DE19823916A1 - Flüssigelektrolytbatterie - Google Patents
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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 Strömung erzeugen. Es sind weiterhin Vorrichtungen vorgesehen, die eine Umwälzung durch thermische Konvektion bewirken.
Description
Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, die vorzugsweise in
bewegten Fahrzeugen, wie z. B. in PKW, Booten oder Flugzeugen zum
Einsatz kommt.
Das Bestreben insbesondere der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise
betrifft auch die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch
die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der herkömmli
chen Energie zum Starten des Fahrzeugs auch Energie für zusätzliche Ag
gregate 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.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um
die Leistung einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie zu erhöhen. Unter
Leistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie sowie die Fähigkeit
der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur -aufnahme verstanden.
Ein besonderes Problem bei Blei-Säüre-Batterien ist die möglichst vollstän
dige Nutzung der Elektrodenfläche. Anhand der Fig. 1 bis 3 soll das aus
dem Stand der Technik bekannte Problem erläutert werden. Fig. 1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer PKW-Batterie 1 längs ihrer Elektroden 2, die
in dieser Ausführung eine Gitterform aufweisen. Mit Bezugszeichen 3a ist
der Pegelstand der Batteriesäure 3 bezeichnet. Untersuchungen haben er
geben, daß sich die chemischen Eigenschaften der Batteriesäure in den mit
a, b, c gekennzeichneten Bereichen erheblich voneinander unterscheiden.
So ist in dem Bereich a die Säurekonzentration zu hoch, was zu Korrosion
und letztlich zur Zersetzung der Platten führt. Im Bereich c ist die Säure
konzentratipn zu niedrig, d. h. es fehlen die für eine Funktion der Batterie
erforderlichen elektrolytischen Eigenschaften.
Lediglich im mittleren Bereich b weist die Säure das optimale stöchiometri
sche Verhältnis auf. Daher wird auf Grund der unzureichenden Säureei
genschaften in den Bereichen a und c die vorhandene Elektrodenfläche
nicht optimal ausgenutzt. Es ist für den Fachmann klar, daß sich die Berei
che nicht wie dargestellt scharf abgrenzen lassen.
Um auch in den Bereichen a und c das stöchiometrische Verhältnis zu ver
bessern, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Batteriesäure, d. h.
den Elektrolyten, umzuwälzen, um eine bessere Durchmischung zu errei
chen. Damit wird auch gleichzeitig verhindert, daß sich Ablagerungen bil
den, die die Funktion und die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen.
In dem Dokument DE U1 91 14 909 ist eine Akkumulatorenbatterie offen
bart, bei der mittels Einleiten von Gas aus einer Druckgasquelle eine Elek
trolytumwälzung erzwungen wird. Solche Einrichtungen eignen sich wegen
ihres komplizierten Aufbaus nicht für Fahrzeugbatterien, zumal zusätzlich
noch eine Druckgasquelle erforderlich ist.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Elektrolytdurchmischungsvor
richtungen bekannt, die als hydrostatische Pumpen bezeichnet werden. Die
Fig. 29a, 29b und 29c zeigen die prinzipielle Wirkungsweise dieser Vor
richtung. Die Fig. 29a zeigt eine Schnittdarstellung eines mit Elektrolyt ge
füllten Batteriekastens, der eine doppelt abgewinkelte Plätte 21 aufweist,
wobei ein Abschnitt des Winkels über die Oberfläche des Elektrolyten hin
ausragt. Die Elektrodenplatten sind wegen der besseren Anschauung nicht
dargestellt. Wenn sich der in einem Fahrzeug eingebaute Batteriekasten
mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit v bewegt, d. h. das Fahrzeug
weder bremst noch beschleunigt, ist die Oberfläche des Elektrolyten eben
und horizontal. Die Fig. 29b zeigt, daß sich bei einem Bremsvorgang der
Elektrolyt auf Grund der Massenträgheit in Fahrtrichtung zu einer Welle
aufbaut, die über den oberen Abschnitt des Plattenrandes schwappt. Da
nunmehr der Flüssigkeitsstand zwischen dem Winkel und der Gehäuse
wand höher ist, fließt gemäß Fig. 29c der Elektrolyt nach unten ab, bis
sich beide Pegelstände angeglichen haben. Die Pfeile zeigen die Fließrich
tung des Elektrolyten.
Dieses Prinzip wird u. a. in den Dokumenten US 4,963,444; US 5,096,787
und US 5,032,476 beschrieben. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung
haben jedoch ermittelt, daß mit diesen aus dem Stand der Technik bekann
ten Vorrichtungen noch keine optimale Elektrolytdurchmischung erreichbar
ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Flüssigelektro
lytbatterie für Fahrzeuge, wobei die zu erzielende höhere Batterieleistung
und Lebensdauer vorwiegend mittels einer verbesserten Elektrolytdurch
mischung erreicht werden soll.
Die Aufgabe wird mittels Batterien gemäß der Ansprüche 1, 10 und 15
gelöst.
Der Vorteil der Erfindung gemäß Anspruch 1 besteht darin, daß die Flüssi
gelektrolyt-Umwälzvorrichtung einen hohen Durchmischungsgrad bewirkt
und dadurch die Batterieleistung wesentlich gesteigert und gleichzeitig die
Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Die Flüssigelektrolyt-
Umwälzvorrichtung weist keine frei beweglichen Teile auf, die durch Elek
trolytablagerungen in ihrer Bewegung behindert werden könnten. Somit
arbeitet diese Vorrichtung sehr zuverlässig. Ferner ist die Flüssigelektrolyt-
Umwälzvorrichtung sehr kostengünstig herstellbar und läßt sich gut in die
Herstellungstechnologie für diese Batterien integrieren. Im Gegensatz zu
den aus dem Stand der Technik bekannten hydrostatischen Elektrolytpum
pen pumpt diese Vorrichtung den Elektrolyten von unten nach oben. Die
Erfinder haben nachgewiesen, daß auf diesem Weg die Durchmischung
wesentlich verbessert werden konnte. Offensichtlich ist es für die Durch
mischung vorteilhaft, wenn die dickere Bodensäure nach oben gedrückt
wird und über den waagerechten Teil der Durchmischungsvorrichtung ab
läuft, um sich mit der dünneren Oberflächensäure zu vermischen.
Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Flüssigelektrolytbatterie ist
parallel zu den senkrechten Kanten ein zweites plattenförmiges Element
angeordnet ist, um einen Strömungskanal auszubilden. Damit können die
Strömungsverhältnisse definierter eingestellt und optimiert werden.
Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Flüssigelektrolytbatterie sind
das erste plattenförmige Element und das zweite plattenförmige Element
einstückig als Winkel ausgebildet, wodurch u. U. eine leichtere Montage
erzielbar ist.
Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Flüssigelektrolytbatterie sind
im Bereich der Oberkante des ersten plattenförmigen Elements eine erste
Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung zur Verhinderung des Rücklaufs einer
ersten Elektrolytwelle vorgesehen ist, was die Durchmischung verbessert.
Bei einer nach Anspruch 5 weitergebildeten Flüssigelektrolytbatterie ist die
Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung als stegförmiger Materialfortsatz des
ersten plattenförmiges Elements ausgebildet ist, was eine besonders ko
stengünstige Variante darstellt.
Bei einer nach Anspruch 6 weitergebildeten Flüssigelektrolytbatterie ist die
Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung als Klappenventil ausgebildet, was den
Rücklauf besonders gut verhindert.
Bei einer nach Anspruch 7 weitergebildeten Flüssigelektrolytbatterie ist die
Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung an beiden Gehäuseseiten angeordnet
ist, was eine verbesserte Durchmischung bewirkt.
Der Vorteil der Erfindung gemäß Anspruch 10 besteht darin, daß durch die
Wärmekonvektion auch dann noch eine Durchmischung erfolgt, wenn die
Batterie nur wenig oder nicht bewegt wird, wobei die Heizelemente so an
geordnet sind, daß eine kräftige Elektrolytströmung erzeugbar ist.
Gemäß Anspruch 11 werden vorzugsweise Flächenheizelemente verwen
det, die auf oder in der Gehäusewandung angeordnet sind. Falls die Batte
rie aus zwei Zellengruppen aufgebaut ist, die durch eine gemeinsame
Trennwand miteinander verbunden sind, kann die Heizung gemäß An
spruch 12 an dieser, in der Batteriemitte liegenden Trennwand, angeordnet
sein. Bei dieser Ausführungsform treten nahezu keine Wärmeverluste auf.
Gemäß Anspruch 13 ist zum Schutz der Elektrodenplatten eine Wärmeab
schirmung vorgesehen, so daß der von der Heizung erwärmte Elektrolyt
nicht unmittelbar an die Elektrodenplatten gelangt. In einer besonders be
vorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 14 wird ein Teil der mecha
nischen Umwälzvorrichtung gleichzeitig als Wärmeabschirmung verwen
det, so daß sowohl eine mechanisch bewirkte, als auch eine thermisch
bewirkte Umwälzung des Elektrolyten auftritt.
Der Vorteil der Erfindung gemäß Anspruch 15 besteht darin, daß analog
zur Erzeugung einer Konvektion mittels Heizelemente auch dann noch eine
Durchmischung erfolgt, wenn die Batterie nur wenig oder nicht bewegt
wird. Als Kühlelement ist gemäß Anspruch 16 ein Peltierelement gut ge
eignet.
Es handelt sich bei der Kühlung um den gleichen Effekt, der jedoch mit
einem anderen Mittel erzeugt wird. Daher kann gemäß Anspruch 17 eine
Kombination mit der mechanischen Umwälzvorrichtung vorgenommen
werden.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit
den beigefügten schematischen Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt einen Seiten-Längsschnitt einer Flüssigelektrolytbatterie
nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine offene Flüssigelektrolytbatterie
nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt die Darstellung von Fig. 1, wobei die Flüssigelektrolyt
batterie eine Beschleunigung erfährt und der Pegel des Elek
trolyten in Schräglage liegt.
Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt die erste Bewegungsphase der Oberfläche des Elektroly
ten bei einer Beschleunigung.
Fig. 6 zeigt die zweite Bewegungsphase der Oberfläche des Elek
trolyten nach der Beschleunigung.
Fig. 7 zeigt die dritte Bewegungsphase der Oberfläche des Elek
trolyten nach der Beschleunigung.
Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 zeigt die Draufsicht auf eine offene, erfindungsgemäße Flüs
sigelektrolytbatterie mit einseitiger Umwälzvorrichtung.
Fig. 10 zeigt die Draufsicht auf eine offene, erfindungsgemäße Flüs
sigelektrolytbatterie mit doppelseitiger Umwälzvorrichtung.
Fig. 1 l zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung im Detail.
Fig. 12 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung im Detail.
Fig. 13 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 14 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Umwälzung durch Erwärmen erfolgt.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Umwälzung durch Abkühlen erfolgt.
Fig. 17 zeigt eine Kombination von mechanischer und thermischer
Umwälzung.
Fig. 18 zeigt eine weitere Kombination von mechanischer und thermi
scher Umwälzung.
Fig. 19 zeigt eine Kombination von mechanischer und thermischer
Umwälzung durch Kühlung.
Fig. 20 zeigt eine winkelförmige Mischungsvorrichtung mit Strö
mungsschlitzen.
Fig. 21 zeigt eine winkelförmige Mischungsvorrichtung in Verbindung
mit speziell ausgebildeten Strömungskanälen.
Fig. 22 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung.
Fig. 23 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung.
Fig. 24 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung.
Fig. 25 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung.
Fig. 26 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung.
Fig. 27 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung.
Fig. 28 zeigt eine weitere Form einer Mischungsvorrichtung, die sich
selbsttätig an unterschiedlichen Säurestand anpaßt.
Fig. 29 zeigt den nächstliegenden Stand der Technik.
Die Fig. 1 und 2 dienen zur Erläuterung und zeigen eine Flüssigelektrolyt
batterie nach dem Stand der Technik mit einem Gehäuse 1 mit Seitenwän
den 1a, 1b, 1c, 1d einem Gehäuseboden 1e und einer Abdeckung 1f. In
einzelnen Zellen 1g sind Elektroden 2 senkrecht stehend angeordnet. In
jeder der Zellen 1g befindet sich ein Flüssigelektrolyt 3, der ca. 1 cm über
der Oberkante der Elektroden 2 steht.
Die Fig. 3 zeigt die Darstellung von Fig. 1, wobei die Flüssigelektrolytbat
terie eine Beschleunigung erfährt und der Pegel des Elektrolyten in
Schräglage kommt. Dieser Fall tritt ein, wenn die Batterie z. B. in ein PKW
so eingebaut ist, daß die Elektrodenplatten sich in Fahrtrichtung erstrek
ken, die in diesem Beispiel in der Bildebene von links nach rechts verläuft.
Wenn das fahrende Fahrzeug abgebremst wird, bewirkt die Massenträgheit
des Elektrolyts, daß dieser in Fahrtrichtung schwappt, was durch den
schräg liegenden Pegelstand nur schematisch angedeutet ist. Der Elektro
lyt bewegt sich während der Fahrt nur geringfügig zwischen den Platten
ohne daß eine nennenswerte Durchmischung auftritt.
Die Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Winkel 4-6
ist so eingefügt, daß sein senkrechter Schenkel parallel zu den senkrechten
Plattenkanten steht. Sein waagerechter Schenkel liegt parallel zur Ober
kante 2a der Platten 2 im Bereich des Pegelstandes 3a des Elektrolyten 3.
Wenn die vorstehend beschriebene Bremssituation eintritt, verhindert der
Winkelabschnitt 4 die beschriebene Schwapp-Bewegung des Elektrolyten
3. In Fig. 5 ist schematisch gezeigt, zu welchen Bewegungen der Elektro
lyt durch den Winkel 4-6 gezwungen wird. Insbesondere ist zu erwähnen,
daß der Elektrolyt in dem senkrechten Strömungskanal 5, der sich zwi
schen dem senkrechten Schenkel des Winkels und der Zellenwand ausbil
det, stark aufwärts gedrückt wird, was durch die aufwärtsgerichteten
Pfeile schematisch dargestellt ist.
In Fig. 6 ist der nächste Zeitabschnitt dargestellt, in dem sich auf dem
waagerechten Winkelschenkel ein Elektrolytberg 3b gebildet hat, der an
schließend als Welle in Pfeilrichtung abfließt und an der Wand 1d wieder
aufläuft und erneut einen Elektrolytberg (Fig. 7) bilden kann.
Aus vorstehenden Ausführungen ist entnehmbar, daß der Winkel bzw. sei
ne räumliche Anordnung im Batteriegehäuse den Elektrolyten in einen
Kreislauf zwingt, wobei die Umwälzung von unten nach oben erfolgt, wo
durch eine sehr intensive Durchmischung bewirkt wird. Langzeituntersu
chungen haben ergeben, daß die Elektrolytkonzentration in den Bereichen
a, b und c nahezu gleich ist und auch das richtige stöchiometrische Ver
hältnis aufweist. Somit werden auch die Elektrodenabschnitte a und c, die
bei den herkömmlichen Batterien nur teilweise genutzt werden konnten,
nunmehr vollständig genutzt.
Neben der Erhöhung der Batterie-Leistung weist die Erfindung noch eine
Reihe von weiteren Vorteilen auf. Die bessere Durchmischung verhindert,
daß sich feste Elektrolytablagerungen bilden können, die bei herkömmli
chen Batterien zur Leistungsminderung und zur Verringerung der Lebens
dauer führen. Besonders erwähnenswert ist auch die wesentlich verbesser
te Kaltstartfähigkeit der erfindungsgemäßen Batterie.
Es ist dem Fachmann klar, daß die erfindungsgemäßen Batterie eine bevor
zugte Einbaurichtung hat, die so gewählt wird, daß der Elektrolyt optimal
umgewälzt wird. In einem PKW muß die Batterie daher so eingebaut wer
den, daß die Elektrodenplatten in Fahrtrichtung ausgerichtet sind.
Die Fig. 8 und 10 bis 14 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
So zeigt Fig. 8 an dem Winkel 4-6 einen stegförmigen Fortsatz 4b, der
senkrecht stehend oder geneigt sein kann. Dieser Fortsatz 4b behindert
das schnelle Zurücklaufen des Elektrolyten und verbessert somit seine
Durchmischung.
In der Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die geöffnete Batterie mit 6 Zellen ge
zeigt, in denen jeweils ein Winkel 4-6 angeordnet ist.
Da die Batterie insbesonders im PKW durch Bremsen und Gas geben in
beiden Richtungen beschleunigt wird, wird die Durchmischung verbessert,
wenn zwei Winkel pro Zelle jeweils entgegengesetzt eingebaut sind, wie in
Fig. 10 gezeigt und wegen der Gleichartigkeit der Wirkung für den Fach
mann keiner weiteren Erläuterung bedarf.
Die Fig. 11 zeigt eine weitere und/oder zusätzliche Möglichkeit, das Zu
rückfluten des Elektrolyten zu verhindern. An dem Winkel 4-6 kann, wie in
der Fig. 11 gezeigt, ein biegeweiche Platte so angeordnet sein, daß sich
eine Ventilwirkung ergibt. Wenn der Elektrolyt in dem Strömungskanal auf
steigt, legt sich die biegeweiche Platte an der Wandung an, an der sie be
festigt ist, d. h. das Ventil wird geöffnet. Wenn der Elektrolyt zurückfließt,
schließt sich das Ventil. Die konstruktiven Details und die Offen- und
Schließphase sind in den Fig. 11a bis 11c gezeigt und bedürfen für den
Fachmann keine zusätzlichen Erläuterungen.
Die Fig. 12 zeigt eine Modifikation des Prinzips nach Fig. 11. Aufbau und
Wirkung dieses Klappenventils sind aus den Zeichnungen entnehmbar.
Die Fig. 13 zeigt eine zweite Rücklauf-Verhinderungseinrichtung 9, die bei
PKW-Batterien entgegengesetzt zur Fahrtrichtung eingesetzt werden. Diese
Vorrichtung weist anstelle des waagerechten Schenkels ein nach hinten
offenes Volumen 10 auf. Wenn gemäß Fig. 7 eine rücklaufende Welle ent
steht, läuft diese über die Schräge 10a und wird von dem offenen Volu
men 10 zurückgehalten, so daß der Elektrolyt entlang des senkrechten
Schenkels nach unten sinkt und so ebenfalls eine Durchmischung bewirkt
wird.
Es ist zu betonen, daß die aufgezeigten Rücklauf-Verhinderungseinrichtun
gen weiter modifiziert werden können. So können z. B. an vorbestimmten
Stellen in den Winkeln Durchbrüche vorgesehen werden, um z. B. die Aus
bildung von toten Bereichen, d. h. dort, wo eine zu geringe Durchmi
schung stattfindet, zu verhindern. Die Dimensionierung der Rücklauf-Ver
hinderungseinrichtung für einen bestimmten Batterietyp erfordert bei
Kenntnis der technischen Lehre für den Fachmann keine erfinderische Tä
tigkeit mehr. Ferner wird der Fachmann auch weitere, die Durchmischung
befördernde Maßnahmen treffen, die in der vorliegenden Anmeldung nicht
explizit erwähnt worden sind. So ist es z. B. von Vorteil, die Strömungs
wege für den Elektrolyt konstruktiv so zu gestalten, daß innerhalb der
durch die Batteriebewegung erzwungenen Strömungen ein geringer Strö
mungswiderstand auftritt, was u. a. durch möglichst glatte Wandungen
und durch die Vermeidung von Vorsprüngen, an denen sich Wirbel bilden
können, erreicht wird.
In Fig. 14 ist eine doppelseitige Ausführungsform nach Fig. 10 gezeigt.
Hierbei sind die beiden Winkel über eine perforierte Platte 11 miteinander
verbunden. Diese Ausführungsform ist montagetechnisch von Vorteil, da
die Elektrodenplatten mittels dieser Ausführungsform klammerartig zu
sammengehalten werden und leicht automatisch montierbar sind. Die Wir
kung der Perforation wird unter Hinzuziehung von Fig. 5 dem Fachmann
deutlich.
Die Fig. 15 zeig eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Umwälzung des Elektrolyts mittels Erwärmen erfolgt. Dazu sind im unteren
Bereich des Batteriegehäuses elektrische Heizelemente angeordnet. Bei
Erwärmung derselben erwärmt sich auch der angrenzende Elektrolyt, der
nach oben steigt und dadurch eine Durchmischung bewirkt. Als Heizele
mente werden vorzugsweise sehr flach bauende Typen, wie z. B. Folien
heizungen verwendet. Diese Heizungselemente kann der Fachmann bei
Bedarf aus dem Stand der Technik entnehmen. Auf Grund der einfachen
Wirkung sind auch keine weiteren Erläuterungen zur Wirkungsweise not
wendig. Es ist zu betonen, daß die Heizanordnungen 12 vorrangig nicht
zur Erwärmung des Elektrolyten, sondern zur Erzeugung einer Konvekti
onsströmung vorgesehen ist, die eine Durchmischung bewirkt. Dement
sprechend ist sind die Heizelemente nicht über die gesamte Bodenfläche
gleichmäßig verteilt, sondern an vorbestimmten Stellen angeordnet, so daß
eine möglichst starke Strömung erzeugt wird.
Falls nur ein Heizelement oder Heizelemente mit höherer Leistung zum Ein
satz kommen, kann es erforderlich werden, zum Schutz der Elektroden 2
zwischen diese und dem Heizelement einen Wärmeschutz vorzusehen.
Dieser Wärmeschutz soll verhindern, daß der stark erhitzte Elektrolyt in
Kontakt mit den Elektroden kommt, da diese bei Hitzeeinwirkung beschä
digt werden können. In Fig. 17 ist der Wärmeschutz als flache Platte aus
gebildet, die so dimensioniert werden kann wie das erste plattenförmige
Element 6. Es muß sichergestellt werden, daß der erwärmte Elektrolyt über
die obere Kante des Wärmeschutzes ablaufen oder durch eine Öffnung in
der Platte austreten kann.
Der besondere Vorteil der Konvektionsmischung durch Wärmeeintrag be
steht darin, daß die Batterie nicht bewegt werden muß. Bei niedrigen Au
ßentemperaturen wird gleichzeitig der Elektrolyt erwärmt, was ebenfalls
erwünscht ist.
Wenn aus betriebstechnischen Gründen eine Erwärmung der Batterie nicht
erwünscht ist, kann gemäß Fig. 16 eine Konvektionsmischung auch durch
ein Kühlelement bewirkt werden. Das Kühlelement ist wegen der gegen
sinnig verlaufenden Konvektion im oberen Randbereich des Batteriegehäu
ses, d. h. vorzugsweise unterhalb des Elektrolytpegels anzuordnen.
Die Fig. 18 zeigt eine Kombination von mechanischer und thermischer
Umwälzung durch Erwärmung. Hierbei wirkt der senkrechte Schenkel des
Winkels zur mechanischen Durchmischung gleichzeitig als Thermoschutz
bei der thermischen Durchmischung. Um den Abfluß des erwärmten, auf
wärtsströmenden Elektrolyts zu ermöglichen, weist der senkrechte Schen
kel Löcher 4c auf.
Analog zu der Ausführungsform nach Fig. 18 zeigt Fig. 19 eine Kombinati
on von mechanischer und thermischer Umwälzung durch Kühlung, deren
Aufbau vollständig aus der Zeichnung entnehmbar ist. Zur Kühlung werden
Peltierelemente eingesetzt. Die Funktion der Anordnung ergibt sich aus den
bereits erläuterten Zusammenhängen und der Zeichnung.
In Fig. 20 sind Durchmischungswinkel gezeigt, die Strömungsschlitze 14
aufweisen. Diese Schlitze 14 verbessern die Strömungsverhältnisse bei
unterschiedlichen Elektrolytständen.
In Fig. 21 ist ein Durchmischungswinkel gezeigt, der zur Ausbildung unter
schiedlicher Strömungskanäle 5a geeignet ist, wobei Fig. 21a eine per
spektivische Abbildung des Durchmischungswinkels zeigt, und die Fig. 21b
und 21c den eingebauten Winkel in der Draufsicht zeigen. Bei der Anord
nung nach Fig. 21c entsteht ein U-förmiger Strömungskanalquerschnitt
und bei der Anordnung nach Fig. 21b entstehen zwei, sich gegenüberlie
gende Strömungskanäle.
In Fig. 22 ist eine Durchmischungsplatte 4 gezeigt, wobei Fig. 22a einen
Seitenquerschnitt einer Batterie zeigt. Die Platte 4 ist auf dem Plattenpaket
installiert und so wie alle oberen Winkelabschnitte 4 zur Batteriemitte hin
vorzugsweise leicht geneigt. In diesem Ausführungsbeispiel übernimmt die
Batteriewandung die Funktion des Winkelschenkels 6.
In Fig. 23 und 24 sind Durchmischungsvorrichtungen gezeigt, bei der bei
de Winkel zu einer U- bzw. kastenförmigen Einheit 15, 16 miteinander ver
bunden sind. Die Schlitze 4 dienen dem Zu- und Abfluß des Elektrolyten.
In Fig. 25 ist ein Durchmischungswinkel gezeigt, der an dem unteren Ab
schnitt des senkrechten Winkelschenkels 6 einen waagerechten, zur Bat
teriemitte gerichteten Schenkel 17 mit einer Länge L aufweist. Mit dieser
konstruktiven Maßnahme ist es möglich, die Strömungsbedingungen beim
Einleiten des Elektrolyten in den Strömungskanal 5 zu optimieren. Der
Schenkel 17 kann auch Löcher oder Schlitze aufweisen, wenn dadurch die
Strömungsbedingungen verbessert werden.
In Fig. 26 ist ein Durchmischungswinkel gezeigt, dessen Strömungskanal
aus zwei Röhren 18 bestehen.
In Fig. 27 ist ein Durchmischungswinkel ähnlich wie in Fig. 22 gezeigt.
Dieser Winkel weist Ausbildungen 19 auf, die eine Verankerung des Win
kels in dem Plattenpaket ermöglicht und gleichzeitig das Plattenpaket me
chanisch stabilisiert. Es handelt sich hierbei lediglich um eine konstruktive
Besonderheit.
In Fig. 28 ist ein Durchmischungswinkel mit einem beweglichen Schenkel
4a gezeigt, der über ein Foliengelenk 20 mit dem senkrechten Schenkel 6
schwenkbar verbunden ist. Dieser bewegliche Schenkel 4a schwimmt auf
der Elektrolytoberfläche 3a. Diese Anordnung verbessert bei geeigneter
Dimensionierung den Abfluß des durch den Strömungskanal 6 aufwärts
strömenden Elektrolyt, wodurch die Durchmischung verbessert wird.
Der Fachmann wird unter Berücksichtigung konstruktiver und technologi
scher Randbedingungen eine der aufgezeigten Varianten auswählen und
ggf. modifizieren, ohne dabei erfinderisch tätig zu werden.
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 ge
zeigten weiteren Ausführungsformen in den Schutzbereich der nachfolgen
den Patentansprüche.
Claims (17)
1. Flüssigelektrolytbatterie, die aufweist:
- 1. ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung,
- 2. plattenförmige Elektroden (2), die paarweise in Zellen senkrecht stehend angeordnet sind,
- 3. ein Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in den Zellen bis über die Oberkante (2a) der Elektroden (2) reicht und
- 4. eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
- 5. ein erstes plattenförmiges Element (4), das parallel zu den Elektrodenplat ten-Oberkanten oder leicht nach innen geneigt im Bereich des Pegelstan des (3a) angeordnet ist und
- 6. ein senkrechter Strömungskanal (5) zwischen der Gehäusewand (1b, 1d) und den senkrechten Kanten (2c) der Elektrodenplatten (2) ausgebildet ist.
2. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
parallel zu den senkrechten Kanten (2c) ein zweites plattenförmiges Ele
ment (6) angeordnet ist, um einen Strömungskanal (5) auszubilden.
3. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste plattenförmige Element (4) und das zweite plattenförmige Ele
ment (6) einstückig als Winkel (4-6) ausgebildet sind.
4. Flüssigelektrolytbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Oberkante (4a) des ersten
plattenförmigen Elements (4) eine erste Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung
(7) zur Verhinderung des Rücklaufs einer ersten Elektrolytwelle vorgesehen
ist.
5. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung (7) als stegförmiger Materialfortsatz
(4b) des ersten plattenförmiges Elements (4) ausgebildet ist.
6. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung (7) als Klappenventil (8) aus
gebildet ist.
7. Flüssigelektrolytbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung an
beiden Gehäuseseiten (1b, 1d) angeordnet ist.
8. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die gegenüberliegenden Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtungen miteinander
verbunden sind.
9. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß eine zweite Rücklauf-Verhinderungsvorrichtung (9) mit einem Auf
fang-Volumen (10) zur Verhinderung des Rücklaufs einer reflektierten Elek
trolytwelle vorgesehen ist.
10. Flüssigelektrolytbatterie, die aufweist:
- 1. ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung,
- 2. plattenförmige Elektroden (2), die paarweise in Zellen senkrecht stehend angeordnet sind,
- 3. ein Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in den Zellen bis über die Oberkante (2a) der Elektroden (2) reicht,
- 4. eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung wenigstens ein Heizelement (12) aufweist, welches am Gehäuseboden (1e) oder in naher Lagebeziehung zu diesem an den Seitenwänden (1a, 1c) angeordnet und so ausgebildet ist, um bei Erwärmung eine kräftige Elektrolytströmung zu erzeugen.
11. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Heizelement (12) ein Drahtwiderstand oder ein Schichtwiderstand
ist.
12. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Heizelement (12) an oder in einer inneren Trennwand
der Batterie angeordnet ist.
13. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das zwischen dem wandseitig angeordneten Heizelement
und den Elektroden (2) ein plattenförmiges Element als Wärmeschutz vor
gesehen ist.
14. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste plattenförmige Element (4) der Flüssigelektrolytumwälzvor
richtung sich bis in den Bereich der Unterkante (2b) der Elektroden (2) er
streckt, um als Wärmeschutz zu wirken.
15. Flüssigelektrolytbatterie, die aufweist:
- 1. ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung,
- 2. plattenförmige Elektroden (2), die paarweise in Zellen senkrecht stehend angeordnet sind,
- 3. ein Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in den Zellen bis über die Oberkante (2a) der Elektroden (2) reicht,
- 4. eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung wenigstens ein Kühlelement (13) aufweist, welches im Bereich des Pegelstandes des Elektrolyten angeord net ist.
16. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (13) ein Peltierelement ist.
17. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 10 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß zusätzlich eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung nach
den Ansprüchen 1 bis 9 vorgesehen ist.
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DE1998123916 DE19823916A1 (de) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | Flüssigelektrolytbatterie |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1998123916 DE19823916A1 (de) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | Flüssigelektrolytbatterie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19823916A1 true DE19823916A1 (de) | 1999-12-02 |
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ID=7869210
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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