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Flektrclythilfssystem Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrolythilfssystem
ffir ein Verfahren, den Elektrolyten bei vorzugsweise in Stapelform aufxebauten
Batterien mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Zellen mit inneren Elektrolyträumen
zwischen den Elektroden, die mit äußeren Elektrolyträumen in Verbindung stehen,
anzuordnen, wobei der Elektrolyt zum Zirkulieren zwischen den äußeren und inneren
Elektrolyträumen durch Kanäle, Leitungen und andere in bekannter Weise Stromleckage
begrenzende Verbindungsvorrichtungen gebracht wird.
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Das gute Leistungsvermögen, das mehrere der neueren Stromquellen,
wie beispielsweise Metalluftbatterien; Brennstoffbatterien und verbesserte Versionen
der klassischen Akumulatoren, vor allem der Bleiakkumulatoren und der alkalischen
Akkumulatoren, aufweisen, hat seine TJrsache nicht nur in effektiverem Elektrodenmaterial
mit besserer Struktur und höherer AktivitSt, sondern auch in verbesserten Elektrolytsystemen.
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Eine derartige Verbesserung besteht darin, daß der Elektrolyt zum
Zirkulieren gemacht wird, was eine bessere Kontrolle der thermischen Verhältnisse
in den Batterien, die Möglichkeit zur kontinuierlichen Reinigung und Konditionierung
des Elektrolyten und Ausgleichung der Konzentrationsdifferenzen usw. ergibt.. Vielfach
wird der Elektrolyt mittels einer Elektrolytpumpe zum Zirkulieren durch den Elektrolytraum
der Batterie gebracht. Das zur Zirkulation des Elektrolyten erforderliche System,
das Elektrolythilfssystem, welches also andere elektrolytfilhrende Teile der Batterie
enthalt als den Zwischenraum zwischen den Elektroden, umfaßt Behälter far den Elektrolyten,
Zirkulätionspumpe, Wärmeaustauscher, Vorrichtunz zur Prozeßkontrolle, Pegelmesser
usw. Derartige Elektrolythilfssysteme wurden erstmals filr Brennstoffbatterien und
Metalluftbatterien entwickelt, sind in letzter Zeit Jedoch auch für verbesserte
Versionen der klassischen Akkumulatoren,
besonders der bipolaren
Bleiakkumulatoren und der bipolaren alkalischen Akkumulatoren vorgescla .en und
entwickelt worden.
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Die Elektrolytzirkulation trägt in dem letzteren Fall zu erhöhter
Leistung bei, vor allem deshalb, weil Konzentrationsausgleichungen in der Elektrolytschicht
neben den Elektroden erzielt werden. Mit einem, in einem besonderen Elektrolytbehälter
verwahrten Teil des Elektrolyten, können die Elektroden auch naher aneinander anbeordnet
werden, eine Möglichkeit, die beispielsweise mit Vorteil bei Bleibatterien ausgenutzt
wird. Ein wesentlicher praktischer Äsnekt bei größeren, aus vielen Zellen bestehenden
Batterien ist der, daß notwendige Kontrollen von Menge und Zusammensetzung des Elektrolyts
durch die Zirkulation erleichtert werden, weil man die Messung an einem Punkt im
Elektrolythilfssystem anstatt in leder Zelle, vornehmen kann.
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Das hat z.D. große Bedeutung bei Batterien für Elektrofahrzeuge. Bekanntlich
befindet sich bei den heutigen Traktionsbatterien in jedem Zellengefäß ein Inspektionsloch
zur Kontrolle des Flüssigkeitsspiegels in der Zelle und zur Probeentnahme von Elektrolyt.
Bei einer größeren Batterie mit vielen 7.ellen ist diese Kontrolle ziemlich zeitraubend.
Dieser praktische Aspekt hat begreiflicherweise gleichgroße Bedeutung
auch
für die neueren Stromquellen wie Brennstoffbatterien und Metalluftbatterien.
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Eine Elektrolytzirkulation setzt natiirlich Ele1trolytverbindungen
zwischen den verschiedenen Zellengefäßen voraus.
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Brenn die Zellengefäße auf unterschiedlichem Potential liegen, entstehen
daher in den Elektrolytverbindungen sogenannte Leckströme. Die Leckströme, die also
eine kontinuierliche interne Belastung darstellen, tragen zur Selbstentladung bei
und vermindern den Leistungsgrad. Man versucht deshalb, die Leckströme niedrig zu
halten, z.B. indem man die Fläche verringert und die Länge der Elektrolytverbindungen
zwischen den Elektrolytrnumen auf unterschiedlichem Potential erhöht. Es ist vorgeschlagen
worden, durch Einblasen von Gas usw. gelegentliche tInterbrechungen in den Elektrolytverbindungen
herzustellen.
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Auch andere Methoden werden in der elektrochemischen Ingenieurtechnik
angewandt, um die Stromleckage zu reduzieren, z.B. mechanische Tropfenbilder, die
den Elektrolytfluß unterbrechen, intermittierend arbeitende Absperrventile usw.
Anlagetechnisch betrachtet, sind Elektrolythilfssysteme aufgrund der Punkt ionen
und nicht zuletzt infolge der Leckstromproblematik vielfach kompliziert, Batterien
mit besonderen Elektrolythiifssystemen erfordern
daher vielfach
ein größeres Volumen pro Zelleneinheit, ereben eine geringere Betriebssicherheit
und sind teurer in der Herstellung als konventionelle Batterien ohne besondere IIilfssysteme.
Dies ist der Preis, den man filr die Vorteile in Worm einer besseren Ausnutzung
des Elektrodenmaterials, einer höheren Leistungsentnahme, einer zulässigen hheren
Temperatur sowie einfacherer Überwachung bezahlen mu, Die vorliegende Erfindung
betrifft eine neue Form des genannten Elektrolythilfssystems und ergibt eine überraschend
einfache Lösung der oben angedeuteten Probleme, ohne daß auf die genannten Vorteile
der Elektrolythilfssysteme verzichtet werden muß.
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Gemäß der Erfindung zeichnet sich das Elektrolythilfssystem für ein
Verfahren,den Elektrolyten bei vorzugsweise in Stapelform aufgebauten Batterien
mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Zellen mit inneren Elektrolyträumen zwischen
den Elektroden, die mit äußeren Elektrolyträumen in Verbindung stehen, anzuordnen,
wobei der Elektrolyt zum Zirkulieren zwischen den äußeren und inneren Elektrolyträumen
durch Kanäle, Leitungen und andere in bekannter Weise Stromleckage begrenzende Verbindungsvorrichtungen
gebracht wird, dadurch aus, daß ein oder mehrere Batteriestapel mit inneren Elektrolyträumen
ihrerseits In Gefäßen angebracht sind, welche magere
Elektrolyträume
bilden und/oder enthalten.
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Bei einer Ausführungsform des Elektrolythilfssystems «eme der Erfindung
ist in mindestens einer Elektrolytleitung zwischen inneren und äußeren Elektrolyträumen
eine Leitun.gsunterbrechung angebracht.
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Gemäß der Erfindung ist es auch vorteilhaft,.daß mehrere Batteriestapel,
von denen jeder einzelnemehrere Zellen enthält, in einem gemeinsamen Gefäß angeordnet
sind, welches einen für den Stapel gemeinsamen äußeren Elektrolsytraum bildet, in
welchem das Elektrolytniveau variieren kann.
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Im folgenden werden weitere Einzelheiten und Vorteile anhand der Zeichnung,
in der beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 die heutige Technik mit inneren Elektrolyträumen in einem Batteriestapel
in Verbindung mit einem Elektrolytgefäß.
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Fig. 2 eine ähnliche Anordnung gemäß der Erfindung und Fig. 3 - 6
weitere Ausff1hrungsformen.
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Der Elektrolyt wird im allgmeinen in die inneren Elektrolyträume mlt
ftilfe einer Pumpe hineingepumpt, um nach r)urchlaufen
dieser Räume
wieder mit der äußeren in dem genannten Gefß angeordneten Elektrolytmasse vereinigt
zu werden. Der prinzipielle unterschied zwischen der Erfindung und der heutigen
Technik geht aus Fig. 1 und 2 hervor.
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Fig. 1 zeigt die heutige Technik mit Inneren Elektrolyträumen 1 in
einem Batteriestapel 2 in Verbindung mit einem Elektrolytgefäß 3, mit einem Elektrolyt
4, mittels einer Leckstrom begrenzenden Einlaufsleitung 5 mit der Zirkulationspumpe
6 und einer Leckstrom begrenzenden Ablaufleitung 7.
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Fig. 2 zeigt die gleichen Komponenten em der Erfindung angeordnet.
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Die E.lektrolytleitungen 5 und 7 sind schematisch in Fi. 1 und 2 angegeben.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, können diese Leitungen aus einem Hauntkanal 8 bestehen,
mit Nebenkanälen 9, welche später den Hauptkanal 8 mit den inneren Elektrolyträumen
vereinen. Diese Verbindungselemente können sowohl innerhalb als auch außerhalb des
Batterie stapels angeordnet sein oder in Kombinationsanordnung, z.B. mit dem Hauptkanal
R über dem Batterie stapel liegend mit Anschlilssen an die Nebenkanäle 9 als Element
im Batteriestapel.
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Stromleckage entsteht in den Verbindungen zwischen den
Elektroden,
zwischen welchen die Potentialdifferenz die öffnungsspannung für eine Zelleneinheit
übersteigt. Leckströme entstehen deshalb nur bei zwei oder mehreren in Reihe geschalteten
Zellen. Die Erfindung ist damit auf Batterien begrenzt, die aus mindestens zwei
in Reihe geschalteten Zellen bestehen in Kontakt mit einer gemeinsamen äußeren Elektrolytmasse,
weil Stromleckage begrenzende Verbindungen nur in diesen Fällen angeordnet werden.
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Man kann die Erfindung dahingehend auch so ausdrücken, daß, wenn man
den Batteriestapel absichtlich mit Elektrolytleckage punktiert, der austretende
Elektrolyt sich als Folge davon mit dem äußeren Elektrolyten im Gefäß bei praktisch
allen vorkommenden Betriebsbedingungen vereinigen würde. Die konstruktive Form von
Batteriestapeln und Gefäßen kann begreiflicherweise innerhalb weiter Grenzen, gleichsam
der Anordnung des Batteriestapels 2 in Gef§R 3, variieren.
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Fig. 3 zeigt einige-solche Variationen.
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Ein sehr großer Vorteil der Erfindung besteht unverkennbar darin,
daß der Batteriestapel nicht völlig dicht zu sein braucht, geringere Elektrolytleckage
durch die Abdichtflche im Stapel wird im Gefäß angesammelt und wird so dem Elel:trolyten
wieder zugefhrt. Dank dieser Tatsache braucht keine komplizierte geschweißte oder
beispielsweise mit O-Rinzen abgedichtete Konstruktion von Batteriestapeln verwendet
tru
werden, was von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist.
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Fig. 2 ist u.a. dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf 10 aus dem
inneren Elektrolytraum 1 silber dem Pegel liegt, welchen die Elektrolytmasse lt
in dem äußeren Elektrolytrahm 4 hat, was oftmals vorteilhaft ist. Ein niedriger
Elektrolytpegel ergibt z.B. einen guten Kontakt zwischen dem ausströmenden Elektrolyt
und der Gasphase im Zellengefäß, was beispielsweise zur Kühlung und/oder Entfernung
des Reaktionswassers bei Wasserstoffluftbatterien ausgenutzt werden kann.
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Ein Vorteil mit niedrigem Elektrolytpegel im Gefäß besteht darin,
da das Batterie system gekantet werden kann, ohne daß der äußere Elektrolyt Rand
und Deckel des Gefäßes erreicht und dort in Kontakt mit beispielsweise Stromschienen
usw. kommt, welche zweckmäßigerweise auf der Oberseite des Stapels angebracht sind.
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Der Batteriestapel kann indessen auch mehr oder weniger in den Elektrolyten
im Gefäß 11 (vgl. Fi. 2) versenkt sein, wie aus einigen Beispielen in den Fig. 3,
lt und 6 hervorgeht. Die Zirkulation zwischen inneren und äußeren Eletrolytrumen
kann in diesem Fall leicht durch Einblasen von Gas in die inneren Elektrolyträume
1 erreicht werden (3Sammutpumpeneffekt). Eine Pumpe 6 kann jedoch auch in diesem
Fall in der Einlaufleitung 5 angebracht sin.
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Es ist mdglich, mehrere Stapel in einem gemeinsamen Zellengefäß nebeneinander
und ilbereinand-er in verschiedenen Niveaus oder sogenannten Decks anzuordnen. Rs
kann oftmals praktisch sein, auch die Elektrolytpumpe und die Vorrichtungen für
Kühlung, Uberwachung usw. des Elektrolyten im Zellengefäß 5 anzubringen. Diese Komponenten
werden vielfach in einem besonderen Systembehälter, z.B. im oberen Teil des Zellengefäßes,
angebracht.
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Die Dimensionierung der Haupt- und NebenkanEle bei der Anordnung gemäß
Fig. 2 erfolgt in bekannter Weise, so daß die Leckströme auf einem annehmbaren niveau
gehalten werden, ohne daß Druckabfall und Pumparbeit belastend wirken. Diese Erfindung
gestattet eine überraschende und sehr bedeutende Vereinfachung dieser Verbindungsprobleme
dadurch, daß die Ablaufleitung 7 mit ihrem flauntkanal und Nebenkanälen zT;Jeck
mäßigerweise eliminiert werden kann, c1er Elektrolyt in den inneren Elektrolyträumen
kann in diesem Fall über die Öffnungen im oberen Teil der Elektrolyträume entweichen
und dann als film, Rinnsal oder in Tronfenform an der Außenseite des Stapels entlangfließen,
um sich mit dem Elektrolyten in Gefäß 3 zu vereinen.
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Die Außenseiten des Stapels sind zweckmäßigerweise mit Rillen usw.
versehen, um die Elektrolytstrome von den verschiedenen inneren Elektrolyträumen
zu trennen. Diese hesonders
zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung
ergibt mehrere bedeutende Vorteile. Die Leckströme können niedrig gehalten werden,
ohne daß man zu einer Druckabfall erzeugenden Flächenbegenzung der Ablaufkanäle
greifen muß. Dadurch erhält man auch größere Freiheit, die Einlaufleitung für niedrigere
Leckströme zu dimensionieren und eine-gleichmäßigere Elektrolytverteilung zwischen
den verschiedenen Elektrolyträumen im Batteriestapel, ohne dar die Pumnarbeit erhNht
werden muß, verglichen mit der Anordnung Fig. . 2.
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Der freie Ablauf am oberen Teil des Elektrolytraumes, der beinahe
als ein Randüberlauf angesehen werden kann, ist begreiflicherweise auch von großem
Vorteil bei der Aufladung von italluftbatterien, weil das gebildete Sauerstoffgas
dadurch schnell vom Elektrolyten abgeschieden wird. Gas im Elektrolyten infolge
von Gasentwicklung an den Elektroden oder Gasleckage durch Gasdiffusionselektrodlen
wie Luft-, Sauerstoffgas- und Wasserstoffgaselektroden, kann im übrigen vielfach
zur Blockierung der Ablaufleitungen für den Elektrolyten filhren, besonders bei
großen Batterien. Dies pflegt zu ernsthaften Betriebsst;rungen mit gasgefüllten
Elektrolyträumen zu fithren.
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Die Ausführungsform der Erfindung mit freiem Elektrolytablauf eliminiert
begreiflicherweise auf äußerst wirksame und einfach Art solcherlei Störunglen.