WO2016087195A1 - Akkumulator-anordnung für ein fahrzeug - Google Patents

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Andreas Graefenstein
Markus Beylich
Marcel Mayer
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Mann+Hummel Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an accumulator arrangement for a vehicle, wherein the accumulator arrangement comprises a metal-air accumulator.
  • Metal-air accumulators are particularly suitable for mobile applications, such as for motor vehicles due to their achievable high energy density.
  • An example of metal-air batteries are lithium-air batteries. Their mode of operation is briefly explained below.
  • a positive lithium ion is released via an electrolyte to a carbon cathode on a lithium anode with the delivery of an electron.
  • the carbon cathode reacts in a reduction process, the lithium ion with oxygen first to lithium oxide and then to lithium peroxide.
  • the carbon cathode is coated with a catalyst, highly porous and therefore has a very large surface area.
  • Oxygen is released at the carbon cathode, metallic lithium is deposited at the lithium anode.
  • the lithium anode is susceptible to moisture because the metallic lithium can react violently with water.
  • the carbon cathode is due to their high porosity on the one hand prone to contamination with particles such as dust or sand, on the other hand, noxious gases contained in the air can act as catalyst poisons that can irreversibly damage the carbon cathode.
  • noxious gases contained in the air can act as catalyst poisons that can irreversibly damage the carbon cathode.
  • an accumulator arrangement for a vehicle with at least one metal-air accumulator, a filter device which is adapted to condition supply air of the metal-air accumulator such that the supply air is a predetermined air moisture, and a housing in which the metal-air battery and the filter device is accommodated, proposed, wherein the supply air by means of a flow deflection in the housing is diverted so that the filter device with the aid of waste heat of the metal-air battery is regenerable.
  • a deflection to the metal-air accumulator passed over and thus heated supply air or warm exhaust air of the metal-air accumulator can be used.
  • the metal-air battery preferably has an anode or first electrode made of a metal and a cathode or second electrode made of mesoporous carbon.
  • the filter device is set up to adjust the relative humidity contained in the supply air to a value required for the metal. If, for example, the first electrode is made of lithium, it is necessary, due to the high reactivity of lithium with water, to withdraw the supply air from all or at least approximately the entire air humidity.
  • the accumulator arrangement can be used under real conditions in a vehicle. A loading of the metal-air accumulator with high-purity gases under laboratory conditions is dispensable. Conditioning the supply air protects the metal-air accumulator from damage. The life of the metal-air accumulator is increased and allows the use under various conditions.
  • the accumulator arrangement preferably has sensor devices, such as moisture sensors, and a control and / or regulating device, which is coupled to the sensor devices.
  • a change in the filter output or dryer output can be determined at an early stage and can be displayed as a status display or maintenance display with the aid of a corresponding display device.
  • the metal-air accumulator heats the supply air. With the help of the supply air heated by the metal-air accumulator, the filter device can be regenerated.
  • the accumulator arrangement is particularly suitable for vehicles such as motor vehicles, trucks, motorcycles, aircraft, construction vehicles, rail vehicles and watercraft.
  • the accumulator arrangement can also be used in immobile applications such as in building technology or the like.
  • the flow deflection device is configured to reverse a flow direction of the supply air to regenerate the filter device.
  • the flow reverser may include air paths, air inlets, louvers, air vents, or the like.
  • the accumulator arrangement has a heating element for heating the supply air and / or the filter device.
  • the heating element may be a heating foil, heating plate, a heating wire, heating fabric or a heating fleece. With the help of the supply air heated by the heating element, the filter device can be regenerated. In particular, the filter device can be heated directly by means of the heating element.
  • the filter device is adapted to filter particles, in particular dust, sand or the like, out of the supply air. This prevents clogging or clogging of the mesoporous second electrode.
  • the filter device may have a filter medium made of paper and / or plastic. Furthermore, the filter medium can be coated, impregnated and / or provided with a nanofiber layer.
  • the filter device is adapted to chemically filter noxious gases, in particular nitrogen oxides, ammonia, sulfur oxides, hydrogen sulfide, carbon monoxide or the like, from the supply air. These noxious gases can act as catalyst poisons that can permanently damage the catalyst provided on the second electrode.
  • the filter device can have, for example, activated carbon for chemical filtering.
  • the filter device can have potassium carbonate K 2 C0 3 and / or calcium hydroxide Ca (OH) 2 , which reacts chemically with acidic noxious gases such as sulfur oxides SO x or hydrogen sulfide H 2 S in order to neutralize these noxious gases.
  • acidic noxious gases such as sulfur oxides SO x or hydrogen sulfide H 2 S
  • the filter device can be flushed with supply air for regenerating the chemical filter properties with the aid of the flow deflection device. To regenerate the filter device when its chemical filtration performance reduced, this can be rinsed with fresh supply air.
  • corresponding channels and valve devices can be provided in the housing.
  • the housing has a flow-distributing geometry which is designed to divert the supply air in such a way that the at least one metal-air accumulator can be overflowed with the supply air in a planar manner.
  • the second electrode can be overflowed with the supply air. This increases the efficiency of the Metal I - Air-Accumulator Ionic.
  • the filter device for conditioning the supply air comprises a rotatable memory rotatable relative to the housing.
  • the rotating storage mass offers the advantage of heat transfer.
  • the supply air for the metal-air accumulator can be preheated via the rotary storage. This is particularly advantageous in a so-called. Cold start phase, since the metal I-Luft Akkumul ato r similar to a fuel cell system in a shorter time reaches its working temperature.
  • the accumulator arrangement may further comprise a control and / or regulating device, which controls the air flow through the housing with the aid of sensor devices, such as temperature or humidity sensors and by controlling valve devices. For example, in a continuous regeneration using the rotation memory, a rotational speed control can be performed.
  • the embodiment of the accumulator assembly with the rotary accumulator allows a prolonged life of the drying or sorbent. This reduces the operating costs while maintaining the correct operating conditions for the Metal I-Luft-Akkumul ato r.
  • a desiccant is received in the rotary memory.
  • the rotary memory can be coated with the desiccant.
  • the desiccant is continuously regenerable by means of the rotation memory. In this case, heated by the metal-air accumulator exhaust air can support the regeneration of the dry or sorbent. An additional heating in the form of the heating element can be smaller or completely omitted.
  • Further possible implementations of the accumulator arrangement also include not explicitly mentioned combinations of features or embodiments of the accumulator arrangement described above or below with respect to the exemplary embodiments. The person skilled in the art will also consider individual aspects as improvements or improvements. Add or modify supplements to the respective basic form of the accumulator arrangement.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a metal-air accumulator in a state of charge
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the metal-air accumulator according to FIG. 1 in a discharge state
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of another embodiment of a metal-air accumulator in a discharge state
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a metal-air accumulator in a discharge state
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of an embodiment of an accumulator arrangement
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of a further embodiment of an accumulator arrangement
  • 7 shows a schematic sectional view of a further embodiment of an accumulator arrangement
  • FIGS. 8A-8E are schematic views of various embodiments of a heating element.
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of a further embodiment of an accumulator arrangement.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of a metal-air accumulator 1 in a state of charge.
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of the metal-air battery 1 in a discharge state.
  • the metal-air battery 1 has a metal, in particular lithium Li, manufactured anode or first electrode 2 and a cathode or second electrode 3 on. In the following, only lithium-air batteries 1 will be discussed explicitly.
  • the second electrode 3 is made of mesoporous carbon C and is not directly involved in the electrochemical process.
  • Mesoporous solids are, as defined by the International Union of Pure and Applied Chemistry (I UPAC), porous materials with a pore diameter between 2 nm and 50 nm.
  • the carbon C serves as the electrical conductor and terminal, the mesoporous structure to maximize the surface area around the reaction of oxygen O 2 with lithium ions Li + in the region of the second electrode 3 to facilitate.
  • the first electrode 2 is made of metallic lithium Li.
  • the first electrode 2 may be made of another metal such as silicon.
  • an electrolyte 4 which may be liquid or solid depending on the embodiment of the lithium-air battery 1. In the latter case, there is a solid-state accumulator.
  • the liquid electrolyte 4 may be an organic liquid which does not react with the lithium Li.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an embodiment of a lithium-air rechargeable battery 1 with a water-based electrolyte 4.
  • a Protective layer 5 is provided between the first electrode 2 and the aqueous electrolyte 4 .
  • the protective layer 5 may be a glass-ceramic layer resting on the metallic lithium Li.
  • the protective layer 5 is a so-called LiSICON layer (LiM 2 (PO) 3 ).
  • the protective layer 5 allows the lithium Li to remain stable in the aqueous environment.
  • 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of a hybrid lithium-air battery 1. In this case, an organic electrolyte 4 is arranged between the first electrode 2 and the protective layer 5, and an aqueous electrolyte 4 is arranged between the protective layer 5 and the second electrode 3.
  • the basic operating principle in all types of lithium-air batteries 1 is substantially identical.
  • a positive lithium ion Li + is released via the electrolyte 4 to the second electrode 3 at the first electrode 2, emitting an electron e " , where the lithium ion Li + is released
  • Oxygen O 2 is first oxidized to lithium oxide Li 2 O and then to lithium peroxide Li 2 O 2. It finds it the following reduction process takes place: 0 2 + 4e " -> ⁇ 2 O 2" .
  • the second electrode 3 is covered with a catalyst, highly porous and therefore has a very large surface area.
  • the second electrode 3 is susceptible to contamination with particles such as dust or sand, which may clog or block the second electrode 3, on the other harmful gases such as sulfur oxides S x O y , ammonia NH 3 , nitrogen oxides NO x , hydrogen sulfide H 2 S, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 and others as catalyst poisons that can irreversibly damage the second electrode 3. Furthermore, the second electrode 3 is also sensitive to moisture. In the charge (Fig. 1) of the lithium-air battery 1, this process turns around. At the second electrode 3, oxygen O 2 is discharged, at the first electrode 2, metallic lithium Li is deposited. The first electrode 2 is susceptible to moisture because the metallic lithium Li can react violently with water.
  • Fig. 5 shows an accumulator assembly 6 for a vehicle.
  • the accumulator arrangement 6 preferably comprises a plurality of Lihium-air accumulators 1, of which only one is provided with a reference numeral in FIG. 5.
  • the lithium-air batteries 1 are preferably arranged side by side in a common housing 7.
  • the lithium-air batteries 1 supply air L is supplied.
  • a filter device 8 and a separator 9 are provided.
  • the separator 9 may be a cyclone separator.
  • the separator 9 is adapted to clean the supply air L of particles, in particular of coarse particles.
  • the filter device 8 is arranged.
  • the filter device 8 is supplied with the pre-cleaned supply air L via flow channels 10, 11 provided in the housing 7.
  • the flow channels 10, 11 form a flow-distributing geometry 12 of the housing 7.
  • the filter device 8 is suitable for particle filtration. That is, the filter device 8 is adapted to mechanically retain particles contained in the supply air L, such as dust, pollen, sand or the like. This prevents clogging or clogging of the mesoporous second electrode 3.
  • the filter device 8 may have a filter medium made of paper and / or plastic. Furthermore, the filter medium can be coated, impregnated and / or provided with a nanofiber layer. Furthermore, the filter device 8 is suitable for chemical filtration of the supply air L.
  • the filter device 8 is adapted to chemically filter harmful gases such as sulfur oxides SO x , ammonia NH 3 , nitrogen oxides NO x , hydrogen sulfide H 2 S, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 from the supply air L. These noxious gases can act as catalyst poisons that can permanently damage the catalyst provided on the second electrode 3.
  • the filter device 8 may have, for example, activated carbon for chemical filtration.
  • the filter device 8 may comprise potassium carbonate K 2 CO 3 and / or calcium hydroxide Ca (OH) 2 , which reacts chemically with acidic noxious gases such as sulfur oxides SO x or hydrogen sulfide H 2 S in order to neutralize these noxious gases. As a result, the catalyst effect persists permanently.
  • corresponding channels and valve devices are provided in the housing 7.
  • the filter device 8 is also set up to condition the supply air L supplied to the lithium-air accumulators 1 in such a way that the supply air L has a predetermined relative air humidity.
  • the filter device 8 is adapted to withdraw the supply air L, the entire moisture. This prevents a reaction of the metallic lithium Li of the first electrode 2 with water.
  • the filter device 8 may be configured to ensure a defined and constant value of the humidity.
  • the filter device 8 may comprise a desiccant such as silica beads.
  • the silica beads can be scattered on a filter medium of the filter device 8 and glued to this.
  • the filter medium may be constructed in layers, wherein, for example, between two nonwoven layers, a layer of silica beads may be arranged.
  • the filter medium may comprise an absorber material, in particular a so-called superabsorber, a functionalized membrane or the like.
  • the filter device 8 may comprise a suitable filter element.
  • the purified supply air L is guided so that it flows as evenly as possible during the discharge of the lithium-air batteries 1 whose electrodes 3. As a result, the efficiency of the lithium-air batteries 1 is increased. Furthermore, the required space is reduced.
  • air channels can be provided be adapted to dissipate heat from the lithium-air batteries 1. As a result, overheating of the lithium-air batteries 1 is prevented.
  • liquid cooling can also be provided.
  • 7 liquid channels can be provided in the housing. If the drying performance of the filter device 8 decreases, the desiccant can be regenerated. For this purpose, preheated supply air L or warm air A of the lithium-air batteries 1 is used.
  • 6 shows a schematic sectional view of an embodiment of an accumulator arrangement 6 in which the desiccant of the filter device 8 can be regenerated.
  • air inlets 1 3, 14 are provided laterally on the housing 7, can flow through the supply air L or exhaust A of the lithium-air batteries 1 in the filter device 8.
  • the supply air L can be heated by being passed past the lithium-air batteries 1, whereby waste heat is discharged to the supply air L bypassed.
  • the flow direction during regeneration is oriented in the opposite direction as in the unloading of the lithium-air accumulators 1 shown in FIG.
  • the lateral air inlets 13, 14 may form a flow deflection device 22 of the accumulator assembly 6.
  • the flow diverter 22 may further include valve means. When regenerating the air path in the direction of the lithium-air batteries 1 is shut off.
  • the heated supply air L or the warm exhaust air A of the lithium-air batteries 1 is laterally blown or sucked through the air inlets 1 3, 14 in the housing 7 and blown through a central air inlet 1 5 of the housing 7 as exhaust air A '.
  • the exhaust air A ' has a higher humidity than the supply air L.
  • a temperature of 1 80 ° C. is maintained for about two hours in a quenching phase.
  • the air inlets 1 3, 14 are closed and the air path in the direction of the lithium-air batteries 1 is open.
  • the dry or sorbent is regenerated by means of waste heat of the supply air L or the exhaust air of the lithium-air batteries 1.
  • the filter device 8 can not be used as a filter and can be regenerated at the same time, two filter devices 8 can be provided, which are operated alternately in discontinuous operation. It is also possible to implement a plurality of discontinuously provided moisture-regulating systems in the filter device 8. As a result, the charging times for a regeneration of the desiccant or the sorbent are not sufficiently long, or when using the accumulator assembly 6 in an environment even with a long period of use, frequent recuperation or fast-charging phases always ensures sufficient drying performance with high humidity. Furthermore, in addition to the discontinuous system, which is sufficient for its dimensioning for the vast majority of applications, a "backup" or “emergency” system can be provided, which is based on a once-only use disposable cartridge. Once used, this replacement cartridge must be replaced by the user or service technician before the backup system becomes available for a new deployment.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of an alternative embodiment of an accumulator arrangement 6 in which the desiccant of the filter device 8 can be regenerated.
  • This embodiment of the accumulator arrangement 6 differs from the embodiment of the accumulator arrangement 6 according to FIG. 6 in that, in the regeneration mode, not only the air path to the lithium-air accumulators 1 but also to the central air inlet 15 is obstructed. The air paths can be blocked, for example, with the help of shutters.
  • the heated supply air L or warm exhaust air A of the lithium-air batteries 1 flows through the side air inlet 13 into the housing 7, flows through the filter device 8 and flows through the side air inlet 14 as moisture-laden exhaust air A 'out of the housing 7 out.
  • FIGS 8A to 8D show different embodiments of heating elements 1 6 for heating the supply air L for regenerating the desiccant.
  • Fig. 8 A shows a heating element 1 6 in the form of a flat element. This heating element can be placed on the filter device 8.
  • Fig. 8B shows a heating element 1 6 with a heating wire in meandering form.
  • Fig. 8C shows a heating element 1 6, which is designed as a heating foil with holes or openings.
  • the heating foil can be a PCT element (positive temperature coefficient).
  • Fig. 8D shows an embodiment in which the heating element 1 6 is formed as wound around the filter device 8 heating wire.
  • the heating element 16 is designed as a conductive fabric or fleece which heats up.
  • the fabric or nonwoven may be coated with carbon nanotubes.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of an accumulator arrangement 6.
  • Housing 7 of the accumulator arrangement has a first air path 17 for supplying the supply air L to the lithium-air accumulators 1 and a second air path 18 for discharging the exhaust air A provided by the lithium-air batteries 1.
  • the air paths 17, 18 may form a flow deflection device 22 of the accumulator assembly 6.
  • the Filter device 8 comprises a filter element 19 provided in the first air path 17 for filtering the supply air L.
  • the filter element 19 can be provided to clean the supply air L of particles and harmful gases.
  • the filter device 8 further comprises a rotatable relative to the housing 7 rotation memory 20 for dehumidifying the supply air L. This allows a continuous regeneration of the dry or sorbent used can be achieved.
  • one half of the rotation memory 20 is used as a filter while a second half of the same is regenerated.
  • the exhaust air A heated by the lithium-air accumulators 1 assists the regeneration of the drying or sorption agent.
  • An additional heating in the form of the heating element 1 6 can be made smaller or completely eliminated.
  • the rotating storage mass has the advantage of heat transfer.
  • the supply air L for the lithium-air batteries 1 can be preheated via the rotary memory 20. This is particularly advantageous in a so-called. Cold start phase, since the lithium-air batteries 1, similar to a fuel cell system in a shorter time come to working temperature.
  • the accumulator assembly 6 further includes a control and / or regulating device 21, which controls the air flow through the housing 7 with the aid of sensor devices, such as temperature or humidity sensors and by the control of valve devices. For example, in the continuous regeneration by means of the rotation memory 20, a rotational speed control can be performed.
  • sensor devices such as temperature or humidity sensors
  • valve devices for example, in the continuous regeneration by means of the rotation memory 20, a rotational speed control can be performed.
  • the housing 7 air paths, sensor devices, actuators such as valves or valve devices and the control device 21 are integrated.
  • the housing 7 is a plastic injection molded component.
  • the lithium-air batteries 1 may be arranged sequentially or in parallel.
  • the filter device 8 and the lithium-air batteries 1 can be arranged in a common compact housing 7 or spatially separated.
  • the accumulator assembly 6 can be used under real conditions in a vehicle.
  • the lithium-air batteries 1 are protected from damage.
  • the life of the lithium-air batteries 1 is increased and allows the use under different conditions.
  • a change in the filter output or dryer output is determined at an early stage and can be used as a status display or maintenance display with the aid of a corresponding display device are displayed.
  • the embodiment of the accumulator arrangement 6 according to FIG. 9 with the rotary accumulator 20 allows a prolonged service life of the drying or sorption agent. This reduces the operating costs while maintaining the correct operating conditions for the lithium-air batteries. 1

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Abstract

Eine Akkumulator-Anordnung (6) für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Metall-Luft-Akkumulator (1), einer Filtereinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, Zuluft (L) des Metall-Luft-Akkumulators (1) derart zu konditionieren, dass die Zuluft (L) eine vorgegebene Luftfeuchtigkeit aufweist, und einem Gehäuse (7), in dem der Metall-Luft-Akkumulator (1) und die Filtereinrichtung (8) aufgenommen ist, wobei die Zuluft (L) mit Hilfe einer Strömungsumlenkeinrichtung (22) in dem Gehäuse (7) so umleitbar ist, dass die Filtereinrichtung (8) mit Hilfe von Abwärme des Metall-Luft-Akkumulators (1) regenerierbar ist.

Description

Beschreibung
Akkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Akkumulator-Anordnung für ein Fahr- zeug, wobei die Akkumulator-Anordnung einen Metall-Luft-Akkumulator umfasst.
Stand der Technik
Metall -Luft- Akkumulatoren sind aufgrund ihrer erreichbaren hohen Energiedichte insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise für Kraftfahrzeuge geeignet. Ein Beispiel für Metall-Luft-Akkumulatoren sind Lithium-Luft-Akkumulatoren. Deren Funkti- onsweise wird im Folgenden kurz erläutert. Bei der Entladung des Lithium-Luft-Akkumulators wird an einer Lithiumanode unter Abgabe eines Elektrons ein positives Lithium- Ion über einen Elektrolyt an eine Kohlenstoffkathode abgegeben. An der Kohlenstoffkathode reagiert in einem Reduktionsprozess das Lithium-Ion mit Sauerstoff zunächst zu Lithiumoxid und danach zu Lithiumperoxid. Damit dieser Reduktionsprozess stattfinden kann, ist die Kohlenstoffkathode mit einem Katalysator belegt, hoch porös und besitzt daher eine sehr große Oberfläche. Bei der Ladung des Lithium-Luft-Akkumulators dreht sich dieser Vorgang um. An der Kohlenstoffkathode wird Sauerstoff abgegeben, an der Lithiumanode wird metallisches Lithium abgeschieden.
Die Lithiumanode ist feuchtigkeitsanfällig, da das metallische Lithium heftig mit Wasser reagieren kann. Die Kohlenstoffkathode ist aufgrund ihrer hohen Porosität zum einen anfällig für eine Verunreinigung mit Partikeln wie beispielsweise Staub oder Sand, zum anderen können in der Luft enthaltene Schadgase als Katalysatorgifte wirken, die die Kohlenstoffkathode irreversibel schädigen können. Bislang werden Lithium-Luft-Akkumulatoren und auch andere Metall-Luft-Akkumulatoren lediglich unter Laborbedingun- gen getestet und dabei mit hochreinen Gasen beaufschlagt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Akkumulator-Anordnung zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird eine Akkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Metall-Luft-Akkumulator, einer Filtereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Zuluft des Metall-Luft-Akkumulators derart zu konditionieren, dass die Zuluft eine vorgegebene Luft- feuchtigkeit aufweist, und einem Gehäuse, in dem der Metall-Luft-Akkumulator und die Filtereinrichtung aufgenommen ist, vorgeschlagen, wobei die Zuluft mit Hilfe einer Strömungsumlenkeinrichtung in dem Gehäuse so umleitbar ist, dass die Filtereinrichtung mit Hilfe von Abwärme des Metall-Luft-Akkumulators regenerierbar ist. Hierbei kann mittels einer Umlenkung an dem Metall-Luft-Akkumulator vorbei geführte und hierdurch erwärmte Zuluft oder warme Abluft des Metall -Luft- Akkumulators verwendet werden.
Insbesondere können in dem Gehäuse mehrere nebeneinander oder übereinander angeordnete Metall-Luft-Akkumulatoren vorgesehen sein. Der Metall-Luft-Akkumulator weist vorzugsweise eine Anode oder erste Elektrode, die aus einem Metall gefertigt ist, und eine Kathode oder zweite Elektrode, die aus mesoporösem Kohlenstoff gefertigt ist, auf. Je nachdem, welches Metall als Material für die erste Elektrode verwendet wird, ist die Filtereinrichtung dazu eingerichtet, die in der Zuluft enthaltene relative Luftfeuchtigkeit auf einen für das Metall erforderlichen Wert einzustellen. Ist die erste Elektrode bei- spielsweise aus Lithium gefertigt, ist es aufgrund der hohen Reaktivität von Lithium mit Wasser erforderlich, der Zuluft die gesamte oder zumindest annähernd die gesamte Luftfeuchtigkeit zu entziehen. Bei der Verwendung von Silizium als Elektrodenmaterial ist es hingegen erforderlich, dass die in der Zuluft enthaltene Luftfeuchtigkeit mit Hilfe der Filtereinrichtung auf einen definierten und konstanten Wert geregelt wird. Hierdurch wird eine Beschädigung des metallischen Elektrodenmaterials über die Lebensdauer des Metall-Luft-Akkumulators verhindert. Hierdurch ist die Akkumulator-anordnung unter Realbedingungen in einem Fahrzeug einsetzbar. Eine Beaufschlagung des Metall-Luft- Akkumulators mit hochreinen Gasen unter Laborbedingungen ist verzichtbar. Durch die Konditionierung der Zuluft wird der Metall -Luft- Akkumulator vor einer Beschädigung ge- schützt. Die Lebensdauer des Metall -Luft- Akkumulators wird erhöht und der Einsatz unter verschiedensten Bedingungen ermöglicht. Vorzugsweise weist die Akkumulator- Anordnung Sensoreinrichtungen wie Feuchtigkeitssensoren und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf, die mit den Sensoreinrichtungen gekoppelt ist. Durch die Sensoreinrichtungen kann frühzeitig eine Änderung der Filterleistung bzw. Trocknerleistung er- mittelt werden und kann als Zustandsanzeige bzw. Wartungsanzeige mit Hilfe einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung angezeigt werden. Vorzugsweise erwärmt der Metall- Luft- Akkumulator die Zuluft. Mit Hilfe der vom Metall -Luft- Akkumulator erwärmten Zuluft ist die Filtereinrichtung regenerierbar. Die Akkumulator-Anordnung ist insbesondere für Fahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge, Lastkraftwagen, Motorkrafträder, Luftfahrzeuge, Baufahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Wasserfahrzeuge geeignet. Darüber hinaus kann die Akkumulator-Anordnung auch bei immobilen Anwendungen wie in der Gebäudetechnik oder dgl. eingesetzt werden. In Ausführungsformen ist die Strömungsumlenkeinrichtung dazu eingerichtet, zum Regenerieren der Filtereinrichtung eine Strömungsrichtung der Zuluft umzukehren. Die Strömungsumkehreinrichtung kann Luftpfade, Lufteinlässe, Lüftungsklappen, Lüftungsblenden oder dgl. umfassen.
In weiteren Ausführungsformen weist die Akkumulator-Anordnung ein Heizelement zum Erwärmen der Zuluft und/oder der Filtereinrichtung auf. Das Heizelement kann eine Heizfolie, Heizplatte, ein Heizdraht, Heizgewebe oder ein Heizvlies sein. Mit Hilfe der vom Heizelement erwärmten Zuluft kann die Filtereinrichtung regeneriert werden. Insbesondere kann die Filtereinrichtung mit Hilfe des Heizelements direkt beheizt werden.
In weiteren Ausführungsformen ist die Filtereinrichtung dazu eingerichtet, Partikel, ins- besondere Staub, Sand oder dgl., aus der Zuluft herauszufiltern. Hierdurch wird ein Zusetzen oder Verstopfen der mesoporösen zweiten Elektrode verhindert. Zur Partikelfiltration kann die Filtereinrichtung ein aus Papier und/oder Kunststoff gefertigtes Filtermedium aufweisen. Weiterhin kann das Filtermedium beschichtet, imprägniert und/ oder mit einer Nanofaserlage versehen sein. In weiteren Ausführungsformen ist die Filtereinrichtung dazu eingerichtet, Schadgase, insbesondere Stickoxide, Ammoniak, Schwefeloxide, Schwefelwasserstoff, Kohlenmo- noxid oder dgl., chemisch aus der Zuluft herauszufiltern. Diese Schadgase können als Katalysatorgifte wirken, die den an der zweiten Elektrode vorgesehenen Katalysator dauerhaft schädigen können. Die Filtereinrichtung kann zur chemischen Filterung bei- spielsweise Aktivkohle aufweisen. Weiterhin kann die Filtereinrichtung Kaliumkarbonat K2C03 und/oder Kalziumhydroxid Ca(OH)2 aufweisen, das mit sauren Schadgasen wie beispielsweise Schwefeloxiden SOx oder Schwefelwasserstoff H2S chemisch reagiert, um diese Schadgase zu neutralisieren. Hierdurch bleibt die Katalysatorwirkung dauerhaft bestehen. In weiteren Ausführungsformen ist die Filtereinrichtung zum Regenerieren der chemischen Filtereigenschaften mit Hilfe der Strömungsumlenkeinrichtung mit Zuluft spülbar. Zum Regenerieren der Filtereinrichtung, wenn sich deren chemische Filtrationsleistung verringert, kann diese mit frischer Zuluft gespült werden. Hierzu können in dem Gehäuse entsprechende Kanäle und Ventileinrichtungen vorgesehen sein.
In weiteren Ausführungsformen weist das Gehäuse eine Strömungsverteilende Geometrie auf, die dazu eingerichtet ist, die Zuluft so abzuleiten, dass der zumindest eine Me- tall-Luft-Akkumulator flächig mit der Zuluft überströmbar ist. Insbesondere ist die zweite Elektrode flächig mit der Zuluft überströmbar. Hierdurch erhöht sich die Effizienz des Metal I - Luft- Akku mu I ato rs.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Filtereinrichtung zum Konditionieren der Zuluft einen gegenüber dem Gehäuse drehbaren Rotationsspeicher. Die rotierende Speichermasse bietet den Vorteil der Wärmeübertragung. Die Zuluft für den Metall-Luft- Akkumulator kann über den Rotationsspeicher vorgewärmt werden. Dies ist insbesondere bei einer sog. Kaltstartphase von Vorteil, da der Metal I-Luft-Akkumul ato r ähnlich einem Brennstoffzellensystem in kürzerer Zeit seine Arbeitstemperatur erreicht. Die Akkumulator-Anordnung kann weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung um- fassen, die mit Hilfe von Sensoreinrichtungen, wie beispielsweise Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren und durch die Ansteuerung von Ventileinrichtungen den Luftstrom durch das Gehäuse steuert. Beispielsweise kann bei einer kontinuierlichen Regeneration mit Hilfe des Rotationsspeichers eine Drehgeschwindigkeitsregelung vorgenommen werden. Die Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung mit dem Rotations- Speicher ermöglicht eine verlängerte Standzeit des Trocken- oder Sorptionsmittels. Hierdurch reduzieren sich die Betriebskosten unter Wahrung der richtigen Betriebsbedingungen für den Metal I-Luft-Akkumul ato r.
In weiteren Ausführungsformen ist in dem Rotationsspeicher ein Trockenmittel aufgenommen. Der Rotationsspeicher kann mit dem Trockenmittel beschichtet sein. In weiteren Ausführungsformen ist das Trockenmittel mit Hilfe des Rotationsspeichers kontinuierlich regenerierbar. Hierbei kann von dem Metall-Luft-Akkumulator erwärmte Abluft die Regeneration des Trocken- oder Sorptionsmittels unterstützen. Eine Zusatzheizung in Form des Heizelements kann kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen. Weitere mögliche Implementierungen der Akkumulator-Anordnung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen der Akkumulator-Anordnung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Er- gänzungen zu der jeweiligen Grundform der Akkumulator-Anordnung hinzufügen oder abändern.
Weitere Ausgestaltungen der Akkumulator-Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Akkumula- tor-Anordnung. Im Weiteren wird die Akkumulator-Anordnung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Metall -Luft- Akkumulators in einem Ladezustand;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des Metall -Luft- Akkumulators gemäß der Fig. 1 in einem Entladezustand;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Metall- Luft- Akkumulators in einem Entladezustand;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Metall- Luft-Akkumulators in einem Entladezustand;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Akkumulator- Anordnung;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung; Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung;
Fig. 8A - 8E schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines Heizelements; und
Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Akkumu- lator-Anordnung.
In den Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Metall -Luft- Akkumulators 1 in einem Ladezustand. Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Metall-Luft-Akkumulators 1 in einem Entladezustand. Der Metall-Luft-Akkumulator 1 weist eine aus Metall, insbesondere aus Lithium Li, gefertigte Anode oder erste Elektrode 2 und eine Kathode oder zweite Elektrode 3 auf. Im Folgenden wird explizit nur auf Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 eingegangen.
Die zweite Elektrode 3 ist aus mesoporösem Kohlenstoff C aufgebaut und am elektro- chemischen Prozess nicht direkt beteiligt. Mesoporöse Festkörper sind nach Definition der International Union of Pure and Applied Chemistry (I UPAC) poröse Materialien mit einem Porendurchmesser zwischen 2 nm und 50 nm. Der Kohlenstoff C dient als elektrischer Leiter und Anschluss, die mesoporöse Struktur zur Maximierung der Oberfläche, um die Reaktion von Sauerstoff O2 mit Lithium-Ionen Li+ im Bereich der zweiten Elektrode 3 zu erleichtern.
Die erste Elektrode 2 besteht aus metallischem Lithium Li. Alternativ kann die erste Elektrode 2 aus einem anderen Metall wie beispielsweise Silizium bestehen. Zwischen den beiden Elektroden 2, 3 befindet sich ein Elektrolyt 4, welcher je nach Ausführungsform des Lithium-Luft-Akkumulators 1 flüssig oder fest sein kann. Im letzteren Fall liegt ein Festkörperakkumulator vor. Insbesondere kann der flüssige Elektrolyt 4 eine organische Flüssigkeit sein, die nicht mit dem Lithium Li reagiert.
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Lithium-Luft- Akkumulators 1 mit einem wasserbasierten Elektrolyten 4. Um ein Reagieren des metallischen Lithiums Li mit dem Elektrolyten 4 zu verhindern, ist zwischen der ersten Elek- trode 2 und dem wässrigen Elektrolyten 4 eine Schutzschicht 5 vorgesehen. Die Schutzschicht 5 kann eine auf dem metallischen Lithium Li aufliegende Glaskeramikschicht sein. Beispielsweise ist die Schutzschicht 5 eine sog. LiSICON-Schicht (LiM2(PO )3). Die Schutzschicht 5 ermöglicht es, dass das Lithium Li in der wässrigen Umgebung stabil bleibt. Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines hybriden Lithium-Luft-Akkumulators 1 . Hierbei ist zwischen der ersten Elektrode 2 und der Schutzschicht 5 ein organischer Elektrolyt 4 und zwischen der Schutzschicht 5 und der zweiten Elektrode 3 ein wässriger Elektrolyt 4 angeordnet.
Das grundlegende Funktionsprinzip bei allen Typen von Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ist im Wesentlichen identisch. Bei der Entladung (Fig. 2, 3, 4) wird an der ersten Elektrode 2 unter Abgabe eines Elektrons e" ein positives Lithium-Ion Li+ über den Elektrolyt 4 an die zweite Elektrode 3 abgegeben, wo das Lithium-Ion Li+ mit Sauerstoff O2 zunächst zu Lithiumoxid Li2O und danach zu Lithiumperoxid Li2O2 oxidiert. Es findet dabei der folgende Reduktionsprozess statt: 02 + 4e"— >· 2 O2". Damit dieser Reduktionspro- zess stattfinden kann, ist die zweite Elektrode 3 mit einem Katalysator belegt, hoch porös und besitzt daher eine sehr große Oberfläche. Deshalb ist die zweite Elektrode 3 zum einen anfällig für eine Verunreinigung mit Partikeln wie beispielsweise Staub oder Sand, die die zweite Elektrode 3 verstopfen oder verblocken können, zum anderen wirken Schadgase wie Schwefeloxide SxOy, Ammoniak NH3, Stickoxide NOx, Schwefelwasserstoff H2S, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO2 und weitere als Katalysatorgifte, die die zweite Elektrode 3 irreversibel schädigen können. Weiterhin ist die zweite Elektrode 3 auch feuchtigkeitsempfindlich. Bei der Ladung (Fig. 1 ) des Lithium-Luft-Akkumulators 1 dreht sich dieser Vorgang um. An der zweiten Elektrode 3 wird Sauerstoff O2 abgegeben, an der ersten Elektrode 2 wird metallisches Lithium Li abgeschieden. Die erste Elektrode 2 ist feuchtigkeitsanfällig, da das metallische Lithium Li heftig mit Wasser reagieren kann.
Fig. 5 zeigt eine Akkumulator-Anordnung 6 für ein Fahrzeug. Die Akkumulator-Anord- nung 6 umfasst vorzugsweise mehere Lihium-Luft-Akkumulatoren 1 , von denen in der Fig. 5 nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 sind vorzugsweise nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet. Den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 wird Zuluft L zugeführt. Stromaufwärts der Lithium- Luft-Akkumulatoren 1 ist eine Filtereinrichtung 8 und eine Abscheideeinrichtung 9 vor- gesehen. Die Abscheideeinrichtung 9 kann ein Zyklonabscheider sein. Die Abscheideeinrichtung 9 ist dazu eingerichtet, die Zuluft L von Partikeln, insbesondere von groben Partikeln, zu reinigen. Zwischen der Abscheideeinrichtung 9 und den Lithium-Luft- Akkumulatoren 1 ist die Filtereinrichtung 8 angeordnet. Der Filtereinrichtung 8 wird die vorgereinigte Zuluft L über in dem Gehäuse 7 vorgesehene Strömungskanäle 10, 1 1 zu- geführt. Die Strömungskanäle 10, 1 1 bilden eine Strömungsverteilende Geometrie 12 des Gehäuses 7.
Die Filtereinrichtung 8 ist zur Partikelfiltration geeignet. Das heißt, die Filtereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, in der Zuluft L enthaltene Partikel wie beispielsweise Staub, Pollen, Sand oder dgl. mechanisch zurückzuhalten. Hierdurch wird ein Zusetzen oder Ver- stopfen der mesoporösen zweiten Elektrode 3 verhindert. Zur Partikelfiltration kann die Filtereinrichtung 8 ein aus Papier und/oder Kunststoff gefertigtes Filtermedium aufweisen. Weiterhin kann das Filtermedium beschichtet, imprägniert und/oder mit einer Na- nofaserlage versehen sein. Weiterhin ist die Filtereinrichtung 8 zur chemischen Filtration der Zuluft L geeignet. Insbesondere ist die Filtereinrichtung 8 dazu eingerichtet, Schadgase wie Schwefeloxide SOx, Ammoniak NH3, Stickoxide NOx, Schwefelwasserstoff H2S, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO2 chemisch aus der Zuluft L herauszufiltern. Diese Schadgase können als Katalysatorgifte wirken, die den an der zweiten Elektrode 3 vorgesehenen Katalysator dauerhaft schädigen können. Die Filtereinrichtung 8 kann zur chemischen Filterung beispielsweise Aktivkohle aufweisen. Weiterhin kann die Filtereinrichtung 8 Kaliumkarbonat K2CO3 und/oder Kalziumhydroxid Ca(OH)2 aufweisen, das mit sauren Schadgasen wie beispielsweise Schwefeloxiden SOx oder Schwefelwasserstoff H2S chemisch reagiert, um diese Schadgase zu neutralisieren. Hierdurch bleibt die Katalysatorwirkung dauerhaft bestehen. Zum Regenerieren der Filtereinrichtung 8, wenn sich deren chemische Filtrationsleistung verringert, kann diese mit frischer Zuluft L gespült werden. Hierzu sind in dem Gehäuse 7 entsprechende Kanäle und Ventileinrichtungen vorgesehen.
Die Filtereinrichtung 8 ist auch dazu eingerichtet, die den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 zugeführte Zuluft L derart zu konditionieren, dass die Zuluft L eine vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit aufweist. Insbesondere ist die Filtereinrichtung 8 dazu eingerichtet, der Zuluft L die gesamte Feuchtigkeit zu entziehen. Hierdurch wird eine Reaktion des metallischen Lithiums Li der ersten Elektrode 2 mit Wasser verhindert. Bei der Anwendung für andere Arten von Metall-Luft-Akkumulatoren wie beispielsweise Silizium-Luft- Akkumulatoren kann die Filtereinrichtung 8 dazu eingerichtet sein, einen definierten und gleichbleibenden Wert der Luftfeuchtigkeit zu gewährleisten.
Die Filtereinrichtung 8 kann ein Trockenmittel wie beispielsweise Silica-Perlen aufweisen. Die Silicaperlen können auf ein Filtermedium der Filtereinrichtung 8 aufgestreut und mit diesem verklebt sein. Weiterhin kann das Filtermedium schichtweise aufgebaut sein, wobei beispielsweise zwischen zwei Vlieslagen eine Schicht Silica-Perlen angeordnet sein kann. Zusätzlich oder optional kann das Filtermedium ein Absorbermaterial, insbesondere einen sog. Superabsorber, eine funktionalisierte Membran oder dgl. umfassen. Für jede der zuvor beschriebenen Funktionalitäten kann die Filtereinrichtung 8 ein geeignetes Filterelement umfassen. Die gereinigte Zuluft L wird derart geführt, dass diese bei der Entladung der Lithium- Luft-Akkumulatoren 1 deren Elektroden 3 möglichst gleichmäßig anströmt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 erhöht. Weiterhin wird der benötigte Bauraum reduziert. In dem Gehäuse 7 können weitere Luftkanäle vorgesehen sein, die dazu eingerichtet sind, Wärme von den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 abzuführen. Hierdurch wird eine Überhitzung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 verhindert. Alternativ oder optional zu einer Luftkühlung kann auch eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein. Hierzu können in dem Gehäuse 7 Flüssigkeitskanäle vorgesehen sein. Falls die Trockenleistung der Filtereinrichtung 8 nachlässt, kann das Trockenmittel regeneriert werden. Hierzu wird vorgewärmte Zuluft L oder warme Abluft A der Lithium- Luft-Akkumulatoren 1 verwendet. Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung 6 bei der das Trockenmittel der Filtereinrichtung 8 regenerierbar ist. Hierzu sind seitlich an dem Gehäuse 7 Lufteinlässe 1 3, 14 vorgesehen, durch die Zuluft L oder Abluft A der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 in die Filtereinrichtung 8 einströmen kann. Die Zuluft L kann erwärmt werden, indem sie an den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 vorbei geleitet wird, wodurch Abwärme an die vorbeigeführte Zuluft L abgegeben wird. Die Strömungsrichtung beim Regenerieren ist dabei umgekehrt orientiert wie bei dem in Fig. 5 gezeigten Entladen der Lithium-Luft-Akkumu- latoren 1 . Die seitlichen Lufteinlässe 13, 14 können eine Strömungsumlenkeinrichtung 22 der Akkumulator-Anordnung 6 bilden. Die Strömungsumlenkeinrichtung 22 kann ferner Ventileinrichtungen aufweisen. Beim Regenerieren ist der Luftpfad in Richtung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 abgesperrt. Die erwärmte Zuluft L oder die warme Abluft A der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 wird seitlich durch die Lufteinlässe 1 3, 14 in das Gehäuse 7 eingeblasen oder eingesaugt und über einen zentralen Lufteinlass 1 5 des Gehäuses 7 als Abluft A' ausgeblasen. Die Abluft A' weist dabei eine höhere Luftfeuchtigkeit als die Zuluft L auf. Zur Regeneration des Trockenmittels wird in einer Ausheizphase beispielsweise eine Temperatur von 1 80° C über etwa zwei Stunden gehalten. Im Entladezustand der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 sind die Lufteinlässe 1 3, 14 geschlossen und der Luftpfad in Richtung der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ist geöffnet. Das Trocken- bzw. Sorptionsmittel wird mit Hilfe von Abwärme der Zuluft L oder der Abluft der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 regeneriert. Da die Filtereinrichtung 8 nicht als Filter nutzbar und gleichzeitig regenerierbar, können zwei Filtereinrichtungen 8 vorgesehen sein, die abwechselnd im diskontinuierlichen Betrieb gefahren werden. Es können auch mehrere diskontinuierlich vorgesehene feuchtigkeitsregulierende Systeme in der Filtereinrichtung 8 verwirklicht sein. Hierdurch ist auch bei einer langen Nutzungsphase, bei häufiger Rekuperation oder Schnelladephasen, wobei die Aufladezeiten für eine Regeneration des Trockenmittels bzw. des Sorptionsmittels nicht ausreichend lange sind, oder beim Einsatz der Akkumulator-Anordnung 6 in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit stets eine ausreichende Trockenleistung gewährleistet. Weiterhin kann neben dem diskontinuierlichen System, welches von seiner Dimensionierung für die überwiegende Anzahl der Einsatzfälle ausreichend ist, ein "Backup-" oder "Not-"System vorgesehen sein, das auf Basis einer nur einmal nutzbaren Wechselkar- tusche beruht. Einmal benutzt, muss diese Wechselkartusche vom Anwender oder Servicetechniker ausgetauscht werden, bevor das Backup-System wieder für einen neuen Einsatz zur Verfügung steht.
Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung 6 bei der das Trockenmittel der Filtereinrichtung 8 regenerier- bar ist. Diese Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung 6 gemäß Fig. 6 dadurch, dass im Regenerationsmodus nicht nur der Luftpfad zu den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 , sondern auch zum zentralen Lufteinlass 15 versperrt ist. Die Luftpfade können beispielsweise mit Hilfe von Blendenverschlüssen versperrt sein. Die erwärmte Zuluft L oder warme Abluft A der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 strömt durch den seitlichen Lufteinlass 13 in das Gehäuse 7, durchströmt die Filtereinrichtung 8 und strömt durch den seitlichen Lufteinlass 14 als feuchtigkeitsbeladene Abluft A' wieder aus dem Gehäuse 7 heraus.
Figuren 8A bis 8D zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Heizelementen 1 6 zum Erwärmen der Zuluft L zum Regenerieren des Trockenmittels. Fig. 8 A zeigt ein Heizelement 1 6 in Form eines Flachelements. Dieses Heizelement kann auf die Filtereinrichtung 8 aufgelegt werden. Fig. 8B zeigt ein Heizelement 1 6 mit einem Heizdraht in Mäanderform. Fig. 8C zeigt ein Heizelement 1 6, das als Heizfolie mit Löchern oder Durchbrüchen ausgebildet ist. Die Heizfolie kann ein PCT-Element sein (positive tempe- rature coefficient). Fig. 8D zeigt eine Ausführungsform, bei der das Heizelement 1 6 als um die Filtereinrichtung 8 gewickelter Heizdraht ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8E ist das Heizelement 1 6 als leitfähiges Gewebe oder Vlies ausgebildet, welches sich erwärmt. Beispielsweise kann das Gewebe oder Vlies mit Carbon Nano Tubes beschichtet sein.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Akkumulator-Anordnung 6. In dem Ge- häuse 7 der Akkumulator-Anordnung ist ein erster Luftpfad 17 zum Zuführen der Zuluft L zu den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 und ein zweiter Luftpfad 18 zum Abführen der Abluft A von den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 vorgesehen. Die Luftpfade 17, 18 können eine Strömungsumlenkeinrichtung 22 der Akkumulator-Anordnung 6 bilden. Die Filtereinrichtung 8 umfasst ein in dem ersten Luftpfad 17 vorgesehenes Filterelement 19 zum Filtern der Zuluft L. Das Filterelement 19 kann dazu vorgesehen sein, die Zuluft L von Partikeln und Schadgasen zu reinigen. Die Filtereinrichtung 8 umfasst weiterhin einen relativ zu dem Gehäuse 7 drehbaren Rotationsspeicher 20 zum Entfeuchten der Zuluft L. Hierdurch kann eine kontinuierliche Regeneration des eingesetzten Trockenoder Sorptionsmittels erreicht werden. Hierbei wird eine Hälfte des Rotationsspeichers 20 als Filter genutzt während eine zweite Hälfte desselben regeneriert wird. Hierbei unterstützt die von den Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 erwärmte Abluft A die Regeneration des Trocken- oder Sorptionsmittels. Eine Zusatzheizung in Form des Heizelements 1 6 kann kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen. Weiterhin bietet die rotierende Speichermasse den Vorteil der Wärmeübertragung. Die Zuluft L für die Lithium-Luft- Akkumulatoren 1 kann über den Rotationsspeicher 20 vorgewärmt werden. Dies ist insbesondere bei einer sog. Kaltstartphase von Vorteil, da die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 ähnlich einem Brennstoffzellensystem in kürzerer Zeit auf Arbeitstemperatur kommen. Die Akkumulator-Anordnung 6 umfasst weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 , die mit Hilfe von Sensoreinrichtungen, wie beispielsweise Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren und durch die Ansteuerung von Ventileinrichtungen den Luftstrom durch das Gehäuse 7 steuert. Beispielsweise kann bei der kontinuierlichen Regeneration mit Hilfe des Rotationsspeichers 20 eine Drehgeschwindigkeitsregelung vorgenommen werden. In dem Gehäuse 7 sind Luftpfade, Sensoreinrichtungen, Stellglieder wie Klappen oder Ventileinrichtungen sowie die Steuereinrichtung 21 integriert. Vorzugsweise ist das Gehäuse 7 ein Kunststoffspritzgussbauteil. Die Lithium-Luft- Akkumulatoren 1 können sequentiell oder parallel angeordnet sein. Die Filtereinrichtung 8 und die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 können in einem gemeinsamen kompakten Gehäuse 7 oder räumlich separiert angeordnet sein.
Durch die Konditionierung der Zuluft L für die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 nach deren Anforderungen für Partikel- und Schadstofffreiheit sowie den Ausschluss von Feuchtigkeit bzw. Einstellung einer definierten Feuchtigkeit ist die Akkumulator-anordnung 6 unter Realbedingungen in einem Fahrzeug einsetzbar. Durch die Konditionierung der Zuluft L werden die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 vor einer Beschädigung geschützt. Die Lebensdauer der Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 wird erhöht und der Einsatz unter verschiedenen Bedingungen ermöglicht. Durch die Sensoreinrichtungen wird frühzeitig eine Änderung der Filterleistung bzw. Trocknerleistung ermittelt und kann als Zustands- anzeige bzw. Wartungsanzeige mit Hilfe einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung angezeigt werden. Die Ausführungsform der Akkumulator-Anordnung 6 gemäß Fig. 9 mit dem Rotationsspeicher 20 ermöglicht eine verlängerte Standzeit des Trocken- oder Sorptionsmittels. Hierdurch reduzieren sich die Betriebskosten unter Wahrung der richtigen Betriebsbedingungen für die Lithium-Luft-Akkumulatoren 1 .

Claims

Ansprüche
1 . Akkumulator-Anordnung (6) für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Metall-Luft- Akkumulator (1 ), einer Filtereinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, Zuluft (L) des Metall -Luft- Akkumulators (1 ) derart zu konditionieren, dass die Zuluft (L) eine vorge- gebene Luftfeuchtigkeit aufweist, und einem Gehäuse (7), in dem der Metall-Luft- Akkumulator (1 ) und die Filtereinrichtung (8) aufgenommen ist, wobei die Zuluft (L) mit Hilfe einer Strömungsumlenkeinrichtung (22) in dem Gehäuse (7) so umleitbar ist, dass die Filtereinrichtung (8) mit Hilfe von Abwärme des Metall-Luft-Akkumulators (1 ) regenerierbar ist.
2. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die Strömungsumlenkeinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, zum Regenerieren der Filtereinrichtung (8) eine Strömungsrichtung der Zuluft (L) umzukehren.
3. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Akkumulator-Anordnung (6) ein Heizelement (1 6) zum Erwärmen der Zuluft (L) und/oder der Filterein- richtung (8) aufweist.
4. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei die Filtereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, Partikel, insbesondere Staub, Sand oder dergleichen, aus der Zuluft (L) herauszufiltern.
5. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei die Filtereinrich- tung (8) dazu eingerichtet ist, Schadgase, insbesondere Stickoxide, Ammoniak,
Schwefeloxide, Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid oder dergleichen, chemisch aus der Zuluft (L) herauszufiltern.
6. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Filtereinrichtung (8) zum Regenerieren der chemischen Filtereigenschaften mit Hilfe der Strömungsumlenkein- richtung (22) mit Zuluft (L) spülbar ist.
7. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei das Gehäuse (7) eine Strömungsverteilende Geometrie (12) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Zuluft (L) so abzuleiten, dass der zumindest eine Metall -Luft- Akkumulator (1 ) flächig mit der Zuluft (L) überströmbar ist.
8. Akkumulator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, wobei die Filtereinrichtung (8) zum Konditionieren der Zuluft (L) einen gegenüber dem Gehäuse (7) drehbaren Rotationsspeicher (20) umfasst.
9. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 8, wobei in dem Rotationsspeicher (20) ein Trockenmittel aufgenommen ist.
10. Akkumulator-Anordnung nach Anspruch 9, wobei das Trockenmittel mit Hilfe des Rotationsspeichers (20) kontinuierlich regenerierbar ist.
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