DE2252401A1 - Vorrichtung in einer galvanischen batterie zum bilden von elektrolyt - Google Patents

Description

PATENTANWALTSBÜRO ThOMSEN - TlEDTKE - BüHllNG22524Q1

TEL. (OiH) 530311 TELEX: (-24 303 topit

βίο««

PATENTANWÄLTE München: Frankfurt/M.: Dipl.-Chem.Dr.D.Thomten Dipl.-Ing. W. Welnkiuff

Dipl.-Ing. H. Tledtke (Fuchthohl 71) Dlpl.-Chem. Q. Bühllng Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 MUnchen 2

Kaiser-Ludwig-Platze 25, Oktober 1972

Puolustusministeriö
Helsinki (Finnland)

Vorrichtung in einer galvanischen Batterie zum Bilden von Elektrolyt

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bilden von Elektrolyt in einer galvanischen Batterie, deren Zellsystem aus am geeignetsten bipolaren Elektrodenplatten, beispielsweise aus Zink und Kohle bestehend, besteht und in welches Batteriezellensystem Elektrolyt durch einen Einlaufkanal hineingespeist wird, wobei der besagte Elektrolyt aus unter Einfluß einer Druckquelle in die Batterie hinein gespeistem Wasser und aus Chrom- und Schwefelsäure

309822/0756

zusammengesetzt wird, wobei sich die Chromsäure aus Chromtrioxyd oder aus einem Salz der sechswertigen ChromsHure bildet, wenn sich diese in Wasser lösen. Wenn in der nachstehenden Darstellung allgemein von Chromverbindungen die Rede iat, sind damit gerade die obengenannten, Chromtrioxyd und Salze der sechswertigen Chromsäure, gemeint.

In einer Zahl von Anwendungsobjekten von Batterien, wie z.B. in Flugzeugen, gesteuerten Geschossen« Torpedos, verschiedenartigen Reservekraftanlagen und besonders in Anlaßaufgaben, wird eine Batterie benötigt, die eine hohe Leistung bei kurzer Betriebsdauer hat und die zugleich leichtes Gewicht und gute Lagerbeständigkeit aufweist. Ferner wird verlangt, daß die Spannung der Batterie die ganze Betriebsdauer hindurch trotz hoher Belastung im wesentlichen konstant ist.

In den oben angegebenen Verwendungszwecken sind verschiedenartige Batterien zuvor bekannt, die beim Einsetzen des Leistungsbedarfs aktiviert werden, indem man das Zellensystem der Batterie mit Elektrolyt füllt und den Elektrolyten zwingt, im Zellsystem zu zirkulieren. Vor Ingebrauchnahme ist die Batterie trocken, womit sie gute Lagerbeständigkeit hat. Ein Beispiel einer diesartigen Batterie liefert die in elektrischen Torpedos verwendete Seewasserbatterie mit Magnesium und Silberchlorid als Elektroden und Seewasser als Elektrolyt. Ein weniger kostspieliger Batterietyp ist derjenige, in dem Zink oder ein entsprechendes Netall die negative und Kohle die positive Elek-

309822/0756

trode darstellt und worin ein Gemisch von Schwefel- und Chromsäure als Elektrolyt dient. Verschiedenartige Batterien der oben besprochenen Art sind u.a. in der finnischen Patentschrift 37 338 (der USA-Patentschrift 3 498 845 entsprechend) und in den USA-Patentschriften 2 921 111 und 3 247 o24 angegeben.

Von den oben genannten Patentschriften gibt die USA-Patentschrift 2 921 111 eine Batterie an, in der als Elektrolyt eine Lösung von Wasser sowie Chrom- und Schwefelsäure dient, und in dieser Batterie wird die Chromsäure in einem besonderen Behälter gebildet, der eine Chromverbindung enthält, indem in diesen Behälter Wasser eingespeist wird, welches die Chromverbindung löst, wodurch Chromsäure gebildet wird. Dieser zuvor bekannte Behälter zum Bilden von Chromsäure enthält eine Anzahl in geringem Abstand voneinander liegende Sperrplatten, so daß im Behälter ein Strömungskanal mit im Vergleich zur Gesamtquerschnittsfläche des Behälters geringem Querschnitt entsteht, worin das die Chromverbindung auflösende Wasser eine recht hohe Strömungsgeschwindigkeit annimmt. Ein Nachteil bei einem Chromsäure-Bildungsbehälter dieser Art ist, daß die Konzentration der entstehenden Chromsäure nicht konstant ist, denn mit abnehmender Menge der Chromverbindung verringert sich der Widerstand des Strömungskanals und die in der Zeiteinheit durchfließende Wassermenge nimmt zu, damit einen Herabgang der Konzentration der gebildeten Chromsäure verursachend. Offenbar, teilweise aus diesem Grunde ist man bei der Batterie nach der USA-Patentschrift 2 921 111 genötigt worden spannungsempfindliche Regel-

309822/0756

vorrichtungen sowie ein Ventil anzuwenden, welches die Menge des in der Zeiteinheit durch den Chromsäure-Bildungsbehälter hindurchfließenden Wassers im wesentlichen konstant hält. Der erste Zweck der vorliegenden Erfindung ist, einen solchen Chromsäure-Bildungsbehälter hervorzubringen, aus dem man Chromsäure mit gleichbleibender Konzentration gewinnt, solange eben die Chromverbindung im Behälter ausreicht, ohne zu diesem Zweck besondere Regelvorrichtungen einsetzen zu müssen. Ein zweiter Zweck ist, einen solchen Bildungsbehälter zu erzielen, der sehr stark variierende Form haben-kann, so daß man als Behälter die nach Unterbringung der übrigen Vorrichtungen der Batterie übrigbleibenden Räume verwenden kann, und zwar mit dem Zweck, eine völlig gedrängte Bauweise der gesamten Batterie zu erzielen. Ferner hat die Erfindung den Zweck, einen Bildungsbehälter zu erzielen, der, indem er eine inaktive Chromverbindung enthält, die Lagerhaltung sehr gut verträgt und nicht der Korrosion preisgegeben ist.

Man erreicht die Ziele der Erfindung und vermeidet die oben angeführten Nachteile mittels einer Vorrichtung, die in der Hauptsache dadurch gekennzeichnet ist, daß die Batterie zum Bilden von Chromsäure einen Behälter aufweist, der mit Chromtrioxyd oder mit einem Salz der sechswertigen Chromsäure gefüllt ist, und daß in den oberen Teil des Behälters Wasser eingespeist wird, das beim langsamen Abwärtsfließen im Behälter Chromverbindung auflöst, so daß die Konzentration im Behälter in der Richtung nach unten zunimmt, und daß die Chromsäure zur Speisunq

309822/0756

des Batteriezellensystems aus dem unteren Teil des Behälters entnommen wird.

Die Erfindung wird eingehend mit Hinweis auf die in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Figur 1 zeigt das Prinzipschema der Batterie einschließlich aller Vorrichtungen;

Figur 2 zeigt ein gedrängt gebautes Ausführungsbeispiel der Batterie im Schnitt und ist zugleich der Schnitt längs der Linie II-II in Figur 3. Figur 3 zeigt den Schnitt längs der Linie III-III in Figur 2.

Figur 4 gibt die Konzentration C der aus einem Bildungsbehälter nach der Erfindung gewonnenen Chromsäure als Funktion der Zeit wieder (Kurve A). Ferner ist in Figur 4 diejenige Konzentration der Chromsäure dargestellt, die mit Hilfe einer Anlaßpatrone erzielt wird (Kurve B), ebenso die Summenkurve C der Kurven A und B.

Die Batterie nach dem Ausführungsbeispiel besteht aus einem Batteriezellensystem 1, das mit bipolaren Zink-Kohle-Elektrodenplatten 31 versehen ist, in deren Zwischenräume Elektrolyt durch den Einlaufkanal 19 hindurch eingeführt wird. Nach einmaligem Durchkreisen des Batteriezellensystems wird der verbrauchte Elektrolyt aus dem Batteriezellensystem in den

309822/0756

Abflußkanal 13 geleitet, der durch einen Wärmeaustauscher 2 hindurchgeht, so daß der verbrauchte Elektrolyt als Wärmeabgeber in dem Wärmeaustauscher 2 dient. Der Erfindung gemäß wird in der Batterie nur eine Druckquelle 3 benötigt, mittels welcher Wasser in die Batterie zum Verdünnen des Elektrolyts und zu seiner Speisung eingespeist wird. Als Druckquelle 3 kann beispielsweise eine Pumpe dienen, die gänzlich z.B. in Torpedos oder sonstigen in Wasser laufenden Anwendungsobjekten der Batterie durch Vorrichtungen ersetzt werden kann, die einen Staudruck erzeugen. Selbstverständlich kann als Druckquelle sowohl eine Pumpe als auch Staudruck in Kombination verwendet werden.

Nach der Druckquelle 3 verzweigt sich der Wasserspeisekanal in zwei Zweige, von denen der erste Zweig 11 am Wärmeaustauscher 2 vorbeigeht und der zweite Zweig durch den Wärmeaustauscher 2 hindurchgeht. Im Wärmeaustauscher 2 geht in das Speisewasser Wärme aus dem verbrauchten und im Batteriezellensystem 1 erwärmten Elektrolyten über. Zum Regeln der Proportion der durch den Wärmeaustauscher 2 hindurchgehenden und der an ihm vorbeigeleiteten Wassermenge und zum Konstanthalten der Temperatur dient als Regelventil 4 ein Dreiwegventil, das mittels eines Arbeitsglieds 5 geregelt wird, welches seinerseits von einem Elektrolyttemperatur-Fühlglied 6 gesteuert wird, welches die Temperatur des Elektrolyten beispielsweise im Elektrolyt-Einlaufkanal 19 mißt. Die vorerwähnten Zweige 11 und 12 des Wasserspeisekanals vereinigen sich nach dem Regelventil zum

309822/0756

Speisekanal 14, der sich seinerseits zu zwei Zweigen verzweigt, von denen der erste Zweig 15 den Elektrolytbehältem7 und 8 und der der zweite Zweig 16 dem Elektrolyt-Einlaufkanal 19 zugeführt wird. Das Regelventil 4 kann ebensogut auch vor dem Wärmeaustauscher 2 liegen.

Im Ausführungsbeispiel sind zwei Elektrolytbehälter 7 und 8 vorgesehen, von denen der eine, 7, Schwefelsäure und der andere, 8, eine Chromverbindung enthält, wie z.B. Chromtrioxyd, woraus Chromsäure entsteht, wenn es sich im Speisewasser löst. Die Schwefelsäure befindet sich im Behälter 7 in einem aus geeignetem Material bestehenden zusainmendrückbaren Beutel, aus dem der Wasserdruck Schwefelsäure durch das Speiserohr 17 hindurch in den Zweig 16 des Wasserspeisekanals treibt. Der Zweig 15 des Wasserspeisekanals leitet Wasser auch in den Chromverbindung enthaltenden Behälter 8, und die hier entstehende Chromsäure wird durch das Speiserohr 18 in den Zweig 16 des Wasserspeisekanals geleitet. In den Elektrolytspeiserohren 17 und 18 sowie im Anfangsabschnitt des Zweigs 16 des Wasserspeisekanals befinde η sich Strömungsdrosseln 22, 23 bzw. 21,mittels welcher erstens die Druckverteilung in den Kanälen so eingerichtet wird, daß die Elektrolytkomponenten überhaupt aus ihren Behältern 7 und 8 in den Zweig 16 des Speisekanals fließen. Ein zweiter Zweck der Strömungsdrosseln 21, 22 und 23 ist der, daß mittels derselben die Verhältnisse der verschiedenen in den Einlaufkanal 19 eingespeisten Komponenten des Elektrolyts untereinander und die Konzentration des Elektrolyts mit hinreichender Genauigkeit kon-

309822/0 7 56

stant gehalten werden. Im Zweig 14 des Wasserspeisekanals 1st ein Druckausgleichsventil 25 vorgesehen, das den Speisedruck des Wassers konstant hält, selbst wenn der Druck der Druckquelle 3, wie z.B. der Staudruck, gar beträchtlich variieren sollte.

Um das Arbeiten der Batterie einzuleiten, befindet sich in der Batterie ein Initialelektrolytbehälter 9, in dem sich in diesem Fall eine fertige Mischung von Schwefel- und Chromsäure befindet. Zum Eintreiben des Initialelektrolyts in das Batteriezellensystem 1 ist ein besonderer Druckbehälter Io vorgesehen, unter dessen Druckwirkung nach erfolgtem öffnendes Ventils 24 der Initialelektrolyt in das Batteriezellensystem 1 geht.

Der Erfindung gemäß hat die Batterie zum Bilden von Chromsäure einen Behälter 8, der mit einer Chromverbindung, am geeignetsten mit Chromtrioxyd, gefüllt ist. In den oberen Teil dieses Behälters 8 wird Wasser eingespeist, das langsam abwärts fließen darf. Hierbei löst das Wasser Chromverbindung auf und es entsteht Chromsäure, deren Konzentration im Behälter 8 in der Richtung nach unten zunimmt, da die Dichte der Chromsäure (etwa 1,7 g/cm ) größer als die des Wassers ist. Im Behälter 8 ist der Strömungsquerschnitt recht groß, womit sich entsprechendermaßen eine sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeit einstellt, und es befinden sich im Behälter 8 keinerlei die Strömungsgeschwindigkeit erhöhende Strömungskanäle. Die entstandene Chromsäure wird durch das Speiserohr 18 aus dem

3090?2/0756

unteren Teil des Behälters 8 abgezogen, wo ihre Konzentration am höchsten ist.

Wie man aus der experimentell erhaltenen Kurve A in Figur 4 ersieht, ist die Konzentration C der aus einem Bildungsbehälter 8 der oben beschriebenen Art gewonnenen Chromsäure überraschenderweise konstant solange in dem Behälter Chromverbindung vorhanden ist. Die Konzentration C der aus dem Behälter 8 bezogenen Chromsäure erreicht ihre volle Höhe (etwa 1,7 g/cm ) etwa 3o Sekunden nachdem man begonnen hat, Wasser in den Behälter einzuleiten. Entsprechenderweise sinkt in der Endphase der Tätigkeit des Behälters 8 die Konzentration C von ihrer vollen Höhe auf nahezu Null in nur 15 Sekunden ab, womit es sich versteht, daß die Chromverbindung im Behälter 8 im wesentlichen restlos ausgenutzt werden kann.

Im Zweig 16 des Wasserspeiserohrs kann man bei Bedarf schneller Anlassung eine Chromverbindungspatrone 26 einsetzen. Wenn das Wasser die Chromverbindungspatrone 26 durchströmt, entsteht Chromsäure, zu Beginn mit recht hoher Geschwindigkeit, die mit dem Aufbruch der Patrone 26 abnimmt. Die Konzentration C der aus der Chromverbindungspatrone 26 erhaltenen Chromsäure gibt in Figur 4 die Kurve B wieder. Die Patrone 26 ist so bemessen, daß man in der Initialphase durch die Gesamtwirkung derselben und des Behälters 8 eine im wesentlichen konstante Chromsäurekonzentration (Kurve C in Figur 4) des in den Einlaufkanal 19 gespeisten Elektrolyts erzielt. Nachdem in der Wirkungsweise des Behälters 8 der Stationärzustand erreicht worden ist, ist auch

309822/0756

- Io -

die Patrone 26 aufgebraucht.

In Figur 2 und 3 ist ein Konstruktionsbeispiel der Batterie bei Verwendung eines Chromsäure-Bildungsbehälters θ nach der Erfindung dargestellt. In diesen Figuren ist der Schwefelsäureraum mittels Kreuzschraffierung, der Chromverbindungsraum mittels schräger Schraffierung und der Initialelektrolytrauin
mittels unterbrochener Schrägschraffierung angezeigt. Die Batterie mitsamt ihren verschiedenen Vorrichtungen ist in ein Gehäuse eingeschlossen, das einen zylindrischen Mantel 27 und einen ebenen Endteil 28 hat. Am anderen Ende befindet sich eine Öffnung, von einem Deckel 29 verschlossen, mittels dessen mit Hilfe eines Konsolenkörpers 34 das Zellensystem 1 der Batterie in dem Gehäuse befestigt wird. Im oberen Teil des Gehäuses ist mittels Trennwänden 32 der Raum für den Schwefelsäurebehälter 8 abgetrennt. Die Schwefelsäure befindet sich in diesem Behälter 8
in einem aus zusammendrückbarem Material bestehenden Beutel
33. Im Gehäuse befindet sich unterhalb des Schwefelsäurebehälters 8 in seinem Schutzgehäuse 3o das Zellensystem 1 der Batterie, das aus Elektrodenplatten 31 besteht. Unterhalb des Zellensystems 1 ist der Wärmeaustauscher 2 mit rohrförmigen! Mantel
sowie die Chromverbindungspat rone 26 angeordnet. Der Initialelektrolytbehälter 9 ist am einen Rand des Endteils 28 ausserhalb des Gehäuses befestigt. Der Endteil 28 hat an seinem unteren Rande eine Verstärkung 36 für die zum Behälter 8 führenden gebohrten Kanäle. Alle übrigen im Innern des Gehäuses liegenden Räume sind mit Chromverbindung gefüllt, um den Chromsäure-Bildungsbehälter 8 zu erzeugen, und in die Chromverbindungs-

309822/0756

räume wird Wasser in der oben dargestellten Weise in den oberen Teil des Behälters geleitet, und entsprechenderweise wird die gebildete Chromsäure dem unteren Teil des Behälters 8 durch das Rohr 35 entnommen, welches mit Perforierung versehen ist und sich wesentlich über die gesamte Länge des Behälters 8'erstreckt. Auf diese Weise ist eine äusserst gedrungene Bauart der Batterie erzielt worden, in der aller Raum nützlich verwertet worden ist. Die vorstehend beschriebene Konstruktion eignet sich zur Anwendung beispielsweise als Energiequelle eines elektrischen Torpedos und sie hält gut die Stöße aus, die sich z.B. ergeben, wenn man das Torpedo ins Wasser hinabfallen läßt.

Fernerhin stellt die Batterie einen Teil des Torpedos derart dar, daß alle Teile in einen Raum mit gleichmäßigem Druck gebracht worden sind, der nicht äusseren Druckschwankungen ausgesetzt ist.

3098 2 2/0756

Claims (4)

12 . 2252A01 Patentansprüche

1. Vorrichtung in einer galvanischen Batterie zum Bilden von Elektrolyt, in welcher Batterie das Zellensystem aus am geeignetsten bipolaren Elektrodenplatten besteht_f die z.B. aus Zink und Kohle bestehen, und welchem Batteriezellensystem Elektrolyt durch einen Einlaufkanal hindurch zugeführt wird, wobei besagter Elektrolyt aus unter der Wirkung einer Druckquelle der Batterie zugeführtem Wasser und Chrom- und Schwefelsäure besteht, wobei die Chromsäure aus Chromtrioxyd oder aus einem Salz der sechswertigen Chromsäure gebildet wird, wen sich diese in Wasser lösen, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie zum Bilden von Chromsäure einen Behälter (8) hat, der mit Chromtrioxyd oder mit Salz der sechswertigen Chromsäure gefüllt ist, und daß in den oberen Teil des Behälters (8) V/asser gespeist wird, das beim langsamen Abwärtsfließen im Behälter (8) besagte Chromverbindungen auflöst, so daß die Konzentration der entstehenden Chromsäure im Behälter in der Richtung nach unten ansteigt, und daß die dem Batteriezellensystem (1) zuzuführende Chromsäure dem unteren Teil des Behälters (8) entnommen wird.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung der erforderlichen Chromsäurekonzentration beim Anlassen der Batterie (Figur 4) in dem zum Elektrolyt-Einlaufkanal (19) führenden Zweig (16) des Wasserspoiserohrs eine Chromvcrbindungspatrone (26) angeordnet ist, bei deren Wasserdurchströmung Chromsäure entsteht.

309H7 2/07S6 BAD ORIGINAL

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellensystem (1) der Batterie und der Schwefelsäurebehälter (7) und eventuell sonstige Glieder der Batterie im Inneren des Chromverbindung enthaltenden Behälters (8) untergebracht sind, während die übrigbleibenden Räume des Behälters (8) mit Chromverbindung gefüllt sind»

4. Batterie nach Anspruch 3, die insbesondere zu Anwendung als Energiequelle für elektrische Torpedos beabsichtigt

ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie in einem Gehäuse (27, 28, 29) angeordnet ist, in dessen Innerem sich ein Schwefelsäurebehälter (7) befindet, in dem die Schwefelsäure sich in einem aus geeignetem Material bestehenden zusammendrückbaren Beutel (33) befindet, und daß sich im Gehäuse (27, 28, 29) das Batteriezellensystem (1) in seinem Schutzgehäuse (3o) befindet, während die übrigbleibenden Räume des Gehäuses (27, 28, 29) einen mit Chromsalz gefüllten Behälter (8) zum Bilden von Chromsäure bilden.

309822/0756

Leerseite