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According to international Standards several safety characteristics of dusts are determined in the 20-L-sphere (also known as SIWEK-Chamber). Dust cloud ignition is carried out using pyrotechnical igniters. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. An alternative ignition source could be the socalled “exploding wire” or “fuse wire". The paper presents test results of a comparative study between both ignition sources for the determination of the safety characteristics Maximum Explosion Pressure and Maximum Rate of Explosion Pressure Rise of selected dusts in the 20-Lsphere.
In addition to that the flame/arc propagation of both ignition sources was analysed by high speed and IR camera recordings. Tests in a windowed autoclave were performed to get information on the influence of turbulence generated due to dispersion of the dust on the shape of the generated flame and its propagation. Turbulence measurements in the windowed autoclave as well as in the 20-L-sphere with a LDA System allowed investigation if the igniter led to turbulence increase at the moment of ignition in comparison to tests without ignition.
According to international standards several safety characteristics of dusts are determined in the 20-L sphere (also known as SIWEK-Chamber). Dust cloud ignition is carried out using pyrotechnical igniters. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. An alternative ignition source could be the so-called 'exploding wire' or 'fuse wire'. The paper presents test results of a comparative study between both ignition sources for the determination of the safety characteristics Maximum Explosion Pressure and Maximum Rate of Explosion Pressure Rise of selected dusts in the 20-L sphere. In addition the propagation of flame and electrical arc was analysed by high speed camera recordings. Tests in a windowed autoclave were performed to get information on the influence of turbulence during ignition on the shape of the generated flame (electrical arc) and its propagation. Turbulence measurements with a LDA system in the windowed autoclave as well as in the 20-L sphere allowed investigation if the ignition sources led to an additional turbulence increase at the moment of ignition in comparison to tests without ignition.
Es werden die Untersuchungsergebnisse für ein geeignetes Zündkriterium zur Bestimmung von Explosionsgrenzen bei nichtatmosphärischen Bedingungen vorgestellt. Dazu wurden für Anfangsdrücke bis 20 bar Zündversuche an den Explosionsgrenzen von CHL/Luft-, CaHg/Luft-, H2/Luft- und NHs/Luft-Gemischen in einem Autoklav mit Sichtscheibe durchgeführt. In der Auswertung wurden visuelle Zündkriterien und ein Druckschwellenkriterium miteinander verglichen. Weiterhin wurden Untersuchungen zum erforderlichen Mindesvolumen des Explosionsgefäßes in Abhängigkeit des Anfangsdrucks durchgeführt. Dazu wurden jeweils Zündversuche mit demselben Gemisch aus CH4 und Luft bei Anfangsdrücken bis 50 bar in Volumina zwischen 0,2 dm3 und 6,0 dm3 durchgeführt.
Sicherheitstechnischen Kenngrößen stellen die Grundlage für die Bewertung von Explosionsrisiken in der chemischen Industrie dar, sowie für die Klassifizierung von gefährlichen Stoffen und Gütern. Sicherheitstechnische Kenngrößen sind, wie Stoff konstanten (z. B. Dichte, Siedepunkt) abhängig von Druck und Temperatur. Im Gegensatz zu Stoffkonstanten sind sicherheitstechnische Kenngrößen jedoch in unterschiedlichem Maße vom Bestimmungsverfahren abhängig. Einfluss können sowohl die Prüfapparatur (z. B. Zündgefäß, Zündquelle) als auch das Bestimmungsverfahren (vor allem das Kriterium) haben. Für die Anwendung im Explosionsschutz ist es erforderlich einheitliche und zuverlässige Werte für die Kenngrößen zu erhalten. Daher sind die Bestimmungsverfahren für Explosionskenngrößen in den meisten Fällen genormt. Sie sind in der Regel dem Geltungsbereich der europäischen Richtlinien 94/9/EG und 1999/92/EG zugeordnet. Wegen des Anwendungsbereiches der Richtlinien gelten bislang die meisten dieser genormten Bestimmungsverfahren (z. B. Explosionsgrenzen (EN 1839), Zündtemperatur (EN 14522)) nur für atmosphärische Bedingungen. Jedoch werden in der chemischen Industrie viele Prozesse mit anderen Oxidationsmitteln als Luft (z. B. reiner Sauerstoff, Distickstoffmonoxid) sowie bei höheren Drücken und Temperaturen durchgeführt.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der ersten Versuchsserie mit Batteriezellen und -modulen bis zu 6.8 kWh. Aus diesen Versuche werden die wesentlichen Ergebnisse gezeigt, insbesondere die Teperatur-, Spannungs, Gas- und Gewichtsmessung beim thermischen Durchgehen.
In this study, 19 experiments were conducted with 25 pouch cells of NMC cathode to investigate thermal runaway and the release of gases from lithium-ion batteries (LIBs). Single cells, double cells, and a four-cell battery stack were forced to undergo thermal runaway inside an air-tight reactor vessel with a volume of 100 dm3 . The study involved two series of tests with two types of ignition sources. In the Series 1 tests, a heating plug was used to initiate thermal runaway in LIBs in the ranges of 80–89% and 90–100% SOC. In the Series 2 tests, a heating plate was used to trigger thermal runaway in LIBs in the ranges of 30–50%, 80–89%, and 90–100% SOC. Thermal runaway started at an onset temperature of 344 ± 5 K and 345 K for the Series 1 tests and from 393 ± 36 K to 487 ± 10 K for the Series 2 tests. Peak reaction temperatures ranged between 642 K and 1184 K, while the maximum pressures observed were between 1.2 bar and 7.28 bar. Thermal runaway induced explosion of the cells and lead to a rate of temperature increase greater than 10 K/s. The amounts of gases released from the LIBs were calculated from pressures and temperatures measured in the reactor.
Then, the gas composition was analyzed using a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. The highest gaseous production was achieved at a range of 90–100% SOC and higher battery capacities 72 L, 1.8 L/Ah (Series 1, battery stack) and 103 L, 3.2 L/Ah (Series 2, 32 Ah cell)). Among the gases analyzed, the concentration of gaseous emissions such as C2H4 , CH4 , and C2H6 increased at a higher cell capacity in both series of tests. The study results revealed characteristic variations of thermal behavior with respect to the type of ignition source used.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Neben dem eigentlichen Aufbau werden auch Herausforderungen bei der Beschaffung der Einzelkomponenten sowie Ergebnisse aus der Literaturrecherches zu den Auswirkungen von Li-Batteriespeichern beim thermischen Durchgehen vorgestellt. Als Abschluss wird noch ein Ausblick auf die anstehenden Probeversuche gegeben.