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Die Erfindung betrifft eine Bleiakkumulator-Anordnung, umfassend zumindest eine Zelle, in welcher zumindest zwei Elektroden aus Blei angeordnet sind, welche zumindest teilweise von einem Elektrolyten umgeben sind.
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Zwar weisen Bleiakkumulatoren eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf, sie sind jedoch preisgünstig und sehr zuverlässig. Insofern kommen Bleiakkumulatoren prinzipiell auch für die Verwendung im Bereich der Elektromobilität in Betracht.
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Bleiakkumulatoren weisen ein Gehäuse auf, in welchem zumindest zwei Elektroden angeordnet sind. Zumeist weist der Bleiakkumulator mehr als zwei Elektroden auf, welche in Zellen zusammengefasst sind, wobei zwischen den Elektroden ein Separator angeordnet ist. Der Elektrolyt basiert auf einer verdünnten Schwefelsäure.
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Während des Entladevorgangs lagert sich sowohl an dem negativen Pol als auch an dem positiven Pol Bleisulfat ab, gleichzeitig sinkt der Gehalt an Schwefelsäure in dem Elektrolyten. Beim Ladevorgang wird das Bleisulfat an den Elektroden abgebaut und es wird Schwefelsäure in den Elektrolyten abgegeben. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden erfolgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bleiakkumulator-Anordnung bereitzustellen, welche eine höhere Standzeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die jeweils darauf rückbezogenen Ansprüche Bezug.
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Die erfindungsgemäße Bleiakkumulator-Anordnung umfasst zumindest eine Zelle, in welcher zumindest zwei Elektroden aus Blei angeordnet sind, welche zumindest teilweise von einem Elektrolyten umgeben sind, wobei eine Einrichtung zum Regenerieren des Elektrolyten vorgesehen ist, umfassend einen ersten Vorratsbehälter, wobei die Zelle mit einer ersten Fluidleitung und einer zweiten Fluidleitung verbunden ist, wobei Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter über die erste Fluidleitung der Zelle zuführbar und Elektrolyt über die zweite Fluidleitung aus der Zelle entnehmbar ist. Vorzugsweise basiert der Elektrolyt auf einer verdünnten Schwefelsäure. Im Zusammenhang mit Bleiakkumulatoren ist verdünnte Schwefelsäure als Elektrolyt bereits seit langem bekannt und bewährt. Bei einem auf verdünnter Schwefelsäure basierenden Elektrolyten unterscheidet sich ein regenerierter Elektrolyt von einem erschöpften Elektrolyt durch einen höheren Gehalt verdünnter Schwefelsäure, so dass für eine weitere elektrochemische Reaktion wieder Schwefelsäure zur Verfügung steht und der Ladezustand der Zelle aufrechterhalten ist.
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Dadurch, dass der Elektrolyt über die erste Fluidleitung der Zelle zuführbar und über die zweite Fluidleitung der Zelle entnehmbar ist, ist die Menge des der Zelle zur Verfügung stehenden Elektrolyts nicht auf das Volumen der Zelle beschränkt, sondern wird durch das durch den Vorratsbehälter bereitgestellte Volumen signifikant vergrößert. Durch die vergrößerte Elektrolytmenge dauert es länger, bis der Elektrolyt erschöpft ist, so dass die Nennspannung der Zellen deutlich länger aufrechterhalten ist. Somit vergrößert sich die Standzeit, bzw. Reichweite der Bleiakkumulator-Anordnung. Dadurch ist bei gleicher Reichweite, bzw. Standzeit eine geringere Anzahl von Zellen erforderlich, was mit einer Gewichts- und Kostenersparnis einhergeht.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann der Elektrolyt zwischen dem Vorratsbehälter, der ersten Fluidleitung, der zweiten Fluidleitung und der Zelle zirkulieren. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach ausgebildet und weist lediglich einen einzigen Vorratsbehälter auf. Die Verlängerung der Standzeit resultiert bei dieser Ausgestaltung aus der vergrößerten Menge des der Zelle zur Verfügung stehenden Elektrolyts.
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Dabei kann die Anordnung ein geschlossenes System bilden, so dass die Anordnung unter Druck gesetzt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass sich die Standzeit der Bleiakkumulator-Anordnung noch einmal erhöht, wenn der Elektrolyt einen im Vergleich zur Umgebung höheren Druck aufweist.
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Die Bleiakkumulator-Anordnung kann einen ersten Vorratsbehälter für regenerierten Elektrolyten und einen zweiten Vorratsbehälter für erschöpften Elektrolyten umfassen. Dabei sind die Zellen vorzugsweise über die erste Fluidleitung mit dem ersten Vorratsbehälter und über die zweite Fluidleitung mit dem zweiten Vorratsbehälter verbunden. Die Vorratsbehälter in Verbindung mit den Fluidleitungen ermöglichen einen schnellen Austausch des erschöpften, bzw. regenerierten Elektrolyten. Über die erste Fluidleitung kann erschöpfter Elektrolyt in den zweiten Vorratsbehälter gefördert werden, während über die zweite Fluidleitung regenerierter Elektrolyt in die Zellen eingefüllt wird.
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Dabei können auch jeweils mehrere Vorratsbehälter für erschöpften und regenerierten Elektrolyten vorgesehen sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind dabei die Volumina der einzelnen Vorratsbehälter so bemessen, dass je Vorratsbehälter das Volumen für Elektrolyt vorhanden ist, welches notwendig ist, um eine Batterie, bzw. einen Stack Batterien zu befüllen. Dabei wird der erschöpfte Elektrolyt aus der Batterie entnommen und in den ersten Vorratsbehälter eingefüllt. Aus dem zweiten Vorratsbehälter wird regenerierter Elektrolyt in die Batterie eingefüllt. Nach dem Austausch ist der erste Behälter vollständig gefüllt und das gesamte Volumen kann regeneriert werden. Der zweite Behälter ist hingegen leer.
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Dabei ist das Aufnahmevolumen des ersten Vorratsbehälters und des zweiten Vorratsbehälters vorzugsweise größer als das Volumen des in den Zellen aufgenommenen Elektrolyten. Dadurch kann beispielsweise in dem ersten Vorratsbehälter eine größere Menge Elektrolyt aufgenommen sein. Dadurch ist es denkbar, die Zellen mehrfach mit regeneriertem Elektrolyt zu befüllen. Durch die größere Kapazität des zweiten Vorratsbehälters kann aus den Zellen mehrfach erschöpfter Elektrolyt entnommen werden. Im Fall einer mobilen Anwendung steigt dadurch die mögliche Reichweite.
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Es können mehrere erste und zweite Vorratsbehälter in Reihe geschaltet sein, so dass sich die Reichweite der Batterie deutlich vergrößert.
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Der Einrichtung ist vorzugsweise eine Fördervorrichtung zugeordnet. Diese ist vorzugsweise als Pumpe ausgebildet. Dabei ist die Pumpe vorzugsweise so ausgebildet, dass der Volumenstrom des der Zelle zuzuführenden Elektrolyts variabel ist. Dazu kann eine erste Fördervorrichtung der ersten Fluidleitung zugeordnet sein.
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Der Ladezustand der Zelle kann nochmals verbessert werden, indem in der zweiten Fluidleitung eine zweite Fördervorrichtung angeordnet ist.
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Neben dem Volumenstrom kann die erste Fördervorrichtung und/oder die zweite Fördervorrichtung auch den Druck des Elektrolyts in der Zelle regulieren, insbesondere erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung des Elektrolytdruckes in der Zelle mit einer Erhöhung der Nennspannung der Zelle einhergeht. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zelle ausgerüstet ist, einem Druck von mindestens 2 bar, vorzugsweise von 5 bar standzuhalten.
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Die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung können jeweils mit einer Ventilanordnung versehen sein. Die Ventilanordnung ermöglicht eine Regulierung des in die Zelle einströmenden und aus der Zelle ausströmenden Elektrolyts. Dabei kann die Ventilanordnung so ausgestaltet sein, dass zur Erhöhung des Elektrolytdruckes innerhalb der Zelle der Zustrom von Elektrolyt in die Zelle größer ist als der Abstrom.
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Die erste Fördervorrichtung, die zweite Fördervorrichtung und die Ventilanordnung können mit einer Zentraleinheit wirkverbunden sein, wobei die Zentraleinheit in Abhängigkeit der Nennspannung den Volumenstrom und/oder den Druck des die Zelle durchströmenden Elektrolyts ändert.
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Insofern ermöglicht die Zentraleinheit durch Anpassung der die Zelle durchströmenden Elektrolytmenge eine Aufrechterhaltung der gewünschten Nennspannung über einen langen Zeitraum. Daher ist eine derartige Bleibatterie-Anordnung geeignet, beispielsweise ein Elektrofahrzeug anzutreiben.
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Neben dem Austausch des Elektrolyten ist eine Regeneration auch dadurch möglich, dass eine elektrische Spannung von außen an die Elektroden angelegt wird. Dadurch wird an den Elektroden angelagertes Bleisulfat abgebaut und Schwefelsäure in den Elektrolyten freigesetzt. Vorzugsweise erfolgt eine derartige Regeneration der Bleiakkumulatoren mittels Solarzellen, welche mit den Elektroden elektrisch verbunden sind. Eine Regeneration der Bleiakkumulatoren durch Austausch des Elektrolyten kann bei dieser Ausgestaltung dann erfolgen, wenn die Solarzellen nicht ausreichend elektrische Energie bereitstellen können. Können die Solarzellen wiederum elektrische Energie bereitstellen, kann ein vollständiges Regenerieren der Bleiakkumulatoren erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Regeneration mittels Windkraft erfolgen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regenerieren einer Bleiakkumulator-Anordnung mit zumindest einer Zelle, in welcher zumindest zwei Elektroden aus Blei angeordnet sind, welche zumindest teilweise von einem Elektrolyten auf der Basis verdünnter Schwefelsäure umgeben sind, wobei eine Einrichtung zum Regenerieren des Elektrolyten vorgesehen ist, umfassend einen ersten Vorratsbehälter, wobei die Zelle mit einer ersten Fluidleitung und einer zweiten Fluidleitung verbunden ist, wobei Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter über die erste Fluidleitung der Zelle zuführbar und Elektrolyt über die zweite Fluidleitung aus der Zelle entnehmbar ist, wird über die erste Fluidleitung Elektrolyt der Zelle zugeführt und Elektrolyt über die zweite Fluidleitung der Zelle entnommen, wobei der Volumenstrom und/oder der Druck des die Zelle durchströmenden Elektrolyts in Abhängigkeit der elektrischen Nennspannung der Zelle verändert wird.
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Dabei kann sich der Volumenstrom und/oder der Druck des die Zelle durchströmenden Elektrolyts erhöhen, wenn die elektrische Nennspannung der Zelle einen Schwellwert unterschreitet.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können mehrere Zellen zu einem Stack zusammengefasst sein. Des Weiteren kann die Anordnung zumindest zwei Gehäuse umfassen, welche wechselweise betrieben werden können, wobei die Zellen eines ersten Stacks elektrische Energie für den elektrischen Verbraucher bereitstellen, während die Zellen des zweiten Stacks einer Regeneration unterzogen werden.
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Eine Regeneration eines Stacks kann gestartet werden, wenn die Nennspannung in den Zellen des mit dem elektrischen Verbraucher verbundenen Stacks unter 1,95 V sinkt.
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Die Bleiakkumulator-Anordnung kann eine Einrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie umfassen. Die Einrichtung ist vorzugsweise mit den Elektroden der Zellen der beiden Stacks wirkverbunden. Die Einrichtung kann Solarzellen und/oder eine Windkraftanlage umfassen. Dabei kann die Einrichtung stationär oder mobil sein. Im Fall der mobilen Ausgestaltung kann die Einrichtung dem Fahrzeug zugeordnet sein, in welchem die Bleiakkumulator-Anordnung montiert ist. Dadurch ist je nach Umgebungsbedingungen auch ein Regenerationsvorgang während der Fahrt möglich.
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Je nach Bedingungen kann die durch die Einrichtung bereitgestellte Energie größer sein, als der Energiebedarf des an die Bleiakkumulator-Anordnung angeschlossenen Energieverbrauchers. In diesem Fall ist es denkbar, dass auch der Stack regeneriert wird, der aktuell mit dem Energieverbraucher wirkverbunden ist.
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Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bleiakkumulator-Anordnung werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt schematisch:
- 1 eine Bleiakkumulator-Anordnung für ein Fahrzeug.
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Die Figur zeigt eine Bleiakkumulator-Anordnung 1, enthaltend mehrere Bleiakkumulatoren für den Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs. Ein Bleiakkumulator enthält zumindest eine Zelle 2, in welcher zwei Elektroden 4, 5 aus Blei angeordnet sind. Die Elektroden 4, 5 sind zumindest teilweise von einem Elektrolyten auf der Basis verdünnter Schwefelsäure umgeben. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind mehrere Zellen 2, 3 zu einem Stack zusammengefasst. Die Anzahl der Zellen 2, 3 je Stack und die Anzahl der Stacks richtet sich dabei nach dem Bedarf der zur Verfügung zu stellenden Energie. Bei einem größeren Fahrzeug enthält dabei jeder Stack mehr Zellen als ein Stack eines kleineren Fahrzeugs.
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Die Bleiakkumulator-Anordnung 1 umfasst einen Vorratsbehälter 7 für Elektrolyt. Die Zellen 2, 3 der Stacks sind über eine erste Fluidleitung 9 und eine zweite Fluidleitung 10 mit dem Vorratsbehälter 7 verbunden. Dabei strömt über die erste Fluidleitung 9 Elektrolyt in die Zellen 2, 3 ein und verlässt die Zellen 2, 3 über die zweite Fluidleitung 10. Dementsprechend zirkuliert der Elektrolyt in einem Kreislauf zwischen dem Vorratsbehälter 7, der ersten Fluidleitung 9, den Zellen 2, 3 und der zweiten Fluidleitung 10. Dabei ist die Menge des zur Verfügung stehenden Elektrolyts ein Vielfaches größer als das Fassungsvermögen der Zellen 2, 3.
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Dabei können der ersten Fluidleitung 9 und der zweiten Fluidleitung 10 jeweils eine Verteilstruktur zugeordnet sein, wobei die Fluidleitungen 9, 10 über die Verteilstruktur den Elektrolyt direkt den Zellen 2, 3 zuführen, bzw. aus den Zellen 2, 3 ableiten. Die Verteilstruktur kann auch aus dem Zellgehäuse ausgebildet sein. Dadurch ist sichergestellt, dass alle Zellen 2, 3 gleichermaßen in den Elektrolytstrom eingebunden sind und ein gleichmäßiger Druck in den Zellen 2, 3 herrscht.
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In der ersten Fluidleitung 9 ist eine erste Fördervorrichtung 11 angeordnet und in der zweiten Fluidleitung 10 ist eine zweite Fördervorrichtung 12 angeordnet. Des Weiteren sind die Fluidleitungen 9, 10 mit einer Ventilanordnung versehen. Über die Fördervorrichtungen 11, 12 und die Ventilanordnung erfolgt eine Regulierung des Volumenstroms und des Druckes des die Zellen 2, 3 durchströmenden Elektrolyts. Der Druck des die Zellen 2, 3 durchströmenden Elektrolyts ist dabei vorzugsweise erhöht und beträgt in Abhängigkeit der Anforderungen zwischen 2 bar und 5 bar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Bleiakkumulator-Anordnung 1 einen ersten Vorratsbehälter 7 für regenerierten Elektrolyten und einen zweiten Vorratsbehälter für erschöpften Elektrolyten. Die Zellen 2, 3 der Stacks sind über eine erste Fluidleitung 9 mit dem ersten Vorratsbehälter 7 und über eine zweite Fluidleitung 10 mit dem zweiten Vorratsbehälter 8 verbunden. In der ersten Fluidleitung 9 ist eine erste Fördervorrichtung 11 angeordnet und in der zweiten Fluidleitung 10 ist eine zweite Fördervorrichtung 12 angeordnet. Des Weiteren sind die Fluidleitungen 9, 10 mit einer Ventilanordnung versehen, welche ein wechselweises Entleeren und Befüllen der Zellen 2, 3 mit Elektrolyt ermöglicht.
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Die erste Fördervorrichtung 11, die zweite Fördervorrichtung 12 und die Ventilanordnung sind mit einer Zentraleinheit wirkverbunden. Die Zentraleinheit erfasst die Nennspannung der Elektroden 2, 3. Sinkt die Nennspannung der Zellen 2, 3 des Stacks unter einen Wert von 1,95 V, erfolgt ein Austausch von Elektrolyt. Dabei wird Elektrolyt aus dem ersten Vorratsbehälter 7 in die Zellen 2, 3 gefördert und Elektrolyt wird aus den Zellen 2, 3 entnommen und in den zweiten Vorratsbehälter 8 gefördert. Dabei ist es nicht erforderlich die Zellen 2, 3 vom Netz zu trennen. Der Austausch von Elektrolyt kann während der Nutzung erfolgen.
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Die Bleiakkumulator-Anordnung 1 ist in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet und dient der Bereitstellung elektrischer Energie für den elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs.
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Die Bleiakkumulator-Anordnung 1 umfasst ferner eine Einrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie, wobei die Einrichtung mit den Elektroden 4, 5 der Zellen 2, 3 der beiden Stacks wirkverbunden ist. Die Einrichtung umfasst Solarzellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Einrichtung eine Windkraftanlage umfassen. Dabei kann die Einrichtung - sowohl die Solarzellen als auch die Windkraftanlage - stationär oder mobil sein. Im Fall der mobilen Ausgestaltung kann die Einrichtung dem Fahrzeug zugeordnet sein, so dass je nach Umgebungsbedingungen auch ein Regenerationsvorgang während der Fahrt möglich ist.
