DE1925861B2

DE1925861B2 - Elektrochemische batterie mit elektrisch und elektrolyt kreismaessig in reihe geschalteten zellen

Info

Publication number: DE1925861B2
Application number: DE19691925861
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing 6053 Oberts hausen Carl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Priority date: 1969-05-21
Filing date: 1969-05-21
Publication date: 1971-07-29
Also published as: DE1925861A1; GB1304885A; US3664876A; FR2043571A7

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Bat- Elektrolyten zugeordnet. Der Elektrolyt ist in den toric mit elektrisch und elektrolytkreismäßig in Reihe Zellen 1 bis 6 und in den Speichern 12,14, 16 durch geschalteten Zellen. Strichelung angedeutet. Es sei angenommen, daß die

Es sind bereits elektrochemische Batterien mit Zirkulation des Elektrolyten im Uhrzeigersinn ercinem Elektrolytkreislauf bekannt, für den im we- 5 folgt. Wie durch die ausgezogenen Doppellinien IS sentlichen ein Elektrolyt-Vorratsbehälter, eine bis 23 angedeutet, die Leitungsrohre darstellen, ist Pumpe, ein Wärmeaustauscher und Einrichtungen die Zelle 1 mit den Speichern 16, 11 verbindbar, die zur Entfernung von Reaktionsprodukten bzw. zum Zelle 3 mit den Speichern 12,13 und die Zelle 5 mit Zusetzen von notwendigen Betriebsstoffen u. dgl. den Speichern 14,15, wobei die Speicher 16, 12 und vorgesehen ist (USA.-Patentschrift 3 359136). Durch io 14 mit Elektrolyt gefüllt sind. In dieser Ausgangsdie elektrische und elektrolytkreismäßige Reihen- stellung der Anlage haben die Zellen 2, 4, 6 keinerschaltung der Zellen verbindet der Elektrolyt als Ne- Iei Verbindung mit den Rohrleitungen 19/20, 21/22, bcnschluß elektrisch Zelle mit Zelle, und es entsteht 23/17, und dementsprechend kann sich auch kein ein Strom, der bei normalen Akkumulatoren eine elektrolytischer Nebenschluß von Zelle zu Zelle aus-Sclbstenüadung und bei Brennstoffzellen-Batterien 15 bilden.

einen Lcistungsverlust verursacht. Es kann ferner zur In einem ersten Arbeitsschritt wird nun der Elek-

Zcrsctzung des Elektrolyten kommen und auch zu trolyt der Speicher 16, 12, 14 in die Zellen 1, 3, 5 unerwünschten Elektrodenreaktionen. Um diesem gebracht, und die gleiche Menge von Elektrolyt geMangel abzuhelfen, ist es durch die obengenannte langt aus diesen Zellen in die Speicher 11, 13, 15. Patentschrift bekannt, den Elcktrolytquerschnitt 20 Die Elektrolytmenge in den Zellen 1, 3, 5 bleibt dakein zu halten und für den Elektrolyten lange Wege bei unverändert.

vorzusehen. Dadurch wird der Elektrolyt-Nebenweg In einem zweiten Arbeitsschritt werden die Spei-

zwar hochohmig, jedoch wird auch der Elektrolytfluß eher 11, 12 mit der bisher vom Elektrolytkreislauf stark erschwert, und die Pumpenleistung muß ent- getrennten Zelle 2 verbunden, wie durch die gesprechend groß sein. 25 strichelten Doppellinien 19', 20 angedeutet ist, wo-

Es ist auch bereits eine Brennstoffzellen-Batterie durch die Zelle 1 nunmehr vom Elektrolytkreislauf mit Elektrolytkrcislauf bekannt, bei der eine Elek- vollkommen getrennt wird. Auch die Zellen 4 und 6 trolyt-Spülung mit langen Ruhe- und kurzen Spül- werden mit den Speichern 13, 14 (21', 22') und 15, zeiten vorgesehen ist (Zeitschrift »Chemie-Ingenieur- 16 (23', 17') verbunden und die Zellen 3 und 5 von Technik«, 4]. Jahrgang, Heft 4, 1969, S. 146 bis 154). 30 den Speichern 12, 13 und 14, 15 abgetrennt, so daß Ein solcher Elcktrolytkreislauf ist nur bei kleinen die Zellen 1, 3 und 5 nicht mehr im Elektrolytkreis-Einhcitcn verwendbar, da der Temperaturausgleich lauf liegen.

bei großen Einheiten einen äußeren Wärmeaustau- Die Leitungen 18 bis 23 liegen also im ersten Ar-

schcr erforderlich macht. beitsschritt an den Zellen 1, 3, 5 und im zweiten Ar-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem 35 beitsschritt an den Zellen 2, 4, 6.

durch den Elektrolyt-Nebenschluß hervorgerufenen Da im ersten Arbeitsschritt die vorher leeren Spei-

Strom so klein zu halten, daß auch über lange Zeiten eher 11, 13, 15 gefüllt wurden, erfolgt im zweiten keine Zerstörung der Zellen und/oder der Elektroden Arbeitsschritt der Transport des Elektrolyten dieser und auch hierfür kein merklicher Verbrauch an Speicher in die an diese angeschlossenen Zellen 2, 4 Brennstoffen auftritt. Um den Elektrolytkreislauf ein- 40 und 6, und aus diesen Zellen strömt der Elektrolyt in fach zu gestalten, soll ein und derselbe Elektrolyt— die im ersten Arbeitsschritt. geleerten Speicher 12, wie bekannt — alle Zellen der Batterie durchströ- 14 und 16. Damit ist die Ausgangsstellung der Anmcn. lage wieder erreicht, und es folgen nun laufend auf-

Dicsc Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- einander die Arbeitsschritte 1 und 2 wie vorstehend löst, daß den Zellen mit elektrisch isolierenden 45 beschrieben.

Schaltern versehene Elektrolyt-Transportspeicher Wie ersichtlich, kann durch den Elektrolyten zwi-

derart zugeordnet sind, daß ein wechsel weiser Fluß sehen den Zellen 1 bis 6 nunmehr keine elektrisch des Elektrolyten durch benachbarte Zellen erfolgt. leitende Verbindung auftreten.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeich- Die F i g. 2 zeigt eine besonders zweckmäßige Aus-

nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispie- 50 bildung der Speicher 11 bis 16 und zweckmäßige los näher erläutert. Es zeigt Verbindungsmittel zwischen den Zellen 1 bis 6 und

F i g. I eine prinzipielle Ausbildung des Erfin- den zugeordneten Speichern 11 bis 16. dungsgegenstandes, Die Speicher 11 bis 16 sind Teil eines Mehrkolben-

F i g. 2 eine besonders zweckmäßige Ausführung Pumpensystems 24, das durch einen Motor 25 andes Erfindungsgegenstandes. 55 getrieben wird. In den Verbindungsleitungen 18 bis

In der Fig. 1 ist eine Brennstoffzellen-Batterie 23 und 18' bis 23' zwischen den Zellen 1 bis 6 und mit beispielsweise 6 Zellen 1 bis 6 angenommen. Die den als Kolbenpumpen ausgebildeten Speichern Zellen sind über Leitungen 7 elektrisch in Reihe ge- bis 16 sind elektrisch isolierende Schalter 26 bis schaltet. Die Anschlüsse für einen äußeren Strom- angeordnet. Die Schalter können beispielsweise wie kreis sind mit 8 und 9 bezeichnet. Die Hilfsaggregate 60 Rückschlagventile aufgebaut sein, für den Elektrolytkreislauf, wie Elektrolyt-Vorrats- Jede Pumpe 11 bis 16 besteht im wesentlichen aus

behälter, Pumpe, Wärmeaustauscher usw., sind ledig- einem Kolbenraum 38 bis 43 und zugeordneten Kollich schematisch mit 10 angedeutet, da deren Aus- ben 44 bis 49. Die im ersten Arbeitsschritt auftrebildung grundsätzlich bekannt ist (s. obengenannte tende Hubrichtung der Kolben 44 bis 49 ist durch USA.-Patcntschrift). 65 ausgezogene Pfeile, die im zweiten Arbeitsschritt

Gemäß der Erfindung sind den Zellen 1 bis 6 auftretende Hubrichtung durch gestrichelte Pfeile an-Elcktrolyt-Speicher 11 bis 16 mit nicht weiter dar- gedeutet, gestellten Schaltmitteln für den Ein- bzw. Auslauf des Die Ventile 28/29, 32/33 und 36/37 sind in der

Ausgangsstellung der Anlage (bei Beginn des ersten Arbeitsschrittes) geschlossen, während die Ventile 26/27, 30/31 und 34/35 geöffnet sind.

Um den Elektrolyten elektrisch zu unterbrechen, sind die Ventile aus Isolierstoff ausgebildet. Bei einem Rückschlag-Kugel- oder Kegelventil kann die bewegbare Kugel oder der bewegbare Kegel beispielsweise aus Quarzglas bestehen, während das feststehende Lochteil, gegen das die Kugel oder der Kegel bewegt wird, beispielsweise aus Plexiglas bestehen kann. Untersuchungen haben ergeben, daß bei einem solchen in den Elektrolytkreislauf eingeschalteten Ventil sich zwischen zwei Meßpunkten bei geöffnetem Ventil beispielsweise ein Widerstand des Elektrolyten von etwa 25 Ω und bei geschlossenem Ventil ein Widerstand von etwa 25 kQ ergibt. Der in diesem Fall dann doch noch durch den Elektrolyten auftretende Fehlstrom liegt in der Größenordnung μΑ. Damit ist aber eine Zersetzung des Elektrolyten und eine Oxydation der Elektroden so klein gehalten, daß ein ungestörter Betrieb der Batterie über Jahre erzielt ist.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Anlage nach der F i g. 2 kurz erläutert.

Im ersten Arbeitsschritt gehen die Kolben 44, 46, 48 nach unten, während die Kolben 45, 47, 49 nach oben gehen. Die Ventile 28/29, 32/33 und 36/37 sind geschlossen, die Ventile 26/27, 30/31 und 34/35 sind geöffnet. Die Pumpe 11 saugt damit aus der Zelle 1 den Elektrolyten heraus, während durch die Pumpe 16 über das geöffnete Ventil 26 Elektrolyt in die Zelle 1 gepreßt wird. Der Kolben 45 der Pumpe 12 bewegt sich nach oben, und der im Kolbenraum 39 vorhandene Elektrolyt kann nur über das offene Auslaßventil 30 in die Zelle 3 strömen, während die Zelle 2 elektrisch sowohl von der Pumpe 11 als auch 12 wegen der geschlossenen Ventile 28, 29, die elektrisch isolierend ausgebildet sind, abgeschaltet ist. Der Elektrolyt des Kolbenraumes 39 wird also in die Zelle 3 gepumpt, und gleichzeitig geht der Kolben 46 der Pumpe 13 nach unten, und da das Einlaßventil 31 geöffnet ist, fließt eine entsprechende Menge des Elektrolyten in den Kolbenraum 40 der Pumpe 13. Die Zelle 4 ist-wieder elektrisch durch die geschlossenen Ventile 32, 33 von den Pumpen 13, 14 abgeschaltet. Die im Kolbenraum 41 der Pumpe 14 vorhandene Menge des Elektrolyten kann bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 47 dieser Pumpe nur über das geöffnete Auslaßventil 34 in die Zelle 5 gelangen, aus der wegen des geöffneten Einlaßventils 35 die gleiche Menge Elektrolyt in den Kolbenraum 42 der Pumpe 15 strömen kann, deren Kolben 48 eine Abwärtsbewegung macht. Auch die Zelle 6 ist elektrisch wegen der geschlossenen Ventile 36, 37 vom Elektrolytkreislauf abgetrennt.

Über den geschlossenen Ventilen, die sich also »im hochohmigen Zustand« befinden, wird die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten also unterbrochen, so daß die sonst auftretende elektrisch leitende Verbindung der Zellen durch den Elektrolyten verhindert ist.

ίο Im zweiten Arbeitsschritt werden die bisher geschlossenen Ventile 28/29, 32/33 und 36/37 geöffnet und die Ventile 26/27, 30/31 und' 34/35 geschlossen. Die Kolben der Pumpen 11 bis 16 bewegen sich in der durch den gestrichelten Pfeil angegebenen Rich-

x 5 tung, so daß der in den Kolbenräumen 38, 40 und 42 stehende Elektrolyt in die nunmehr in den Elektrolytkreislauf geschalteten Zellen 2,4 und 6 gedrückt wird, aus denen die gleiche Menge Elektrolyt in die Kolbenräume 39, 41 und 43 gesogen wird. Da die Ventile 26/27, 30/31 und 34/35 in diesem Schritt geschlossen sind, sind die Zellen 1, 3 und 5 vom Elektrolytkreislauf durch die elektrisch isolierend ausgebildeten Ventile abgetrennt.

Auf den zweiten Arbeitsschritt folgt wieder der

as erste Arbeitsschritt mit einem entsprechenden Schaltwechsel der Ventile und Bewegung der Kolben der Pumpen. Darauf folgt dann wieder der zweite Arbeitsschritt usf.

Der Elektrolytkreislauf ist also stets geschlossen und alle Zellen mit Elektrolyt gefüllt. Die Zirkulation des Elektrolyten wird zellengruppenweise durch die Bewegung der Kolben der Pumpen erreicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrochemische Batterie mit elektrisch und elektrolytkreismäßig in Reihe geschalteten Zellen, wobei der Elektrolytkreislauf derart ausgebildet ist, daß die elektrische Leitfähigkeit der Elektrolytverbindung zwischen den Zellen unterbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Zellen (1 bis 6) mit elektrisch isolierenden Schaltern (26 bis 37) versehene Elektrolyt-Transportspeicher (11 bis 16) derart zugeordnet sind, daß ein wechselweiser Fluß des Elektrolyten durch benachbarte Zellen erfolgt.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher Pumpen sind und benachbarten Zellen je eine Pumpe zugeordnet ist und in den Verbindungsleitungen von Pumpe und zugeordneten Zellen elektrisch isolierende Schalter angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen