AT393046B

AT393046B - Halogen/metall-batterie

Info

Publication number: AT393046B
Application number: AT1053/89A
Authority: AT
Inventors: Gerd Dipl Ing Dr Tomazic
Original assignee: Energiespeicher & Antriebssyst
Priority date: 1989-05-03
Filing date: 1989-05-03
Publication date: 1991-07-25
Also published as: ATA105389A

Description

AT 392 046 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halogen/Metall-Batterie, insbesondere Zink/Brom-Batterie mit einer Vielzahl von, insbesondere bipolaren, Elektroden.

Bei Halogen/Metall-Batterien wird beim Ladevorgang das Metall, beispielsweise Zink, an der Elektrode abgeschieden und verbleibt bis zum Entladevorgang an der Elektrode. Bei den Halogenen ist der Sachverhalt wesentlich schwierig«:. So sind beispielsweise Zink/Brom-Batterien bekannt, die eine Elektrode aufweisen, welche in ihren Aktivkohleschichten die Halogene aufnehmen. Derartige Elektroden weisen den Nachteil auf, daß sie nur eine relativ geringe Aufnahmefähigkeit für die Halogene aufweisen, wobei demgemäß auch eine geringere Kapazität der Batterie nur gewährleistet sein kann. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Speicherung von Halogenen, insbesondere Brom, besteht darin, daß das bei der Ladung der Batterie entstehende Brom zwar an die wäßrige Phase abgegeben wird, jedoch von einer organischen Verbindung, insbesondere quaternäre Ammoniumbase aufgenommen wird, wobei der Komplex eine eigene ölige Phase bildet und sich von dem wäßrigen Elektrolyten abscheidet Zwischen dem wäßrigen Elektrolyten und der öligen Phase des Bromkomplexes besteht ein Lösungsgleichgewicht, das den Gehalt an molekularen Brom im wäßrigen Elektrolyten bestimmt Beim Ladevorgang wird der Elektrolyt ebenfalls im Umlauf gehalten und es kann sich die an sich schwerere Phase im Vorratstank abscheiden. Beim Entladevorgang ist es nun erforderlich, daß eine intensive Durchmischung der wäßrigen und öligen Phase bis zur feinen tröpfchenweisen Verteilung, insbesondere der öligen Phase, in der wäßrigen Phase kommt kann ein ausreichendes Bromangebot an der Elektrode verwirklicht werden. Da das Zinkangebot, welches an der Elektrodenoberfläche abgeschieden wird lediglich von der Oberfläche der Elektrode abhängt hingegen das Bromangebot in Abhängigkeit der guten Durchmischung der beiden Phasen abhängig ist wird dieser Durchmischung eine besondere Bedeutung beigemessen.

In einem bislang lediglich einem beschränkten Personenkreis zugänglichen System erfolgt die Absaugung der Mischung aus beiden Phasen des Anolyten durch eine Rohrleitung, welche zwei Öffnungen und zwar eine in die wäßrige Phase und eine weitere in die schwerere ölige Phase auf weist Diese schwerere ölige Phase wird, wie bereits eingangs erläutert durch den Halogen-Komplex gebildet Die Ansaugleitung führt von der wäßrigen Phase über eine Rohrschleife in die ölige Phase, wobei in diesem Bereich eine Öffnung vorliegt und von diesem zur Ansaugöffnung der Pumpe. Dadurch ist in der Rohrleitung immer eine Mindestmenge an der schwereren Phase vorhanden. Soll nun beispielsweise weil ein Stillstand der Batterie beabsichtigt ist möglichst viel Brom aus den Elektrodenräumen in den Vorratsbehälter rückgeführt werden, so ist es «forderlich, daß durch ein Umwälzen der wäßrigen Phase die Tröpfchen der öligen Phase aus den Elektrodenräumen gespült werden. Um zu vermeiden, daß bei diesem Umspülen von der wäßrigen Phase nicht erneut ölige Phase mitgerissen wird und zwar aus dem Vorratstank kann nur eine geringere Strömungsgeschwindigkeit eine derartige Vermischung sicher vermeiden.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine Zink/Brom-Batterie zu schaffen, bei welcher eine optimale Durchmischung der unterschiedlichen Phasen des Elektrolyten erreicht werden kann, wobei weiters, wenn erwünscht, lediglich eine Phase in Umlauf gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Halogen/Metall-Batterie, insbesondere Zink/Brom-Batterie mit einer Vielzahl von, insbesondere bipolaren, Elektroden zwischen welchen permeable Separatoren angeordnet sind, wodurch Anolyt-und Katholyträume gebildet sind, wobei die einzelnen Anolyt- und Katholyträume über Zu- und Ableitungen, die gegebenenfalls über Sammelzu- und Ableitungen mit Anolyt- und Katholyt-Vorratstanks flüssigleitend verbunden sind und die Zuleitung im Anolyt-Vorratstank zumindest zwei Eintrittsöffnungen mit unterschiedlichen Niveaus aufweisen, wobei zumindest je eine Öffnung in jeweils zumindest zwei der Phasen des Anolyten im Anolyt-Vorratstank vorgesehen sind, mit Fördermitteln, insbesondere Pumpen, im Kreislauf des Anolyten und Katholyten besteht im wesentlichen darin, daß im Kreislauf für den Anolyten zwischen zumindest einer Öffnung und den Anolytraum zumindest eine Düse vorgesehen ist, in welche die weitere Öffnung gegebenenfalls über eine weitere Leitung mündet. Durch das Vorsehen einer Düse kann ein optimaler Mischprozeß und zwar ab einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden, wobei unter einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise die schwerere Phase überhaupt nicht angesaugt werden kann.

Eine strömungstechnisch besonders günstige Lösung ergibt sich dann, wenn die Düse als sog. Venturidüse ausgebildet ist, da dann bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine optimale Durchmischung «reichbar ist.

Ist die weitere Öffnung und/oder die weitere Leitung öffen- und schließbar ausgebildet, so kann durch einfaches Schließen und Öffnen sichergestellt werden, daß lediglich eine Phase angesaugt wird.

Weist die weitere Öffnung und/oder weitere Leitung einen Ventilsitz auf, welcher mit einem Ventilverschlußkörper kooperiert, so kann eine besonders einfache und daher störungsfreie Funktion verwirklicht werden, wobei zu berücksichtigen ist, daß gerade durch die besonders aggressiven Medien die halogenhaltig sind, einfache und konstruktiv sichere Lösungen besonders zu bevorzugen sind.

Ist der Ventilverschlußkörper hydraulisch betätigbar, wobei die Betätigungsleitung in den Druckbereich der Zuleitung für den Anolyten mündet und von dort in den hydraulischen Arbeitsraum des Ventilverschlußkörpers geführt ist, so ist eine strömungsgeschwindigkeitsabhängige Betätigung des Ventilkörpers vorgesehen, wobei durch Dimensionierung der Druckleitungen die Schließkraft des Ventils prädestiniert werden kann.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Ventilverschlußkörper durch die Schwerkraft in der Offenstellung gehalten ist, sodaß bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten es mit besonderer Sicherheit -2-

AT 392 046 B ausgeschlossen ist, daß die ölige Phase angesaugt wird, wohingegen bei niedrigeren Geschwindigkeiten der Ventilverschlußkörper in einer Offenstellung durch die strömende Flüssigkeit gehalten ist. Diese Offenstellung sichert, daß beim Laden eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit einem Elektrolyten ohne ölige Phase erreicht werden kann. Ist am Flüssigkeitseintritt der Pumpe die Düse angeordnet, insbesondere bei einer Radialpumpe die Düse axial angeordnet, so ist eine besonders vorteilhafte strömungstechnische Ausbildung verwirklicht, die geringste zusätzliche Energieverbräuche sicherstellt.

Um einen Mitreißeffekt beim Ansaugen einer Phase alleine, insbesondere der wäßrigen Phase, zu verhindern kann zwischen den Öffnungen in den verschiedenen Phasen ein Strömungstrennschild angeordnet sein.

Ist das Strömungstrennschild topfförmig ausgebildet, wobei es die Düse, insbesondere Venturidüse, und gegebenenfalls das Gehäuse des Rotors in Abstand von der bzw. desselben umschließt, so können auch größere Niveauunterschiede zwischen der öligen und der wäßrigen Phase strömungstechnisch besonders einfach berücksichtigt werden.

Weist das Strömungstrennschild die Öffnung für die schwerere Phase auf die an einem im Strömungstrennschild angeordneten Rohr das in die schwerere Phase taucht vorgesehen ist, so ist eine strömungsdynamisch besonders einfache Führung vorgesehen bei welcher sowohl für die Kavitation als auch für die Korrosion nur geringe Einwirkungsmöglichkeiten gegeben sind. Mündet das Rohr innen und/oder außen sich verjüngend in die Düse ein, so ist eine besonders einfache Ausführung gewährleistet, wobei besonders geringe Strömungsverluste verwirklicht werden können. Ist die Düse und/oder die weitere Leitung in ihrer Achsrichtung beweg- und festlegbar, so kann die Strömungsgeschwindigkeit der Phasen besonders einfach gesteuert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung den Kreislauf des Anolyten. Fig. 2 und 3 schematisch teilweise im Schnitt zwei verschiedene Ausführungsformen von Anolyttanks mit Pumpen und Düsen. Das Zellpaket (1) weist eine Vielzahl von bipolaren Elektroden zwischen welchen semipermeable Separatoren angeordnet sind auf. Durch die so gebildeten Elektrodenräume wird die Anolyt- bzw. Katholytflüssigkeit gepumpt. Die einzelnen Elektrodenräume weisen Zuleitungen (2) und Ableitungen (3) auf, die jeweils in eine Sammelzuleitung (4) und eine Sammelableitung (5) münden. Die Sammelableitung (5) mündet in den Anolyt-Vorratstank (6) in den ebenfalls die Sammelzuleitung (4) mündet. Schematisch dargestellt ist in der Sammelzuleitung eine Pumpe (7) vorgesehen. Anstelle der Pumpe können andere Druckmittel beispielsweise Druckluft oder dgl. im Vorratstank vorgesehen sein. Die bipolaren Elektroden sind mit kunststoffgebundenen Kohlenstoff aufgebaut, wobei vorzugsweise als Kunststoff Polypropylen oder Polyäthylen dient und die zwischen diesen angeordneten Separatoren ebenfalls mit Kunststoff aufgebaut sind. Die Elektroden und die Separatoren sind an ihren äußeren Bereichen durch Aufschmelzen derselben miteinander verbunden. Die Anspeisung der einzelnen Elektrodenräume erfolgt wie beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung A2 0149 448 beschrieben. Wie bereits ausgeführt, bestehen zumindest zwei Elektrolyt-Kreisläufe und zwar für den Anolyten und den Katholyten.

Bei dem im Fig. 2 dargestellten Vorratstank (6) sind zwei Phasen des Anolyten und zwar eine schwerere Phase (8) und eine leichtere wäßrige Phase (9) dargestellt. In der wäßrigen Phase sind neben Leitsalzen und dergleichen Brommoleküle gelöst, wohingegen die ölige Phase (8) im wesentlichen durch den Komplexbildner einer quaternären Ammoniumverbindung mit Brom gebildet ist. Die Pumpe (7) weist einen schematisch dargestellten Rotor (10) auf, der von einem Gehäuse (11) umgeben ist Der Rotor wird von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben, wobei die Kraftübertragung zwischen der Achse (12) und dem Rotor (10) über Magnete (13) erfolgt, wodurch eine flüssigkeitsdichte Durchführung nicht erforderlich wird und der Elektromotor vor den aggressiven Bromdämpfen geschützt ist. Der Elektrolyt wird nun von den einzelnen Elektrodenräumen über die Sammelableitung (5) in den Vorratstank gebracht, wohingegen die Zuleitung zu den einzelnen Elektrodenräumen über die Sammelzuleitung (4) aus dem Vorratstank (6) erfolgt Die Sammelzuleitung (4) mündet in das Gehäuse (11) der Pumpe, an welchem eine Düse (14) angeschlossen ist, die als Venturidüse ausgebildet ist Die eine Öffnung (15) befindet sich im wäßrigen Medium, wohingegen die weitere Öffnung (16) sich in der öligen Phase befindet und über eine weitere Leitung in die Düse (14), welche axial verschiebbar zum Pumpengehäuse angeordnet ist mündet. Die Düse und auch das Pumpengehäuse ist von einem topfförmigen Strömungstrennschild (18) umgeben. Zwischen Pumpengehäuse (11) und Strömungstrennschild (18) ist ein ringförmiger Spalt (19) vorgesehen, durch welchen die wäßrige Phase zur Düse (14) gelangen kann. Die weitere Leitung (17) weist einen Ventilsitz (20) auf, der mit einem Ventilverschlußkörper (21) kooperiert Die Funktionsweise dies»1 Vorrichtung ist nun wie folgt Wird der Rotor (10) in Bewegung gesetzt so wird die wäßrige Phase über den ringförmigen Spalt (19) angesaugt. Der Ventilverschlußkörper (21) hält die weitere Öffnung (16) geöffnet und es gelangen beide Phasen in die Sammelzuleitung (4). Das Strömungstrennschild sorgt weiters dafür, daß keine turbulenten Strömungen entstehen, wodurch eine Durchmischung zwischen der wäßrigen und der öligen Phase bewirkt werden könnte. Es erfolgt sowohl in der Düse, als auch anschließend im Pumpengehäuse eine intensive Durchmischung der beiden Phasen, die durch die Sammelzuleitung in die einzelnen Elektrodenräume zugeleitet werden und aus diesen wieder austreten und über die Ableitungen (3). und Sammeläbleitung (5) emeut zum Voiratstank (6) zurückgeleitet werden. Die weitere Leitung (17) ist rohrförmig ausgebildet und ist sowohl innen als auch außen sich -3-

Claims

AT 392 046 B verjüngend im Mündungsbereich der Düse (14) ausgebildet Beim Ladevorgang ist eine höhere Geschwindigkeit der wäßrigen Phase erwünscht, wodurch der Ventilverschlußkörper (21) angehoben wird und die Leitung (17) verschlossen wird. Der in Fig. 3 schematisch dargestellte Anolyt-Vorratstank entspricht im wesentlichen demjenigen von Fig. 2 mit dem Unterschied, daß die weitere Leitung (17), welche in die Düse (14) mündet über einen hydraulisch betätigbaren Ventilverschlußkörper (22) geöffnet und geschlossen werden kann. In den Arbeitsraum (23) mündet eine Zuleitung, die Betätigungsleitung (24), die in die Sammelzuleitung (4) öffnet Diese Mündung in die Sammelzuleitung (4) kann über eine Stellschraube (25) geöffnet bzw. geschlossen werden. Entsprechend dem in der Zuleitung herrschenden Druck wird der hydraulisch betätigte Ventilverschlußkörper gegen den Ventilsitz bewegt und damit die weitere Zuleitung geöffiiet bzw. geschlossen. Damit ergibt sich eine regelbare, jedoch sodann automatische Öffnung und Schließung der Öffnung in der öligen Phase. Zur Erprobung des hydraulischen Systemes wurde sowohl bei dem System gemäß Fig. 2 als auch bei dem System gemäß Fig. 3 jeweils ein Schauglas in der Sammelzu- bzw. Sammelableitung vorgesehen. Entsprechend den erwünschten Schaltungsstellungen konnte entweder festgestellt werden, daß eine entsprechende Emulsion vorliegt oder daß eine reine wäßrige Phase im Kreislauf vorliegt. PATENTANSPRÜCHE 1. Halogen/Metall-Batterie, insbesondere Zink/Brom-Batterie mit einer Vielzahl von, insbesondere bipolaren, Elektroden zwischen welchen permeable Separatoren angeordnet sind, wodurch Anolyt- und Katholyträume gebildet sind, wobei die einzelnen Anolyt- und Katholyträume über Zu- und Ableitungen, die gegebenenfalls üb» Sammelzu- und Sammelableitungen mit Anolyt- und Katholyt-Vorratstanks flüssigkeitsleitend verbunden sind und die Zuleitung im Anolyt-Vorratstank zumindest zwei Eintrittsöffnungen mit unterschiedlichen Niveaus aufweisen, wobei zumindest je eine Öffnung in jeweils zumindest zwei der Phasen des Anolyten im Vorratstank vorgesehen sind, mit Fördermitteln, insbesondere Pumpen im Kreislauf des Anolyten und Katholyten, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf für den Anolyten zwischen zumindest einer Öffnung (15) und den Anolyträumen zumindest eine Düse (14) vorgesehen ist, in welche eine weitere Öffnung, gegebenenfalls über eine weitere Leitung (17) mündet.
2. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14) als Venturidüse ausgebildet ist.
3. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Öffnung (16) und/oder die weitere Leitung (17) öffen- und schließbar ausgebildet ist
4. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Öffnung (16) und/oder weitere Leitung einen Ventilsitz (20) aufweist, welcher mit einem Ventilverschlußkörper (21, 22) kooperiert
5. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilverschlußkörper (22) hydraulisch betätigbar ist, wobei die Betätigungsleitung (24) in den Druckbereich der Zuleitung (2) für den Anolyten mündet und von dort in den hydraulischen Arbeitsraum (23) des Ventilverschlußkörpers geführt ist
6. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsleitung (24) öffen- und schließbar, insbesondere über ein mit der Mündung im Druckbereich der Zuleitung kooperierten Ventilverschlußkörper, welcher z. B. üb» eine Stellschraube (25) einstell-, insbesondere betätigbar, ist
7. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilverschlußkörper (21) durch die Schwerkraft in der Offenstellung gehalten ist.
8. Halogen/Metall-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Flüssigkeitseintritt der Pumpe (7) die Düse (14) angeordnet ist, insbesondere bei einer Radialpumpe die Düse axial angeordnet ist -4- AT 392 046 B
9. Halogen/Metall-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Öffnungen (15,16) in den verschieden»! Phasen (8,9) ein Strömungstrennschild (18) angeordnet ist.
10. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungstrennschild (18) 5 topfförmig ausgebildet ist und die Düse (14), insbesondere Venturidüse, gegebenenfalls das Gehäuse (11) des Rotors (10) in Abstand von der- bzw. desselben umschließt
11. Halogen/Metall-Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungstrennschild (18) die Öffnung (16) für die schwerere Phase aufweist, die an einem im Strömungstrennschild angeordneten 10 Rohr und zwar die weitere Leitung (17), die in die schwerere Phase taucht, vorgesehen ist
12. Halogen/Metall-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leitung innen und/oder außen sich veijüngend in die Düse (14) mündet.
13. Halogen/Metall-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14) und/oder die weitere Leitung in ihrer Achsrichtung beweg- und festlegbar ist/sind. 20 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-