DE3526939C1 - Anordnung zum Umwälzen eines flüssigen Elektrolyten eines Batterieverbandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umwälzen eines flüssigen Elektrolyten eines mehrere Zellen aufweisenden Batterieverbandes, insbes. aus Blei/Säure-Akkumulatoren, wobei die jeweils mit einer Elektrolytabführung und einer Elektrolytzuführung versehenen Zellen über eine Elektrolytleitung mit einem mit einer Temperiereinrichtung ausgerüsteten zentralen Elektrolytsammler verbunden sind und für den Hin- und Hertransport des Elektrolyten ein abwechselnd Gasüberdruck- und Gasunterdruckimpuls erzeugendes Druck-',erzeugungsaggregat vorgesehen ist.
Es ist bekannt, daß elektrische Energiespeicher bei hoher Wechselbelastung unbefriedigend geringe Lebensdauer bei nicht gleichbleibendem Betriebsverhalten erzielen. Insbesondere wird dies durch Erfahrungen mit dem Blei/Säure-Akkumulator im Elektrokraftfahrzeug bestätigt. Dabei ist besonders störend, daß das Leistungsvermögen nicht nur über der Lebensdauer, sondern schon im Verlauf einer einzigen Entladung stark nachläßt. Der Grund dieser Erscheinung liegt in einer stetig zunehmenden Erschöpfung der beteiligten Reaktionspartner. Grundsätzlich ist dieses Verhalten elektrochemisch bedingt und daher nicht vollständig vermeidbar. Es ist jedoch möglich, die schnelle Abnahme des Leistungsvermögens im Bereich üblicher Entladetiefen (bis ca. 80% Kb) soweit zu verlangsamen, daß sie den Fahrbetrieb nicht nennenswert beeinträchtigt.

Um dies zu erreichen, ist es notwendig, reaktionshemmende Mechanismen abzuschwächen und reaktionsfördernde zu verstärken. Verantwortlich für eine vermeidbare Beeinträchtigung der Entlade- und Ladereaktion sind Konzentrationsunterschiede im Elektrolyten der Zelle und im Zellenverband, Temperaturunterschiede in der Zelle und im Zellenverband, zu niedrige oder zu hohe Betriebstemperaturen und Gasbildung bzw. -freisetzung.

Überläßt man die unweigerlich eintretende Säureschichtung sowie die Gas- und Wärmeentwicklung sich seibst, entsteht ein Zustand des Ungleichgewichtes mit zum Teil stark verminderter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden aktiven Massen. Als Folge ist eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens sowie eine Verringerung der Lebensdauer zu beobachten. Der Grund ist, daß sowohl eine geschichtete Säure, großflächige Gasnester im Plattenbereich als auch lokale Erwärmungen zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung führen. Übliche Methoden zur Verminderung bzw. Vermeidung dieser Problematik haben oft gegenteilige Wirkungen. So fördert z. B. eine starke Gasung am Ende der Ladung zwar die Säuredurchmischung, bildet jedoch häufig großflächige Gasnester, weiche die Wirksamkeit der Maßnahme vermindern bzw. sogar umkehren können.

Darüber hinaus fördert starkes Gasen das Ausfallen aktiver massen und setzi den Läde/Enüadewirkungsgrad herab. Es ist weiterhin bekannt, daß sowohl Säureschichtung als auch lokale Temperaturerhöhungen die sogenannte Gitterkorrosion fördern bzw. beschleunigen.

Demzufolge besteht also das aligemeine Ziel, die geschilderten reaktionsbegleitenden Probleme zu vermeiden. Darüber hinaus sollen auch die Bedingungen für reaktionsfreie Standzeiten, wie sie beim Betrieb von Elektrokraftfahrzeugen regelmäßig auftreten können (Parken ohne Netzanschluß), verbessert werden. Dazu ist erforderlich, daß Konzentrationsunterschiede im »freien« Elektrolyten (außerhalb der Elektrodenporen) am Entstehen gehindert werden, der natürliche Austausch (Diffusion) zwischen »Porenelektrolyt« am Reaktionsort und »freiem« Elektrolyt beschleunigt wird, aas auf den Elektroden ausdauernd haftende reaktionsbedingte Gas entfernt wird, Temperaturunterschiede in der Zelle und im Zellenverband vermieden werden und ein für den Betrieb günstiger Temperaturbereich eingehalten wird. Dies gilt jeweils für die gesamte Dauer der Lade- und Entladereaktionen. Das System, das diese Anforderungen erfüllt, muß darüber hinaus einfach und robust aufgebaut und wirtschaftlich herstellbar sein. Ein solches System.ist bisher nicht bekannt geworden.

Das gilt auch, für eine bekannte Anordnung der eingangs genannten Art (GB-PS 15 54 964), von der die Erfindung ausgeht. Das Druckerzeugungsaggregat arbeitet dort auf den Elektrolytsammler. Die Elektrolytabführung besteht gleichsam aus einem mit dem Elektrolytsammler verbundenen Überlauf, während die Elektrolytzuführungen aus zwischen den Platten angeordneten, bis in den Bodenbereich geführten perforierten Be-

hältnissen bestehen, aus denen der Elektrolyt unmittelbar gegen die Platten gepreßt wird. Aufwendig ist hierbei zunächst, daß für die Zu- und Abführungen des Elektrolyten vom Elektrolytsammler zu den Zellen getrennte Leitungen erforderlich sind. Darüber hinaus nehmen die zwischen den Platten angeordneten Elektrolytzuführungen in den Zellen verhältnismäßig viel Platz in Anspruch, außerdem stört der durch Schwerkraft bewirkte Rückfi»3 des Elektrolyten in den Eisktrolytsammler, der folglich niedriger als die Zellen angeordnet sein muß.

Dei Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen und funktionell zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Druckerzeugungsaggregat über eine Druckleitung mit einem oberen Gasraum der gasdicht ausgeführten Zellen verbunden ist und daß die bis in den Zellenbodcnbereich geführte rohrförmige Elektrolytabführung und die im Elektrolytspiegelbereich endende, mit einem .uwrvouiiia5T\.iiiji ri.i .}wiv»ii\* ι v/iii tut itug^ Lji\*n.ii\jij L£.u-

führung oberhalb des Elektrolytspiegels miteinander vereinigt und an die Elektrolytleitung angeschlossen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Durchmischung des »Freien« Elektrolyten wie folgt erzielt: Das Druckerzeugungsaggregat baut einen bestimmten Überdruck in den Zellen auf. Dieser Oberdruck bewirkt, daß allen Zellen eine gleiche Elektrolytmenge dicht über dem Zeilenboden entnommen und dem Elektrolytsammler zugeführt wird. Die Rückschlagventile verhindern, daß auch im oberen Zellenbereich Elektrolyt entnommen wird. Beispielsweise über eine kombinierte Zeit- und Drucksteuerung wird nun nach Ablauf der Druckphase eine Unterdruckphase eingeleitet. Der Unterdruck in den Zellen hat die Entnahme einer Elektrolytmenge aus dem Elektrolytsammler zur Folge. Der Eintritt in die Zellen findet — bedingt durch die unterschiedliche Eintauchtiefe der Elektrolytrohre — nur im coeren Bereich statt Die dadurch schon wirkungsvolle Durchmischung des »freien« Elektrolyten kann noch durch Einleiten von Druckluft in den Sammler über das entsprechende Rohr verstärkt werden. Folgt das beschriebene DrucWUnterdruck-Intervall einem periodischen Verlauf (z. B. 10 s Druck, 15 s Unterdruck usw.), wird eine kontinuierliche Durchmischung des »freien« Elektrolyten erzielt. Die geschilderten Druck-/Unterdruck-lntervalle bewirken aber nicht nur eine wirksame Durchmischung des »freien« Elektrolyten, sondern führen aucn noch zu einem verstärkten Austausch zwischen »Porenelektrolyt« und »freiem« Elektrolyt. Damit läßt sich einfach und wirksam das Elektrolytangebot gleichzeitig sowohl an der Elektrodenoberfläche als auch am Reaktionsort in den Poren verbessern. Der Elektrolytaustausch kommt wie folgt zustande: Aufgrund der nicht ganz zu unterdrückenden Gasentwicklung (Ch an der positi"en, H7 an der negativen Elektrode) enthalten die makroskopisch kleinen Poren feine Gasbläschen. Auf die genannten Druckschwankungen reagieren diese Bläschen spontan mit einer Vergrößerung (Unterdruck) oder Verkleinerung (Drück) ihres Volumens. Die dabei auftretende »Kolbenwirkung« erzwingt den Elektrolytaustausch. Dieser wirkt sich unmittelbar und deutlich auf die entnehmbare Kapazität aus. Davtk der nun wesentlich besseren Ausnutzung der aktiven Massen, ergeben sich — insbesondere bei HochstrombeListungen — deutlich höhere entnehmbare Kapazitäten. Hinzu kommt die wesentlich bessere und stabilere Spannungslage, welche auch zur Verminderung der stromabhängigen Verluste beiträgt Eine weitere, ganz wesentliche Wirkung der Überdiuck- bzw. Unterdruckimpulse ist die Entfernung größerer Gasansammlungen, we'.che sich regelmäßig zwischen den Platten ansammeln und die dort stattfindenden Reaktionen behindern.

Für die weitere Ausgestaltung bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten. So ist nach einer bevorzugten Ausführungsform die Anordnung so getroffen, daß das Druckerzeugungsaggregat aus einer mit Umschaltventilen versehenen Vakuumpumpe besteht deren Druckseite bei Erzeugung eines Gasunterdruckimpulses mit einer in dein im Elektrolytsammler befindlichen Elektrolyten eintauchenden Druckluftleitung verbunden ist Außerdem empfiehlt es sich, die Elektrolytleitungen mit einer einstellbaren Drossel zu versehen, um die Höhe der zur Erzieluug der beschriebenen Effekte erforderlichen Überdrucke und Unterdrucke einstellen zu können. Darüb.,; hinaus empfiehlt es sich auch, jede Zelle mit einer FülwiaMdsregeleinrichtung zu versehen; diese besteht nach einer besonders einfachen und daher bevorzugten Ausführungsform aus einer in Höhe des unteren Elektrolytspiegelniveaus in der Elektrolytabführung angebrachten Bohrung mit einem im Verhältnis zum Innendurchmesser der Elektrolytabführung kleinen Durchmesser und aus einem in Höhe des oberen Elektrolytspiegelniveaus am freien unteren Ende der Elektrolytzuführung versehenen Schwimmerventil.

Eine abschließende Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften läßt erkennen, daß das Betriebsergebnis — insbes. bei Hochleistungsbatterien — entscheidend verbessert werden kann. Im einzelnen werden folgende Vorteile erreicht:

des »freien« E!ektro!^vten.

1.

2. Erzwungener Austausch zwischen »freiem« und »Porenelektrolyten«.

3. »Entgasung« der Plattenoberfläche.

4. Gleiche Elektrolytmenge und -qualität in allen Zeller, des Verbandes.

5. Gleiche Elektrolyttemperatur in allen Zellen des Verbandes.

6. Temperaturausgleich innerhalb der Zellen.

7. Keine Über- oder Unterfüllung der Zellen möglich. 3. Der Eingriff in vorhandene Zellenkonstruktionen ist gering (keine Mammutpumpe, kein Wärmetauscher erforderlich), selbst die Nachrüstung ist einfach,

9. Aus der Zeile freiwerdende Knallgase werden ständig mit Frischluft verdünnt

10. Alle batterietechnisch notwendigen Maßnahmen wie z. B. Heizen, Kühlen, Wassernachfüllen, Entgasen, Dor^rcn (mit Zusatzmitteln), Messung der Temperatur, Messung der Elektrolytdichte und Messung des Elektrolytfüllstandes können zentral erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfühmngsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. ¹Ls zeigt

F i g. 1 schemalisch eine Anordnung zum Umwälzen eines flüssigen Elektrolyten eines Batterieverbandes und

F i g. 2 ein Diagramm über die Auswirkung der An· Ordnung nach F i g. 1.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung dient zum Umwalzen eines flüssigen Elektrolyten eines mehrere Zellen 1 aufweisenden Batterieverbandes, insbes. aus Blei/ Säure-Akkumulatoren. Die jeweils mit einer Eleklrolytabführung 2 und einer Elektrolytzuführung 3 versehe-

nen Zellen 1 sind über eine Elektrolytleitung 4 mit einem zentralen Elektrolytsammler 5 verbunden, der mit einer Temperiereinrichtung 6,7 ausgerüstet ist. Für den Hin- und Hertransport des Elektrolyten ist ein Druckerzeugungsaggregat 8, 9, 10 vorgesehen, welches abwechselnd Gasüberdruck- und Gasunterdruckimpulse erzeugt.

Das genannte Druckerzeugungsaggregat 8, 9, 10 ist über eine Druckleitung 11 mit einem oberen Gasraum 52 der gasdicht ausgeführten Zellen 1 verbunden. Die bis in den Zellenbodenbereich geführte rohrförmige Elektrolytabführung 2 und die im Elektrolytspiegelbereich endende, mit einem Rückschlagventil 13 versehene rohrförmige Elektrolytzuführung 3 sind oberhalb des Elektrolytspiegels miteinander vereinigt und an die Elektrolytleitung 4 angeschlossen.

Das Druckerzeugungsaggregat 8, 9. 10 besteht aus einer mit Umschaltventilen 9, 10 versehenen Vakuumpumpe 8, deren Druckseite bei Erzeugung eines Gasunterdruckimpulses mit einer in den im Elektrolytsammler 5 befindlichen Elektrolyten eintauchenden Druckluftleitung 14 verbunden ist. Außerdem erkennt man in der Figur, daß die Elektrolytleitungen 4 mit einer einstellbaren Drossel 15 versehen sind. Jede Zelle 1 ist mit einer Füllstandsregeleinrichtung ausgerüstet, die aus einer in Höhe des unteren Elektrolytspiegelniveaus in der Elektrolytabführung 2 angebrachten Bohrung 16 mit einem im Verhältnis zum Innendurchmesser der Elektrolytabführung 2 kleinen Durchmesser und aus einem in Höhe des oberen Elektrolytspiegelniveaus am freien unteren Ende der Elektrolytzuführung 3 vorgesehenen Schwimmerventil 17 besteht

Der Elektrolytsammler 5 enthält einen Füllstandsensor 18. Zur Erzeugung der zum Betrieb nötigen Druck- und Unterdruckimpulse dient die Vakuumpumpe 8. Je nach Bedarf kann über die Magnetventile 9 und 10 ein bestimmter Druck oder Unterdruck in allen angeschlossenen Zellen erzeugt werden. Die während des Unterdruckimpulses anfallende Abluft wird in den Elektrolytsammler 5 eingeleitet und sorgt dort für eine gute Durchmischung des Elektrolyten. Es bedarf keiner besonderen Erklärung, daß der Elektrolytsammler 5 mit nützlichen Zusatzeinrichtungen wie der Heizung 6, der Kühlung 7, der zentralen Füllstandsabfrage 19, Elektrolytdichte-Messung 20 und Entgasung 21 ausgestattet werden kann. Auch die Einbringung sogenannter »Spreizmittel« oder anderer Stoffe zur Batteriebehandlung kann zentral erfolgen. Dies bedeutet, daß während der gesamten Lebensdauer der Batterie alle Eingriffe und Messungen zentral an einem Punkt vorgenommen werden können. Dies ist insbesondere bei vielzelligen und schwer zugänglichen Batterien — wie sie im Elektrokraftfahrzeug-Bereich typisch sind — von Bedeutung.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Umwälzen eines flüssigen Elektrolyten eines mehrere Zellen aufweisenden Batterieverbandes, insbes. aus Blei/Säure-Akkumu-Iatoren, wobei die jeweils mit einer Elektrolytabführung und einer Elektrolytzuführung versehenen Zellen über eine Elektrolytleitung mit einem mit einer Temperiereinrichtung ausgerüsteten zentralen Elektrolytsammler verbunden sind und für den Hin- und Hertransport des Elektrolyten ein abwechselnd Gasüberdruck- und Gasunterdruckimpulse erzeugendes Druckerzeugungsaggregat vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckerzeugungsaggregat (8-10) über eine Druckleitung (11) mit einem oberen Gasraum (12) der gasdicht ausgeführten Zellen (1) verbunden ist und daß die bis in den Zellenbodenbereich geführte rohrförmige Elektrolyt?i)iührung (2) und die im Elektrolytspiegelbereich endende, mit einem Rückschlagventil (13) versehene rohrförmige Elektrolytzuführung (3) oberhalb des Elektrolytspiegels miteinander vereinigt und an die Elektrolytleitung (4) angeschlossen sind.

Z Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckerzeugungsaggregat (8—10) aus einer mit Umschaltventilen (9, 10) versehenen Vakuumpumpe (8) besteht, deren Druckseite bei Erzeugung eines Gasunterdruckimpulses mit einer in den im Elekuolytsammler (5) befindlichen Elektrolyten eintauchenden Druckluft! ^itung (14) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspru'~ 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytleitungen (4) mit einer einstellbaren Drossel (15) versehen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle (1) mit einer Füllstandsregeleinrichtung aus einer in Höhe des unteren Elektrolytspiegelniveaus in der Elektrolytabführung (2) angebrachten Bohrung (16) mit einem im Verhältnis zum Innendurchmesser der Elektrolytauführung (2) kleinen Durchmesser und aus einem in Höhe des oberen Elektrolytspiegelniveaus am freien unteren Ende der Elektrolytzuführung (3) vorgesehenen Schwimmerventil (17) ausgerüstet ist.