DE2024081A1 - Heizbarer Akkumulator - Google Patents

Description

Richard Philipp in Trxesen

(Liechtenstein)

Heizbarer Akkumulator

Elektrische Batterien, insbesondere Akkumulatoren, die als primäre «der sekundäre galvanische Elemente der Erzeugung iron elektrischem Strom aus chemischer Energie dienen, sind in ihrer Leistung von Semper a tür einfluss en stark abhängig. Schon $eriperatu:cen unter +10 Grad G verringern z.Bodie Kapazität von Blei~b3w_oNickel-Cadmium Akkumulatoren. Unteir O Grad 0 ist deshalb der Ni-Gd-Akkumulator praktisch nicht mehr zu verwenden.

Die Ursache dieser Kapazitätsabnahme liegt in einer Erhöhung des inneren WiderStandes, die durch zwei Komponenten im wesentlichen verursacht wird;

1» Mit sinkender temperatur nimmt die Viskosität des Elektroljten au, was zu einer Verminderung der lonenbeweglichkeit und der Diffus ioriagescbwinaigkeifc fütat.

2. Mit abnehmender Temperatur verringert sich die chemisch'3 !Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterial und den Ionen des Elektrolyten.

Die Folge ist eine bei niedrigen Temperaturen verminderte Klemmspannung. Aber auch der Ladevorgang einer kalten Batterie ist durch den erhöhten inneren Widerstand wesentlich verlustreicher als bei ÜJempexaturen von ca.20-25 Grad C und erfordert erhöhte Ladespannung.

Bein Blei-Akkumulator hat eine erhöhte Ladespannung den Nachteil del vorseitigen Zersetzung des BXektroIyten, bevor die Aufladung beendet ist. Der Akkumulator "gast".

Dieses Grasen ist einerseits für die Elektroden schädlich,

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fördert das "Abschlämmen¹¹¹ des Bleidioxydes von der Anode und andererseits begrenzt die Zersetzungsspannung des Elektrolyten die Ladespannung, die zur vollständigen Aufladung notwendig ist.

Es zeigt sich also _t daß z.B.ein Blei-Akkumulator bei tiefen Temperaturen (z.B.O Grad und darunter)> nicht nur eine verringerte Kapazität und geringere Spannung besitzt, sondern bei einer durch einen Hegler vorgegebenen Ladespan— nung, wie z.B.in KraftShrzeugen_y auch noch nur unvollständig aufgeladen wird, unvollständige Aufladungen verbunden mit gelegentlicher !Piefentladung der Batterie muß aber - zumindest beim Blei-Akknmulator - zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Batterie führen.

Zur Beseitigung der Nachteile der bei niedrigen Temperaturen verminderten Klemmspannung wurde bereits vorgeschlagen* die Batterie entweder durch eigene Heizleistung oder durch eine !''remdstromquelle aufzuheizen, xvobei oedocb hiebet ausschließlich die Außenbeheizung der Batterie in Erwägung gezogen wurde. Es ist Jedoch elektro-technißcb klar und au3 der vorliegenden Beschreibungseinleitung verständlich, daß eine Außenbeheizung von Batterien niemals den guten Wirkungsgrad einer Innenbeheizung besitzt, da bei letzterer die Wärmeverluste wesentlich geringer sind und damit auch Verluste an elektrischer Heizenergie.

Erfindungsgemäß werden daher bei einem heizbaren Akkumulator, der vor Inbetriebnahme und nötigenfalls bei Wiederaufladung bei niedriger Umgebungstemperatur (z.B.schon unter +1O⁰G) zwecks Erhöhung seiner elektro-motoriscben Kraft und Kapazität durcli eigene Heizleistung und/oder die einer Premdatoffquelle beheizbar ist, die Heizelemente im Inneren des Akkumulators eingebaut. Zweckaißigerweise w&zaen hiefür für den Elektrolyten durchlässige Heizelemente, z.B.vorzugsweise gitterartig· iaächenheiζleiter, wie Netze oder dgl» Vliese mit elektrisch leitfähiger Ausrüstung oder perforierte _% leitende Kunststoffe und Folien und/oder geschlungen© oder gewobene isolierte Heizdräbte, z.B.ineinandergeschlungöne Spiralen, zwischen denen durch Separatoren voneinander getrennte Elektroden angebracht; sind verwendet?,

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die als Heizleiter im Elektrolyten bei Anwendung von Gleich-oder Wechselstrom Joul'esche Wärme erzeugen. So können Heizgitter auf Polytetrafluoräthylen-Basis (die keine fremden Metall-Ionen an den Elektrolyten abgeben, die diesen in seiner Funktion stören, da nur Kohlenstoff als Leiter verwendet wird) direkt in die Batterie, d.h. in den Elektrolyten eingebaut werden*

Der Vorteil liegt darin, daß weniger Heizenergie als bei einer Außenbeheizung benötigt wird, weil ja nur in den äußerst dünnen Bereichen der elektrochemisch bedeutsamen Elektrodenoberfläche, die mit dem Elektrolyten in Berührung kommt, eine Temperatursteigerung notwendig iBt. Sparsamer umgang mit der noch vorhandenen elektr.Energie ist aber besonders bei der Selbstbeheizung 3399

noch

knlfeer Starterbatterien notwendig. Eine Außenb ehe issung aus eigener Energie einer kalten Batterie dürfte damit kaum gelingen ο

Da in den meisten Fällen keine zweite Stromquelle für die Heizung zur Verfügung steht - eine Starterbatterie wird durch die Lichtmaschine erst dann aufgeladen, wenn der !Motor bereits läuft - muß die kalte Batterie selbst ihren eigenen Heizstrom liefern.

Dieser Heizstrom ist dann als Energieverlust geringer, als der Gewinn aus der Kapazitätszunahme bei Verringerung des inneren Widerstandes, wenn die Heizung im Inneren der Batterie in den elektrochemisch aktiven Bezirken erfolgt und die Wärmeableitung nach außen so gering wie möglich gehalten wird.

Nur dann wird also erreicht, daß di© Leistung der Batterie trotz vorheriger Stromentnahme für die Heizung der Elektrolytlamellen zwischen den Elektroden, höher liegt als im kalten Zustande

Für eine solche Heizung werden erfindungsgemäß Plächenheizgitter im Inneren der Batterie zwischen den durch Separatoren vor direktem elektrischen Kontakt geschützten Elektroden installiert. Durch solche Heizgitter wird der Elektrolyt

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sehr gleichmäßig erwärmt, so daß die Abnahme der Yieeosität über den gesamten Querschnitt des Ionenwanderungsweges zwischen Anode und Kathode ebenfalls gleichmäßig erfolgt.

Die Wärme wird in diesem Falle (entgegen anderen Möglichkeiten der Beheizung) genau an der Stelle erzeugt, wo sie benötigt wird, nämlich im elektrochemisch wirksamen Bereich der Batterie. Der Wärmeverlust durch Ableitung nach außen ist deshalb gering, weil die Wärme im Inneren der Batterie erzeugt wird.

Als Heizgitter werden z.B.bekannte ßlasfasernetze vorzugsweise aus C-Glas benutzt, die mit elektrisch leitfähig gemachtem Kunststoff überzogen und isoliert sind und weder durch Säuren noch Laugen angegriffen werden können.

Diese Heizgitter oder auch Flächenheizleiter haben den Vorteil, daß sie ein niedriges spezifisches Gewicht haben und in Berührung mit dem Elektrolyten keine Fremd-Ionen an diesen abgeben, die den elektrochemischen Prozeß stören könnten.

Die Heizgitter oder Flächenheizleiter lassen sich in einem Akkumulator in verschiedener Weise anordnen und als Ohmsche Widerstände schalten, wie dies die auf der Zeichnung dargestellten Schaltungsbeispiele zeigen.

EIg.1 zeigt eine Schaltung mit parallel geschalteten Flächenheizleitern, Λ

Figo2 dieselbe Schaltung jedoch Serienschaltung der Flächenheizleiter,

Fig.3 eine Schaltung ftix Wechselstromspeisung,

Fig.4 eine Schaltung für Wechselstsirom-u.Gleichstrom-Speisung,

Fig.5 eine Schaltung mit Hochfrequenzspeisung, Fig.6 eine Schaltung gegen den Behälter, Fig.7 ein Blockschaltbild.

In Fig.1 ist ein Schaltschema einer derartigen aufheizbaren Batterie dargestellt. Mit 1 ist das Plattengitter mit aktiver Masse ^positiv) bezeichnet, mit 2 ein Isolator zwischen den positiven und negativen Platten und mit 3 ein Flächenheizleiter . ^Lr bezeichnet wieder einen der Bezugsziffer 2 entsprechenden Isolator, während 5 das Plattengifcter· mit aktiver

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BAD ORIGINAL.

Masse (negativ) bezeichnet_T Bei der. Bezugsziffer 6 beginnt wieder eine neue Zelle wie bei 2, Die Flächenheizleiter 3 sindhiebei parallel geschaltet. Die Wärmeenergie kann durch Rüekeinspeisung. von elektrischer Energie aus der· Batterie odei- auch durch Fxemdversorgung erfolgen»

In Mg,2 ist eine ähnliche Schaltung beschrieben, bei welcher wieder 1 das Plattengitter mit aktiver· Masse (positiv) bezeichnet, während die isolierten Flächenheizleiter mit 2 bzw.4 bezeichnet sind« Das Plattengitter mit aktiver Masse (negativ) ist mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet. In diesem Schaltbeispiel sind die Fläcbenheizleiter 2,4 etc.in Serie geschaltet. Durch die Isolierung der Fläcfaenheizleiter 2,4 ist die Anordnung besonderer Isolatoren zwischen den positiven und negativen Platten gemäß Fig,1 überflüssig.

Gemäß Fig«3 ist eine Schaltung für· Wechselstromspeisung dargestellt, wobei wieder 1 die positive Platte, 2 die isolierte, leitende Folie, 3 die negative Platte, 5 wieder die positive Platte bezeichnet, wobei bei 6 die Reihenfolge wieder· wie bei 2 beginnt. Die Erwärmung des Elektrolyten erfolgt in diesem Fall durch das Wechselfeld, Gemäß Fig.4 ist eine Speisung durch Wechsel-oder Gleichstrom vorgesehen, wobei wieder 1 die positive Platte, 2 die leitende isolierte Folie, 3 eine gleichfalls leitende isolierte Folie und 4 die negative Platte bezeichnet. Bei 5 beginnt die Reihenfolge wieder wie bei 2, Die leitenden Folien 2,3 können auch leitende Oberflächen auf einer gitterartigen Trägerfolie sein, Die Erwärmung des Elektrolyten erfolgt durch das Wechselfeld oder durch Gleichstrom. An Stelle der Elektroden 2 und kann auch ein nichtleitendes Gitter verwendet werden, das auf seinen beiden Flächen leitend beschichtet ist und darüber isoliert wird«

cd In Fig.5 ist eine Schaltung mit Hochfreauenzspeisung darge- ^ stellt, wobei 1 die positive Platte, 2 die negative Platte <° bezeichnet, welche-Reihenfolge sich bei 3 wieder wiederholt, ο Die Ziffer 4 bezeichnet einen FreguenzjFormer, die Ziffer 5 ro -zwei Trennkondensatoren und die Ziffer 6 den Elektrolyten. ^ω Hiebei werden die positive Platte 1 und die negative Platte als Elektroden verwendet. Der Gleichstrom aus der eigenen Bätteiie-wird in hochfrequente Energie umgeformt und wieder

auf die Platten zurückgeschaltet. Die Erwärmung erfolgt wieder über den Elektrolyten 6 (Kondensatorprinsip),

In 5'ig,6 worden die Elektroden 2 gegen dan leitenden Behälter 4 geschaltet» Hiebe! bezeichnet 1 die positive Platte, 2 die Elektrode und 3 die negative Platte- Die Btromableitung jüjjgg den leitenden Behälter 4·. Bei diser Anwendung kann s±Kfe die Elektrode 2 durch die Elektroden 1 und ersetzt werden und gegen den leitenden Behälter 4 gescbaltet werden

In Fig,7 ist ein Blockschaltbild einer über den Elektrolyten beheizbaren Batterie im Schema dargestellt, wobei mit 1 der Batteriebehälter mit den Elemeraten, mit 2 die Flächenheizelemente, mit 3 ein Süh&lti&Smf mit Verzögerung (Bimetall) und mit 4- ein Magnetschalter und mit 5 der Starter bezeichnet ist. Öle Masse ist äit M bezeichnet*

Dieee Heiagitter können als Ohmscb© Widerstände entweder durch die au beheizende Batterie seibat oder auch durch Fremdstromquellen (Batterie, Lichtmaschine oder Stromnetz) mit Gleich-oder· Wechsels tr· om betrieben werden» wobei Joulosche Wärme erzeugt wird.

Ea können die elektrisch gut leitenden Heizgitter aber auch als Elektroden verwendet werden, an die eine (hochfrequente) Wechselspannung gelegt wild« Hierbei erfolgt die Erwärmung dee Elektrolyten durch die ständige Umorientierung der· Ladungsträger und Umpolarisation der Wassermolekeln Im Wechselfeld*

Mit einem weniger guten Wirkungsgrad der Wärmeausnutzung für den Batterielnhalt könaen öle Heiagitter (oder auch ~» Heizdrähte) in die Wände und/oder in den Boden des Batterie-φ troges eingearbeitet werden.
oo

^ Hierbei ist jedoch die Wärmeableitung nach außen größer als bei der vorher beschriebenen Anordnung d©s

co zwischen den Elektroden und die EEwärauag^Sli' i©s Elektrolyten ^zwischen den Elektixodenpiatten erfolgt hiss Isög0a»2 Anordnung des Heizelemente 1st wtnigös su£ a©iä©atan®n schnei» len Anhelaung (a.B.vox eiaam laltstaxt ia Warmhalten der Batterie geeignet₀

Claims (1)

1. Heizbarer Akkumulator (primäres oder sekundäres galvanisches Element), der vor Inbetriebnahme und nötigenfalls bei Wiederaufladung bei niedriger Umgebungstemperatur (z.B.schon unter +1O⁰C) zwecks Erhöhung seiner elektromotorischen Kraft und Kapazität durch eigene Heizleistung und /oder die einer Fremdstromquelle beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente im Inneren des Akkumulators eingebaut sind,

2. Heizbarer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für den Elektrolyten durchlässige Heizelemente z.B.vorzugsweise gitterartige Flächenheizleiter, wie Hetze oder Vliese mit elektrisch leitff-higei Ausrüstung oder perforierte leitende Kunststoff-Folien und/oder geschlungene oder gewobene isolierte Heisdxchte, z.3.ineinander geschlungene Spiralen, zwischen denen durch Separatoren voneinander getrennte Elektroden angebracht sind verwendet, die als Heizleiter la Elektrolyten bei Anwendung von Gleich-öder Weabs·-Istrom Joulesche Wärme erzeugen.

3. Heizbarer Akkumulator nach Anspruch 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Heizgitter und/oder Flächenheisleiter ala Elektroden an eine J>.B.hochfrequente) Wechselspannung angeschlossen sind und die Erwärmung durch die Bewegung der Ladungsträger und Dipole des Elektrolyten ie elektrischen Wechselfeld erfolgt.

X* Heizbarer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung (z.B. Tläcbenbeizleiter oder Heizgitter mit elektrisch leitendem Kunststoffüberzug oder Heizdrähten) in die Innenwand und/oder Innenbodenfl?che des Akkumulatortroges eingearbeitet h± ist*

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5. Heizbare* Akkumulator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Batterieelektroden angeordneten Heizelemente mit säure-und/ oder alkalibeständigem Haterial (z.B.Polytetrafluorethylen und/oder Polypropylen und Polyäthylen) elektrisch isoliert sind und gleichzeitig als Isolatior und/oder Separator: dienen.

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