Модуль аккумулятора энергии

Изобретение относится к модулю аккумулятора энергии. Техническим результатом изобретения является повышение взрывобезопасности аккумулятора. Согласно изобретению модуль аккумулятора энергии состоит из корпуса с расположенными в нем компонентами (5, 5', 6, 6'). При этом компоненты (5, 5', 6, 6') являются конденсаторами, например двухслойными конденсаторами и/или электролитическими конденсаторами. В корпусе имеется заполнитель (10), который связывает выступающую в случае повреждения электролитическую жидкость или также электролитические газы. В качестве заполнителя (10) применяются насыпные материалы с большой удельной поверхностностью, такие как цеолиты или также активированный уголь. При необходимости поверхностные площади могут еще снабжаться каталитическим покрытием. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к модулю аккумулятора энергии согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

Модули аккумуляторов энергии известны из уровня техники, при этом можно сослаться на не прошедшую предварительной публикации немецкую патентную заявку DE 102005041604 А1 заявителя, озаглавленную «Устройство с по меньшей мере одним двухслойным конденсатором». Подобные модули аккумуляторов энергии включают в себя корпус с размещенными в нем компонентами, например конденсаторами, в которых имеется горючий органический электролит. Подобный электролит может при неблагоприятных краевых условиях вызвать взрыв или вспышку.

В конденсаторах, в частности двухслойных конденсаторах, а также электролитических конденсаторах и литиевых батареях преимущественное применение находят горючие электролиты, которые при возникновении случая дефекта или повреждения представляют потенциальную опасность пожара или даже взрыва. Частично эти органические электролиты обладают также низким давлением пара. Чтобы избежать чрезмерного повышения давления и, тем самым, открытия аккумуляторного элемента, применяются также высококипящие электролиты. Компоненты с такими электролитами в общем случае не применимы для использования при очень низких температурах.

Поэтому в современных высокопроизводительных системах, которые применяют легко воспламеняющиеся электролиты, повышают пассивную надежность посредством многочисленных защитных устройств, например зарезервированных электронных устройств контроля, или выбирают места для монтажа, в которых либо можно исключить критические температуры окружающей среды, либо где нанесение ущерба, например возникновение пожара или взрыва, не может вызвать вреда, причиненного людям.

Последнее означает, что описанные системы часто не могут быть размещены в функционально благоприятном местоположении.

В случае типичного нанесения ущерба модули выпускают в окружающую среду смешанный с газообразным электролитом воздух. Нужно посредством постоянного отвода исключить критическую концентрацию газообразных электролитов.

В современных технических разработках существует стремление к тому, чтобы модули аккумуляторов энергии выполнить самозащищенными, чтобы не мог возникнуть случай дефекта. Для этого в вышеназванной патентной заявке заявителя уже были предложены различные решения.

Из DE 10157272 C2 известна литиевая или литий-ионнная батарея, при которой в соответствующем корпусе имеется негорючий сорбент. Кроме того, из DE 10128672 A1 и из DE 102005007607 A1 известны конденсаторные устройства, которые в корпусе имеют соответственно среды, поглощающие эмиссию от конденсаторов, которые находятся на основании корпуса.

В соответствии с этим задачей изобретения является дальнейшее улучшение самозащиты модулей аккумуляторов энергии или модульных корпусов, которые содержат двухслойные конденсаторы или электролитические конденсаторы, чтобы вся система также выполняла более строгие требования по надежности. Должен быть создан такой модуль аккумулятора энергии, при котором модуль может быть сформирован более благоприятным образом, или за счет которого стал бы возможным монтаж в такие установки, в которых имеет место контакт с людьми, например, на железной дороге.

Указанная задача в соответствии с изобретением в случае модуля аккумулятора энергии вышеназванного типа решается признаками пункта 1 формулы изобретения. Дальнейшие развития представлены в зависимых пунктах.

Предметом изобретения является модуль аккумулятора энергии, при котором в случае дефекта, например при перегрузке или механическом повреждении, заполнитель ограничивает свободную длину пути испускаемых паров. Таким образом при воспламенении паров предотвращается обратное зажигание в аккумуляторном элементе и взрывоподобное распространение пламени. Кроме того, вытекающий электролит связывается, благодаря чему горючая нагрузка, например, из-за разбрызгивания вокруг, снижается. В итоге, предрасположенность к зажиганию и взрыву заметно сокращается. При этом заполнитель имеется предпочтительно как засыпка материалов с большой удельной поверхностью, таких как цеолиты или активированный уголь.

Для последней цели предпочтительным образом свободные пространства между отдельными аккумуляторными элементами модуля снабжаются подходящим заполнением. Применяемый для этого заполнитель выбирается таким образом, что он ограничивает средние свободные длины пути истекающих газов и обладает способностью связывать выступающее количество электролита. Таким образом, реализуется принцип защиты от воспламенения, и предпочтительным образом гарантируется надежная адсорбция выступающих газов.

В данном изобретении предпочтительным образом повышение давления внутри корпуса модуля остается в пределах некритического диапазона, и весь модуль остается герметично замкнутым. Для случая, когда корпус модуля дополнительно мог бы быть поврежден, связывающее электролит заполнение обеспечивает минимизацию выступающих паров электролита и, тем самым, косвенного ущерба.

Как уже упомянуто, в качестве заполнителя для предписанной цели предпочтительным образом применяются цеолиты или активированный уголь, которые, как известно, отличаются своей пористостью и связанными с этим большими удельными поверхностями. В качестве меры этого указывается так называемая ВЕТ-площадь, которая должна иметь значение более 20 м²/г. При этом в особенности активированный уголь в качестве заполнителя может иметь на поверхности пор каталитическое покрытие. В качестве каталитического покрытия применяют предпочтительно благородные металлы, например платину или родий. Такое покрытие благоприятствует реакциям, вследствие чего возникающие газы медленно, при контролируемом температурном режиме, высвобождаются, например, медленно окисляются. Тем самым осуществляется противодействие медленному нарастанию давления, которое может привести к разрыву корпуса модуля.

Другие детали и преимущества изобретения поясняются в последующем описании примеров выполнения со ссылками на чертежи в связи с пунктами формулы изобретения.

На чертеже схематично представлен модуль аккумулятора энергии с находящимися в нем компонентами или элементами.

На чертеже представлен модуль аккумулятора энергии, который по существу состоит из корпуса 1, герметично замкнутого по отношению к внешней среде. В корпусе 1 модуля некоторое число конденсаторов включено друг за другом как отдельные аккумуляторные элементы, которые реализуют аккумулятор энергии для предписанного применения в промышленных установках, в частности на транспортных средствах для персонального транспорта. В качестве конденсаторов применяются, в частности, двухслойные конденсаторы 5. В качестве альтернативы этому могут применяться также известные электролитические конденсаторы 6. На чертеже конкретно указаны двухслойные конденсаторы 5, 5', 5'', ….

Применяемые двухслойные конденсаторы 5 или электролитические конденсаторы 6 применяют, соответственно, горючие органические электролиты. При этом в случае повреждения может произойти воспламенение, взрыв или по меньшей мере вспышка. Поэтому должны быть предусмотрены подходящие меры безопасности. Они должны выполнять принцип самозащиты, т.е. могут не требоваться никакие дополнительные функциональные элементы.

Теперь предложено заполнять свободные пространства между отдельными аккумуляторными элементами 5_i или 6_i и вокруг них соответствующим заполнителем 10.

Активированный уголь является пористым и имеет открытые поры, и поэтому имеет большую удельную поверхность. С помощью активированного угля достигается то, что средняя свободная длина пути выступающих газов ограничивается. Тем самым достигается защита от обратного зажигания.

Кроме того, именно активированный уголь имеет способность связывать выступающий электролит посредством адсорбции и/или абсорбции. Тем самым достигается то, что повышение давления внутри корпуса модуля остается в некритическом диапазоне, и весь модуль аккумулятора энергии герметично замыкается. Это справедливо и для маловероятного случая, когда корпус 1 модуля аккумулятора энергии мог бы быть сам поврежден, и газ мог бы проникать наружу.

Посредством активированного угля гарантируется защита как для жидких, так и для газообразных электролитов. С этой целью, при определенных обстоятельствах, на свободной поверхности заполнителя могут также дополнительно иметься каталитические покрытия. В качестве каталитических покрытий известным образом могут применяться либо платина (Pt), либо родий (Rh). В качестве альтернативы активированному углю могут применяться цеолиты, которые имеют большую внутреннюю поверхность.

Кроме того, в качестве альтернативы, могут применяться пористые сорбенты sepiolith и tobermorit.

Решающим в указанных заполнителях является то, что имеет место, по существу, адсорбирующее действие, для чего необходима большая внутренняя поверхность. В качестве меры для этого привлекается так называемая BET (Brunauer, Emmett, Teller)- площадь, которая должна быть больше, чем 20 м²/г, предпочтительно более 100 м²/г. Это должно обеспечиваться соответствующим выбором в случае названных цеолита, sepiolith и tobermorit и посредством активированного угля. При этом дополнительно может иметься каталитическое покрытие.

Последние материалы могут помещаться как заполнитель с плотностью засыпки более 0,3 г/см³.

Посредством вышеописанного выполнения модуля аккумулятора энергии можно с помощью пассивных средств и, тем самым, особенно экономичным образом и особенно надежно повысить самозащиту модулей с двухслойными конденсаторами и литиевыми батареями.

1. Модуль аккумулятора энергии с аккумуляторными компонентами, которые содержат по меньшей мере один органический горючий электролит, отличающийся тем, что имеется заполнитель (10), который повышает пассивную надежность в корпусе (1) модуля, в котором находятся компоненты (5, 6, 7), содержащие горючий электролит, причем заполнитель (10) имеет каталитическое покрытие.

2. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что корпус (1) в качестве компонентов содержит электролитические конденсаторы (5, 5',…).

3. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что корпус (1) в качестве компонентов содержит двухслойные конденсаторы (6, 6',…).

4. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что заполнитель (10) ограничивает среднюю свободную длину пути выходящих паров электролита и тем самым предотвращает распространение возгорания или взрыва в корпусе (1).

5. Модуль аккумулятора энергии по п.4, отличающийся тем, что заполнитель (10) связывает выходящие пары электролита посредством адсорбции и/или абсорбции.

6. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что заполнитель (10) используется как насыпной материал.

7. Модуль аккумулятора энергии по п.6, отличающийся тем, что насыпной материал имеет распределение частиц между 0,5 и 5 мм и плотность засыпки более 0,3 г/см³.

8. Модуль аккумулятора энергии по п.7, отличающийся тем, что заполнитель (10) имеет BET-поверхностную площадь по меньшей мере 20 м²/г.

9. Модуль аккумулятора энергии по п.8, отличающийся тем, что заполнитель (10) имеет BET-поверхностную площадь по меньшей мере 100 м²/г.

10. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что каталитическим покрытием является благородный металл, предпочтительно платина (Pt) или родий (Rh).

11. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что заполнитель (10) представляет собой активированный уголь, который имеет BET-поверхностную площадь от 500 до 2000 м²/г.

12. Модуль аккумулятора энергии по п.11, отличающийся тем, что активированный уголь является пористым, с открытыми порами, а каталитическое покрытие нанесено на поверхности пор активированного угля.

13. Модуль аккумулятора энергии по п.1, отличающийся тем, что заполнитель (10) представляет собой цеолит.

14. Модуль аккумулятора энергии по п.14, отличающийся тем, что заполнитель (10) представляет собой сепиолит.

15. Модуль аккумулятора энергии по п.14, отличающийся тем, что заполнитель (10) представляет собой тоберморит.