DE3401794A1

DE3401794A1 - Stromspeicherbatterie

Info

Publication number: DE3401794A1
Application number: DE19843401794
Authority: DE
Inventors: Philip James Pretoria Transvaal Johnson; Roger John Johannesburg Transvaal Wedlake
Original assignee: South African Inventions Development Corp Pretoria Transvaal; South African Inventions Development Corp
Current assignee: Lilliwyte SA
Priority date: 1983-01-26
Filing date: 1984-01-19
Publication date: 1984-07-26
Also published as: GB8401357D0; GB2134698A; JPS59143281A; GB2134698B; FR2539919A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromspeicherbatterie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Stromspeicherbatterie bestehend aus einer Vielzahl von sekundären oder aufladbaren elektrochemischen Elementen, die geeignet ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.

Gemäß der Erfindung besteht eine Stromspeicherbatterie aus einer Vielzahl von elektrisch zusammengeschalteten elektrochemischen Sekundärelementen, die in einem thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet sind, welches ein oder mehrere Wärmeübertragüngsrohre aufweist, die wenigstens teilweise im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, wobei ein oder mehrere der Wärmeübertragungsrohre mit einem katalytischen Konverter zur flammenlosen katalytischen Verbrennung eines

IQ Kohlenwasserstoffbrennstoffes versehen ist bzw. sind, wobei jeder Konverter eine Wärmequelle zur Lieferung von Wärme über das zugehörige Wärmeübertragungsrohr oder die Wärmeübertragungsrohre ins Innere des Gehäuses bildetAJeder katalytische Konverter kann an oder in dem Gehäuse angeordnet sein und in einer Ausführungsform erstreckt sich wenigstens ein Wärmeübertragungsrohr durch das Gehäuse vom Inneren zum Äußeren hin und der katalytische Konverter ist außerhalb des Gehäuses angeordnet. Es ist jedoch klar, daß der katalytische Konverter innerhalb des Gehäuses entweder

2g mit den Elementen oder*wie nachstehend beschrieben,in einem getrennten Abteil in dem Gehäuse angeordnet sein kann,und das zugehörige Wärmeübertragungsrohr dient der Förderung und Verteilung der Wärme aus dem Konverter zu wenigstens einigen der Elemente .

Elemente des fraglichen Typs erfordern elektrische Durchkontaktierungen durch das thermisch isolierende Gehäuse der Batterie, um elektrischen Strom während des Heizens der Batterie mit Hilfe einer Heizeinrichtung in dem Gehäuse

oc oder an die Batterieanschlüsse während der Aufladung und do

Entladung zu leiten.

Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist wenigstens

eines der Wärmeübertragungsrohre deshalb mit einer elektrischen Durchkontaktierung vom Inneren des Batteriegehäuses zur Außenseite versehen und die Durchkontaktierung verläuft durch das Gehäuse an derselben Stelle wie das zugehörige Wärmeübertragungsrohr .J Die elektrische Durchkontaktierung kann aus elektrisch leitendem Material bestehen, welches eine äußere Ummantelung um das Wärmeübertragungsrohr, beispielsweise eine Kupferummantelung für das Wärmeübertragungsrohr, bildet. Die elektrische Durchkontaktierung kann elektrisch leitendes Material wie beispielsweise Kupfer aufweisen, das in einem längsgerichteten Durchgang oder in einer äußeren Nut im Wärmeübertragungsrohr angeordnet sein kann, wo es einen elektrischen Leiter entfernt vom Inneren des Wärmeübertragungsrohres bildet,oder die Durchkontaktierung kann nur ein Leiter sein, welcher sich längs des • Wärmeübertragungsrohres durch das Gehäuse erstreckt.

Die Durchkontaktierung kann innerhalb des Gehäuses mit einem der Anschlüsse der Batterie oder mit einer elektrischen Heizeinrichtung für die Batterie verbunden sein.

Jeder katalytische Konverter kann als Katalysator ein Metall aus der Gruppe aufweisen, die Platin und Paladium enthält _f und der Katalysator kann in -den Poren eines porösen keramischen Substrates aufgenommen sein.

Die erfindungsgemäßen Batterien werden typischerweise verwendet als Stromspeicher wie Batterien in elektrischen Fahrzeugen und sie bestehen aus elektrochemischen Hochtemperatur-Sekundärelementen. Derartige Elemente verwenden gewöhnlichermaßen Alkalimetalle,wie z.B. Natrium als aktives Anodenmaterial,mit flüssigen Elektrolyten, die geschmolzene Metallhalogensalze enthalten, und sie verwenden häufig feste Elektrolyte wie beispielsweise ß-Aluminiumoxid.

Damit die Elemente umkehrbar geladen und entladen werden können ,müssen das Anodenmaterial und der flüssige Elektrolyt geschmolzen sein, wozu Betriebstemperaturen im allgemeinen von 100 C oder mehr und typischerweise von mehr

als 150° C erforderlich sind. Wenn beispielsweise Natrium Aluminiumchlorid (NaAlCl.) als flüssiger Elektrolyt verwendet wird ,sollte die Temperatur vorzugsweise oberhalb etwa 150° C sein. Für Natrium-Schwefel-Elemente ist die minimale Temperatur die Erstarrungstemperatur des Natrium-Polysulfids, welche etwa 275 C ist. In solchen Fällen sollte vorzugsweise ein Sicherheitsbereich von etwa 25° C oberhalb der minimalen oder Erstarrungstemperatur der fraglichen Elanentenkomponenten vorgesehen werden. Ferner wird bei Elementen, die β-Aluminiumoxid als festen Elektrolyten verwenden, der innere Widerstand der Elemente, der sich aus dem G-Aluminiumoxid ergibt, mit einer Temperaturerhöhung verringert und die typische Betriebstemperatur derartiger Elemente bewegt sich im Bereich von etwa 3 00° C bis 400° C.

Die oberste Betriebstemperatur für die fraglichen Elemente wird gewöhnlicherweise bestimmt durch die Temperatureigenschaften der verschiedenen Element-Komponenten. Aluminium, das oft für Dichtungen und Stromsammler in den fraglichen Elementen verwendet wird, weist einen Erweichungspunkt im Bereich von etwa 550 C auf und dieser Bereich wird für praktische Zwecke als obere Grenze der Betriebstemperatur für die fraglichen Elemente betrachtet, wobei ebenfalls wieder ein Sicherheitsbereich von etwa 25° C bis 50° C beachtet wird, was zu einer vorgesehenen oberen Grenze von etwa 500° C bis 525° C führt.

Wenn Batterien des fraglichen Typs geladen oder entladen werden, können sie bei ihren Betriebstemperaturen durch eine Heizung gehalten werden, die durch ihren inneren Widerstand bewirkt wird zusammen mit der Verwendung einer geeigneten thermischen Isolierung, und wenn Ladungsleistung beispielsweise von elektrischen Leitungen verfügbar ist, ist die Aufrechterhaltung derartiger Batterien bei ihrer Betriebstemperatur nicht schwierig. Wenn derartige Batterien jedoch verwendet werden zum elektrischen Antrieb von Kraftfahrzeugen, kann die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur

insbesondere für lange Zeiträume ohne Entladung der Batterie bei niedrigen Temperaturen schwierig sein trotz der Verwendung einer wirksamen thermischen Isolierung der Batterie. In diesen Fällen ist es von besonderem Vorteil, erfindungsgemäße Batterien zu benutzen, die Wärmeübertragungsrohrc verwenden, denen katalytische Konverter für Kohlenwasserstoffbrennstoffe zugeordnet sind. Eine sichere, flammenlose Verbrennung des Brennstoffs erfolgt in den katalytischen Konvertern und jedes zugehörende Wärme-Übertragungsrohr führt Wärme auf eine extrem wirksame Art in das Innere der Batterie durch den thermisch isolierenden Halter oder das thermisch isolierende Gehäuse, welches wirkt, um jegliche Temperaturfluktuation in der Wärmequelle auszugleichen.

Deshalb können gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Elemente Hochtemperaturelemente sein mit einer Betriebstemperatur im Bereich von 100° bis 500° C und jedes Wärmeübertragungsrohr weist als aktives verdampfbares Material eine Substanz auf, die ausgewählt ist aus der Gruppe die Natrium und Kalium enthält.

Der Betrieb des katalytischen Konverters kann kontinuierlich oder intermittierend sein, um die Batterietemperatur aufrechtzuerhalten und die Größe der katalytischen Umwandlung oder der Verbrennung des Brennstoffs kann gesteuert werden, mn die Batterie bei ihrer Betriebstemperatur oder bei einer geeigneten niedrigeren Temperatur zu halten, bei welcher die Batterie betriebsfähig ist, und sie kann schnell ihre Betriebstemperatur.erhalten, nachdem eine Entladung eingeleitet worden ist. Auch wenn die Batterie vollständig auf die Umgebungstemperatur abkühlen konnte (obgleich dies nicht wünschenswert ist infolge der Belastung der festen Teile der Batterie durch Erstarren der flüssigen Teile), können das Wärmeübertragungsrohr und der katalytische Konverter schnell und leistungsfähig verwendet werden, um sie entweder auf ihre minimale Betriebstemperatur oder auf ihre geplante oder beabsichtigte Betriebstemperatur aufzuheizen.

-δ-

Während einer schnellen Ladung oder Entladung der Batterien des fraglichen Typs insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen können übermäßige Temperaturen im Inneren der Batterie erreicht werden. In diesen Fällen können die Wärmeübertragungsrohre als Sicherheitsvorrichtungen verwendet werden, die ihren Betrieb umkehren, um Wärme aus dem Inneren der Batterie nach außen durch das thermisch isolierende Batteriegehäuse zu führen.

Obgleich verschiedene Wärmeübertragungsrohre oder verschiedene Sätze von Wärmeübertragungsrohren verwendet werden können zur Aufheizung der Batterie und zur Kühlung der Batterie können geeignetermaßen die gleichen Wärmeübertragungsrohre sowohl zur Batterieheizung als auch -zur Batteriekühlung verwendet werden. Deshalb sollte das aktive Material der Wärmeübertragungsrohre, d.h. das Material . welches verdampft und kondensiert wird in den Wärmeübertragungsrohren, bei einer Temperatur oberhalb der geplanten Betriebstemperatur der Batterie verdampfen, aber unterhalb der Temperatur, bei welcher die Teile der Batterie beschädigt oder überhitzt werden können. In jedem Fall sollten die Wärmeübertragungsrohre betriebsunfähig sein bei der geplanten Betriebstemperatur der Batterie oder darunter, da sie sonst zu beträchtlichen unwünschenswerten Wärmeverlusten aus der Batterie führen würden.

Batterien des fraglichen Typs, die typischerweise über einen Temperaturbereich von einem Minimum zwischen angenommen 100 und 300 C zu einem Maximum zwischen angenommen

500° und 550° C betrieben werden,- sind Wärmeübertragungsrohre, die Kalium als aktives Material verwenden, höchst geeignet. Erfindungsgemäß enthalten deshalb die Wärmeübertragungsrohre vorzugsweise Kalium als aktives Material in einem korrosionsfesten oder rostfreien Stahlrohr oder Nickelrohr, wobei ein poröses oder fibröses verflochtenes Material ebenfalls aus einem ähnlichen Stahl oder Nickel im Inneren des Rohres angeordnet sein kann. Derartige Wärmeübertragungsrohre können ausgelegt sein für Betriebs-

temperaturen von etwa 525° C bis etwa 975° C und sind ideal für die Notkühlung der Batterien und ebenfalls für die Heizung der Batterien mit Hilfe eines katalytischen Konverters für Kohlenwasserstoffbrennstoffe, welche in diesen Temperaturbereichen arbeiten. Ähnlich können Wärmeübertragungsrohre mit Natrium als aktives Material aus einem Nickel oder rostfreiem Stahl für die Heizung verwendet werden, aber da ihre mögliche Arbeitstemperatur im Bereich von etwa 625° C bis 1275° C liegt, sind sie nicht völlig geeignet für die Notkühlung, wenn ihre minimale Betriebstemperatur oberhalb der maximal erlaubten Arbeitstemperaturen liegt, die für diese fraglichen Elemente vorgesehen sind.

Die Kühlzone und der katalytische Konverter können in getrennten Abteilen in dem Gehäuse vorgesehen sein, welche von dem Abteil in dem Gehäuse, in welchem die Elemente angeordnet sind, getrennt sind. Natürlich können jedoch die Kühlzone, welche Teil des Wärmeübertragungsrohres sein kann, das mit Kühlrippen oder dgl. ausgebildet ist, um beispielsweise die Luftkühlung zu verbessern, und der katalytische Konverter völlig außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Es ist aber auch im Prinzip möglich, die Kühlzone und den katalytischen Konverter innerhalb des Gehäuses mit beispielsweise einer Kühlluftleitung, die in das Gehäuse zur Kühlzone und wieder aus dem Gehäuse heraus ver-

mxt

läuft, und ähnlich/einerBrennstoffleitung, die in das Gehäuse hinein zu dem katalytischen Konverter/mit einer Verbrennungsabgasleitung, die durch das Gehäuse von dem Konverter weg nach außen führt, vorzusehen. In diesem Fall arbeitet das Wärmeübertragungsrohr oder arbeiten die Wärmeübertragungsrohre, um Wärme von dem Konverter zu den anderen Teilen des Inneren des Gehäuses zu verteilen und/oder einen Wärmeüberschuß von den Teilen des Gehäuses zu sammeln und zur Kühlzone zu transportieren.

Hochtemperaturbatterien des fraglichen Typs zeigen typischerweise ein Temperaturprofil mit den höchsten Temperaturen in den mittleren Bereichen und den niedrigsten Temperaturen

-ιοί in den Umfangsbereichen angrenzend an das thermisch isolierende Gehäuse. Wirksame Notkühlung erfordert wenigstens ein Wärmeübertragungsrohr, das durch einen Zentralbereich in der Batterie verläuft und ggf. mit Kühlrippen, Rohrabzweigungen oder dgl. versehen ist, die ihrerseits durch die Umfangsbereiche der Batterie verlaufen ,und derartige Rohrabzweigungen, Kühlrippen oder dgl. können ebenfalls wirksam während der Batterieheizung wirken, um Wärme zu den Umfangsbereichen der Batterie zu übertragen. Es können jedoch an dessen Stelle mehrere Wärmeübertragungsrohre vorgesehen sein, die beispielsweise von dem gleichen katalytischen Kohlenwasserstoffbrennstoffkonverter oder mehreren derartiger Konverter zu verschiedenen Punkten in

die
der Batterie hinführen,/sowohl zentral als auch peripher angeordnet sind, um sowohl eine Aufheizung, eine Kühlung oder eine Aufrechterhaltung der Temperatur in der Batterie zu bewirken. Jedes Wärmeübertragungsrohr führt, auch wenn es betriebsunfähig ist und sich durch das Gehäuse erstreckt, zu einem unvermeidbaren Wärmeverlust aus den Elementen während des normalen Betriebs ,und dieser Nachteil muß berücksichtigt werden, wenn die Anzahl und die Anordnung der verwendeten Wärmeübertragungsrohre ausgewählt wird.

Um Wärmeverlusten vorzubeugen und die Leistungsfähigkeit der Wärmeerhaltung zu verbessern, können die Dimensionen der Batterie geeignetermaßen ausgewählt werden abhängig von der Form der verwendeten Batterie, so daß die Außenfläche gegenüber ihrem Volumen ein Minimum wird. Die Form der Batterie beeinflußt ihrerseits die Form, die Geometrie und die Anordnung des verwendeten Wärmeübertragungsrohres oder der verwendeten Wärmeübertragungsrohre.

Um die Temperatur, bei welcher Wärme der Batterie mit einem mehr oder weniger konstanten Wert zugeführt wird, während die Veränderung der Größe des Wärmeeingangs in die

zu regeln,

Batterie erfolgt,/können die Wärmeübertragungsrohre gasgesteuert sein oder Wärmeübertragungsrohre mit veränderbarer Konduktanz (veränderbarem Leitwert) sein. Derartige Wärme-

Übertragungsrohre sind beschrieben in der Kirk-Othmer Encyclopaedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, 3. Ed. Vol. 12, auf den Seiten 191 bis 201, und in einem Aufsatz von G.YaIe Eastman, "Heat Pipe", in ECT, 1st Ed. Supply Vol.,Seite 448 bis 499. Derartige Wärmeübertragungsrohro enthalten ein geeignetes inertes Gas unter Druck und während der Verwendung des Wärmeübertragungsrohres zum Transfer von Wärme in die Batterie verändert sich das von einem derartigen Gas eingenommene Volumen umgekehrt zur Größe des Wärmetransfers; je geringer das Volumen des Gases desto größer ist die Fläche des Wärmeübertragungsrohres innerhalb der Batterie, die für den Wärmetransfer zum Inneren der Batterie zur Verfügung steht, und desto größer ist die folglich bewirkte Erwärmung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Wärmeübertragungsrohr.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Batterie allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Die Batterie weist eine Schar 12 von elektrisch zusammengeschalteten elektrochemischen Elementen oder Zellen auf. Die Schar oder Ansammlung der Elemente ist mit einem hindurchführenden Durchgang 14 versehen, welcher gebräuchlicherweise sich nach oben hin erstreckt, wie in der Zeichnung dargestellt.

Die Ansammlung 12 ist im Umriß in der Draufsicht kreisförmig oder hexagonal und der Durchgang 14 ist zentral angeordnet. Die Schar 12 ist in einem thermisch isolierenden Halter oder Gehäuse 16 aus einem geeigneten thermisch isolierenden Material angeordnet. Das Gehäuse 16 weist innerhalb seiner isolierenden Wandung ein oberes Abteil oberhalb des Durchgangs 14 und ein unteres Abteil 20 unterhalb des Durchgangs 14 auf. Ein Wärmeübertragungsrohr 22 erstreckt sich von dem unteren Abteil 20 nach oben längs

des Durchgangs 14 in das obere Abteil 18. In dem oberen Abteil 18 ist das Wärmeübertragungsrohr 22 mit einer Kühlzone 23 versehen, welche mit einer Vielzahl von Kühlrippen

24 versehen ist. In dem unteren Abteil 20 ist das untere

Ende des Wärmeübertragungsrohres 22, welches eine Heizzone

25 des Wärmeübertragungsrohres bildet, im Inneren eines katalytischen Konverters 26 für die flammenlose katalytische Verbrennung eines Brennstoffs aus einem Kohlenwasserstoff angeordnet. Die Anordnung 12 ist somit in einem getrennten Abteil, das mit 27 bezeichnet ist, getrennt von den Abteilen 18 und 20 angeordnet.

Das Abteil 18 weist eine Einlaßleitung 28 für Kühlluft, die mit einem Ventilator oder Gebläse (nicht gezeigt) verbunden ist, und eine Luftauslaßleitung 30 auf. Eine Einlaßleitung 32 für einen Kohlenwasserstoffbrennstoff führt in den Konverter 26, welcher seinerseits eine Auslaßleitung 34 für ein Verbrennungsgas aufweist. Eine ringförmige elektrische Heizeinrichtung 36 umgibt die Ansammlung 12 aus den Elementen und das Wärmeübertragungsrohr 22 weist oberhalb und unterhalb der Ansammlung 12 eine Vielzahl umfangsmäßig gleich beabstandeter radial sich erstreckender Rohrabzweigungen 38 auf. Das Innere des Halters oder Gehäuses 16 einschließlich der Abteile 20 und 27 und ausschließlich des Abteils 18 ist mit einem geeigneten korpuskularen oder fibrösen Material gefüllt, welches thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen kann und/oder sorbierende Eigenschaften, um einen Sicherheitsfaktor beispielsweise in einer Crashsituation zu erbringen, wenn aus den Elementen austretender Inhalt aus der Batterieansammlung 12 sorbiert wird. j

Geeignete elektrische Leitungen (nicht gezeigt) erstrecken sich von den Batterieanschlüssen durch das Abteil 20 und außen aus dem Halter oder Gehäuse 16 über einen Durchgang 40 um den Auslaß 34 herum. Beispielsweise kann eine der Leitungen das Wärmeübertragungsrohr 22 einschließen, welches mit einem der Batterieanschlüsse verbunden ist, und geeignete

Leitungen können ebenfalls für die elektrische Heizeinrichtung 36 vorgesehen sein, die über den Durchgang 40 in den Halter oder das Gehäuse 16 eintreten.

Die elektrochemischen Elemente der Batterieansammlung 12 können beispielsweise von der Art sein, die Anoden aus geschmolzenem Natrium, flüssige Elektrolyte aus geschmolzenem Natrium-Aluminiumchlorid und feste Elektrolyte aus Q-Aluminiumoxid aufweisen. Die Elemente selbst weisen geeignete Aluminiumanschlüsse, Dichtungen usw. auf und das Wärmeübertragungsrohr 22 weist Wandungen aus rostfreiem Stahl und verflochtenem Material und darin Kalium als aktives Material auf. Die Batterie 10 ist gedacht für die Verwendung als Antrieb eines Kraftfahrzeugs.

Im Gebrauch hat die Batterie 10 eine normale Betriebstemperatur im Bereich von 300° bis 400° C, welche während des normalen Betriebs durch Aufheizung aufrechterhalten wird , welche durch den inneren Widerstand der Elemente in Verbindung mit der Isolierung der Batterie hervorgerufen wird. Diese Betriebstemperatur wird auch aufrechterhalten durch Steuerung des Ladegrades während der Aufladung der Batterie. In den Fällen, in welchen das Fahrzeug stationär an einer Aufladestation ist, kann die Heizeinrichtung 36 verwendet werden, um die normale Betriebstemperatur der Batterie oder wenigstens eine minimale Temperatur von angenommen etwa 175° C aufrechtzuerhalten, bei welcher die Batterie betrieben werden kann, und das Fahrzeug kann sich entfernen, während es sich selbst auf seine normale Betriebstemperatur aufheizt. Die Heizeinrichtung 36 kann ebenfalls verwendet werden, um die Batterie aufzuheizen, wenn aus irgendeinem Grund die Temperatur wesentlich abgefallen ist und sich die flüssigen Komponenten verfestigt haben.

Das Wärmeübertragungsrohr 22 ist beispielsweise ausgelegt auf eine minimale Betriebstemperatur von 525° C, welche sicher unterhalb der maximalen sicheren Betriebstemperatur

der Batterie 10 liegt, welche bei angenommen 550° C liegt. Wenn diese Temperatur erreicht wird, beispielsweise durch zu schnelle Aufladung oder Entladung und/oder extrem hohe Umgebungstemperaturen, beginnt das Wärmeübertragungsrohr 22 automatisch den Betrieb, um Kalium in den Rohrabzweigungen 38 und in dem Rohr 22 im Inneren des Durchgangs 14 zu verdampfen, wobei das Kalium in der Kühl zone 23 am oberen Ende des Wärmeübertragungsrohres 22 in dem Abteil 18 kondensiert wird. Gleichzeitig arbeitet ein Thermoelement, das bei 42 an dem heißesten Teil der Schar 12 angeordnet ist, d.h.

am oberen Ende des Durchgangs 14, wenn eine Temperatur von 525 C erreicht wird, um das Gebläse, das Luft über den Einlaß 28 in das Abteil 18 leitet, zu starten. Dadurch wird eine Kondensierung des Kaliums in der Kühlzone 23 des Wärme-Übertragungsrohres angrenzend an die Rippen 24 in dem Abteil 18 bewirkt.

Wenn aus irgendeinem Grund das Fahrzeug entfernt von der Aufladestation angehalten wird, kann der Konverter 26 zur Aufheizung der Batterie und/oder zur Aufrechterhaltung der Batterietemperatur verwendet werden. Ein Thermoelement, das bei 44 am untersten äußeren Umfangspunkt der Schar 12, welcher der kühlsten Stelle entspricht, angeordnet ist, wird aktiviert, um eine Pumpe (nicht gezeigt) in Gang zu setzen, um einen geeigneten organischen Brennstoff über die Einlaßleitung 32 in den Konverter 26, welcher Platin, Paladium oder dgl. Katalysator enthält, zu pumpen, wenn die Temperatur bei 44 auf einen Wert von angenommen unter 175° C abgefallen ist.

Die Pumpe ist derart ausgerichtet, daß sie die Versorgung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes an den Konverter beendet, wenn die Temperatur bei 44 angenommen 200° C übersteigt und gleichermaßen ist das Gebläse derart vorgesehen, daß es die Luftzufuhr in das Abteil 18 beendet, wenn die Temperatur bei 42 unterhalb eine Temperatur von angenommen 500° C abfällt. Der katalytische Konverter kann ebenfalls zur Heizung verwendet werden, wenn aus irgendeinem Grund

die Temperatur der Batterie 10 wesentlich abgefallen ist und ihre Komponenten oder Bauteile sich verfestigt haben, obgleich es aus Gründen der Belastung der verschiedenen Bauteile natürlich wünschenswert ist, eine derartige Verfestigung zu vermeiden.

Natürlich kann in Abhängigkeit der speziellen Bauteile, die in der Batterie und deren Elementen, in dem Warmeubertragungsrohr und in den anderen Konstruktionsteilen verwendet werden, die exakte Temperatur, bei welcher eine Heizung über den Konverter 26 beginnt und endet innerhalb von Grenzen variiert werden, wie ebenfalls das Starten und Stoppen des Gebläses während der Kühlung mittels des Wärmeübertragungsrohres .

Obzwar ein einfaches Wärmeübertragungsrohr, das Kalium als aktives verdampfbares Material enthält, in Fig. 1 gezeigt ist, und sowohl für die Heizung und Kühlung geeignet ist, können an dessen Stelle mehrere derartiger Wärmeübertragungsrohre vorgesehen sein. Ferner können getrennte Wärmeübertragungsrohre verwendet werden für die Aufheizung und die Kühlung. So kann ein Wärmeübertragungsrohr, das Kalium als aktives Material enthält, von dem Abteil 27, wo es sich in die Schar 12 hineinverzweigt insbesondere an den heißeren Stellen wie bei 42, in das Abteil 18 führen, in welchem dieses Wärmeübertragungsrohr eine Kühlzone 23 aufweist. Ein weiteres Wärmeübertragungsrohr, das beispielsweise Natrium als aktives Material enthält, kann in diesem Fall seine Heizzone 25 in dem Abteil 20 aufweisen und kann sich in die Schar oder Ansammlung 12 der Elemente hineinverzweigen insbesondere an den kühleren Teilen wie z.B. bei 44.

In Fig. 2 ist ein typisches Wärmeübertragungsrohr schematisch dargestellt und die gleichen Bezugszeichen sind für die gleichen Teile in Fig. 1 verwendet; das Wärmeübertragungsrohr ist allgemein mit 22 bezeichnet und die Abzweigungsrohre 38 sind zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.

Das dargestellte Wärmeübertragungsrohr 22 weist ein an den Enden geschlossenes Rohr 46 aus rostfreiem oder korrosionsbeständigem Stahl auf, welches an der Innenfläche des gekrümmten Abschnittes mit einem verflochtenen Material 48 aus einem rostfreien Stahl ausgefüttert ist. Das Material 48 ist fibrös und/oder porös und ist in seinem Inneren mit Kapillaren für den Transport von geschmolzenem aktiven Material wie beispielsweise Natrium, Kalium oder dgl.' durch Kapillarwirkung versehen. Die Außenseite des gekrümmten Abschnitts des Rohres 46 ist mit einem Gehäuse oder Belag 50 aus Kupfer versehen. Elektrische Leitungen 52 und 54 sind mit gegenüberliegenden Enden des Gehäuses oder der Ummantelung 50 verbunden; die Leitung 54 ist mit einem Anschluß (nicht gezeigt) der Elementenschar 12(Fig. 1) verbunden. Das verflochtene Material enthält das aktive Material sorbiert in seinen Poren und innerhalb des Wärmeübertragungsrohres besteht ein Vakuum.

Im Betrieb erhält die Heizzone 25 Wärme von der Wärmequelle (den Konverter 26 von Fig. 1) welcher das in dem verflochtenen Material 48 sorbierte aktive Material schmilzt und anschließend verdampft. Das verdampfte aktive Material bewegt sich längs des Inneren des Rohres in Richtung der Pfeile und wird an der Kühlzone 23, welche als Kühlkörper wirkt, kondensiert. Das kondensierende aktive Material wird in dem verflochtenen Material 48 in der Kühl zone 23 sorbiert und wird in flüssiger Form durch Kapillarwirkung längs des verflochtenen Materials 48 zurück in die Heizzone transportiert, in welcher es erneut verdampft wird.

Dadurch ergibt sich ein kontinuierlicher Prozeß der Verdampfung in der Zone 25 und der Kondensierung in der Zone 23, wobei das aktive Material längs des Inneren des Rohres als Dampf von der Zone 25 zur Zone 23 und zurück als Flüssigkeit in dem verflochtenen Material von der Zone 23 zur Zone 25 strömt. Wärme wird im wesentlichen als latente Verdampfungswärme von der Zone 25 zur Zone 23 transportiert.

bei einem
Es ist klar, daß / Wärmeübertragungsrohr 22, das Rohrab-

zweiqungen 38 aufweist, wie anhand Fig. 1 und während

- gezeigt,

der Heizung der Batterieansammlung 12/jede Rohrabzweigung verflochtenes Material 48 aufweist ( wenn auch nicht notwendigerweise eine Kupferuiranantelung). Ferner wirkt im wesentlichen die Gesamtheit des Wärmeübertragungsrohres 22 in dem Durchgang 14 und die Gesamtheit jeder Rohrabzweigung 38 als Kühlzone, in welcher Kondensation folgt.

Die Kühlzone 23 in dem Abteil 18 und das zugehörige Gebläse

dann
sind/nicht betriebsfähig. Gleichermaßen wirken während der Kühlung im wesentlichen die Gesamtheit des Rohres 22 in dem Durchgang 14 und die. Rohrabzweigungen 38 als Heizzonen, wobei das Gebläse und die Kühl zone 23 in Betrieb und der Konverter 26 und die Heizzone 25 nicht in Betrieb sind.

Eine Ausgestaltung des Wärmeübertragungsrohres 22 ist in Fig. 2 in unterbrochenen Linien dargestellt, in welcher es in ein sogenanntes gasgesteuertes Wärmeübertragungsrohr oder Wärmeübertragungsrohr mit variabler Konduktanz (variablem Leitwert) umgewandelt werden kann. Das Wärme-Übertragungsrohr 22 in dieser Form weist eine Verlängerung oder zusätzliche Kammer 56 auf, die mit seinem Ende verbunden ist und eine Kühlzone 23 über einen Durchgang 58 aufweist. Die Kammer 56 ist aus rostfreiem Stahl und zusammenhängend mit dem Rohr 46 des Rohres 22 ausgebildet .

Das Rohr 22 und die Verlängerung 56 in dieser Ausführungsform enthalten ein geeignetes inertes Gas, das inert ist gegenüber den anderen verwendeten Materialien und einen geeigneten Druck aufweist.

Im Betrieb bewegt sich wie vorstehend beschrieben verdampftes aktives Material längs des Inneren des Rohres 22 von der Heizzone 25 zur Kühlzone 23. Dieser sich bewegende Dampf schiebt das inerte Gas längs des Rohres 22 zur Verlängerung 56 hin, bis die Verlängerung 56 mit dem inerten Gas gefüllt ist, welches ebenfalls den Durchgang 58 und einen Abschnitt des Rohres 22 angrenzend an den Durchgang 58 füllt. Es bildet sich eine scharfe Schnittfläche zwischen dem inerten Gas und dem Dampf aus und das Gas in dem Rohr 22 verhindert

einen Zugang des Dampfes wenigstens zu einem Teil der Wandung des Rohres 22 in der Kühlzone. Die Schnittfläche ist mit 60 in Fig. 2 bezeichnet und es ist ersichtlich, daß während des Betriebs im stabilen Zustand des Rohres nur der Bereich der Kühlzone 23 auf derselben Seite der Schnittfläche 40 wie der Heizzone 25 verfügbar ist zur Kondensation verdampften aktiven Materials.

Im Betrieb wird eine ansteigende Aufheizung in der Heizzone, d.h. ein erhöhter Wärme eingang in die Heizzone 25, zu einer erhöhten Verdampfungsrate und zu einer Erhöhung des Druckes in dem Rohr 22 führen. Der erhöhte Druck führt dazu, das inerte Gas in der Verlängerung 26 zu komprimieren und die Schnittfläche 60 zu der Verlängerung 56 hin zu bewegen, wodurch eine vergrößerte Fläche der Kühl zone 56 für den Dampf auf der Seite der Schnittfläche 60 gegenüber der Verlängerung 56 freigelegt wird. Die Kapazität der Kühlzone 23 wird dadurch vergrößert. Die Art und der Druck des inerten Gases in dem Wärmeübertragungsrohr 22'können ausgewählt werden, wobei die Art des aktiven Materials und die Temperatur, bei welcher es verdampft wird, berücksichtigt werden, zusammen mit dem Volumen und den linearen Abmessungen des Rohres und der Verlängerung 56, so daß ein leichter Temperaturanstieg, der von einer erhöhten Wärmeleistung in der Heizzone 25 resultiert, verbunden ist mit einer wesentlichen Bewegung der Schnittfläche 60 weg von der Heizzone und einem wesentlichen Ansteigen der Kapazität der Kühlzone 23. Entsprechend bewegt ein Abfall der Heizleistung in der Zone 25 die Schnittfläche 60 nach links und vermindert die Kapazität der Kühlzone 23 wiederum bei einem relativ geringen Temperaturwechsel. Die Verwendung des inerten Gases und der Verlängerung 56 erbringen wesentliche Variationsmöglichkeiten in der Kapazität des Wärmeübertragungsrohres 22/in der Dauer des Wärmetransfers von der Zone 25 zu der Zone 23 mit relativ geringen und oft vernachlässigbaren Temperaturwechseln, bei welchen Wärme transferiert wird, d.h. bei welchen Wärme in der Kühlzone aufgenommen wird.

Die Verwendung eines Wärmeübertragungsrohres zum Heizen der Batterie mit Hilfe des katalytischen Konverters weist den Vorteil auf, daß das Wärmeübertragungsrohr jede ungleichförmige Leistung aus dem Konverter glättet oder richtet und eine Leistungsdichte an der Kühlzone 23 erbringt, welche geringer ist als die Leistungsdichte, bei welcher Wärme durch den Konverter geliefert wird. Die Verwendung des katalytischen Konverters weist den Vorteil auf, daß kein Zündsystem erforderlich ist, daß die Temperaturen einfach zu steuern sind, daß keine Flammen erzeugt werden, und daß eine Verbrennung erfolgt mit einem akzeptablen vollständigen Grad bei akzeptablen geringen Temperaturen mit geringen Brennstoff/Luft-Verhältnissen. Das System ist zuverlässig und, wenn erwartet wird, daß das Wärmeübertragungsrohr nur wenige Male im Jahr verwendet werden sollte, wird die Verwendung eines geeigneten Brennstoffs aus einem Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Benzin , Butan oder Propan, wirtschaftlich akzeptabel sein, da es nur in extrem geringen Mengen verwendet wird, auch wenn gefordert wird, daß es vollständig frei ist von katalytischen Giften, und es teuer sein kann. Platin oder Paladium sind typischerweise in einem porösen keramischen Substrat vorgesehen.

Obgleich beschrieben worden ist, daß die Rohrabzweigungen 38 des Wärmeübertragungsrohres in Form von radial sich erstreckenden Speichen ausgebildet sind, kann eine Rohrabzweigung natürlich spiralförmig oder kreisförmig/(mxt einem Durchmesser der gleich ist dem der Anordnung 12 mit einem radialen Ast, der diese Spirale oder den Kreis mit dem nach oben sich erstreckenden Wärmeübertragungsrohr 22 verbindet) oder eine andere geeignete Gestalt aufweisen. Ferner ist es möglich, daß das einfache nach oben stehende mittlere Rohr 22 allein angeordnet sein kann. Ferner ist hervorzuheben, daß ein nach oben sich erstreckendes zentrales Rohr 22 die Kapillarwirkung in dem Wärmeübertragungsrohr bei der Rückführung des kondensierten Kaliums nach unten unterstützt sowohl während der Auf heizung als auch während einer Notkühlung.

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys Dr. W. Müller-Bore f Dr. Paul Deufel Dipl.-Chem., Dipl.-Wirtsdi.-Ing. Dr. Alfred Sdrön DipL-Chem. Werner Hertel Dipl.-Phys. Dr. Müller-Born und Partner · POB 28 0247 · D-MOO Mündien 26 Dietrich Lewald Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Dieter Otto Dipl.-Ing. Ot/la - S 4075 *9· JAN. f.994 South African Inventions Development Corporation Pretoria, Transvaal Province, Republic of South Africa Stromspeicherbatterie Ansprüche

1. Stromspeicherbatterie (10) aus einer Vielzahl von elektrisch

elektrochemischen zusammengeschalteten/Sekundärelementen (12), die innerhalb eines thermisch isolierenden Gehäuses (16) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß ein oder mehrere Wärmeübertragungsrohre (22) vorgesehen sind, die wenigstens teilweise im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, daß ein oder mehrere der Wärmeübertragungsrohre mit einem katalytischer! Konverter (26) zur flammenlosen katalytischen Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen versehen ist bzw. sind, und daß jeder Konverter eine Wärmequelle für die Lieferung von Wärme über das verbundene Wärmeübertragungsrohr oder die verbundenen Wärmeübertragungsrohre in das Innere des Gehäuses bildet.

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ΠΤί + ΠΙ f089)229Ü43 S-2-1285

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder katalytische Konverter (26) an oder in dem Gehäuse (16) befestigt ist.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmeübertragungsrohr (22) sich durch das Gehäuse (16) vom Inneren des Gehäuses zu dessen Außenseite erstreckt und daß der katalytische Konverter (26) außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.

4. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmeübertragungsrohr (22) mit einer elektrischen Durchkontaktierung (50, 52, 54) vom Inneren des Batteriegehäuses zu dessen Außenseite verbunden ist, und daß die Durchkontaktierung an der gleichen Stelle durch das Gehäuse verläuft wie das zugehörige Wärmeübertragungsrohr.

5. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Durchkontaktierung elektrisch leitendes Material aufweist, welches ein äußeres Gehäuse (50) urn das Wärmeübertragungsrohr bildet.

6. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Durchkontaktierung elektrisch leitendes Material aufweist, das in einem Längsdurchgang oder in einer äußeren Nut in dem Wärmeübertragungsrohr angeordnet ist, in welchem es einen

2Q elektrischen Leiter entfernt vom Inneren des Wärmeübertragungsrohres bildet.

7. Batterie nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchkontaktierung

οι- innerhalb des Gehäuses mit einem der Anschlüsse der ob

Batterie (10) verbunden ist.

8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

durch gekennzeichnet , daß jeder katalytische Konverter (26) als Katalysator ein Metall aus der Gruppe aufweist, die Platin und Paladium enthält.

9. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator in den Poren eines porösen keramischen Substrates enthalten ist.

10. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (12) Hochtemperaturelemente sind und eine Betriebstemperatur im Bereich von 100 bis 500° C aufweisen, und daß jedes Wärmeübertragungsrohr (22) als aktives verdampfbares Material eine Substanz aus der Gruppe enthält, die sich aus Natrium und Kalium zusammensetzt.

11. Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Wärmeübertragungsrohr (22) in seinem Inneren verflochtenes Material (48) aufweist und daß das Rohr Wände und verflochtenes Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Nickel und rostfreien oder korosionsfesten Stahl enthält.

12. Batterie nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das aktive verdampfbare Material Kalium ist und daß das Wärmeübertragungsrohr an einer Stelle entfernt von seinem zugeordneten katalytischen Konverter (26) mit einer Kühlzone (23) ausgebildet ist.

13. Batterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlzone (23) und der katalytische Konverter (26) in getrennten Abteilen (18, 20) in dem Gehäuse (16) vorgesehen sind, und daß die Abteile getrennt von einem Abteil im Gehäuse angeordnet sind, in welchem die Elemente angeordnet sind.