DE102006021576B3

DE102006021576B3 - Batterie mit Elektrolytdurchmischungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006021576B3
Application number: DE102006021576A
Authority: DE
Inventors: Günther C. Dr. Bauer
Original assignee: IQ Power Licensing AG
Current assignee: IQ Power Licensing AG
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-05-10
Also published as: WO2007128292A3; WO2007128292A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, die vorzugsweise in bewegten Fahrzeugen, wie z.B. im PKW, in Booten oder Flugzeugen zum Einsatz kommt. In der Batterie sind Vorrichtungen angeordnet, die eine Umwälzung des Elektrolyten bewirken. Diese Umwälzung wird mittels Einbauten bewirkt, die beim Bewegen der Batterie eine Pumpwirkung und somit eine Umwälzung erzeugen, wobei diese Einbauten spezielle Vorrichtungen zur gleichmäßigen Durchmischung des gesamten Elektrolytvolumens aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit flüssigem Elektrolyt, nachfolgend Flüssigelektrolytbatterie genannt, die vorzugsweise in bewegten Fahrzeugen, wie z. B. in PKW, Booten oder Flugzeugen zum Einsatz kommt und eine Vorrichtung zur Elektrolytdurchmischung aufweist.
Das Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten z. B. eines PKW auch Energie für zusätzliche Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird. Ferner ist es wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebensdauer der Batterie möglichst auf einem konstanten hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert und betätigt werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie sowie die Fähigkeit der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden. Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren beeinflußt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung einer Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten, wie z. B. einer Blei-Säure-Batterie, zu erhöhen. Ein besonderes Problem bei Blei-Säure-Batterien ist die sogenannte Stratifikation der Säure, d. h. die Säurekonzentration ist bezüglich der Elektrodenfläche nicht gleichmäßig. Das bewirkt, daß die Elektroden an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist, korrodieren, so daß sich die Le bensdauer der Batterie vermindert, und an den Elektrodenstellen, an denen die Säurekonzentration zu gering ist, erreicht die Batterie nicht ihre volle Leistung.

Daher sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, um den Elektrolyten umzuwälzen, damit die Säurekonzentration in allen Volumenabschnitten der Batterie gleich groß ist. Bei stationären Batterien wird z. B. Luft in den Elektrolyten eingeblasen. Für Fahrzeugbatterien sind Elektrolytdurchmischungsvorrichtungen bekannt, die als hydrostatische Pumpen bezeichnet werden. Diese Vorrichtungen sind nur bei sich bewegenden Fahrzeugen wirksam, da sie Brems- und Beschleunigungsvorgänge in Verbindung mit der Massenträgheitskraft des flüssigen Elektrolyten nutzen. Diese Technik ist dem Fachmann bekannt, so daß lediglich beispielhaft auf die Dokumente US 4,963,444 ; US 5,096,787 und US 5,032,476 und DE 297 18 004.5 und speziell auf G 91 15 163.5 und G 91 15 597.5 verwiesen wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch ermittelt, daß mit diesen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen noch keine optimale Elektrolytdurchmischung erreichbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Flüssigelektrolytbatterie mit Elektrolytdurchmischung durch beschleunigte Bewegungen der Batterie, wobei die Elektrolytdurchmischung gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden soll.

Die Aufgabe wird mittels einer Batterie nach Anspruch 1 und 4 gelöst, wobei die Batterie nach Anspruch 1 aufweist:
Ein Gehäuse mit Seitenwänden, einem Gehäuseboden und einer Abdeckung. Dieses Gehäuse bildet eine Batteriezelle. Meist sind mehrere solcher Batteriezellen zu einer Batterie mit einem Mehrfachgehäuse zusammengefaßt. In dem vorzugsweise rechteckigen Gehäuse sind die plattenförmigen Elektroden angeordnet, die von dem Flüssigelektrolyt bedeckt sind.

Zum Umwälzen des Elektrolyts bei einer positiven oder negativen Beschleunigung der Batterie in einer Vorzugsrichtung ist eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung vorgesehen, die nachfolgende Merkmale aufweist:
Parallel zu den senkrechten Kanten der Elektroden ist je eine Strömungskanalplatte beabstandet angeordnet, so daß zwischen der jeweiligen Batteriegehäusewand und der Strömungskanalplatte je ein Strömungskanal ausbildet ist. In dem Batteriegehäuse ist ein Flüssigelektrolyt, dessen Pegelstand bis über die Oberkante der Elektroden reicht. Am oberen Ende der Strömungskanalplatte ist eine Elektrolyteinfangöffnung vorgesehen, deren Rand etwas höher liegt als der Elektrolytpegel, so daß bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang der Elektrolyt über den Rand der Elektrolyteinfangöffnung schwappt. Da nun der Flüssigkeitspegel in dem Strömungskanal etwas höher ist als der Pegel außerhalb des Strömungskanals, strömt der Elektrolyt in dem Strömungskanal abwärts wodurch sich beide Pegelstände wieder angleichen.

Am unteren der Ende Strömungskanalplatten sind diese rechtwinklig abgebogen, so daß die abgebogenen Abschnitte parallel zu der Unterkante der Elektroden verlaufen. Beide Abschnitte sind gleich lang, wobei zwischen den Enden dieser Abschnitte ein Freiraum bleibt, der als Durchströmöffnung dient, durch die hindurch der Elektrolyt zwischen die Elektroden einströmt. Die Durchströmöffnung ist so dimensioniert ist, daß das über die Elektrolyteinfangöffnung einströmende Elektrolytvolumen zügig die Durchströmöffnung passieren kann, d. h. das ein Rückstau vermieden wird.

Nach Anspruch 2 ist der Querschnitt der Durchströmöffnung wenigstens so groß wie der Querschnitt eines Strömungskanals. So wird sicher gewährleistet, daß der Elektrolyt ausreichend schnell abließen kann.

Nach Anspruch 3 sind in den waagerechten Abschnitten Löcher vorgesehen, deren Verteilung und Größe so ausgebildet sind, daß das abwärtsströmende Elektrolytvolumen weitgehend gleichmäßig über die gesamte Unterseite der Elektrodenplatten verteilt wird. Diese nahezu gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten verhindert weitgehend undurchmischte Zonen zwischen den Elektrodenplatten.

Die Batterie nach Anspruch 4 weist ebenfalls ein Gehäuse mit Seitenwänden, einem Gehäuseboden und einer Abdeckung auf. In dem vorzugsweise rechteckigen Gehäuse sind die plattenförmigen Elektroden angeordnet, die von dem Flüssigelektrolyt bedeckt sind.

Zum Umwälzen des Elektrolyts bei einer positiven oder negativen Beschleunigung der Batterie in einer Vorzugsrichtung ist eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung vorgesehen, die nachfolgende Merkmale aufweist:
Parallel zu den senkrechten Kanten der Elektroden ist je eine Strömungskanalplatte beabstandet angeordnet, so daß zwischen der jeweiligen Batteriegehäusewand und der Strömungskanalplatte je ein Strömungskanal ausbildet ist. In dem Batteriegehäuse ist ein Flüssigelektrolyt, dessen Pegelstand bis über die Oberkante der Elektroden reicht. Am oberen Ende der Strömungskanalplatte ist eine Elektrolyteinfangöffnung vorgesehen, deren Rand etwas höher liegt als der Elektrolytpegel, so daß bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang der Elektrolyt über den Rand der Elektrolyteinfangöffnung schwappt. Da nun der Flüssigkeitspegel in dem Strömungskanal etwas höher ist als der Pegel außerhalb des Strömungskanals, strömt der Elektrolyt in dem Strömungskanal abwärts, so daß sich dadurch beide Pegelstände wieder angleichen.

Die unteren Enden der Strömungskanalplatten sind mit einer Platte verbunden, die parallel zu der Unterkante der Elektroden verläuft. In dieser Platte sind Löcher vorgesehen, deren Verteilung und Größe so ausgebildet sind, daß das abwärtsströmende Elektrolytvolumen ohne Zeitverzug gleichmäßig über die Unterseite der Batterie verteilt wird.

Es ist dem Fachmann klar, daß eine Batterie, welche die technische Lehre nach den Ansprüchen 1 oder 4 nutzt, vorzugsweise rechteckig ausgebildet sein wird. Die technische Lehre kann jedoch auch an andere Batterieformen angepaßt werden, ohne das dazu eine erfinderische Tätigkeit notwendig ist. Es ist weiterhin klar, daß die Löcher nicht rund sein müssen oder auch Schlitze und andere Durchbrüche sein können.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.
1 zeigt eine seitliche Schnittansicht der ersten erfindungsgemäßen Flüssigelektrolytbatterie in einer ersten Ausführungsform mit einer schematischen Darstellung des Elektrolytflusses.
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht der ersten erfindungsgemäßen Flüssigelektrolytbatterie in einer zweiten Ausführungsform mit einer schematischen Darstellung des Elektrolytflusses.
3 zeigt eine seitliche Schnittansicht der zweiten erfindungsgemäßen Flüssigelektrolytbatterie mit einer schematischen Darstellung des Elektrolytflusses.
4 zeigt einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik.
Die nachfolgende Erläuterung der Erfindung beginnt mit dem Stand der Technik nach 4, da dadurch die Erfindung leichter verständlich wird.
Die 4 zeigt einen Batteriekasten mit 6 Zellen. Alle nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf eine einzige Zelle, wobei diese Zelle in 1 bis 3 von der Richtung aus dargestellt ist, die in 4 mit dem Bezugszeichen 1c bezeichnet ist.
Die 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht der ersten erfindungsgemäßen Flüssigelektrolytbatterie in einer ersten Ausführungsform.
Ein Gehäuse mit Seitenwänden 1a, 1b, einem Gehäuseboden 1e und einer Abdeckung enthält senkrecht stehende Plattenelektroden 2 und einen flüssigen Elektrolyten 3. Dieses Gehäuse bildet eine Batteriezelle. Meist sind mehrere solcher Batteriezellen zu einer Batterie mit einem Mehrfachgehäuse zusammengefaßt, wie in 4 gezeigt. Der Pegelstand des Elektrolyten ist mit 3a gekennzeichnet.
Parallel zu den senkrechten Kanten der Elektroden ist je eine Strömungskanalplatte 4a und 4b so angeordnet, so daß zwischen der jeweiligen Batteriegehäusewand 1a, 1b und der Strömungskanalplatte 4a, 4b je ein Strömungskanal 5a, 5b ausbildet ist. Am oberen Ende jeder Strömungskanalplatte 4 ist eine Elektrolyteinfangöffnung 6a, 6b vorgesehen, deren Rand etwas höher liegt als der Elektrolytpegel 3a, so daß bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang der Elektrolyt über den Rand der Elektrolyteinfangöffnung schwappt. Da nun der Flüssigkeitspegel in dem Strömungskanal 5 etwas höher ist als der Flüssigkeitspegel 3 außerhalb des Strömungskanals 5, strömt der Elektrolyt 3 in dem Strömungskanal abwärts.
Am unteren der Ende Strömungskanalplatten sind diese rechtwinklig abgebogen, so daß die abgebogenen Abschnitte 7a, 7b parallel zu der Unterkante der Elektroden verlaufen. Beide Abschnitte 7a, 7b sind gleich lang, wobei zwischen den Enden dieser Abschnitte 7a, 7b ein Freiraum bleibt, der als Durchströmöffnung 8 dient, durch die hindurch der aus den Strömungskanälen 5 abwärtsströmende Elektrolyt 3 zwischen die Elektroden einströmt. Die Durchströmöffnung 8 ist so dimensioniert ist, daß das über die Elektrolyteinfangöffnung einströmende Elektrolytvolumen zügig die Durchströmöffnung passieren kann, d. h. das ein Rückstau vermieden wird. So vermischt sich die obere leichtere Säure mit der unteren schwereren Säure, so daß eine sogenannte Stratifikation vermieden wird.
Die 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht der ersten erfindungsgemäßen Flüssigelektrolytbatterie in einer zweiten Ausführungsform.
In 2 weisen die Abschnitte 7a, 7b zusätzliche Löcher 9 auf, so daß eine noch bessere Verteilung der Säure 3 erfolgt. Die Löcher 9 sind im vorliegenden Beispiel so angeordnet, daß die Lochdurchmesser zur Mitte hin, d. h. zur Durchströmöffnung 8 größer werden. Damit wird berücksichtigt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der abwärtsströmenden Säure in Richtung der Durchströmöffnung 8 abnimmt. Diese Lochanordnung gewährleistet demzufolge, daß aus den Löchern nahezu die gleiche Elektrolytmenge zwischen die Elektroden strömt.
Die 3 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Flüssigelektrolytbatterie, bei der die unteren Endabschnitte der Strömungskanalplatten 4a, 4b mit einer waagerechten Platte 10 verbunden sind. In dieser Platte 10 sind Löcher 9 vorgesehen, deren Anordnung und Größe so bemessen sind, daß der durchströmende Elektrolyt optimal verteilt wird. Dazu wird die technische Lehre nach 2 angewendet.
An Hand der beschriebenen Ausführungsformen kann der Fachmann die technische Lehre der vorliegenden Erfindung vollständig entnehmen. Es ist klar, daß diese Ausführungsformen durch einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese, nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.

Claims

Batterie mit flüssigem Elektrolyt, die aufweist: – ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung, – Elektroden (2), die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, – einen Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in dem Gehäuse (1) bis über die Oberkante (2a) der Elektroden (2) reicht und – eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, die nachfolgende Merkmale aufweist: – parallel zu den senkrechten Kanten der Elektroden (2) ist je eine Strömungskanalplatte (4a, 4b) angeordnet, die zwischen sich und den Batteriewänden (1a, 1b) einen links- und rechtsseitigen Strömungskanal (5a, 5b) ausbildet, der an seinem oberen Ende je eine Elektrolyteinfangöffnung (6a, 6b) aufweist, die höher liegt als der Elektrolytpegel (3a), dadurch gekennzeichnet, daß – jede der Strömungskanalplatten (4a, 4b) an ihrem unteren Ende rechtwinklig abgebogen ist, wobei – die zwei rechtwinklig abgebogenen Abschnitte (7a, 7b) parallel zu der waagerechten Unterkante der Elektroden ausgerichtet sind, wobei sich die Enden der Abschnitte (7a, 7b) beabstandet gegenüber stehen und eine Durchströmöffnung (8) bilden.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Durchströmöffnung (8) wenigstens so groß ist wie der Querschnitt eines Strömungskanals (5).
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abschnitten (7a, 7b) Löcher (9) vorgesehen sind, deren Verteilung und Größe so ausgebildet sind, daß das abwärtsströmende Elektrolytvolumen sich über die Unterseite der Elektrodenplatten (2) gleichmäßig verteilt.
Batterie mit flüssigem Elektrolyt, die aufweist: – ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung, – Elektroden (2), die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, – einen Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in dem Gehäuse (1) bis über die Oberkante (2a) der Elektroden (2) reicht und – eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, die nachfolgende Merkmale aufweist: – parallel zu den senkrechten Kanten der Elektroden (2) ist je eine Strömungskanalplatte (4a. 4b) angeordnet, die zwischen sich und den Batteriewänden (1a, 1b) einen links- und rechtsseitigen Strömungskanal (5a, 5b) ausbildet, der an seinem oberen Ende je eine Elektrolyteinfangöffnung (6a, 6b) aufweist, die höher liegt als der Elektrolytpegel (3a), dadurch gekennzeichnet, daß – die Strömungskanalplatten (4a, 4b) an ihrem unteren Ende mit einer waagerechten Platte (10) verbunden sind, die parallel zu der Unterkante der Elektroden (2) verläuft und daß – in der waagerechten Platte (10) Löcher (9) vorgesehen sind, deren Verteilung und Größe so ausgebildet sind, daß das abwärtsströmende Elektrolytvolumen sich gleichmäßig über die Unterseite der Elektrodenplatten (2) verteilt.