum ausreichend ionenleitfä- hig zu machen, so dass für den batterieinternen Ionenaustausch ein ausreichend geringer Innenwiderstand vorherrscht.
Während eines Lade- bzw. insbesondere während des Entladebet¬ riebs ist es erforderlich, die Batteriezellen zu kühlen, um die thermische Verlustenergie aus den Batteriezellen abführen zu können. Zur Kühlung der Batteriezellen wird überwiegend eine Luftkühlung eingesetzt, bei welcher Abwärme aus den Bat¬ teriezellen über extern zugeführte Kühlluft abgeführt wird. Eine solche Luftkühlung ist beispielsweise aus der DE 40 29 901 AI bekannt, bei welcher Luft durch gezielte Umströmung von Teilen der Oberflächen der Batteriezellen für eine tempe- rierte Wärmeverteilung sorgt. Um eine weitgehend gleichmäßige Luftströmung zu erzeugen, sind über und unter den jeweiligen Zellen geeignete Strömungsräume vorgesehen, durch welche die Luft mit einer vorgegebenen Richtung strömen kann. Eine weitergehende kühltechnische Maßnahme zur Abführung der Be- triebswärme ist nicht vorgesehen.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung zur Zellenkühlung betrifft ein Kühlverfahren mittels geeigneter Kühlflüssigkeit, wie es etwa die DE 43 09 070 AI beschreibt. Hierbei wird vorgeschlagen in einem wärmeisolierenden Gehäuse eine Hochtemperaturbatterie mittels geeigneter Kühlflüssig¬ keit über einen Kühlkreislauf zu kühlen. Das Gehäuse ist hierbei ggf. luftleer und einzelne Batteriezellen sind neben¬ einander in Stapeln angeordnet. Zur Vermittlung der Kühlwirkung ist eine Kühlplatte im Bereich der Bodenfläche der Bat¬ teriezellen vorgesehen, auf welcher die Hochtemperaturbatteriezellen angeordnet sind. Die Kühlplatte wird von einer Kühlflüssigkeit auf Basis eines Silikonöls durchflössen, so dass die Betriebswärme aus den Batteriezellen über die Bodenfläche in die Kühlflüssigkeit abgeführt werden kann. Außer¬ halb des Batteriegehäuses ist eine Umwälzpumpe vorgesehen, welche den Kühlflüssigkeitskreislauf antreibt, sowie ein Wär- metauscher, über welchen die Wärme aus dem Kreislauf abge¬ führt werden kann.
Neben einer Versorgung der Batteriezellen mit Kühlleistung kann es je nach Betriebszustand auch erforderlich sein, die Batteriezellen entsprechend mit Heizleistung zu versorgen. Insbesondere bei längerem Stillstand einer Natrium-Nickel- Chlorid-Batterie kann bereits nach wenigen Stunden die Zell¬ temperatur unter eine Betriebstemperaturschwelle von etwa 270°C sinken, unter welcher ein wirtschaftlicher Betrieb der Batteriezellen nicht mehr möglich ist. Insofern muss eine Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie auch mit einem geeigneten Wärmeversorgungssystem verschaltet sein, welches bei Bedarf die notwenige Heizleistung zur Verfügung stellen kann. Gattungsgemäße Heizvorrichtungen sind etwa aus dem Stand der Technik im Bereich der Salzschmelzenbatterien (Molten Salt Battery) bekannt. So beschreibt etwa die US 2012/0171524 AI eine Wärmeversorgung von einzelnen Salzschmelzenbatterien, die in einem Behältnis von Heizflüssigkeit umgeben sind. Die Heizflüssigkeit dient der direkten Versorgung der Batterien mit thermischer Heizleistung, wobei die Flüssigkeit über einen externen Kreislauf an einem Heizelement zur Wärmeaufnahme vorbeigeführt werden kann. Gleichzeitig erlaubt die Vorrich- tung eine gezielte Abkühlung der Heizflüssigkeit durch Füh¬ rung derselben in einem weiteren externen Kreislauf, in welchem die Heizflüssigkeit an einer Kältequelle zur Abgabe von Wärmeenergie vorbei geführt werden kann. Durch die gezielte Umströmung der Batterien soll gleichzeitig eine übermäßige Abkühlung, wie auch unerwünschte Überhitzung verhindert werden, um so die Zellen in einem gewünschten Betriebsbereich halten zu können. Nachteilig an diesen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren ist jedoch, dass eine gezielte und kontrollierte Temperaturverteilung über alle Batteriezellen hinweg, während des gesamten Betriebs nicht gewährleistet werden kann. So wird zwar in den Dokumenten zum Stand der Technik beschrieben, dass die Batterien mit Heizleistung bzw. Kälteleistung versorgt werden können, jedoch sind die Temperaturbereiche, in welchen ein vorteilhafter Betrieb der Batterien erfolgen kann, vollkommen unspezifisch. Gerade aber bei Natrium-Nickel-Chlorid-Batteriezellen zeigt sich, dass mit zunehmenden Temperaturwechselvorgängen, d.h. mit zunehmenden Lade- und Entladezyklen, die kumulierte Spannungswechselbeanspruchung der keramischen Festkörperelektrolyten in den einzelnen Zellen zu einer verkürzten Lebensdauer führt. Aufgrund der bei den Temperaturwechselvorgängen auftretenden zyklischen Wärmeausdehnungen und Wärmekontraktionen entstehen in dem Festkörperelektrolyten mitunter feine Risse, welch bei zunehmender Temperaturänderung die Funktionsfähigkeit der Batteriezelle gefährden. Wird nämlich etwa ein der- artiger Festkörperelektrolyt aufgrund eines Spannungsrisses undicht gegen Fluidaustausch zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum, kann es zu einer direkten Kurzschlussentladung bzw. zu einem deutlichen Spannungseinbruch der Batteriezelle kommen .
Weiterhin ist bekannt, dass Temperaturwechselvorgänge auch auf die Lebensdauer der positiven Elektrode einen nachteiligen Einfluss ausüben. Temperaturerhöhungen begünstigen näm- lieh die Bildung großer Kristalle z.B. von Kochsalz im Kathodenraum, was eine Zerstörung des in räumliche Nähe befindli¬ chen Kristallgefüges und damit eine vergleichsweise rasch ab¬ nehmende Zellkapazität insgesamt zur Folge hat.
Unter Berücksichtigung technischer Probleme erweist sich insbesondere ein Wärmeversorgungssystem, welches durch Luftkühlung bzw. Lufterhitzung für einen geeigneten Wärmeaustausch mit den Batteriezellen sorgen soll, als sehr mangelhaft. Ge- rade bei solchen auf einer LuftZirkulation basierenden Wärmeversorgungssystemen treten mitunter hohe Temperaturdifferenzen zwischen der Mantelfläche einer Batteriezelle und den in¬ ternen Bestandteilen der Batteriezelle auf. Insbesondere im Falle von hohen stromtechnischen Beanspruchungen von Natrium- Nickel-Chlorid-Batteriezellen, etwa bei einer Hochstromentladung, können so mitunter Temperaturdifferenzen von 50K und mehr die Folge sein. Die bedeutet aber mitunter, dass im Inneren der Batteriezellen ein Temperaturwert vorherrscht, der 50K über der geeigneten Arbeitstemperatur der Natrium-Nickel- Chlorid-Batterie liegt. Damit sind nicht nur starke thermi¬ sche Ausdehnungsspannungen die Folge, nämlich dann etwa wenn die Batteriezellen wieder in einen normalen Strombetrieb überführt werden, sondern es mag auch sein, dass die Batte¬ riezellen intern mit einer Temperatur beaufschlagt werden, die über der zulässigen Höchsttemperatur für einzelne Bauteile liegt.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile erfordern eine technische Lösung für eine geeignete Kälte und Hitzever- sorgung von Natrium-Nickel-Chlorid-Batteriezellen, welche die übermäßigen Spannungsdifferenzen während des Lade- und Entladebetriebs vermeiden kann. Insbesondere ist es technisch er¬ forderlich, eine geeignete Wärmeversorgung einer derartigen Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie anzugeben, welche Lebensdauer verlängernd ist und gleichzeitig die Batterie auf einem ge¬ eigneten Betriebstemperaturniveau halten kann. Diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden gelöst durch eine Systemanordnung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9, wie auch ein Speichersystem gemäß Anspruch 12.
Insbesondere werden die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch eine Systemanordnung umfassend mindestens eine Batteriezelle aufweisende Natrium-Nickel-Chlorid- Batterie, die in einem Flüssigkeitsbehältnis mit einer Wärme- flüssigkeit derart angeordnet ist, dass die Wärmeflüssigkeit mit den Batteriezellen in direktem Wärmekontakt ist, wobei die Wärmeflüssigkeit mit einer Strömung durch einen Strö¬ mungsgenerator beaufschlagbar ist, die jede Batteriezelle erreicht, wobei weiterhin ein Wärmeversorgungssystem umfasst ist, welches die Wärmeflüssigkeit derart mit Wärme versorgt, dass die Batteriezellen einem Temperaturband einer Breite von durchschnittlich höchstens 10°C während des gesamten Betriebs der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie gehalten wird.
Weiterhin werden die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen vorab, wie auch nachfolgend beschriebenen Systemanordnung, umfassend die folgenden Schritte:
Betreiben der mindestens eine Batteriezelle aufweisenden Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie ;
Betreiben des Strömungsgenerators zur Beaufschlagung der Wärmeflüssigkeit mit einer Strömung;
Betreiben des Wärmeversorgungssystems, welches die Wärme¬ flüssigkeit mit Wärme versorgt, und Halten der Temperatur der Wärmeflüssigkeit in einem Temperaturband einer Breite von durchschnittlich höchstens 10 °C während des gesamten Betriebs der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie.
Weiterhin werden die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch ein Speichersystem, umfassend wenigstens zwei solcher vorab, wie auch nachfolgend beschriebener Systemanordnungen, die miteinander elektrisch und/oder thermisch verschaltet sind, umfassend eine Isolierschicht, die die wenigs- tens zwei Systemanordnungen umgibt und nach außen thermisch isoliert .
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass eine Natrium- Nickel-Chlorid-Batterie eine Batterie ist, die auf der Grund¬ lage der Technologie von Natrium-Nickel-Chlorid-Zellen arbeitet. Insbesondere sind dabei auch Batteriezellen mit umfasst, welche neben Nickel etwa Eisen im Kathodenraum der Batteriezelle als Redoxmaterial aufweisen.
Weiter sei darauf hingewiesen, dass die Wärmeflüssigkeit eine zum Transport von Wärme vorgesehene Flüssigkeit ist. Wärme kann hierbei im Sinne von positiver thermischer Energie
(Heizenergie) wie auch negativer thermischer Energie (Kühl- energie) sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmeflüssigkeit mit einer Strömung beaufschlagbar ist. Insbesondere ist die Wärmeflüssigkeit bei Betrieb der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie mit einer Strömung beaufschlagt. In anderen Worten muss die
Systemanordnung dafür geeignet sein, bei Betrieb der Natrium- Nickel-Chlorid-Batterie die Wärmeflüssigkeit mit einer ent¬ sprechenden Strömung zu beaufschlagen. Es kann jedoch sein, dass beispielsweise während Stillstandzeiten oder Stand-by- Zeiten, auf eine Strömungsbeaufschlagung zeitweise verzichtet wird .
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass durch die Wärmeflüs¬ sigkeit ein direkter Wärmekontakt mit den einzelnen Batterie- zellen der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie erreicht sein soll. Insofern ist es nicht ausreichend, lediglich die Batte¬ rie selbst, also die Verschaltung mehrerer Batteriezellen, bspw. in einem Batteriegehäuse, direkt von der Wärmflüssig¬ keit umgeben zu lassen. Der erfindungsgemäße direkte Wärme- kontakt ist dann erreicht, wenn mindestens eine Wandung der Batteriezellen direkt mit der Wärmeflüssigkeit in Kontakt ist. Hierbei ist nicht erforderlich, dass alle Wandungsberei¬ che mit der Wärmeflüssigkeit in direktem Wärmekontakt sind, dies ist jedoch gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen.
Ausdrücklich sei auch darauf hingewiesen, dass die Wärmever- sorgung durch das Wärmeversorgungssystem sowohl eine Temperaturerhöhung als auch eine Temperaturerniedrigung der Temperatur der Batteriezellen bewirken kann. Insofern kann das Wärmeversorgungssystem die Wärmeflüssigkeit sowohl mit Kälte (negativer thermischer Energie) als auch mit Hitze (positiver thermischer Energie) versorgen.
Ebenso soll darauf hingewiesen sein, dass ein gesamter Betrieb der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie sowohl den Lade- wie auch den Entladebetrieb betrifft. Weiter ist davon ein Stand-By-Betrieb mit umfasst. Ausgenommen von dem gesamten Betrieb sind insbesondere Abschaltzustände, wie auch War- tungszustände . Insbesondere soll auch ein Betrieb beim Hoch¬ fahren aus dem Kaltzustand nach längerem Stillstand der Nat¬ rium-Nickel-Chlorid-Batterie nicht mit umfasst sein. Ein er- findungsgemäßer Betriebszustand der Natrium-Nickel-Chlorid- Batterie ist also immer dann vorliegend, wenn ein Betriebs¬ temperaturniveau erreicht ist, bei welchem auch ein Ladebe¬ trieb oder Entladebetrieb vorteilhaft vorgenommen werden könnte bzw. vorgenommen wird.
Zur Bestimmung der durchschnittlichen Temperatur der Batteriezellen soll über die gesamte Temperaturverteilung an der Außenfläche einer Batteriezelle gemittelt werden. Die Tempe¬ raturbestimmung kann insofern beispielsweise durch geeignete Temperatursensoren erreicht werden, die an der Außenfläche einer Batteriezelle angebracht sind. Insbesondere ist die Be¬ triebstemperatur einer Batteriezelle nur indirekt über die Temperatur der Wärmeflüssigkeit ermittelbar. Versuche der Anmelderin haben jedoch ergeben, dass bei Vorsehen einer Wärme- flüssigkeit im Vergleich zu Luft der Wärmeaustausch mit einzelnen Batteriezellen deutlich effizienter erfolgt. Insbesondere die Wärmekapazität der Wärmeflüssigkeit ist in der Lage bei Bedarf sehr schnell thermische Energie an die Batterie- zellen abzugeben, bzw. aufzunehmen. Somit können auch bei stärkerer Beanspruchung der Batteriezellen, etwa bei einem Hochstrombetrieb, größere Mengen an thermischer Wärme aufge¬ nommen werden, die den Batteriezellen sehr schnell entzogen werden kann. Umgekehrt kann die Temperatur der Wärmeflüssigkeit auch in Grenzen als Maß für die durchschnittliche Tempe¬ ratur der Batteriezellen heran gezogen werden.
Die Anmelderin hat bei ihren internen Versuchen erkannt, dass eine Wärmeversorgung mittels Wärmeflüssigkeit alleine nicht zu einer Lebensdauerverlängerung der betreffenden Batteriezellen führt. Vielmehr ist es erforderlich, die thermischen Temperaturschwankungen in und an den Batteriezellen zu vermindern, um so die genannten negativen Belastungen der Batte- riezellen weitgehend zu vermeiden. Demgemäß schlägt die An¬ melderin vor, die Wärmeflüssigkeit über ein Wärmeversorgungs¬ system derart mit Wärme bzw. Kälte zu versorgen, dass die einzelnen Batteriezellen in einem Temperaturband einer Breite von durchschnittlich höchstens 10 °C während des gesamten Be- triebs gehalten werden können. Das Wärmeversorgungssystem dient hierbei einer geeigneten Wärmeversorgung der Wärmeflüssigkeit. Gleichzeitig ist es erforderlich, den Strömungsgene¬ rator derart zu betreiben, dass die Wärmeflüssigkeit mit ei¬ ner ausreichend großen bzw. kleinen Strömung beaufschlagbar ist. Durch eine Kombination von geeigneter Strömungsbeaufschlagung und Wärmeversorgung der Wärmeflüssigkeit und Vorse¬ hen einer Wärmeflüssigkeit im Gegensatz zu etwa Luft, konnte die Anmelderin in ihren Versuchen nachweisen, dass die Batteriezellen der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie in einem engen Temperaturband von nur 10 °C gehalten werden können. Dies verlängerte auch die Lebenserwartung der einzelnen Batteriezellen .
Entsprechend des erfindungsgemäßen Speichersystems, welches wenigstens zwei Systemanordnungen der vorab, wie auch nachfolgend beschriebenen Art aufweist, kommt fernerhin eine wei¬ tere Maßnahme für eine vorteilhafte Wärmeversorgung hinzu. Das Speichersystem umfasst eine Isolierschicht, die die we- nigstens zwei Systemanordnungen umgibt und nach außen thermisch isoliert. Damit kann ein übermäßiger Wärmeverlust nach außen, insbesondere bei Zeiten von erforderlicher Versorgung der Batteriezellen mit thermischer Heizenergie, verbessert werden. Durch das Vorsehen von nur einer Isolierschicht für wenigstens zwei Systemanordnungen wird zusätzlich noch unnötiger Materialaufwand vermindert, welcher etwa bei einer Iso¬ lierung der einzelnen Systemanordnungen die Folge wäre. Erfindungsgemäß ist also gewährleistet, dass ein direkter
Wärmekontakt zwischen Wärmeflüssigkeit und Batteriezelle eine im Vergleich zur Wärmeübertragung an etwa Luft deutlich verbesserte Wärmetransferrate erreicht. So nimmt etwa jedes Mo¬ lekül einer Wärmeflüssigkeit die gleiche spezifische Wärme- menge je 1K Temperaturdifferenz auf, unabhängig davon, ob es sich in der Gasphase oder in der flüssigen Phase befindet. Da die flüssige Phase jedoch eine Dichte im Vergleich zu Gas von etwa lOOOmal mehr hat, ist auch der Wärmeaustausch an der Oberfläche der Batteriezelle im Falle einer Wärmeflüssigkeit deutlich höher. Eine gleiche Überlegung gilt für eine Betrachtung der volumenspezifischen Wärmekapazität. So kann etwa pro Volumeneinheit in einer Wärmeflüssigkeit gegenüber ei¬ nem gasförmigen Medium lOOOmal mehr Wärmeenergie gespeichert werden .
Durch die verhältnismäßig erhöhte Wärmekapazität der Wärme¬ flüssigkeit und deren ständigen Präsenz an der Oberfläche ei¬ ner Batteriezelle können Wärmeschocks weitgehend vermieden werden, welche etwa dann auftreten, wenn eine Batteriezelle bei erhöhter Leistungsentnahme im Hochstrombetrieb arbeitet. Wie bereits vorab ausgeführt, befinden sich die Batteriezelle und das Kühlmedium auf einem ähnlich hohen Temperaturniveau. Der Unterschied zwischen der Temperatur der Batteriezelle und der Temperatur der Wärmeflüssigkeit liegt nach Versuchen der Anmelderin bei weniger als 5K, insofern kann auch über den gesamten Querschnitt des Flüssigkeitsbehältnisses eine ver¬ hältnismäßig gleichmäßige Temperaturverteilung sichergestellt werden. Damit unterscheidet sich eine Wärmeversorgung mittels Wärmeflüssigkeit im Vergleich zu einer Versorgung über ein Gas, bei welchem bereits bei kleinen Strömungsinhomogenitäten große Temperaturdifferenzen an der Oberfläche einzelner Batteriezellen die Folge sein kann.
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeflüssigkeit mit einer Strömung durch den Strömungsgenerator beaufschlagbar ist, dessen fluiddynamische Arbeitsleistung an der Wärmeflüssig- keit in Abhängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüs¬ sigkeit abhängigen Größe als Regelparameter regelbar ist. Diese Größe, könnte beispielsweise die Temperatur selbst sein, aber auch eine von dieser abgeleiteten Größe, wie etwa eine Temperaturdifferenz oder eine Temperaturabweichung von einem vorgegebenen Sollwert wäre geeignet. Ausführungsgemäß wird also die Temperatur der Wärmeflüssigkeit, die wie weiter oben ausgeführt, ein gutes Maß für die Temperatur an der Au¬ ßenfläche der Batteriezelle ist, als Regelparameter für den Strömungsgenerator herangezogen. Der Strömungsgenerator kann demnach die Wärmeflüssigkeit, falls erforderlich, mit einer erhöhten Strömung beaufschlagen, wodurch die Austauschrate der Wärmeflüssigkeit an der Oberfläche der Batteriezellen erhöht werden kann. Infolgedessen kann vermehrt Wärmeenergie an die Wärmeflüssigkeit abgegeben und über die Strömung der Wär- meflüssigkeit abgeleitet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin ein Vorratsbehältnis um- fasst ist, in welchem Wärmeflüssigkeit vorgesehen ist, wobei das Vorratsbehältnis mit dem Flüssigkeitsbehältnis fluidtech- nisch verschaltet ist. Die fluidtechnische Verschaltung ist insbesondere durch Schläuche bzw. Rohre und geeignete An¬ schlüsse erreicht, die auch thermisch isoliert sein können. Ausführungsgemäß kann Wärmeflüssigkeit aus dem Vorratsbehäl- ter mit dem Flüssigkeitsbehältnis ausgetauscht werden, so dass eine geeignete Konditionierung des Temperaturniveaus der Wärmeflüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehältnis erfolgen kann. Dieser Austausch kann auch, gemäß einer weiteren Ausführungs- form geregelt erfolgen, etwa in Abhängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit abhängigen Größe als Regelpa¬ rameter. Ausführungsgemäß sind jedoch beide Behältnisse nicht identisch .
Entsprechend einer Weiterbildung dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Vorratsbehältnis wenigstens einen Teil des Wärmeversorgungssystems, insbesondere eine Kälte¬ quelle und/oder Hitzequelle des Wärmeversorgungssystems um- fasst, welches zur thermischen Konditionierung der Wärmeflüssigkeit darin vorgesehen ist. Ausführungsgemäß kann also die thermische Konditionierung der Wärmeflüssigkeit teilweise oder sogar vollständig in dem Vorratsbehältnis erfolgen, wo¬ durch in dem Flüssigkeitsbehältnis einerseits weniger Raumbe- darf für derartige Bauteile vorgesehen werden muss, andererseits auch eine verbesserte Homogenisierung der Temperaturen der Wärmeflüssigkeit erfolgen kann, da vor Zuführung von Wärmeflüssigkeit aus dem Vorratsbehältnis bereits eine Durchmi¬ schung der neu hinzugeführten Wärmeflüssigkeit erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmeversorgungssys¬ tem, welches die Wärmeflüssigkeit mit Wärme versorgt, in Ab¬ hängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit ab- hängigen Größe als Regelparameter regelbar ist oder geregelt wird. Wie bereits weiter oben ausgeführt, kann die Temperatur der Wärmeflüssigkeit in guter Näherung die Temperatur an der Wandung der Batteriezellen beschreiben bzw. stellvertretend dafür heran gezogen werden. Somit kann die Temperatur der Wärmeflüssigkeit auch als geeigneter Regelparameter heranzo¬ gen werden, um die Temperatur der Batteriezellen geeignet einzustellen. Die erforderliche Temperaturmessung kann hierbei möglicherweise gemittelt an verschiedenen Orten des
Flüssigkeitsbehältnisses erfolgen. Bevorzugt wird die Tempe- ratur im Bereich des Strömungsgenerators erfasst, an welchem eine mechanische Homogenisierung der Wärmeflüssigkeit und da¬ mit gute Temperaturdurchmischung erfolgt. Insofern kann es ausreichend sein, lediglich einen Temperaturmesswert den obi- gen Ausführungsformen zugrundezulegen, um die durchschnittliche Temperatur der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Temperaturbandes geeignet einzustellen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeflüssigkeit bei Betriebs¬ temperatur thermisch stabil ist. Insbesondere sollen sich keine Gasentwicklung sowie keine thermische Zersetzung der Wärmeflüssigkeit bei den Betriebstemperaturen ergeben. Gerade bei den Ausführungsformen, bei welchen das Flüssigkeitsbehältnis vollständig mit Wärmeflüssigkeit gefüllt ist, wären derartige Zersetzungserscheinungen hoch sicherheitsrelevant und zu vermeiden. Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeflüssigkeit bei Be¬ triebstemperatur chemisch stabil ist. Insbesondere sollen keine chemischen Reaktionen mit den Bauteilen der Systemanordnung erfolgen, mit welchen die Wärmeflüssigkeit in Kontakt ist. Ganz besonders bevorzugt soll keine chemische Reaktion mit metallischen Stoffen in der Systemanordnung, etwa den Wandungen der Batteriezellen erfolgen. Auch dies erhöht wiederum die Betriebssicherheit. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeflüssigkeit bei Betriebstemperatur elektrisch isolierend ist. Insbesondere sollen keine elektri¬ schen Ströme zwischen einzelnen Batteriezellen oder zwischen den Batteriezellen und der Wandung des Flüssigkeitsbehältnis- ses transportiert werden, so dass etwa eine direkte Entladung zwischen benachbarten Batteriezellen bzw. zur Wandung des Flüssigkeitsbehältnisses die Folge wäre. In anderen Worten weist die Wärmeflüssigkeit einen sehr hohen elektrischen spe¬ zifischen Widerstand auf, beispielsweise bei einer typischen Betriebstemperatur von wenigstes 2xl04 Ω x mm2/m.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wärmeflüs- sigkeit mit einer Strömung durch den Strömungsgenerator beaufschlagt wird, dessen fluiddynamische Arbeitsleistung an der Wärmeflüssigkeit in Abhängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit abhängigen Größe als Regelparameter re- gelbar ist oder geregelt wird. Hinsichtlich der Vorteile die¬ ser Ausführungsform sei auf die Vorteile der vergleichbaren Systemanordnung verwiesen.
Gemäß einer alternativen, wie auch weitergehenden Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Wärmeversorgungssystem, welches die Wärmeflüssigkeit mit Wärme versorgt, in Abhängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit abhängigen Größe als Regelparameter re¬ gelbar ist oder geregelt wird. Auch hier sei hinsichtlich der Vorteile dieser Ausführungsform wieder auf die weiter oben beschriebene vergleichbare Systemanordnung verwiesen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail näher beschrieben werden. Hierbei sei darauf hingewie- sen, dass die in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehenen Bauteile gleiche technische Wirkungen aufweisen.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die nachfolgenden technischen Merkmale in beliebiger Kombination miteinander beansprucht werden, soweit die daraus resultierende Kombina¬ tion die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben lösen kann.
Fernerhin sei darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind und keine Einschränkung hin- sichtlich der Ausführbarkeit der Erfindung bedeuten.
Hierbei zeigen:
FIG 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sys- temanordnung in Schnittansicht von oben;
FIG 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systemanordnung in einer Schnittansicht von oben; FIG 3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in flussdiagrammatischer Darstellung;
FIG 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichersystems in seitlicher Schnittansicht;
FIG 5 einen experimentellen Temperaturverlauf einer sich in Betrieb befindlichen Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie als Teil einer Systemanordnung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet war.
FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Systemanordnung 1 in schematischer Ansicht von oben, bei welcher in einem Flüssigkeitsbehältnis 20 eine Mehrzahl an miteinander elekt¬ risch verschalteter Batteriezellen 11 einer Natrium-Nickel- Chlorid-Batterie 10 umfasst sind. Die Batteriezellen 11 sind von Wärmeflüssigkeit 21 umgeben, welche das Flüssigkeitsbe¬ hältnis 20 ausfüllt. Bei Betrieb der Natrium-Nickel-Chlorid- Batterie 10 wird nun die Wärmeflüssigkeit 21 mit Hilfe eines Strömungsgenerators 22 mit einer Strömung beaufschlagt, wel¬ che in dem Flüssigkeitsbehältnis 20 eine Strömung erzeugt, die alle Batteriezellen erreicht, d.h. es findet ein mechanischer Austausch von Wärmeflüssigkeit 21 an wenigstens einem Teil der Oberfläche der Batteriezellen 11 statt. Die Strömung ist hierbei derart gestaltet, dass eine Kreisströmung in dem Flüssigkeitsbehältnis 20 ausgebildet wird, die für einen Wär¬ meflüssigkeitsaustausch an den jeweiligen Batteriezellen 11 sorgt. Gleichzeitig tritt die Wärmeflüssigkeit mit Bauelemen¬ ten eines Wärmeversorgungssystems 30 in thermischen Kontakt, wodurch die Wärmeflüssigkeit 21 mit positiver thermischer Energie wie auch negativer thermischer Energie versorgt werden kann. Aufgrund des Oberflächenkontakts der Wärmeflüssig¬ keit an den Bauelementen des Wärmeversorgungssystems 30 kommt es zu einer lokalen Erwärmung bzw. Abkühlung der Wärmeflüssigkeit 21. Die Bauteile des Wärmeversorgungssystems 30 sind vorzugsweise eine geeignete Wärmequelle bzw. Wärmesenke. Durch geeignete Einstellung der Strömung mittels dem Strömungsgenerator 22, wie auch durch eine geeignete Wärmeversorgung mittels des Wärmeversorgungssystems 30 können vermittelt durch die Wärmeflüssigkeit die Batteriezellen derart betrie- ben werden, dass während des gesamten Betriebs der Natrium- Nickel-Chlorid-Batterie 10 die Batteriezellen in einem Tempe¬ raturband TB einer Breite von durchschnittlich höchstens 10 °C gehalten werden können. FIG 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Systemanordnung 1 in einer Schnittansicht von oben. Im Vergleich zu der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform ist weiterhin ein Vorratsbehältnis 25 vorgesehen, welches mit dem Flüssigkeitsbehältnis 20 fluidtechnisch verschaltet ist. Zu- dem ist in dem Vorratsbehältnis 25 wenigstens ein Bauteil des Wärmeversorgungssystems 30 angeordnet. Ganz besonders bevor¬ zugt sind etwa eine Kältequelle und/oder eine Wärmequelle des Wärmeversorgungssystems 30 in dem Vorratsbehältnis 25 ange¬ ordnet. Die fluidtechnische Verschaltung ist derart ausge- führt, dass bei Betrieb des Strömungsgenerators 22 Wärmeflüs¬ sigkeit 21 in dem Flüssigkeitsbehältnis 20 entnommen und in das Vorratsbehältnis 25 zur thermischen Konditionierung mittels des Wärmeversorgungssystems 30 überführt wird. Gleich¬ zeitig wird eine identische Menge an Wärmeflüssigkeit aus dem Vorratsbehältnis 25 entnommen, um diese in bereits thermisch konditionierter Form in das Flüssigkeitsbehältnis 20 einzu¬ führen. Die thermische Konditionierung der Batteriezellen 11 kann hierbei, wie in der Ausführungsform gemäß FIG 1 erfol¬ gen, wobei jedoch darauf verzichtet werden kann, in dem
Flüssigkeitsbehältnis 20 eine Wärme- und Kältequelle des Wär¬ meversorgungssystems 30 vorzusehen.
FIG 3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer vorab, wie auch nachfolgend be- schriebenen Systemanordnung, umfassend die folgenden Schritte : Betreiben der mindestens eine Batteriezelle 11 aufweisen- den Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie 10 (erster Verfah¬ rensschritt 101);
Betreiben des Strömungsgenerators 22 zur Beaufschlagung der Wärmeflüssigkeit 21 mit einer Strömung (zweiter Verfahrensschritt 102);
Betreiben des Wärmeversorgungssystems 30, welches die Wärmeflüssigkeit 21 mit Wärme versorgt, und Halten der Temperatur der Wärmeflüssigkeit 21 in einem Temperaturband TB einer Breite von durchschnittlich höchstens 10°C während des gesamten Betriebs der Natrium-Nickel-Chlorid- Batterie 10 (dritter Verfahrensschritt 102);
FIG 4 zeigt eine Schnittansicht von der Seite durch eine Aus- führungsform eines erfindungsgemäßen Speichersystems 100, welches drei Systemanordnungen 1 umfasst, wie sie etwa vorab dargestellt wurden, wobei die Systemanordnungen miteinander elektrisch und/oder thermisch verschaltet sind, umfassend ei¬ ne Isolierschicht 40, die die drei elektrisch und/oder ther- misch verschalteten Systemanordnungen 1 umgibt und nach außen hin thermisch isoliert. Ausführungsgemäß sind die gezeigten Systemanordnungen 1 seriell miteinander elektrisch und/oder thermisch verschaltet. In einer anderen Ausführungsform können die gezeigten Systemanordnungen 1 auch parallel miteinan- der elektrisch und/oder thermisch verschaltet sein.
FIG 5 zeigt eine zeitliche Messkurve der Temperatur einer Batteriezelle, welche in einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Systemanordnung 1 angeordnet ist. Wie die Figur leicht zu erkennen gibt, ist die durchschnittliche Temperatur der erfassten Batteriezelle in einem Temperaturband TB einer Breite von höchstens 10 °C während des gesamten Betriebs der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie gehalten. Die Temperaturent¬ wicklung während eines Teils der Messzeit nimmt mit lokalen kleinen Schwankungen zunehmend zu. Die Schwankungen ergeben sich aus den alternierenden Lade- und Entladebetriebszustän- den, welche eine Abgabe bzw. Aufnahme von thermischer Energie erfordern, die zudem von einer von der genauen Ausführungs- form der Systemanordnung 1 abhängigen Wärmeverlustrate überlagert sind. Der Lade- bzw. Entladebetrieb der Natrium- Nickel-Chlorid-Batterie 10 entspricht hierbei im Tagesgang einem angenommenen Energieumsatz, wie er beispielsweise in öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken vorherrschen könnte. Um den verminderten Energieumsatz zum Wochenende einer abgeschlossenen Woche nachzubilden, wurde dieser ab dem fünften Tag vermindert.
Der zunehmende Anstieg des Temperaturverlaufs während der ersten fünf Tage erklärt sich aus der in den Versuchen der Anmelderin nicht vorgesehenen Kühlquelle zur Versorgung der Wärmeflüssigkeit mit negativer thermischer Energie. Insofern zeigt der ansteigende Verlauf eine verminderte Wärmeabgabe aus der Systemanordnung 1 nach außen während des gesamten Betriebs. Dieser ansteigende Verlauf könnte bei Vorsehen einer geeigneten Kältequelle im Wesentlichen vermieden werden, wodurch ein im Wesentlichen horizontaler, durchschnittlicher Temperaturverlauf die Folge wäre. Trotz dieser Einschränkung zeigen die Versuche der Anmelderin bereits eindrucksvoll, dass auch unter diesen vereinfachten Umständen bereits ein Betrieb der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie über wenige Tage hinweg in dem erfindungsgemäßen Temperaturband von höchsten 10 °C gehalten werden kann. Bei Vorsehen von weiteren Verbesserungen ist sogar mit einer noch weitergehenden Verminderung dieses Temperaturbandes TB zu rechnen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Claims

Patentansprüche
1. Systemanordnung (1) umfassend eine mindestens eine Bat¬ teriezelle (11) aufweisende Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (10), die in einem Flüssigkeitsbehältnis (20) mit einer Wär¬ meflüssigkeit (21) derart angeordnet ist, dass die Wärmeflüs¬ sigkeit (21) mit den Batteriezellen (11) in direktem Wärmekontakt ist, wobei die Wärmeflüssigkeit (21) mit einer Strö¬ mung durch einen Strömungsgenerator (22) beaufschlagbar ist, die jede Batteriezelle (11) erreicht, und wobei weiterhin ein Wärmeversorgungssystem (30) umfasst ist, welches die Wärme¬ flüssigkeit (21) derart mit Wärme versorgt, dass die Batte¬ riezellen (11) in einem Temperaturband (TB) einer Breite von durchschnittlich höchstens 10 °C während des gesamten Be- triebs der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (10) gehalten wird .
2. Systemanordnung gemäß Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Wärmeflüssigkeit (21) mit einer Strömung durch den Strö¬ mungsgenerator (22) beaufschlagbar ist, dessen fluiddynami- sche Arbeitsleistung an der Wärmeflüssigkeit in Abhängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit (21) abhängigen Größe als Regelparameter regelbar ist oder geregelt wird.
3. Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
weiterhin ein Vorratsbehältnis (25) umfasst ist, in welchem Wärmeflüssigkeit (21) vorgesehen ist, wobei das Vorratsbe¬ hältnis (25) mit dem Flüssigkeitsbehältnis (20) fluidtech- nisch verschaltet ist.
4. Systemanordnung gemäß Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Vorratsbehältnis (25) wenigstens einen Teil des Wärmever¬ sorgungssystems (30), insbesondere eine Kältequelle und/oder Hitzequelle des Wärmeversorgungssystems (30) umfasst, welches zur thermischen Konditionierung der Wärmeflüssigkeit (21) darin vorgesehen ist.
5. Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Wärmeversorgungssystem (30), welches die Wärmeflüssigkeit (21) mit Wärme versorgt, in Abhängigkeit einer von der Tempe¬ ratur der Wärmeflüssigkeit (21) abhängigen Größe als Regelpa- rameter regelbar ist oder geregelt wird.
6. Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Wärmeflüssigkeit (21) bei Betriebstemperatur thermisch stabil ist.
7. Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Wärmeflüssigkeit (21) bei Betriebstemperatur chemisch stabil ist.
8. Systemanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Wärmeflüssigkeit (21) bei Betriebstemperatur elektrisch isolierend ist.
9. Verfahren zum Betrieb einer Systemanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte :
Betreiben der mindestens eine Batteriezelle (11) aufwei¬ senden Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (10);
- Betreiben des Strömungsgenerators (22) zur Beaufschlagung der Wärmeflüssigkeit (21) mit einer Strömung;
Betreiben des Wärmeversorgungssystems (30), welches die Wärmeflüssigkeit (21) mit Wärme versorgt, und Halten der Temperatur der Wärmeflüssigkeit (21) in einem Temperaturband (TB) einer Breite von durchschnittlich höchstens 10 °C während des gesamten Betriebs der Natrium-Nickel- Chlorid-Batterie (10);
10. Verfahren gemäß Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Wärmeflüssigkeit (21) mit einer Strömung durch den Strö¬ mungsgenerator (22) beaufschlagt wird, dessen fluiddynamische Arbeitsleistung an der Wärmeflüssigkeit in Abhängigkeit einer von der Temperatur der Wärmeflüssigkeit (21) abhängigen Größe als Regelparameter regelbar ist oder geregelt wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Wärmeversorgungssystem (30), welches die Wärmeflüssigkeit (21) mit Wärme versorgt, in Abhängigkeit einer von der Tempe¬ ratur der Wärmeflüssigkeit (21) abhängigen Größe als Regelpa¬ rameter regelbar ist oder geregelt wird.
12. Speichersystem (100), umfassend wenigstens zwei System¬ anordnungen (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, die miteinander elektrisch und/oder thermisch verschaltet sind, umfassend eine Isolierschicht (40), die die wenigstens zwei Systemanordnungen (1) umgibt und nach außen thermisch isoliert.
PCT/EP2015/058395 2014-05-07 2015-04-17 Systemanordnung mit natrium-nickel-chlorid-batterie und wärmeversorgungssystem WO2015169566A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014208567 2014-05-07
DE102014208567.5 2014-05-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015169566A1 true WO2015169566A1 (de) 2015-11-12

Family

ID=52998131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/058395 WO2015169566A1 (de) 2014-05-07 2015-04-17 Systemanordnung mit natrium-nickel-chlorid-batterie und wärmeversorgungssystem

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2015169566A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4441162A1 (de) * 1994-11-18 1996-06-05 Daimler Benz Ag Kühleinrichtung für eine aus mehreren Zellen aufgebaute Batterie
JPH09167631A (ja) * 1995-12-18 1997-06-24 Ngk Insulators Ltd ナトリウム−硫黄電池
DE102008044169A1 (de) * 2008-11-28 2010-06-02 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4441162A1 (de) * 1994-11-18 1996-06-05 Daimler Benz Ag Kühleinrichtung für eine aus mehreren Zellen aufgebaute Batterie
JPH09167631A (ja) * 1995-12-18 1997-06-24 Ngk Insulators Ltd ナトリウム−硫黄電池
DE102008044169A1 (de) * 2008-11-28 2010-06-02 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SUDWORTH J L: "The sodium/nickel chloride (ZEBRA) battery", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER SA, CH, vol. 100, no. 1-2, 30 November 2001 (2001-11-30), pages 149 - 163, XP004322182, ISSN: 0378-7753, DOI: 10.1016/S0378-7753(01)00891-6 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10202807B4 (de) Vorrichtung zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen
EP2474055B1 (de) Elektrochemischer energiespeicher für fahrzeuge und verfahren zum kühlen oder erwärmen eines solchen elektrochemischen energiespeichers
EP0617846B1 (de) Anordnung zur verbesserung der stromabgabe einer aufladbaren batterie bei tiefen aussentemperaturen
EP2514002B1 (de) Kühl-/heizelement für einen akkumulator
EP3138152B1 (de) Metall-luft-batterie
EP2596154B1 (de) Energiespeichervorrichtung und verfahren zum reversiblen speichern von energie
DE102018128562A1 (de) Batteriekühlvorrichtung für fahrzeug
EP2200118A1 (de) Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie
WO2017102449A1 (de) Verfahren zum temperieren eines energiesystems
DE102009048249A1 (de) Energiespeichereinheit mit verlängerter Lebensdauer
EP2950379A1 (de) Elektrischer Energiespeicher
WO2015007680A1 (de) Systemanordnung mit hochtemperaturbatterie mit getrennten fluidkreisläufen
EP2457276A1 (de) Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zum kühlen oder erwärmen eines elektrochemischen energiespeichers
WO2013017490A1 (de) Elektrochemischer speicher mit latentwärmespeicher
DE102015000852A1 (de) Gefrierstartverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE102010043716B4 (de) Batterieanordnung
DE102011107306A1 (de) Energiespeichersystem und Verfahren zur Temperierung eines Energiespeichers
DE102014212833A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie
DE102008048002A1 (de) Aggregat mit wenigstens einer Funktionszelle sowie Temperaturregeleinrichtung
EP3427326B1 (de) Batteriesystem, verfahren zum betrieb eines batteriesystems und kraftfahrzeug
WO2015062949A1 (de) Thermisches speichersystem mit hochtemperaturbatterie
WO2017102619A1 (de) Energiesystem
WO2015169566A1 (de) Systemanordnung mit natrium-nickel-chlorid-batterie und wärmeversorgungssystem
DE102016123649A1 (de) Brennstoffzelle
WO2014180839A1 (de) Verfahren zur bereitstellung von regelleistung für ein stromnetz mit einem akkumulator

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15718196

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15718196

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1