WO2022096166A1 - Energiespeicherzelle, energiespeicher sowie verfahren zum herstellen einer energiespeicherzelle - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an energy storage cell.
  • the present invention relates to an energy store.
  • the present invention provides a method for manufacturing an energy storage cell.
  • Known energy storage cells are usually implemented as plastic capsules and have a phase change material inside the plastic capsule, which is set in such a way that it changes to the liquid phase when heat is supplied (endothermic reaction) and crystallizes again when it cools and thus generates heat its surroundings (exothermic reaction).
  • the generic energy storage cells are primarily used in energy storage devices that are essentially constructed as follows and function according to the following principle: a large number of generic energy storage cells are arranged in a tank filled with a liquid, for example water or oil. At a time when there is excess energy, for example during the day when there is sunshine, the excess energy is used to heat the liquid in the tank. The liquid gives off heat to the energy storage cells, so that the phase change material changes into the liquid phase under an endothermic reaction.
  • the phase change material crystallizes with an exothermic reaction, with heat being released or transferred to the liquid.
  • the energy storage cells must be sufficiently tight against an external pressure of 3 to 4 bar, which prevails in the liquid tank.
  • the chaotic, uncontrollable arrangement of the energy storage cells in the tank has proven to be disadvantageous.
  • the known energy storage cells are too sluggish, ie the phase transitions of the phase change material as a result of temperature changes are too sluggish.
  • the energy storage cell comprises a closed metal capsule in which the phase change material is arranged.
  • the fluid-tight sealing of the capsule is of decisive importance for the safe and long-lasting functionality of the energy storage cell.
  • the energy storage cell should ensure reliable separation of the phase change material from the environment, namely the liquid, over the service life of at least 20 years or 10,000 cycles, reversible exothermic and endothermic reaction.
  • the inventors of the present invention have found that there is potential for improvement in the energy storage cell according to DE 102019105988 Ai both from production and from functional aspects.
  • the energy storage cell in particular an accumulator, is then provided.
  • the energy storage cell can be set up or arranged in such a way, for example in an energy storage device, that the energy storage cell is powered by a liquid fluid, such as water, oil or the like, is surrounded and/or flows around.
  • the energy storage cell can function according to the following principle, for example: up to a certain liquid temperature, the energy storage cell absorbs heat, ie energy, from the liquid surrounding and/or flowing around the energy storage cell.
  • the energy storage cell is designed to store the absorbed heat or energy. If required, the energy storage cell can release the stored energy again.
  • the energy store is a water tank, such as a boiler, which is arranged outdoors and in which the energy storage cell is located.
  • the water arranged in the water tank can be heated by solar radiation and thereby heat the energy storage cell, which stores the absorbed heat in the form of energy. If the water in the water tank cools down, for example at night, the energy storage cell can release the heat again in order to warm up the water. The absorption and release of energy can be reversible or repeated as often as desired.
  • the energy storage cell is rechargeable and/or designed as an accumulator.
  • the energy storage cell comprises an elongate, hollow metal container in which phase change material is arranged and which has at least one open end which is closed in a gas-tight manner by means of a cover.
  • the metal container can be made or manufactured from metal. Aluminum, brass, steel or copper and alloys thereof are used as metals, for example. Metals are inexpensive and easy to process. In the case of the metal containers according to the invention, it has proven to be advantageous that metals have a high thermal conductivity. This made it possible to create a fast-reacting energy storage cell. Due to the increased thermal conductivity of metal, in particular compared to the previously used plastic material, the phase change material reacted significantly faster, in particular more sensitively, to temperature changes in the liquid surrounding and/or flowing around the metal container. Because the thermal conductivity of metals is generally 10 to 1000 times higher than the thermal conductivity of plastics, the phase change material can react faster by this factor to temperature changes in the liquid.
  • the metal container can have a wall that has a cavity, preferably a storage space, with the wall in particular serving to separate and/or shield the cavity from its surroundings.
  • the metal container is generally not limited to any particular shape and/or geometry.
  • the metal container can be designed to be fluid-tight with respect to the environment in such a way that no liquid from the environment can enter the interior of the metal container and/or no materials arranged inside the metal container, such as phase change materials, can escape into the environment.
  • Phase change materials are generally materials that can store much of the thermal energy input to them in the form of latent heat.
  • Latent heat is the enthalpy absorbed or released during a first-order phase transition. This means that phase change materials can store a high proportion of heat and/or cold energy and release it again as heat, phase-shifted, as required.
  • Phase change materials have the advantage of being able to store very large amounts of heat in a small temperature range around the phase change, for example from solid to liquid or vice versa, gaseous to solid, or vice versa, or from gaseous to liquid.
  • Phase change materials, or their energy storage capacities are based on the utilization of the phase transformation enthalpy, for example during the solid-liquid phase transition (solidification-melting), or vice versa.
  • Phase change materials can include, for example, salts, e.g. Glauber's salt, sodium acetate, or inorganic compounds, e.g. paraffins, fatty acids, or the like.
  • Other exemplary phase change materials are water or metallic phase change materials such as an aluminum silicon alloy.
  • the phase change material can be selected or set in such a way that it carries out an endothermic reaction when heat is supplied and an exothermic reaction when heat is removed.
  • An endothermic reaction is generally understood to mean a reaction in which energy, for example in the form of heat, is absorbed from the environment.
  • the exothermic reaction denotes the opposite, in which energy, for example in the form of heat, is given off to the environment, namely the liquid.
  • the absorption and release of energy and/or the phase change can be reversible or repeated as often as desired.
  • the phase change material can be selected and/or adjusted in such a way that it carries out an endothermic reaction when heat is supplied and an exothermic reaction when heat is dissipated.
  • the endothermic and the exothermic reaction can be reversible.
  • the advantage of the energy storage cell is that it can be used not only once but repeatedly, ie can absorb and store energy again after releasing the absorbed and stored energy.
  • the phase change material can assume at least two phases.
  • the phase change material can be set up to absorb energy during a phase change from the first to the second phase and to emit energy during a reverse phase change from the second to the first phase, and/or to convert reversibly between the at least two phases.
  • the energy storage cell according to the invention is set up to absorb and store energy from a liquid surrounding and/or flowing around the energy storage cell and to release the stored energy in particular to the liquid at a predetermined operating point, in particular at a predetermined temperature of the liquid.
  • the liquid can be water, oil or the like.
  • the metal container is made of a corrosion-resistant and/or salt-resistant and/or chemical-resistant metal, in particular a precious metal or stainless steel, for example chrome-nickel steel. It has been found that resistance to the phase change material arranged inside the metal container as well as resistance to the liquid surrounding and/or flowing around the metal container may be required. The materials specified have proven to be suitable in this regard.
  • the energy storage cell includes an intermediate production state in which the cover is pre-positioned in the metal container in such a way that phase change material is prevented from escaping from the metal container, in particular in such a way that the metal container is temporarily sealed in a gas-tight manner, and a subsequent one Production state, in particular final production state, in which the lid and the metal container are additionally bonded to one another for permanent gas-tight sealing of the metal container.
  • One advantage of the present invention is, among other things, that the energy storage cell is already in an intermediate production state, in which the phase change material is accommodated in the metal container and is already sealed with respect to the environment, without the energy storage cell having already been completely manufactured and the cover finally being cohesively bonded to the metal container is connected, reliably handled or transported, for example to the subsequent production station tion can be passed without phase change material being lost or the desired pressure to be set within the energy storage cell being changed or lost.
  • the expression “temporarily” can be understood, for example, to mean that the metal container is temporarily gas-tight by means of the lid, at least until the subsequent material connection production step. Furthermore, the expression “temporarily” can be understood to mean that the gas-tightness achieved in the production state is not suitable or sufficient for the generic use of the energy storage cell, but is limited to handling or transport steps or periods during the production of the energy storage cell.
  • a fit between the cover and the metal container can be selected in such a way that phase change material is prevented from escaping from the metal container.
  • the outer dimensions of the lid can be oversized in relation to the inner dimensions of the metal container.
  • the cover it is also possible for the cover to be pressed onto the metal container, in particular pressed into it. In general, it can be said that in the intermediate production state there is a circumferential or peripheral gap, in particular an air gap, between the lid and the metal container of less than 0.01 mm.
  • the particularly gap-free abutting of the lid and metal container that is achieved in this way prevents phase change material from escaping from the container and/or entry of air into the interior of the metal container even in the intermediate production state, in particular to maintain a desired pressure ratio inside the metal container.
  • the cover and the metal container are connected to one another by means of welding, in particular by means of laser welding.
  • Welding, in particular laser welding has proven to be particularly advantageous and effective for generic metal energy storage cells, on the one hand to ensure low production costs, especially in mass production, and on the other hand to achieve the imperatively required tightness, in particular gas-tightness, with respect to the environment.
  • the lid is pre-positioned in the metal container in such a way that the lid and the metal container merge flush into one another.
  • the cover can be pressed with the metal container, in particular pressed into it.
  • the lid can be accommodated within the metal container, in particular in such a way that an externally mentioned transition between metal container and lid occurs flush, step-free, without projections, without edges and/or continuously.
  • a particularly good weld seam in particular a laser weld seam, can be generated.
  • the open end of the metal container has a circumferential edge which is oriented in the longitudinal direction and faces the surroundings.
  • the metal container has a rotational shape, in particular a hollow cylindrical shape.
  • the peripheral edge can then form an annular surface.
  • the cover can be adapted in shape with respect to the peripheral edge in such a way that a circumferential, flush transition is formed between the cover and the peripheral edge.
  • the lid can have a flat base and an annular rim adjoining the base and protruding from the base, which is adapted to rest against the inner contour of the metal container and serves to be welded to the metal container.
  • the lid it is possible for the lid to have a disk shape that can be flat, so that there is an end face of the metal container that extends along the entire width, i.e. transversely to the longitudinal extent of the elongated metal container, with a transition between the lid and metal container running all the way around or is continuously flush in the circumferential direction, free of projections and/or edges.
  • an energy storage cell which can be designed, for example, according to one of the aspects and/or embodiments described above.
  • the energy storage cell according to the invention comprises an elongate metal container which delimits a cavity.
  • the metal container can be made or manufactured from metal. Aluminum, brass, steel or copper and alloys thereof are used as metals, for example. Metals are inexpensive and easy to process.
  • metals have a high thermal conductivity. This allowed a re- fast-action energy storage cell can be created. Due to the increased thermal conductivity of metal, in particular compared to the previously used plastic material, the phase change material reacted significantly faster, in particular more sensitively, to temperature changes in the liquid surrounding and/or flowing around the metal container.
  • the metal container can have a wall that delimits a cavity, preferably a storage space, with the wall in particular serving to separate and/or shield the cavity from its surroundings.
  • the metal container is generally not limited to any particular shape and/or geometry.
  • the metal container can be designed to be fluid-tight with respect to the environment in such a way that no liquid from the environment can enter the interior of the metal container and/or no materials arranged inside the metal container, such as phase change materials, can escape into the environment.
  • Phase change material is arranged in the cavity.
  • Phase change materials are generally materials that can store much of the thermal energy input to them in the form of latent heat.
  • Latent heat is the enthalpy absorbed or released during a first-order phase transition. This means that phase change materials can store a high proportion of heat and/or cold energy and release it again as heat, phase-shifted, as required.
  • Phase change materials have the advantage of being able to store very large amounts of heat in a small temperature range around the phase change, for example from solid to liquid or vice versa, gaseous to solid, or vice versa, or from gaseous to liquid.
  • Phase change materials are based on the utilization of the phase transformation enthalpy, for example during the solid-liquid phase transition (solidification-melting), or vice versa.
  • Phase change materials can include, for example, salts, e.g. Glauber's salt, sodium acetate, or inorganic compounds, e.g. paraffins, fatty acids, or the like.
  • Other exemplary phase change materials are water or metallic phase change materials such as an aluminum silicon alloy.
  • the phase change material can be selected or set in such a way that it carries out an endothermic reaction when heat is supplied and an exothermic reaction when heat is removed.
  • An endothermic reaction is generally understood to mean a reaction in which energy, for example in the form of heat, is absorbed from the environment.
  • the Exothermic reaction denotes the opposite, in which energy, for example in the form of heat, is given off to the environment, namely the liquid.
  • the absorption and release of energy and/or the phase change can be reversible or repeated as often as desired.
  • the phase change material can be selected and/or adjusted in such a way that it carries out an endothermic reaction when heat is supplied and an exothermic reaction when heat is dissipated.
  • the endothermic and the exothermic reaction can be reversible.
  • the advantage of the energy storage cell is that it can be used not just once but repeatedly, ie after the absorbed and stored energy has been released, it can absorb and store energy again.
  • the phase change material can assume at least two phases. Furthermore, the phase change material can be set up to absorb energy during a phase change from the first to the second phase and to release energy during a reverse phase change from the second to the first phase, and/or to convert reversibly between the at least two phases.
  • the energy storage cell according to the invention is set up to absorb and store energy from a liquid surrounding and/or flowing around the energy storage cell and to release the stored energy in particular to the liquid at a predetermined operating point, in particular at a predetermined temperature of the liquid.
  • the liquid can be water, oil or the like.
  • the metal container is made of a corrosion- and/or salt- and/or chemical-resistant metal, in particular a noble metal or stainless steel, for example chrome-nickel steel. It has been found that resistance to the phase change material arranged inside the metal container as well as resistance to the liquid surrounding and/or flowing around the metal container may be required. The materials specified have proven to be suitable in this regard.
  • the metal container has at least one open end, which is closed in a gas-tight manner by means of a cover.
  • the cover is shaped in such a way that the cover becomes increasingly wedged with the metal container when it is axially inserted, in particular pressed in, into the cavity.
  • the metal container has a rotationally symmetrical shape.
  • the metal container can have a peripheral wall which delimits the cavity transversely to the longitudinal extent of the metal container.
  • a normal force acting between the lid and the metal container which acts perpendicularly on the metal container and/or the lid, increases progressively.
  • This can ensure that the metal container is already sealed gas-tight when the lid is inserted into the metal container, in particular without the metal container and the lid already being finally bonded to one another, in particular welded, in particular laser-welded.
  • phase change material cannot escape from the metal container into the environment. In this way, the metal container which has not yet been completed can be handled and transported in a simple manner, with loss of the phase change material being ruled out.
  • the cover comprises a flat base and an annular rim adjoining the base, which is shaped such that the annular rim increasingly wedges with a peripheral wall of the metal container when it is axially inserted into the cavity.
  • the annular rim can be connected to the flat base via a predetermined bending or buckling point, relative to which the annular rim is bent during axial insertion, in particular pressing into the metal container, in particular as a result of the normal force acting between the peripheral wall and the annular rim.
  • the annular edge protrudes from the plane base in the longitudinal direction of the metal container and is oriented in an angle range of 1 ° to 5°, in particular 3 ° , with respect to the longitudinal axis of the metal container.
  • an outer diameter of the ring edge decreases continuously in the direction of the base.
  • the ring edge viewed alone can, for example, have the shape of a truncated cone, with a longitudinal dimension of the truncated cone being dimensioned significantly smaller than its dimension transversely thereto.
  • the cover has the shape of a truncated cone.
  • the cover can be formed as a flat disk, with a peripheral disk wall being curved, so that a particularly peripheral cone shell results.
  • the surrounding cone envelope of the lid can be oriented in an angular range of 1 ° to 5°, in particular 3°, with respect to the longitudinal axis of the lid .
  • an external dimension of the lid is oversized in relation to an internal dimension of the metal container. In this way, on the one hand, the metal container can be sealed tightly and, on the other hand, a wedging between the lid and the metal container can be formed, which can further increase the tightness. For example, there is an oversize in the range of 0.04mm to 0.08mm.
  • an energy storage cell which can be formed, for example, according to one of the aspects described above or exemplary embodiments.
  • the energy storage cell includes an elongated, hollow metal canister having phase change material disposed therein and having at least one open end.
  • the metal container can be made or manufactured from metal. Aluminum, brass, steel or copper and alloys thereof are used as metals, for example. Metals are inexpensive and easy to process. In the case of the metal containers according to the invention, it has proven to be advantageous that metals have a high thermal conductivity. This made it possible to create a fast-reacting energy storage cell. Due to the increased thermal conductivity of metal, in particular compared to the previously used plastic material, the phase change material reacted significantly faster, in particular more sensitively, to temperature changes in the liquid surrounding and/or flowing around the metal container. Because the thermal conductivity of metals is generally 10 to 1000 times higher than the thermal conductivity of plastics, the phase change material can react faster by this factor to temperature changes in the liquid.
  • the metal container can have a wall that delimits a cavity, preferably a storage space, with the wall in particular serving to separate and/or shield the cavity from its surroundings.
  • the metal container is generally not limited to any particular shape and/or geometry.
  • the metal container can be designed to be fluid-tight with respect to the environment in such a way that no liquid from the environment can enter the interior of the metal container and/or no materials arranged inside the metal container, such as phase change materials, can escape into the environment.
  • Phase change materials are generally materials that can store much of the thermal energy input to them in the form of latent heat. Latent heat is the enthalpy absorbed or released during a first-order phase transition.
  • phase change materials can store a high proportion of heat and/or cold energy and release it again as heat, phase-shifted, as required.
  • Phase change materials have the advantage of being able to store very large amounts of heat in a small temperature range around the phase change, for example from solid to liquid or vice versa, gaseous to solid, or vice versa, or from gaseous to liquid.
  • Phase change materials, or their energy storage capacities are based on the utilization of the phase transformation enthalpy, for example during the solid-liquid phase transition (solidification-melting), or vice versa.
  • Phase change materials can include, for example, salts, e.g. Glauber's salt, sodium acetate, or inorganic compounds, e.g. paraffins, fatty acids, or the like.
  • phase change materials are water or metallic phase change materials such as an aluminum silicon alloy.
  • the phase change material can be selected or set in such a way that it carries out an endothermic reaction when heat is supplied and an exothermic reaction when heat is removed.
  • An endothermic reaction is generally understood to mean a reaction in which energy, for example in the form of heat, is absorbed from the environment.
  • the exothermic reaction denotes the opposite, in which energy, for example in the form of heat, is given off to the environment, namely the liquid.
  • the absorption and release of energy and/or the phase change can be reversible or repeated as often as desired.
  • the phase change material can be selected and/or adjusted in such a way that it carries out an endothermic reaction when heat is supplied and an exothermic reaction when heat is dissipated.
  • the endothermic and the exothermic reaction can be reversible.
  • the advantage of the energy storage cell is that it can be used not just once but repeatedly, ie after the absorbed and stored energy has been released, it can absorb and store energy again.
  • the phase change material can assume at least two phases.
  • the phase change material can be set up to absorb energy during a phase change from the first to the second phase and to emit energy during a reverse phase change from the second to the first phase, and/or to convert reversibly between the at least two phases.
  • the inventive energy storage cell set up to absorb and store energy from a liquid surrounding and/or flowing around the energy storage cell and to release the stored energy in particular to the liquid at a predetermined operating point, in particular at a predetermined temperature of the liquid.
  • the liquid can be water, oil or the like.
  • the metal container is made of a corrosion-resistant and/or salt-resistant and/or chemical-resistant metal, in particular a precious metal or stainless steel, for example chrome-nickel steel. It has been found that resistance to the phase change material arranged inside the metal container as well as resistance to the liquid surrounding and/or flowing around the metal container may be required. The materials specified have proven to be suitable in this regard.
  • the open end is sealed gas-tight with a cover by means of press joining.
  • the inventors of the present invention have found that the tried-and-tested press-joining technique is very well suited for the energy storage cells according to the invention, in order to ensure adequate tightness of the metal container in a manner that is simple and cost-effective in terms of production technology and is also suitable for mass production. which prevents both the phase change material from escaping from the metal container into the environment and the entry of air and/or water from the environment into the interior of the metal container.
  • the cover is sleeve-shaped, in particular as a press sleeve, and/or pushed telescopically onto the metal container and firmly connected to the metal container by means of press joining.
  • the lid in particular the compression sleeve, can be provided with a sealing element in order to strengthen the seal between the metal container and the lid.
  • the sleeve defines an opening into which the metal receptacle is inserted.
  • the inner dimension of the sleeve wall can be adapted with respect to an outer dimension of the metal container, in particular in such a way that there is a gap, in particular an air gap, between the metal container and the sleeve of less than 0.01 mm.
  • a press fit can be set between the inner dimension of the socket and the outer dimension of the metal container.
  • a circumferential, axial pressing length between the lid and the metal container is at least 10%, in particular at least 20%, 25%, 30%, 35% or at least 40% of a total longitudinal dimension of the metal container.
  • the metal container is closed at one end.
  • the metal container has a cup shape.
  • the cup-shaped metal container is sealed gas-tight at the opposite end by means of the lid.
  • the metal container can be designed to be open at both ends, in particular have a tubular shape and can be sealed gas-tight at both open ends by means of a cover each.
  • the attachment of the lid and metal container for gas-tight sealing of the respective open ends of the metal container can be carried out according to one of the aspects described above or exemplary embodiments.
  • the energy storage cell according to the invention is therefore not limited to a specific form of raw material, but can be produced on the basis of a tubular or cup-shaped starting material.
  • an energy store in particular an accumulator system
  • the energy store can be set up, for example, to absorb and store the excess energy in the event of excess energy, and to release it again when required.
  • the energy store is rechargeable and/or designed as an accumulator.
  • the energy store comprises a tank which is closed off in a fluid-tight manner and is at least partially filled with a liquid, such as water, oil or the like.
  • the liquid essentially serves as an energy carrier or energy receiver from which or to which energy is released or transferred.
  • At least one energy storage cell preferably a large number, in particular several hundreds or thousands, of energy storage cells is arranged in the tank, which are designed according to one of the aspects or exemplary embodiments described above.
  • a method for producing an energy storage cell designed in particular according to one of the aspects described above or exemplary embodiments is provided.
  • an elongate, hollow metal container open at at least one end and a lid for closing the open end can be provided.
  • exemplary designs of the metal container and lid reference is made to the previous statements.
  • an elongate, hollow metal container is sealed gas-tight at at least one open end by means of a cover in that the cover is first pressed into the metal container and the cover is then bonded to the metal container.
  • One advantage of the method according to the invention is, among other things, that the energy storage cell is already in an intermediate production state, in which the phase change material is accommodated in the metal container and is already sealed with respect to the environment, without the energy storage cell having already been completely manufactured and the cover finally being materially bonded to the metal container is connected, reliably handled or transported, for example handed over to the subsequent production station, without phase change material being lost or the pressure to be set within the energy storage cell being changed or lost.
  • an elongate, hollow metal container open at at least one end and a lid for closing the open end can be provided.
  • a lid is progressively wedged into an elongate, hollow metal case to seal the metal case in a gas-tight manner.
  • the wedging can ensure, among other things, that already when the lid is inserted into the metal container, in particular without the metal container and the lid already being finally bonded to one another, in particular welded, in particular laser-welded, the metal container is already sealed in a gas-tight manner.
  • the method is set up to produce an energy storage cell according to one of the aspects described above or exemplary embodiments.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an exemplary embodiment of an energy storage cell according to the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of the energy storage cell according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a detailed view of a detail III from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a sectional view of a further exemplary embodiment of an energy storage cell according to the invention.
  • an energy storage cell 1 is generally given the reference number 1 .
  • the energy storage cell i is made of a corrosion-resistant metal, for example.
  • the energy storage cell 1 comprises the following main components: A hollow-cylindrical metal container 3, which according to the exemplary embodiments of Figures 1 to 3 is open on one side and thus forms a cup shape and, according to the exemplary embodiments in FIG. 4, is open on both sides and has a tubular shape; and a cover 5, by means of which the at least one open end of the metal container 3 is sealed in a gas-tight manner.
  • FIG. 2 shows the exemplary embodiment of a first embodiment of an energy storage cell 1 according to the invention as shown in FIG. 1 in a sectional view.
  • the metal container 3 which comprises an open end 9 and an opposite bottom 11 viewed in relation to the longitudinal direction L, has a peripheral metal container wall 13 , which is made in particular in one piece and delimits a cavity 7 .
  • the metal wall has a constant wall thickness, for example.
  • Phase change material (not shown) is arranged within the cavity 7 .
  • the cavity 7 can, for example, be filled with phase change material between 40% and 60%, with the filling quantity being able to be adjusted depending on the phase change material to be selected.
  • the cover 5 is made in one piece and has a constant wall thickness.
  • the lid 5 comprises a flat, disc-shaped base 15 and an adjoining annular edge 17 which extends essentially in the direction of the longitudinal axis L and is designed to come into contact with an inner side 19 of the metal container wall 13 .
  • the lid 5, in particular its annular edge 17, and the metal container 3 are flush with one another or merge into one another flush. In other words, there is a continuous transition 21 between the ring edge 17 and the axial end section of the metal container wall 13 without any steps or transitions.
  • the edge of the ring can be shaped slightly like a truncated cone or oriented in its longitudinal extension with respect to the longitudinal axis L at an acute angle in the range of 1 ° to 5°, in particular of about 3 ° .
  • the lid 5 and casing 3 are pushed into one another in an axial, telescoping manner, the lid 5, in particular its annular edge 17, increasingly wedges itself with the metal container wall 13. This is also achieved, among other things, by the fact that an outer dimension of the annular edge 17 is oversized with respect to an inner dimension of the metal container wall 13 is. Accordingly, the lid 15 is pressed into the metal container 3 .
  • this has the advantage that an intermediate production state is already reached, which already has an exit of the phase change material from the metal container 3 is prevented. Furthermore, the fact that the cover 5 and the metal container 3 rest against one another, in particular essentially without a gap, provides an optimal prerequisite for the subsequent material connection, in particular welding, such as laser welding.
  • the cover 5 can be dimensioned and/or designed in such a way that when it is pressed axially into the metal container 3, the annular edge 17 changes its orientation in relation to the longitudinal axis L in that it bends in relation to a predetermined buckling point connecting the annular edge 17 to the base 15. or bending point 23 is bent radially inwards.
  • the metal container 33 is made of a material with a higher modulus of elasticity than the material of the lid 5 .
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of an exemplary energy storage cell 1 according to the invention. In order to avoid repetition, the differences arising in relation to the previous embodiment are essentially discussed.
  • the metal container 3 has a rotational tubular shape, which has to be sealed gas-tight on both sides to form the energy storage cell.
  • covers 5 are rotary press sleeves, which are placed radially on the outside of the metal container and are rigidly attached to one another by means of press joining to seal off the container in a gas-tight manner.
  • the lid 5 arranged on the metal container 3 the latter has an annular bead 27 protruding in the radial direction, ie transversely to the direction of longitudinal extension L, in the annular space 29 of which a sealing ring 31 is arranged.
  • An axial circumferential pressing length is provided with the reference symbol a in Figure 4 and is approximately 20% to 25% of a total extension of the metal container 3.
  • the pressing sleeve 5 according to Figure 4 comprises a cap-like shape with a closed cap base 33, which is essentially perpendicular to Longitudinal direction L is oriented and at an axial distance in the longitudinal direction L with respect to one respective front end 35 of the metal container 3 is arranged.
  • the cap base 33 transitions into a pressing jacket 39 which extends parallel to the longitudinal direction L and thus to the metal container wall 13 and on which the pressing length a is measured.

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Abstract

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

Description

Energiespeicherzelle, Energiespeicher sowie Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Energiespeicher. Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle bereit.
Bekannte Energiespeicherzellen sind in der Regel als Kunststoff-Kapseln realisiert und weisen im Inneren der Kunststoff- Kapsel ein Phasenwechselmaterial auf, das derart eingestellt ist, dass es bei Wärmezufuhr in die flüssige Phase übergeht (endotherme Reaktion) und bei Abkühlung wieder kristallisiert und somit Wärme an seine Umgebung abgibt (exotherme Reaktion). Die gattungsgemäßen Energiespeicherzellen werden vor allem in Energiespeichern eingesetzt, die im Wesentlichen wie folgt aufgebaut sind und nach folgendem Prinzip funktionieren: in einem mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder Öl, befüllten Tank ist eine Vielzahl von gattungsgemäßen Energiespeicherzellen angeordnet. Zu einem Zeitpunkt, an dem Energieüberschuss vorhanden ist, zum Beispiel tagsüber bei Sonneneinstrahlung, wird die überschüssige Energie dazu verwendet, die in dem Tank sich befindende Flüssigkeit zu erwärmen. Dabei gibt die Flüssigkeit Wärme an die Energiespeicherzellen ab, sodass das Phasenwechselmaterial unter endothermer Reaktion in die flüssige Phase übergeht. Kühlt die in dem Tank sich befindende Flüssigkeit bis zu einer Phasenwechselmaterial-spezifischen Phasenübergangstemperatur ab, zum Beispiel Nachts, kristallisiert sich das Phasenwechselmaterial unter exothermer Reaktion, wobei Wärme an die Flüssigkeit abgegeben beziehungsweise übertragen wird. Die Energiespeicherzellen müssen zum einen eine ausreichende Dichtigkeit gegenüber einem Außendruck von 3 bis 4 bar, welcher in dem Flüssigkeitstank herrscht, besitzen. Ein weiterer Dichtigkeitsaspekt liegt allerdings auch gegenüber dem innerhalb der Energiespeicherzelle angeordneten Phasenwechselmaterial vor. Diese muss daher auch Chemikalien- beziehungsweise salzbeständig sein. Im Allgemeinen besteht ein Bestreben, die Energiespeicherzellen mit einer möglichst großen Oberfläche zu versehen, die dann zum Wärmeaustausch mit der diese umgebenden Flüssigkeit zur Verfügung steht. Daher wurden die Energiespeicherzellen bisher kugelförmig oder eiförmig hergestellt. Daran hat sich allerdings die chaotische, nicht kontrollierbare Anordnung der Energiespeicherzellen in dem Tank als nachteilig erwiesen. Ferner sind die bekannten Energiespeicherzellen zu träge, d. h. die Phasenübergänge des Phasenwechselmaterials infolge von Temperaturänderungen sind zu reaktionsträge.
Aus der Veröffentlichungsschrift DE 102019 105 988 Ai der Anmelderin ist eine reaktionsschnellere und kostengünstiger herzustellendere gattungsgemäße Energiespeicherzelle bekannt, welche sich grundsätzlich großer Beliebtheit erfreut. Die Energiespeicherzelle umfasst eine geschlossene Metallkapsel, in der Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
Von entscheidender Bedeutung für die sichere und langlebige Funktionalität der Energiespeicherzelle ist das fluiddichte Verschließen der Kapsel von entscheidender Bedeutung. Die Energiespeicherzelle soll über die Lebensdauer von wenigstens 20 Jahren oder 10.000 Zyklen, reversible exotherme und endotherme Reaktion, eine zuverlässige Abtrennung des Phasenwechselmaterials von der Umgebung, nämlich der Flüssigkeit, sicherstellen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass an der Energiespeicherzelle gemäß DE 102019105988 Ai Verbesserungspotenziale sowohl aus herstellungstechnischen als auch aus funktionellen Gesichtspunkten bestehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik zu verbessern, insbesondere eine Energiespeicherzelle sowie einen Energiespeicher derart weiterzubilden, dass deren Fluiddichtigkeit verbessert und deren Herstellung vereinfacht ist, insbesondere sich besser für eine Massenfertigung eignet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Danach ist eine Energiespeicherzelle, insbesondere ein Akkumulator, bereitgestellt. Die Energiespeicherzelle kann dazu eingerichtet sein beziehungsweise derart beispielsweise in einem Energiespeicher angeordnet sein, dass die Energiespeicherzelle von einer Flüs- sigkeit, wie Wasser, Öl oder dergleichen, umgeben und/ oder umströmt ist. Die Energiespeicherzelle kann beispielsweise nach folgenden Prinzip funktionieren: bis zu einer gewissen Flüssigkeitstemperatur nimmt die Energiespeicherzelle Wärme, d. h. Energie, von der die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit auf. Die Energiespeicherzelle ist dabei dazu ausgelegt, die aufgenommene Wärme beziehungsweise Energie zu speichern. Bei Bedarf kann die Energiespeicherzelle die gespeicherte Energie wieder abgeben. Dies kann beispielsweise ohne jegliche Steuer- und/ oder Regeleinrichtung beziehungsweise externe Zugriffe auf die Energiespeicherzelle erfolgen, sondern vorzugsweise ausschließlich durch eine Temperatursensibilität bezüglich der die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Beispielsweise handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen Wassertank, wie einen Boiler, der im Freien angeordnet ist und in dem sich die Energiespeicherzelle befindet. Tagsüber kann das in dem Wassertank angeordnete Wasser durch Sonnenstrahlung erwärmt werden und dabei die Energiespeicherzelle erwärmen, welche die aufgenommene Wärme in Form von Energie speichert. Kühlt das in dem Wassertank befindliche Wasser ab, zum Beispiel Nachts, kann die Energiespeicherzelle die Wärme wieder abgeben, um so das Wasser aufzuwärmen. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Die Energiespeicherzelle ist wiederaufladbar und/ oder als Akkumulator ausgebildet.
Die Energiespeicherzelle umfasst ein längliches, hohles Metallbehältnis, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, welches mittels eines Deckels gasdicht abgeschlossen ist.
Das Metallbehältnis kann aus Metall hergestellt beziehungsweise gefertigt sein. Als Metalle kommen beispielsweise Aluminium, Messing, Stahl oder Kupfer sowie Legierungen davon zum Einsatz. Metalle sind kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Bei den erfindungsgemäßen Metallbehältnissen hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch konnte eine reaktionsschnelle Energiespeicherzelle geschaffen werden. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von Metall, insbesondere gegenüber dem bisher verwendeten Material Kunststoff, reagierte das Phasenwechselmaterial deutlich schneller, insbesondere sensibler, auf Temperaturänderungen der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metallen in der Regel um den Faktor 10 bis 1000 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann das Phasenwechselmaterial um diesen Faktor schneller auf Temperaturänderungen der Flüssigkeit reagieren. Das Metallbehältnis kann eine Wandung aufweisen, die einen Hohlraum, vorzugweise einen Speicherraum, begrenzt, wobei insbesondere die Wandung dazu dient, den Hohlraum von seiner Umgebung zu trennen und/oder abzuschirmen. Das Metallbehältnis ist im Allgemeinen nicht auf eine bestimmte Form und/oder Geometrie beschränkt. Das Metallbehältnis kann dabei derart fluiddicht bezüglich der Umgebung gestaltet sein, dass keine Flüssigkeit aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere eintreten und/oder keine innerhalb des Metallbehältnisses angeordnete Materialien, wie Phasenwechselmaterialien, in die Umgebung austreten können.
Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien, die einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme speichern können. Als latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene o- der abgegebene Enthalpie zu verstehen. Dies bedeutet, dass Phasenwechselmaterialien einen hohen Anteil von Wärme- und/oder Kälteenergie speichern können und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Phasenwechselmaterialien besitzen den Vorteil, in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig, oder umgekehrt, gasförmig zu fest, oder umgekehrt, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig, sehr große Wärmemengen speichern zu können. Phasenwechselmaterialien, beziehungsweise deren Energiespeicherkapazitäten, basieren auf der Ausnutzung der Phasenumwandlungsenthalpie, zum Beispiel beim Phasenübergang fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen), oder umgekehrt. Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat, oder anorganische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine, Fettsäuren, oder dergleichen, umfassen. Weitere beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind Wasser oder auch metallische Phasenwechselmaterialien, wie eine Aluminium-Silicium-Legierung. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt beziehungsweise eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Als endotherme Reaktion wird im Allgemeinen eine Reaktion verstanden, bei der Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Die exotherme Reaktion bezeichnet das Gegenteil, bei welcher Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, an die Umgebung, nämlich die Flüssigkeit, abgegeben wird. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie und/oder der Phasenwechsel kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführung der Energiespeicherzelle kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt und/ oder eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Die endotherme und die exotherme Reaktion können reversibel ausführbar sein. Der Vorteil der Energiespeicherzelle ist, dass diese nicht nur einmal sondern wiederholt eingesetzt werden kann, d. h. nach Abgeben der aufgenommenen und gespeicherten Energie erneut Energie aufnehmen und speichern kann. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung kann das Phasenwechselmaterial wenigstens zwei Phasen einnehmen. Ferner kann das Phasenwechselmaterial dazu eingerichtet sein, bei einem Phasenwechsel von der ersten in die zweite Phase Energie aufzunehmen und bei einem umgekehrten Phasenwechsel von der zweiten in die erste Phase Energie abzugeben, und/ oder sich reversibel zwischen den wenigstens zwei Phasen umzuwandeln. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle dazu eingerichtet, Energie von einer die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit aufzunehmen sowie zu speichern und in einem vorbestimmten Betriebspunkt, insbesondere bei einer vorbestimmten Temperatur der Flüssigkeit, die gespeicherte Energie insbesondere an die Flüssigkeit abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, Öl o- der dergleichen handeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung ist das Metallbehältnis aus einem korrosions- und/oder salz- und/oder chemikalienbeständigen Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall oder einem Edelstahl, beispielsweise einem Chromnickelstahl. Es wurde herausgefunden, dass zum einen eine Beständigkeit gegenüber dem innerhalb des Metallbehältnisses angeordneten Phasenwechselmaterial als auch eine Beständigkeit gegenüber der das Metallbehältnis umgebenden und/ oder umströmenden Flüssigkeit gefordert sein kann. Die angegebenen Materialien haben sich diesbezüglich als geeignet erwiesen.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Energiespeicherzelle einen Zwischenfertigungszustand, in dem der Deckel derart in den Metallbehältnis vorpositioniert ist, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis verhindert ist, insbesondere derart, dass das Metallbehältnis insbesondere vorübergehend gasdicht abgeschlossen ist, und einen darauffolgenden Fertigungszustand, insbesondere Endfertigungszustand, in dem der Deckel und das Metallbehältnis zum dauerhaften gasdichten Abschließen des Metallbehältnisses zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht unter anderem darin, dass die Energiespeicherzelle bereits in einem Zwischenfertigungszustand, in dem das Phasenwechselmaterial in das Metallbehältnis untergebracht ist und bereits bezüglich der Umgebung abgedichtet ist, ohne dass bereits die Energiespeicherzelle vollständig hergestellt und der Deckel final stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis verbunden ist, zuverlässig gehandhabt beziehungsweise transportiert, beispielsweise zu der nachfolgenden Fertigungssta- tion übergeben, werden kann, ohne dass Phasenwechselmaterial verloren geht beziehungsweise der innerhalb der Energiespeicherzelle gewünschte, einzustellende Druck verändert beziehungsweise verloren geht.
Der Ausdruck „vorübergehend“ kann beispielsweise dahingehend verstanden werden, dass zumindest bis zum nachfolgenden Stoffschluss-Fertigungsschritt eine temporäre Gasdichtigkeit des Metallbehältnisses mittels des Deckels hergestellt ist. Ferner kann der Ausdruck „vorübergehend“ dahingehend verstanden werden, dass die in dem Fertigungszustand erreichte Gasdichtigkeit sich nicht für den gattungsgemäßen Einsatz der Energiespeicherzelle eignet beziehungsweise dazu ausreichend ist, sondern sich auf Handhabungs- oder Transportschritte beziehungsweise -Zeiträume während der Herstellung der Energiespeicherzelle beschränkt.
Beispielsweise kann eine Passung zwischen Deckel und Metallbehältnis so gewählt werden, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis verhindert ist. Ferner kann eine Presspassung zwischen Deckel und Metallbehältnis in dem Zwischenfertigungszustand vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Außendimensionierung des Deckels in Bezug auf eine Innendimensionierung des Metallbehältnisses überdimensioniert sein. Ferner ist es möglich, dass der Deckel mit dem Metallbehältnis verpresst ist, insbesondere darin eingepresst ist. Im Allgemeinen kann gelten, dass in dem Zwischenfertigungszustand ein umlaufender beziehungsweise umfänglicher Spalt, insbesondere Luftspalt, zwischen Deckel und Metallbehältnis von weniger als 0,01 mm vorliegt. Das so erzielte insbesondere spaltfreie Aneinanderliegen von Deckel und Metallbehältnis verhindert bereits in dem Zwischenfertigungszustand einen Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Behältnis und/ oder Eintritt von Luft in das Metallbehältnisinnere, insbesondere zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Druckverhältnisses innerhalb des Metallbehältnisses.
In einer beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle sind der Deckel und das Metallbehältnis mittels Schweißen, insbesondere mittels Laserschweißen, miteinander verbunden. Das Schweißen, insbesondere das Laserschweißen, hat sich für gattungsgemäße Energiespeicherzellen aus Metall als besonders vorteilhaft und effektiv erwiesen, um einerseits geringe Herstellungskosten insbesondere bei Massenfertigung zu gewährleisten und andererseits die zwingend erforderliche Dichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, gegenüber der Umgebung zu erreichen. In einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Deckel derart in dem Metallbehältnis vorpositioniert, dass der Deckel und das Metallbehältnis bündig ineinander übergehen. Beispielsweise kann der Deckel mit dem Metallbehältnis verpresst, insbesondere darin eingepresst, sein. Beispielsweise kann der Deckel innerhalb des Metallbehältnisses aufgenommen sein, insbesondere derart, dass ein nach außen hin genannter Übergang zwischen Metallbehältnis und Deckel bündig, stufenfrei, vorsprungsfrei, kantenfrei und/oder kontinuierlich erfolgt. Dadurch ist eine besonders gute Schweißnaht, insbesondere Laserschweißnaht, zu generieren.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle weist das Metallbehältnis an dem offenen Ende eine in Längsrichtung orientierte, der Umgebung zugewandte Umfangskante auf. Beispielsweise ist das Metallbehältnis rotationsförmig, insbesondere hohl zylinderförmig geformt. Die Umfangskante kann dann eine Ringfläche ausbilden. Des Weiteren kann der Deckel bezüglich der Umfangskante derart formangepasst sein, dass ein umlaufender, bündiger Übergang zwischen dem Deckel und der Umfangskante gebildet ist. Beispielsweise kann der Deckel eine ebene Basis und einen an die Basis anschließenden, von der Basis vorstehenden Ringrand aufweisen, welcher zum Anliegen an der Metallbehältnisinnenkontur angepasst ist und dazu dient, mit dem Metallbehältnis verschweißt zu werden. Des Weiteren ist es möglich, dass der Deckel eine Scheibenform aufweist, die eben ausgebildet sein kann, sodass sich eine entlang der vollständigen Breitenerstreckung, also quer zur Längserstreckung des länglichen Metallbehältnisses, ergebende Stirnfläche des Metallbehältnisses ergibt, wobei ein Übergang zwischen Deckel und Metallbehältnis umlaufend beziehungsweise in Umfangsrichtung kontinuierlich bündig, vorsprungs- und/oder kantenfrei ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten beispielhafter Ausführungen kombinierbar ist, ist eine Energiespeicherzelle bereitgestellt, die beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte und/oder Ausführungen ausgebildet sein kann.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle umfasst ein längliches Metallbehältnis, das einen Hohlraum begrenzt. Das Metallbehältnis kann aus Metall hergestellt beziehungsweise gefertigt sein. Als Metalle kommen beispielsweise Aluminium, Messing, Stahl oder Kupfer sowie Legierungen davon zum Einsatz. Metalle sind kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Bei den erfindungsgemäßen Metallbehältnissen hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch konnte eine re- aktionsschnelle Energiespeicherzelle geschaffen werden. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von Metall, insbesondere gegenüber dem bisher verwendeten Material Kunststoff, reagierte das Phasenwechselmaterial deutlich schneller, insbesondere sensibler, auf Temperaturänderungen der das Metallbehältnis umgebenden und/ oder umströmenden Flüssigkeit. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metallen in der Regel um den Faktor 10 bis 1000 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann das Phasenwechselmaterial um diesen Faktor schneller auf Temperaturänderungen der Flüssigkeit reagieren. Das Metallbehältnis kann eine Wandung aufweisen, die einen Hohlraum, vorzugweise einen Speicherraum, begrenzt, wobei insbesondere die Wandung dazu dient, den Hohlraum von seiner Umgebung zu trennen und/oder abzuschirmen. Das Metallbehältnis ist im Allgemeinen nicht auf eine bestimmte Form und/oder Geometrie beschränkt. Das Metallbehältnis kann dabei derart fluiddicht bezüglich der Umgebung gestaltet sein, dass keine Flüssigkeit aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere eintreten und/oder keine innerhalb des Metallbehältnisses angeordnete Materialien, wie Phasenwechselmaterialien, in die Umgebung austreten können.
In dem Hohlraum ist Phasenwechselmaterial angeordnet. Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien, die einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme speichern können. Als latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene oder abgegebene Enthalpie zu verstehen. Dies bedeutet, dass Phasenwechselmaterialien einen hohen Anteil von Wärme- und/oder Kälteenergie speichern können und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Phasenwechselmaterialien besitzen den Vorteil, in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig, oder umgekehrt, gasförmig zu fest, oder umgekehrt, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig, sehr große Wärmemengen speichern zu können. Phasenwechselmaterialien, beziehungsweise deren Energiespeicherkapazitäten, basieren auf der Ausnutzung der Phasenumwandlungsenthalpie, zum Beispiel beim Phasenübergang fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen), oder umgekehrt. Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat, oder anorganische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine, Fettsäuren, oder dergleichen, umfassen. Weitere beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind Wasser oder auch metallische Phasenwechselmaterialien, wie eine Aluminium-Silicium-Legierung. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt beziehungsweise eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Als endotherme Reaktion wird im Allgemeinen eine Reaktion verstanden, bei der Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Die exotherme Reaktion bezeichnet das Gegenteil, bei welcher Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, an die Umgebung, nämlich die Flüssigkeit, abgegeben wird. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie und/oder der Phasenwechsel kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführung der Energiespeicherzelle kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt und/oder eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Die endotherme und die exotherme Reaktion können reversibel ausführbar sein. Der Vorteil der Energiespeicherzelle ist, dass diese nicht nur einmal sondern wiederholt eingesetzt werden kann, d. h. nach Abgeben der aufgenommenen und gespeicherten Energie erneut Energie aufnehmen und speichern kann. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung kann das Phasenwechselmaterial wenigstens zwei Phasen einnehmen. Ferner kann das Phasenwechselmaterial dazu eingerichtet sein, bei einem Phasenwechsel von der ersten in die zweite Phase Energie aufzunehmen und bei einem umgekehrten Phasenwechsel von der zweiten in die erste Phase Energie abzugeben, und/oder sich reversibel zwischen den wenigstens zwei Phasen umzuwandeln. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle dazu eingerichtet, Energie von einer die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit aufzunehmen sowie zu speichern und in einem vorbestimmten Betriebspunkt, insbesondere bei einer vorbestimmten Temperatur der Flüssigkeit, die gespeicherte Energie insbesondere an die Flüssigkeit abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, Öl oder dergleichen handeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung ist das Metallbehältnis aus einem korrosi- ons- und/oder salz- und/oder chemikalienbeständigen Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall oder einem Edelstahl, beispielsweise einem Chromnickelstahl. Es wurde herausgefunden, dass zum einen eine Beständigkeit gegenüber dem innerhalb des Metallbehältnisses angeordneten Phasenwechselmaterial als auch eine Beständigkeit gegenüber der das Metallbehältnis umgebenden und/ oder umströmenden Flüssigkeit gefordert sein kann. Die angegebenen Materialien haben sich diesbezüglich als geeignet erwiesen.
Das Metallbehältnis weist wenigstens ein offenes Ende auf, das mittels eines Deckels gasdicht abgeschlossen ist. Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Deckel derart geformt, dass sich der Deckel beim axialen Einsetzen, insbesondere Einpressen, in den Hohlraum zunehmend mit dem Metallbehältnis verkeilt. Beispielsweise ist das Metallbehältnis rotationssymmetrisch geformt. Ferner kann das Metallbehältnis eine Umfangswand aufweisen, welche den Hohlraum quer zur Längserstreckung des Metallbehältnisses begrenzt. Beim axialen Einsetzen des Deckels in das Metallbehältnis kann sich eine Außenseite des Deckels mit einer Innenseite der Metallbehältniswandung zunehmend verkeilen. Beispielsweise kann unter darunter verstanden werden, dass sich beim axialen Einsetzen sich eine zwischen Deckel und Metallbehältnis wirkende Normalkraft, die senkrecht auf Metallbehältnis und/oder Deckel wirkt, zunehmend erhöht. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bereits beim Einsetzen des Deckels in das Metallbehältnis, insbesondere ohne dass das Metallbehältnis und der Deckel bereits final stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sind, bereits das Metallbehältnis insbesondere gasdicht verschlossen ist. Jedenfalls kann gewährleistet werden, dass Phasenwechselmaterial nicht aus dem Metallbehältnis in die Umgebung gelangen kann. Auf diese Weise sind Handhabung und Transport des noch nicht fertig gestellten Metallbehältnisses auf einfache Weise möglich, wobei ein Verlust des Phasenwechselmaterials ausgeschlossen ist.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle umfasst der Deckel eine ebene Basis und einen an die Basis anschließenden Ringrand, der derart geformt ist, dass sich der Ringrand beim axialen Einsetzen in den Hohlraum zunehmend mit einer Umfangswandung des Metallbehältnisses verkeilt. Beispielsweise kann der Ringrand mit der ebenen Basis über eine Sollbiege- beziehungsweise -knick- stelle miteinander verbunden sein, relativ zu der der Ringrand beim axialen Einsetzen, insbesondere Einpressen in das Metallbehältnis insbesondere in Folge der zwischen der Umfangswandung und dem Ringrand wirkenden Normalkraft umgebogen wird.
In einer weiteren beispielhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle steht der Ringrand von der Ebenenbasis in Längsrichtung des Metallbehältnisses vor und ist in einem Winkelbereich von 1° bis 50, insbesondere von 30, bezüglich der Längsachse des Metallbehältnisses orientiert. Beispielsweise verringert sich ein Außendurchmesser des Ringrands in Richtung der Basis kontinuierlich. Der Ringrand alleine betrachtet kann beispielsweise eine Kegelstumpfform besitzen, wobei eine Längsdimen- sion des Kegelstumpfes deutlich kleiner bemessen ist als dessen Abmessung quer dazu.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle weist der Deckel eine Kegelstumpfform auf. Der Deckel kann dabei grundsätzlich als ebene Scheibe gebildet sein, wobei eine umlaufende Scheibenwand gekrümmt ist, sodass sich ein insbesondere umlaufender Kegelmantel ergibt. Der umlaufende Kegelmantel des Deckels kann in Bezug auf die Längsachse des Deckels in einem Winkelbereich von 1° bis 50, insbesondere von 30 orientiert sein. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist eine Außenabmessung des Deckels in Bezug auf eine Innenabmessung des Metallbehältnisses überdimensioniert. Auf diese Weise kann zum einen ein dichtes Abschließen des Metallbehältnisses erreicht werden und zum anderen eine Verkeilung zwischen Deckel und Metallbehältnis ausgebildet werden, welche die Dichtigkeit noch weiter erhöhen kann. Beispielsweise besteht ein Übermaß im Bereich von 0,04mm bis 0,08mm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielshaften Ausführungen kombinierbar ist, ist eine Energiespeicherzelle bereitgestellt, die beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielshaften Ausführungen ausgebildet sein kann.
Die Energiespeicherzelle umfasst ein längliches, hohles Metallbehältnis, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist.
Das Metallbehältnis kann aus Metall hergestellt beziehungsweise gefertigt sein. Als Metalle kommen beispielsweise Aluminium, Messing, Stahl oder Kupfer sowie Legierungen davon zum Einsatz. Metalle sind kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Bei den erfindungsgemäßen Metallbehältnissen hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch konnte eine reaktionsschnelle Energiespeicherzelle geschaffen werden. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von Metall, insbesondere gegenüber dem bisher verwendeten Material Kunststoff, reagierte das Phasenwechselmaterial deutlich schneller, insbesondere sensibler, auf Temperaturänderungen der das Metallbehältnis umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Metallen in der Regel um den Faktor 10 bis 1000 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann das Phasenwechselmaterial um diesen Faktor schneller auf Temperaturänderungen der Flüssigkeit reagieren. Das Metallbehältnis kann eine Wandung aufweisen, die einen Hohlraum, vorzugweise einen Speicherraum, begrenzt, wobei insbesondere die Wandung dazu dient, den Hohlraum von seiner Umgebung zu trennen und/oder abzuschirmen. Das Metallbehältnis ist im Allgemeinen nicht auf eine bestimmte Form und/oder Geometrie beschränkt. Das Metallbehältnis kann dabei derart fluiddicht bezüglich der Umgebung gestaltet sein, dass keine Flüssigkeit aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere eintreten und/oder keine innerhalb des Metallbehältnisses angeordnete Materialien, wie Phasenwechselmaterialien, in die Umgebung austreten können. Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien, die einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme speichern können. Als latente Wärme ist die bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommene o- der abgegebene Enthalpie zu verstehen. Dies bedeutet, dass Phasenwechselmaterialien einen hohen Anteil von Wärme- und/oder Kälteenergie speichern können und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Phasenwechselmaterialien besitzen den Vorteil, in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel, zum Beispiel von fest zu flüssig, oder umgekehrt, gasförmig zu fest, oder umgekehrt, beziehungsweise von gasförmig zu flüssig, sehr große Wärmemengen speichern zu können. Phasenwechselmaterialien, beziehungsweise deren Energiespeicherkapazitäten, basieren auf der Ausnutzung der Phasenumwandlungsenthalpie, zum Beispiel beim Phasenübergang fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen), oder umgekehrt. Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat, oder anorganische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine, Fettsäuren, oder dergleichen, umfassen. Weitere beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind Wasser oder auch metallische Phasenwechselmaterialien, wie eine Aluminium-Silicium-Legierung. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt beziehungsweise eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Als endotherme Reaktion wird im Allgemeinen eine Reaktion verstanden, bei der Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Die exotherme Reaktion bezeichnet das Gegenteil, bei welcher Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, an die Umgebung, nämlich die Flüssigkeit, abgegeben wird. Das Aufnehmen und Abgeben von Energie und/oder der Phasenwechsel kann reversibel erfolgen bzw. beliebig oft wiederholt werden. Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführung der Energiespeicherzelle kann das Phasenwechselmaterial derart gewählt und/ oder eingestellt sein, dass es bei Wärmezufuhr eine endotherme Reaktion und bei Wärmeabfuhr eine exotherme Reaktion durchführt. Die endotherme und die exotherme Reaktion können reversibel ausführbar sein. Der Vorteil der Energiespeicherzelle ist, dass diese nicht nur einmal sondern wiederholt eingesetzt werden kann, d. h. nach Abgeben der aufgenommenen und gespeicherten Energie erneut Energie aufnehmen und speichern kann. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung kann das Phasenwechselmaterial wenigstens zwei Phasen einnehmen. Ferner kann das Phasenwechselmaterial dazu eingerichtet sein, bei einem Phasenwechsel von der ersten in die zweite Phase Energie aufzunehmen und bei einem umgekehrten Phasenwechsel von der zweiten in die erste Phase Energie abzugeben, und/ oder sich reversibel zwischen den wenigstens zwei Phasen umzuwandeln. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die er- findungsgemäße Energiespeicherzelle dazu eingerichtet, Energie von einer die Energiespeicherzelle umgebenden und/oder umströmenden Flüssigkeit aufzunehmen sowie zu speichern und in einem vorbestimmten Betriebspunkt, insbesondere bei einer vorbestimmten Temperatur der Flüssigkeit, die gespeicherte Energie insbesondere an die Flüssigkeit abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, Öl o- der dergleichen handeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung ist das Metallbehältnis aus einem korrosions- und/oder salz- und/oder chemikalienbeständigen Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall oder einem Edelstahl, beispielsweise einem Chromnickelstahl. Es wurde herausgefunden, dass zum einen eine Beständigkeit gegenüber dem innerhalb des Metallbehältnisses angeordneten Phasenwechselmaterial als auch eine Beständigkeit gegenüber der das Metallbehältnis umgebenden und/ oder umströmenden Flüssigkeit gefordert sein kann. Die angegebenen Materialien haben sich diesbezüglich als geeignet erwiesen.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt ist das offene Ende mittels Pressfügen mit einem Deckel gasdicht abgeschlossen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass sich die bewährte Pressfüge-Technik für die erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen sehr gut eignet, um auf herstellungstechnisch einfache und kostengünstige Art und Weise, die auch für eine Massenfertigung geeignet ist, eine ausreichende Dichtigkeit des Metallbehältnisses sicher zu stellen, die sowohl einen Austritt des Phasenwechselmaterials aus dem Metallbehältnis in die Umgebung sowie einen Eintritt von Luft und/oder Wasser aus der Umgebung in das Metallbehältnisinnere unterbindet.
In einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Deckel muffenförmig, insbesondere als Pressmuffe, ausgebildet und/ oder teleskopartig auf das Metallbehältnis aufgeschoben und mittels Pressfügen fest mit dem Metallbehältnis verbunden. Der Deckel, insbesondere die Pressmuffe, kann man mit einem Dichtungselement versehen sein, um die Abdichtung zwischen Metallbehältnis und Deckel zu verstärken. Beispielsweise definiert die Muffe eine Öffnung, in die das Metallbehältnis eingesetzt wird. Die Muffenwandungsinnendimension kann bezüglich einer Metallbehältnisaußendimension angepasst sein, insbesondere derart, dass ein Spalt, insbesondere Luftspalt, zwischen Metallbehältnis und Muffe von weniger als 0,01 mm vorliegt. Des Weiteren kann eine Presspassung zwischen Muffeninnendimension und Metallbehältnisaußendimension eingestellt sein. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung beträgt eine insbesondere umlaufende, axiale Presslänge zwischen Deckel und Metallbehältnis wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 20%, 25%, 30%, 35% oder wenigstens 40 % einer Gesamtlängsabmessung des Metallbehältnisses.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Metallbehältnis zu einem Ende hin geschlossen ausgebildet. Beispielsweise besitzt das Metallbehältnis eine Becherform. Das becherförmige Metallbehältnis ist am gegenüberliegenden Ende mittels des Deckels gasdicht abgeschlossen. Alternativ kann das Metallbehältnis zu beiden Enden hin offen ausgebildet sein, insbesondere eine Röhrenform aufweisen und an beiden offenen Enden mittels je eines Deckels gasdicht abgeschlossen sein. Die Befestigung von Deckel und Metallbehältnis zum gasdichten Verschließen der jeweiligen offenen Enden des Metallbehältnisses kann gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen erfolgen. Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle ist damit nicht auf eine bestimmte Form von Rohmaterial beschränkt, sondern kann auf Basis eines röhrenförmigen oder becherförmigen Ausgangsmaterials hergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator-System, bereitgestellt. Der Energiespeicher kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, bei Energieüberschuss die überschüssige Energie aufzunehmen und zu speichern, und diese bei Bedarf wieder abzugeben. Der Energiespeicher ist wiederaufladbar und/oder als Akkumulator ausgebildet.
Der Energiespeicher umfasst einen fluiddicht abgeschlossenen und wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit, wie Wasser, Öl oder dergleichen, befüllten Tank. Die Flüssigkeit dient dabei im Wesentlichen als Energieträger beziehungsweise Energieempfänger, von dem beziehungsweise zu dem Energie abgegeben beziehungsweise übergeben wird.
Erfindungsgemäß ist in dem Tank wenigstens eine Energiespeicherzelle, vorzugsweise eine Vielzahl, insbesondere mehrere hunderte oder tausende Energiespeicherzellen, angeordnet, die gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte oder beispielhaften Ausführungen ausgestaltet sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung der mit vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Verfahren zum Herstellen einer insbesondere gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen ausgebildete Energiespeicherzelle bereitgestellt.
Gemäß dem Verfahren können ein längliches, hohles Metallbehältnis, das an wenigstens einem Ende offen ist, sowie ein Deckel zum Verschließen des offenen Endes bereitgestellt werden. In Bezug auf beispielhafte Ausführungen von Metallbehältnis und Deckel sei auf die vorigen Ausführungen verwiesen.
Erfindungsgemäß wird ein längliches, hohles Metallbehältnis an wenigstens einem offenen Ende mittels eines Deckels dadurch gasdicht abgeschlossen, dass zunächst der Deckel in das Metallbehältnis eingepresst wird und anschließend der Deckel stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis verbunden wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht unter anderem darin, dass die Energiespeicherzelle bereits in einem Zwischenfertigungszustand, in dem das Phasenwechselmaterial in das Metallbehältnis untergebracht ist und bereits bezüglich der Umgebung abgedichtet ist, ohne dass bereits die Energiespeicherzelle vollständig hergestellt und der Deckel final stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis verbunden ist, zuverlässig gehandhabt beziehungsweise transportiert, beispielsweise zu der nachfolgenden Fertigungsstation übergeben, werden kann, ohne dass Phasenwechselmaterial verloren geht beziehungsweise der innerhalb der Energiespeicherzelle gewünschte, einzustellende Druck verändert beziehungsweise verloren geht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielshaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Verfahren zum Herstellen einer insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen ausgebildeten Energiespeicherzelle bereitgestellt.
Gemäß dem Verfahren können ein längliches, hohles Metallbehältnis, das an wenigstens einem Ende offen ist, sowie ein Deckel zum Verschließen des offenen Endes bereitgestellt werden. In Bezug auf beispielhafte Ausführungen von Metallbehältnis und Deckel sei auf die vorigen Ausführungen verwiesen. Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Deckel zunehmend in einem länglichen, hohlen Metallbehältnis verkeilt, um das Metallbehältnis gasdicht abzuschließen. Das Verkeilen kann unter anderem sicherstellen, dass bereits beim Einsetzen des Deckels in das Metallbehältnis, insbesondere ohne dass das Metallbehältnis und der Deckel bereits final stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sind, bereits das Metallbehältnis insbesondere gasdicht verschlossen ist. Jedenfalls kann gewährleistet werden, dass Phasenwechselmaterial nicht aus dem Metallbehältnis in die Umgebung gelangen kann. Auf diese Weise sind Handhabung und Transport des noch nicht fertig gestellten Metallbehältnisses auf einfache Weise möglich, wobei ein Verlust des Phasenwechselmaterials ausgeschlossen ist.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verfahren dazu eingerichtet, eine Energiespeicherzelle gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte beziehungsweise beispielhaften Ausführungen herzustellen.
Bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Im Folgenden werden weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung mittels Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden beispielhaften Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle;
Figur 2 eine Schnittansicht der Energiespeicherzelle gemäß Figur 1;
Figur 3 eine Detailansicht eines Details III aus Figur 2; und
Figur 4 eine Schnittansicht einer weiteren beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle.
In der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeicherzelle 1 im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen. Die Energiespeicherzelle i ist beispielsweise aus einem korrosionsbeständigen Metall hergestellt.
Die Energiespeicherzelle 1 umfasst die folgenden Hauptkomponenten: Ein hohlzylindrisches Metallbehältnis 3, das gemäß der beispielhaften Ausführungen der Figuren 1 bis 3 einseitig offen ist und somit eine Becherform bildet und gemäß der beispielhaften Ausführungen in Figur 4 beidseitig offen ist und eine Röhrenform aufweist; und einen Deckel 5, mittels dem das wenigstens eine offene Ende des Metallbehältnisses 3 gasdicht abgeschlossen ist.
In Figur 2 ist die beispielhafte Ausführung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 gemäß Figur 1 in Schnittansicht dargestellt. Das Metallbehältnis 3, das ein offenes Ende 9 und einen in Bezug auf die Längsrichtung L betrachteten gegenüberliegenden Boden 11 umfasst, weist eine insbesondere aus einem Stück hergestellte, umfängliche Metallbehältniswandung 13 auf, die einen Hohlraum 7 begrenzt. Die Metallwandung weist beispielsweise eine konstante Wandstärkt auf. Innerhalb des Hohlraums 7 ist Phasenwechselmaterial (nicht dargestellt) angeordnet. Zu beispielhaften Ausführungen und den Eigenschaften der erfindungsgemäßen verwendeten Phasenwechselmaterialien wird auf obige Beschreibung verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden. Der Hohlraum 7 kann beispielhaft zwischen 40 % bis 60 % mit Phasenwechselmaterial belegt sein, wobei die Füllmenge in Abhängigkeit des zu wählenden Phasenwechselmaterials eingestellt werden kann.
Wie insbesondere aus der Detailansicht gemäß Figur 3 ersichtlich ist, ist der Deckel 5 aus einem Stück hergestellt und weist eine konstante Wandstärke auf. Der Deckel 5 umfasst eine ebene, scheibenförmige Basis 15 und einen daran anschließenden, sich im Wesentlichen in Richtung der Längsachse L erstreckenden Ringrand 17, welcher dazu eingerichtet ist, in einen Anlagekontakt mit einer Innenseite 19 der Metallbehältniswandung 13 zu gelangen. Der Deckel 5, insbesondere dessen Ringrand 17, und das Metallbehältnis 3 sind bündig bezüglich einander beziehungsweise gehen bündig ineinander über. Mit anderen Worten ist ein stufen- und übergangsfreier, kontinuierlicher Übergang 21 zwischen Ringrand 17 und axialen Endabschnitt der Metallbehältniswandung 13 gegeben.
Der Ringrand kann leicht kegelstumpfförmig geformt beziehungsweise in seiner Längserstreckung bezüglich der Längsachse L in einem spitzen Winkel im Bereich von 1° bis 50, insbesondere von etwa 30, orientiert sein. Beim axialen, teleskopartigen ineinander Einschieben von Deckel 5 und Mantel 3 verkeilt sich der Deckel 5, insbesondere dessen Ringrand 17, zunehmend mit der Metallbehältniswandung 13. Dies wird unter anderem auch dadurch realisiert, dass eine Außenabmessung des Ringrands 17 bezüglich einer Innenabmessung der Metallbehältniswandung 13 überdimensioniert ist. Der Deckel 15 wird demnach in das Metallbehältnis 3 eingepresst. Dies hat zum einen den Vorteil, dass bereits ein Zwischenfertigungszustand erlangt wird, der bereits einen Austritt des Phasenwechselmaterials aus dem Metallbehältnis 3 verhindert. Ferner ist durch das insbesondere im Wesentlichen spaltfreie aneinander Anliegen von Deckel 5 und Metallbehältnis 3 eine optimale Voraussetzung für das folgende stoffflüssige Verbinden, insbesondere Schweißen, wie Laserschweißen, gegeben. Der Deckel 5 kann so dimensioniert und/ oder ausgebildet sein, dass beim axialen Einpressen in das Metallbehältnis 3 der Ringrand 17 seine Orientierung in Bezug auf die Längsachse L dadurch verändert, dass dieser in Bezug auf eine den Ringrand 17 mit der Basis 15 verbindenden Sollknick- beziehungsweise -biegestelle 23 nach radial innen umgebogen wird. Beispielsweise ist das Metallbehältnis 33 aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul als das Material des Deckels 5 hergestellt.
In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform einer beispielhaften erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 abgebildet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Wesentlichen auf die sich in Bezug auf die vorhergehende Ausführung ergebende Unterschiede eingegangen.
Ein Unterschied der Energiespeicherzelle 1 aus Figur 4 gegenüber der Energiespeicherzelle 1 der Figuren 1 bis 3 besteht darin, dass das Metallbehältnis beidseitig offen ausgebildet ist, das heißt neben dem offenen Ende 9 ein weiteres offenes Ende 10 gegenüberliegend dem offenen Ende 9 umfasst. Somit weist das Metallbehältnis 3 eine rotationsförmige Röhrenform auf, die es zur Bildung der Energiespeicherzelle beidseitig gasdicht abzuschließen gilt.
Hierfür sind zwei insbesondere identische ausgebildete Deckel 5 vorgesehen, die sich in mehrfacher Hinsicht von dem Deckel 5 gemäß der Ausführungen der Figuren 1 bis 3 unterscheiden. Bei den Deckeln 5 handelt es sich um rotationsförmige Pressmuffen, welche von radial außen auf das Metallbehältnis aufgesetzt sind und zum gasdichten Abschließen des Behältnisses mittels Pressfügen mit diesem starr aneinander befestigt werden. An dem Metallbehältnis 3 angeordneten Ende des Deckels 5 weist dieser einen in Radialrichtung, also quer zur Längserstreckungsrichtung L, vorstehenden Ringwulst 27 auf, in dessen Ringraum 29 ein Dichtungsring 31 angeordnet ist.
Eine axiale umlaufende Presslänge ist in Figur 4 mit dem Bezugszeichen a versehen und beträgt in etwa 20% bis 25% einer Gesamterstreckung des Metallbehältnisses 3. Die Pressmuffe 5 gemäß der Figur 4 umfasst eine kappenförmige Gestalt mit einem geschlossenen Kappenboden 33, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungsrichtung L orientiert ist und in einem axialen Abstand in Längsrichtung L bezüglich eines jeweiligen stirnseitigen Endes 35 des Metallbehältnisses 3 angeordnet ist. Der Kappenboden 33 geht mittels eines abgerundeten Übergangs 37 in einen sich parallel zur Längserstreckungsrichtung L und damit zur Metallbehältniswandung 13 erstreckenden Pressmantel 39 über, an welchem sich die Presslänge a bemisst.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
BEZUGSZEICHENLISTE i Energiespeicherzelle
3 Metallbehältnis
5 Deckel
7 Hohlraum
9, io offenes Ende
11 Boden
13 Metallbehältniswandung
15 Basis
17 Ringrand
19 Innenseite der Wandung
21 Übergang
23 Sollbiegestelle
25 Ende
27 Ringwulst
29 Ringraum
31 Ringdichtung
33 Kappenboden
35 stirnseitiges Ende
37 Übergang
39 Pressmantel
L Längserstreckungsrichtung a Presslänge

Claims

ANSPRÜCHE
1. Energiespeicherzelle (i) umfassend ein längliches, hohles Metallbehältnis (3), in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, welches mittels eines Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist, wobei die Energiespeicherzelle (1) einen Zwischenfertigungszustand, in dem der Deckel (5) derart in dem Metallbehältnis (3) vorpositioniert ist, dass ein Austritt von Phasenwechselmaterial aus dem Metallbehältnis (3) verhindert ist, und einen darauffolgenden Fertigungszustand aufweist, in dem der Deckel (5) und das Metallbehältnis (3) zum dauerhaften gasdichten Abschließen des Metallbehältnisses zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
2. Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1, wobei der Deckel (5) und das Metallbehältnis (3) mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen, miteinander verbunden sind.
3. Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel (5) derart in dem Metallbehältnis (3) vorpositioniert ist, dass der Deckel (5) und das Metallbehältnis (3) bündig ineinander übergehen.
4. Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metallbehältnis (3) an dem offenen Ende eine in Längsrichtung orientierte, der Umgebung zugewandte Umfangskante aufweist und der Deckel (5) dazu derart formangepasst ist, dass ein umlaufender, bündiger Übergang zwischen dem Deckel (5) und der Umfangskante gebildet ist.
5. Energiespeicherzelle (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein längliches Metallbehältnis (3), das einen Hohlraum (7) begrenzt, in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist, wobei das Metallbehältnis (3) wenigstens ein offenes Ende aufweist, das mittels eines Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist, der derart geformt ist, dass sich der Deckel (5) beim axialen Einsetzen, insbesondere Einpressen, in den Hohlraum (7) zunehmend mit dem Metallbehältnis (3) verkeilt.
6. Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel (5) eine ebene Basis (15) und einen an die Basis (15) anschließenden Ringrand (17) aufweist, der derart geformt ist, dass sich der Ringrand (17) beim axialen Einsetzen in den Hohlraum (7) zunehmend mit einer Umfangswandung des Metallbehältnisses verkeilt. Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 6, wobei der Ringrand (17) von der ebenen Basis (15) in Längsrichtung des Metallbehältnisses vorsteht und in einem Winkel im Bereich von 1° bis 50, insbesondere von 30, bezüglich der Längsachse des Metallbehältnisses orientiert ist. Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel (5) eine Kegelstumpfform aufweist, wobei insbesondere ein umlaufender Kegelmantel des Deckels (5) in Bezug auf dessen Längsachse in einem Winkel im Bereich von 1° bis 5°, insbesondere von 30, orientiert ist. Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Außenabmessung des Deckels (5) in Bezug auf eine Innenabmessung des Metallbehältnisses überdimensioniert ist, wobei insbesondere ein Übermaß im Bereich von 0,04 mm bis 0,08 mm besteht. Energiespeicherzelle (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein längliches, hohles Metallbehältnis (3), in dem Phasenwechselmaterial angeordnet ist und das wenigstens ein offenes Ende aufweist, das mittels Pressfügen mit einem Deckel (5) gasdicht abgeschlossen ist. Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 10, wobei der Deckel (5) muffenförmig, insbesondere als Pressmuffe, ausgebildet ist und/oder teleskopartig auf das Metallbehältnis (3) aufgeschoben ist und mittels Pressfügen fest mit dem Metallbehältnis (3) verbunden ist. Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metallbehältnis (3) zu einem Ende hin geschlossen ausgebildet ist, insbesondere eine Becherform aufweist, und am gegenüberliegenden Ende mittels des Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist oder zu beiden Enden hin offen ausgebildet ist, insbesondere eine Röhrenform aufweist, und an beiden offenen Enden mittels je eines Deckels (5) gasdicht abgeschlossen ist. Energiespeicher umfassend einen fluiddicht abgeschlossenen und wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllten Tank, in dem wenigstens eine nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildete Energiespeicherzelle (1), insbesondere eine Vielzahl von nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Energiespeicherzellen (1), angeordnet ist, wobei insbesondere in dem Tank ein Druck von über 1 bar, insbesondere von über 2 bar, 3 bar oder 4 bar, herrscht. Verfahren zum Herstellen einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Energiespeicherzelle (1), bei dem ein längliches, hohles Metallbehältnis (3) an wenigstens einem offenen Ende mittels eines Deckels (5) dadurch gasdicht abgeschlossen wird, dass zunächst der Deckel (5) in das Metallbehältnis (3) eingepresst wird und anschließend der Deckel (5) stoffschlüssig mit dem Metallbehältnis (3) verbunden wird. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 14, zum Herstellen einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Energiespeicherzelle (1), bei dem ein Deckel (5) zunehmend in einem länglichen, hohlen Metallbehältnis (3) verkeilt wird, um das Metallbehältnis (3) gasdicht abzuschließen. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 14 oder 15, zum Herstellen einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Energiespeicherzelle (1), bei dem ein längliches, hohles Metallbehältnis (3) mittels Pressfügen mit einem Deckel (5) gasdicht verschlossen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, das dazu eingerichtet ist, eine Energiespeicherzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 herzustellen.
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