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Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung, die zum Einbau in einen mit flüssigem Elektrolyten betriebenen elektrochemischen Akkumulator eingerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Separator und eine Zellwand mit einer solchen Mischeinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung einen Akkumulator mit einer solchen Mischeinrichtung.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet von Akkumulatoren, die mit flüssigen Elektrolyten betrieben werden, d. h. wiederaufladbare elektrochemische Akkumulatoren z. B. in Form von Bleisäureakkumulatoren. Solche Akkumulatoren werden z. B. als Starterbatterien für Kraftfahrzeuge verwendet.
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Bleisäureakkumulatoren leiden unter einer Säureschichtung, die sich beim Laden entlang der vertikalen Richtung (d. h. von unten nach oben bzw. von oben nach unten) in den Batteriezellen aufbaut, da Säure von dem aktiven Material freigesetzt wird und sich am Boden der Zelle ansammelt.
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Diese Säureschichtung führt zu einer heterogenen Massenauslastung und damit zu Kapazitätsverlust. Dieser wiederum führt dazu, dass die gesamte Akkuleistung beeinträchtigt wird.
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Daher ist ein Durchmischen bzw. Verrühren des Elektrolyten unverzichtbar, wobei diesbezüglich bereits mehrere Konzepte bekannt sind.
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Bisher bekannte Konzepte basieren beispielsweise auf mechanischem Rühren, Säureumlenkung (z. B. Mischelemente) oder auf chemischer Dotierung der aktiven Masse zur Entwicklung von Gas, das dann den Elektrolyten bewegt. Gattungsgemäße Mischelemente sind beispielsweise aus der WO 2011 / 029 035 A2 oder der
DE 10 2010 048 428 A1 bekannt.
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Bei den herkömmlichen Mischeinrichtungen besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass diese häufig aufwendig umzusetzen sind und entsprechend hohe Kosten verursachen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Systeme zum Durchmischen zu verbessern bzw. abzulösen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und einfach einzusetzende Mischeinrichtung anzugeben. Ferner soll ein Separator, eine Zellwand und ein Akkumulator mit einer solchen Mischeinrichtung angegeben werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Mischeinrichtung anzugeben, die zum Einbau in einen mit flüssigen Elektrolyten betriebenen elektrochemischen Akkumulator respektive einer Zelle hiervon eingerichtet ist, um ein Durchmischen des Elektrolyten mittels Kapillarwirkung zumindest zu unterstützen, wobei die Mischeinrichtung eine Vielzahl von Kapillarverbindungswege aufweist, die dazu ausgebildet sind, einen Kopfbereich des Akkumulators respektive der Zelle mit einem Bodenbereich des Akkumulators respektive der Zelle zu verbinden.
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Die Mischeinrichtung kann hierbei zusammen mit einer weiteren (konventionellen) Mischeinrichtung verwendet werden, die entsprechend kleiner dimensioniert werden kann. In diesem Fall würde die Mischeinrichtung ein Durchmischen des Elektrolyten unterstützen. Allerdings kann die Mischeinrichtung auch alleine die nötige Durchmischung durchführen. D. h., dass die Mischeinrichtung dazu eingerichtet ist, den Elektrolyten mittels Kapillarwirkung zu durchmischen.
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Der Kopfbereich des Akkumulators (Zelle) bezieht sich auf einen oberen Bereich des Akkumulators (Zelle) und der Bodenbereich auf einen unteren Bereich des Akkumulators (Zelle). Wie bereits eingangs erklärt, handelt es sich bei dem Bodenbereich um den Bereich, in dem sich die Säure ansammelt.
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Die vorliegende Mischeinrichtung unterscheidet sich von bekannten Mischeinrichtungen dadurch, dass diese auf Kapillarwirkung beruht. Sie basiert somit auf passiven Transportprozessen, die keine externe Energie benötigen, nämlich auf Diffusion und Osmose. Durch Kapillarverbindungswege mit entsprechenden Abmessungen können Säure- und/oder Wassermoleküle zwischen dem Kopfraumvolumen (Kopfbereich) und dem unteren Bereich (Bodenbereich) des Akkumulators bzw. genauer der Zelle unter der Wirkung von kapillaren Antriebskräften ausgetauscht werden. Durch das Vorhandensein von Kapillarkräften, die im Inneren der Kapillarverbindungswege aufgebaut sind, bewegt sich die Flüssigkeit viel schneller als im freien Elektrolytvolumen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mischeinrichtung eine Vielzahl von zylindrischen Röhrchen auf, deren Innenräume zumindest teilweise die Kapillarverbindungswege ausbilden.
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Dabei handelt es sich bei den zylindrischen Röhrchen um sehr feine zylindrische Röhrchen, die derartige Abmessungen aufweisen, dass eine ausreichende Kapillarkraft erzeugt werden kann. Dass die Innenräume der zylindrischen Röhrchen teilweise die Kapillarverbindungswege ausbilden bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zumindest ein Teil der Kapillarverbindungswege durch diese Innenräume ausgebildet wird. Somit kann ein weiterer Teil der Kapillarverbindungswege auf andere Weise ausgebildet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Vielzahl von zylindrischen Röhrchen unterschiedliche Längen auf und/oder sind auf unterschiedlichen Höhen zueinander angeordnet.
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Jedes zylindrische Röhrchen weist ein erstes Ende auf, das - in einem eingebauten Zustand - in einem Kopfbereich des Akkumulators bzw. der Zelle angeordnet ist, und ein zweites Ende auf, das in dem Bodenbereich des Akkumulators bzw. der Zelle angeordnet ist. So verbinden die innerhalb der zylindrischen Röhrchen liegenden Kapillarverbindungswege den Kopfbereich mit dem Bodenbereich.
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Dadurch, dass die Vielzahl von zylindrischen Röhrchen unterschiedliche Längen aufweisen und/oder auf unterschiedlichen Höhen zueinander angeordnet sind, sind auch die jeweiligen ersten Enden der zylindrischen Röhrchen auf voneinander verschiedenen Höhen angeordnet. Das gleiche gilt auch für die zweiten Enden der zylindrischen Röhrchen, die auf voneinander verschiedenen Höhen angeordnet sind. Somit liegen die jeweiligen Enden der zylindrischen Röhrchen auf verschiedenen Höhen innerhalb des Kopfbereichs bzw. des Bodenbereichs.
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Damit ist es möglich, den gesamten Kopfbereich bzw. Bodenbereich abzudecken, d. h. auf sämtlichen benötigten Höhen, erste Enden und zweite Enden der zylindrischen Röhrchen, d. h. Ein- bzw. Ausgänge der Kapillarverbindungswege anzuordnen.
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Die Anordnung muss nicht gleichmäßig erfolgen. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn an einem bodennahen Bereich des Bodenbereichs mehr zweite Enden von zylindrischen Röhrchen angeordnet sind, als an einem bodenfernen Bodenbereich. Das gleiche gilt auch für den Kopfbereich. Dies ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da im bodennahen Bodenbereich die Konzentration der Säure noch größer ist als im bodenfernen Bodenbereich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mischeinrichtung mindestens ein Faserbündel, vorzugsweise eine Vielzahl von Faserbündeln aus einer Vielzahl von Fasern auf, wobei die Fasern mit dazwischenliegenden Hohlräumen zu dem Faserbündel ausgebildet sind (dieses aufbauen), wobei die Hohlräume zumindest teilweise die Kapillarverbindungswege ausbilden.
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Im Gegensatz zu der obigen Ausführung werden hierbei die Kapillarverbindungswege durch zwischen Fasern liegende Hohlräume ausgebildet. Allerdings deutet der Begriff „teilweise“ darauf hin, dass auch hier zusätzlich andere Kapillarverbindungswege ausgebildet sein können. Hier ist beispielsweise eine Kombination mit den oben beschriebenen zylindrischen Röhrchen denkbar und möglich. Dabei bilden die Innenräume der zylindrischen Röhrchen einen ersten Teil der Kapillarverbindungswege aus und die Hohlräume, die zwischen den Fasern liegen, einen zweiten Teil der Kapillarverbindungswege aus. Die Faserbündel bzw. Fasern sind somit mit dem zylindrischen Röhrchen kombinierbar.
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Eine weitere Ausgestaltung wäre beispielsweise auch dadurch möglich, dass die zwischen zylindrischen Röhrchen liegenden Hohlräume durch Fasern derart verkleinert werden, dass auch in ihnen Kapillarverbindungswege entstehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umgibt die Faserbündel oder das Faserbündel eine Außenhülle.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Außenhülle einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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In diesem Zusammenhang wäre es selbstverständlich auch denkbar, dass die Außenhülle einen rechteckigen, einen ovalen, einen dreieckigen oder einen Querschnitt von sonstiger Form aufweist. Der Querschnitt hängt beispielsweise auch mit der durch den Akkumulator bzw. die Zelle vorgegebene Einbausituation zusammen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Vielzahl von Faserbündeln ausgebildet, wobei bei der Vielzahl von Faserbündeln Faserbündel mit voneinander verschiedenen Längen ausgebildet sind und/oder wobei die Faserbündel auf unterschiedlichen Höhen zueinander zugeordnet sind.
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Dies hat den gleichen Grund und Effekt wie die oben beschriebenen zylindrischen Röhrchen mit unterschiedlichen Längen bzw. auf unterschiedlichen Höhen. Hierbei geht es somit auch darum, unterschiedliche Höhenbereiche des Bodenbereichs bzw. des Kopfbereichs angemessen abzudecken. D. h. an diesen Stellen in angemessener Zahl erste Enden und zweite Enden von Kapillarverbindungswegen anzuordnen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Fasern und/oder die Vielzahl von zylindrischen Röhrchen aus säure- und hitzebeständigem Material, wie beispielsweise Polyethylen hergestellt.
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Außerdem wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch einen Separator gelöst, der zum Einbau in einen mit flüssigem Elektrolyten betriebenen elektrochemischen Akkumulator eingerichtet ist, wobei der Separator mindestens eine Mischeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
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Bezüglich der Mischeinrichtung gelten die bereits genannten Vorteile und Eigenschaften der einzelnen Mischeinrichtung entsprechend auf den Separator übertragen.
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Wenn der Separator mit einer derartigen Mischeinrichtung ausgebildet ist, hat dies insbesondere den Vorteil, dass diese zusammen mit dem Separator in die entsprechende Zelle des Akkumulators eingebaut werden kann. Auch wäre die Mischeinrichtung bei Zellen einfach dadurch nachrüstbar, dass der Separator durch einen erfindungsgemäßen Separator ausgetauscht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der mindestens einen Mischeinrichtungen an einer Außenseite des Separators angeordnet.
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Das bedeutet hier jedoch auch, dass abgesehen von der Mischeinrichtung, die an der Außenseite des Separators angeordnet ist, noch weitere Mischeinrichtungen an beliebigen Stellen des Separators angeordnet sein können.
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Bei dem Separator kann es sich insbesondere um eine sogenannte Separatortasche handeln, in die eine der Elektroden der Zelle eingesetzt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Elektrode um die positive Elektrode.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der Mischeinrichtungen innerhalb des Separators angeordnet.
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Hierbei handelt es sich wiederum vorzugsweise um eine Separatortasche, wobei mindestens eine der Mischeinrichtung innerhalb dieser Tasche angeordnet ist. Somit ist es möglich, auch innerhalb der Separatortasche eine Säureschichtung effektiv zu verhindern.
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Insbesondere in der Möglichkeit, die Mischeinrichtung innerhalb der Separatortasche anzuordnen, liegt ein großer Vorteil der Erfindung. Bei den herkömmlichen Systemen bzw. Mischeinrichtungen war es aufgrund der Größe und Komplexität bisher nicht möglich, diese auf geeignete Weise innerhalb der Separatortasche vorzusehen. Entsprechend konnte eine Säureschichtung innerhalb der Separatortasche bisher nicht ausreichend verhindert bzw. bekämpft werden.
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Ferner wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Zellwand für eine Zelle eines mit flüssigem Elektrolyten betriebenen elektrochemischen Akkumulator gelöst, wobei an der Zellwand mindestens eine der vorgenannten Mischeinrichtungen angeordnet ist.
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Auch hier ergibt sich der Vorteil, dass die Mischeinrichtung bzw. die Mischeinrichtungen vor der Montage der Zelle an der Zellwand befestigt werden können. Somit ist ein einfaches Integrieren in die Zelle und somit in den Akkumulator möglich.
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Ferner wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch einen Akkumulator mit mindestens einer der vorgenannten Mischeinrichtungen gelöst.
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Hierbei sind selbstverständlich wieder sämtliche Aspekte der Mischeinrichtung auf den Akkumulator zu übertragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens eine Mischeinrichtung der mindestens einen Mischeinrichtung wie vorab beschrieben in einer Zellwand angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Mischeinrichtung der mindestens einen Mischeinrichtung zusammen mit einem Separator angeordnet.
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D. h., dass die Mischeinrichtung in dem Akkumulator vorzugsweise an einer Zellwand und/oder dem Separator angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung einer Zelle eines Akkumulators mit Mischeinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines zylindrischen Röhrchens einer Mischeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Faserbündels einer Mischeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung von Anordnungen von Mischeinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Separators mit Mischeinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung unter Bezugnahme auf die Darstellungen in den 1 bis 6 genauer beschrieben.
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Soweit von den Begriffen „oben“ (bzw. oberer Bereich) und „unten“ (bzw. unterer Bereich) Gebrauch gemacht wird, beziehen sich derartige Angaben auf die spezifikationsgemäße Betriebslage des Akkumulators, d. h. eine im Wesentlichen horizontale Lage, bei der der Akkumulator sowie dessen Einfüllöffnungen für den flüssigen Elektrolyten obenliegend sind. Bei einer üblichen, spezifikationsgemäßen Bewegungsbeanspruchung des Akkumulators ist eine gewisse Abweichung von der Horizontallage zulässig, wie es beispielsweise beim Betrieb eines Akkumulators in einem Kraftfahrzeug auftritt. Relative Begriffe beziehen sich somit auf den Einbau-Zustand bzw. die Betriebslage des Akkumulators.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs V. Der Akkumulator 100 kann hierbei insbesondere in einem in Fahrtrichtung gesehen vorderen Bereich des Fahrzeugs V angeordnet sein.
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Das Fahrzeug V kann ein Luft- oder Wasserfahrzeug, ein spurgeführtes Fahrzeug, ein Geländefahrzeug, oder bevorzugt ein Straßenfahrzeug sein, wobei unter Straßenfahrzeug ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Bus oder ein Wohnmobil verstanden werden kann. Es ist allerdings genauso gut denkbar, dass das Fahrzeug V auch als jedwede Baumaschine, E-Roller, E-Fahrrad, Rasenmäher, Rollstuhl oder dergleichen ausgebildet sein kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelle 10 des Akkumulators 100. Hierbei weist die Zelle 10 eine Vielzahl von Mischeinrichtungen 60 auf. In 2 sind die Mischeinrichtungen 60 nur schematisch so angedeutet, dass diese sich innerhalb der Zelle 10 befinden. Insbesondere sind diese jedoch an Zellwänden 21 oder einem Separator 70 angeordnet. Bei den Zellwänden 21 kann es sich beispielsweise um eine Rückwand, Vorderwand oder um die Seitenwände handeln.
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Die Zellwände 21 bilden zusammen mit einem Deckel und einem Boden der Zelle 10 das Gehäuse 20. Die Zelle 10 ist mit einem Elektrolyt 30 gefüllt. Die Mischeinrichtungen 60 erstrecken sich von einem Bodenbereich 50 der Zelle 10 (entspricht von der Höhe auch einen Bodenbereich des Akkumulators 100) zu dem Kopfbereich 40 der Zelle 10 (entspricht von der Höhe auch dem Kopfbereich des Akkumulators 100). Insbesondere verbinden die Mischeinrichtungen 60 den Kopfbereich 40 mit dem Bodenbereich 50.
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Genauer gesagt verbinden von der Mischeinrichtung 60 ausgebildete Kapillarverbindungswege 61 den Kopfbereich 40 mit dem Bodenbereich 50.
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Wie eingangs erwähnt, leiden Bleiakkumulatoren dadurch, dass eine Säureschichtung stattfindet. D. h., dass sich beim Aufladen der Batteriezellen in einem unteren Bereich Säure ansammelt, die aus dem aktiven Material freigesetzt wird. Diese Säureschichtung führt zu einer heterogenen Massenauslastung und damit zu Kapazitätsverlusten in der Zelle und dem Akkumulator.
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Dadurch, dass Kapillarverbindungswege 61 den Bodenbereich 50 mit hoher Säurekonzentration mit dem Kopfbereich 40 mit niedriger Säurekonzentration (hoher Wassermolekülkonzentration) verbinden, findet ein Austausch von Wassermolekülen bzw. Säuremolekülen statt. Dieser Austausch, durch den das Durchmischen des Elektrolyts 30 erreicht wird, finden insbesondere aufgrund von Diffusion und Osmose statt.
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Dabei handelt es sich bei der Diffusion um das Phänomen, dass aufgrund des Konzentrationsgradienten Wassermoleküle von oben nach unten und Säuremoleküle von unten nach oben diffundieren. Dieser Prozess findet so lange statt, bis eine homogene Konzentrationsverteilung im gesamten Zellvolumen erreicht worden ist.
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Bei der Osmose handelt es sich um das Phänomen, dass aufgrund des großen Unterschieds der spezifischen Mobilitätswerte von Wassermolekülen gegenüber den von Säuremolekülen die Wassermenge, die von dem weniger konzentrierten oberen Bereich zu dem stark konzentrierten unteren Bereich übertragen wird, größer ist als die Menge, der in die entgegengesetzte Richtung übertragene Säure. Diese selektive Diffusion ähnelt dem osmotischen Verhalten biologischer Membranen und der Absorption von Wasser durch Pflanzenwurzeln (obwohl solche Membranen im Allgemeinen semipermeabel sind, d. h., sie erlauben den Durchgang einiger Substanzen (Wassermoleküle) aber anderer nicht).
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Diese beiden Phänomene dienen als „Motor“ der Mischeinrichtung 60.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zylindrischen Röhrchens 62 der Mischeinrichtung 60 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem zylindrischen Röhrchen 62 um ein aus säure- und hitzebeständigem Material, wie beispielsweise Polyethylen, hergestelltes Röhrchen.
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Im Inneren des zylindrischen Röhrchens 62 befindet sich der Kapillarverbindungsweg 61, der im eingebauten Zustand den Kopfbereich 40 der Zelle 10 mit dem Bodenbereich 50 der Zelle 10 verbindet.
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Um eine besonders gute Kapillarwirkung, d. h. Funktion der Mischeinrichtung 60 zu erhalten, sollte der Durchmesser des Kapillarverbindungswegs 61, d. h. der Innendurchmesser des zylindrischen Röhrchens 62 im Bereich zwischen 0,001 mm und 2 mm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,01 mm und 1 mm liegen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Faserbündels 64 der Mischeinrichtung 60 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere Fasern 63, die ebenfalls aus einem säure- und hitzebeständigem Material bestehen, zu dem Faserbündel 64 zusammengefasst und mit einer Außenhülle 65 umhüllt. Hierbei ergeben sich die Kapillarverbindungswege 61 nicht im Inneren der Fasern 63, sondern in von zwischen den Fasern 63 ausgebildeten Hohlräumen.
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Um eine gute Wirkung zu erzielen, sollten auch diese Hohlräume im oben genannten Größenbereich liegen.
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5 zeigt eine Anordnung von mehreren Mischeinrichtungen 60. Dabei kann es sich hierbei sowohl um solche Mischeinrichtungen 60 mit zylindrischen Röhrchen 62 als auch solche mit Faserbündeln 64 handeln. Auch können zylindrische Röhrchen 62 mit Faserbündeln 64 kombiniert verwendet werden.
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Die 5 ist in drei Teile eingeteilt, wobei ein linker Teil der 5 eine einzelne Mischeinrichtung 60 zeigt, ein mittlerer Teil der 5 mehrere gleichlange Mischeinrichtungen 60 zeigt, und ein rechter Teil der 5 mehrere Mischeinrichtungen 60 in verschiedener Länge zeigt.
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Wie bereits erwähnt, kann es erwünscht sein, die Mischeinrichtung 60 derart zu gestalten, dass die Kapillarverbindungswege 61 unterschiedliche Höhen miteinander verbinden.
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Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten, wobei diese auch kombiniert angewendet können. Bei der ersten Möglichkeit haben die zylindrischen Röhrchen 62 bzw. die Faserbündel 64 jeweils die gleiche Länge, werden jedoch auf voneinander verschiedenen Höhen angeordnet, um so die gewünschte „Höhenabdeckung“ zu erzielen (mittlerer Teil 5). Bei der zweiten Möglichkeit werden zylindrische Röhrchen 62 bzw. Faserbündel 64 mit verschiedenen Längen verwendet (rechter Teil 5), um so die entsprechenden Höhen abdecken zu können.
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6 zeigt einen Separator 70 mit drei Mischeinrichtungen 60, wobei diese schematisch auf diesem angeordnet sind.
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Die Mischeinrichtungen 60 müssen jedoch nicht auf einer Außenwand (wie in 6 dargestellt) des Separators 70 angeordnet sein, sondern können vielmehr auch in einem Inneren des Separators 70 angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sogenannte Separatortaschen verwendet werden. Hierbei bietet sich die Möglichkeit, auch eine Säureschichtung innerhalb der Separatortasche wirkungsvoll zu verhindern bzw. zu bekämpfen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Einfluss der Kapillarkräfte auf die Geschwindigkeit des Elektrolyttransports (beispielsweise beim Durchmischen des Elektrolyts) beispielsweise durch folgende Experimente bestätigt worden:
- a) feine Röhrchen, die in einem Säure-Elektrolyten eingetaucht sind, saugen Flüssigkeit in vertikaler Richtung mit Kapillarkräften an. Die Geschwindigkeit eines solchen Transports hängt von den Abmessungen und Eigenschaften des Röhrchens und der Flüssigkeit ab.
- b) bei Experimenten zur Bewertung der Geschwindigkeit des Säuretransports von herkömmlichen Separatoren mit unterschiedlichen Eigenschaften (Dicke, Porosität, ...) sind spezielle Messzellen verwendet worden, die aus Doppelkammern bestehen, durch eine Schicht der entsprechenden Separatoren getrennt sind, und auf beiden Seiten Schwefelsäure mit unterschiedlicher Dichte aufweisen.
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Der Dichteausgleichsprozess findet mit zwei Teilprozessen statt: Diffusion von Säuremolekülen aus dem stark konzentrierten Bereich in Richtung des weniger konzentrierten Bereichs und gleichzeitig Wasserdiffusion aus dem stärker verdünnten Bereich zu dem konzentrierteren Bereich. Die Änderung der Säurekonzentration in einer oder beiden Kammern, die mittels eines geeigneten Sensors verfolgt wird, der die Lösungsdichte oder eine andere spezifische Größe misst, bestimmt quantitativ den Einfluss der Eigenschaften des verwendeten Separators auf die Geschwindigkeit des Elektrolyttransports.
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Angesichts der höheren Diffusionsrate von Wasser gegenüber von Säure wird der „Ausgleich“ der Elektrolytkonzentration zwischen den beiden Kammern hauptsächlich dadurch erreicht, dass primär Wasser aus dem stärker verdünnten in den konzentrierteren Bereich gesaugt bzw. bewegt wird und nicht in die entgegensetzte Richtung. Dies führt zu einer signifikanten Volumenzunahme der konzentrierteren Kammer. Der Druck durch die Differenz der Flüssigkeitsstände entspricht dem osmotischen Druck.
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Die Ergebnisse aus den obigen Untersuchungen zeigen, dass feinporige Körper (die erfindungsgemäßen zylindrischen Röhrchen oder die Faserbündel) in der Lage dazu sind, Elektrolyt zwischen konzentrierteren und verdünnten Elektrolytbereichen unter der Wirkung der Kapillarkräfte sehr viel schneller auszutauschen als die reine Diffusionsrate in der freien flüssigen Phase.
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Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass der Elektrolyttransport selektiv ist. D. h., dass der Elektrolytaustausch überwiegend durch den schnelleren Transport von Wasser aus dem verdünnten Bereich in den konzentrierteren Bereich gewährleistet wird, anstatt dadurch, dass Säuremoleküle in die entgegengesetzte Richtung transportiert werden.
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Durch die Anpassung der geometrischen Abmessungen und der physikalisch-chemischen Eigenschaften der zylindrischen Röhrchen (Faserbündel) ist es möglich, die Geschwindigkeit des Elektrolyttransports in vertikaler Richtung zu maximieren, um eine Säureschichtung zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.
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Das oben beschriebene Konzept beschränkt sich nicht auf die Schichtung des Schwefelsäure-Elektrolyts in Blei-Säure-Batterien, sondern gilt für jedes andere System mit einer signifikanten Schichtung von Elektrolyten.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Akkumulator
- 10
- Zelle
- 20
- Gehäuse
- 21
- Zellwand
- 30
- Elektrolyt
- 40
- Kopfbereich
- 50
- Bodenbereich
- 60
- Mischeinrichtung
- 61
- Kapillarverbindungswege
- 62
- Zylinderröhrchen
- 63
- Faser
- 64
- Faserbündel
- 65
- Außenhülle
- 70
- Separator
- V
- Fahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010048428 A1 [0006]
