DE2458206C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen Generatorelementen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen GeneratorelementenInfo
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Description
andererseits der Hälfte
des Druckverlustes
im stromaufwärtsliegenden Modul (In,) ist,
— daß in Strömungsrichtung gesehen vor allen Moduln (Ii... 1m) mindestens ein Pumpe (10)
angeordnet wird, mi:, der für den vorbestimmten
DurchsatL (Di) ein Druckverlust (Po) hergestellt werden ka.1 1, der gleich der Summe
einerseits des vorbestimmten mittleren Drucks
(Pm) und andererseits der Hälfte (
I! A ρ
des
Druckverlusts im in Strömungsrichtung folgen- w
denModu)(li)ist.
2. Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, üaß sie
umfaßt
— einen Behälter (7) mit dem Medium (6), 4>
— mindestens eine sogenannte Zwischenpumpe (81), mit der der Druckverlust (ηΔρ) in dem in
Strömungsrichtung jeweils vorangehenden Modul (1|) ausgeglichen werden kann,
— mindestens eine Pumpe (9), die in Strömungs- ίο
richtung gesehen hinter allen Moduln (Ii... lm)
liegt und mit der für den vorbestimmten Durchsatz (Di) eine Druckdifferenz entwickelt
wird, die gleich dem Unterschied zwischen dem vorbestimmten mittleren Druck (Pm) einerseits r>
und der Hälfte
( '1
\ des Druckverlusts im
jeweils vorangehenden Modul (lro) andererseits
ist, so
mindestens eine Pumpe (10), die in Strömungsrichtung gesehen vor allen Moduln (l|...lm)
liegt und mit der für den vorbestimmten Durchsatz (Di)e\ne Druckdifferenz (Po) hergestellt
wird, die gleich der Summe des vorbe- »,-,
stimmten mittleren Drucks (Pm,) einerseits und
der Hälfte (^-~) des Druckverlusts im
jeweils in Strömungsrichtung gesehen nachgeordneten Modul (li) andererseits ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Medium (6) um
den Elektrolyten des elektro-chemischen Generators mit einem suspendierten Metallpulver handelt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metallpulver
um Zinkpulver handelt
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte mittlere Druck (Pm) einen Wert aufweist, der unter
dem Atmosphärendruck liegt
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren der
Pumpen (81 Sn,-1>
9. 10) über eine gemeinsame
Welle angetrieben werden.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren mit derselben
Geschwindigkeit angetrieben werden und unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten angetrieben werden und praktisch gleiche Abmessungen aufweisen.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Pumpen
(81 ...8m<_;9, 10) einem unabhängigen Antriebsmotor
zugeordnet ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (6), das
den letzten Modul (lm) verläßt, in den Behälter (7) zurückgeführt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsumlaufspeisung von elektro-chemischen Generatorelementen.
Sie betrifft weiterhin eine vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.
Elektro-chernische Generatoren mit Zwangsumlauf sind bereits und zur Zeit Gegenstand zahlreicher
Untersuchungen, die auf umweltbelastungsfreie Fahrzeuge abzielen.
Unter diesen Generatoren bieten insbesondere die Luft-Zink-Systeme im Hinblick auf eine solche Anwendung
ermutigende Aussichten.
Es sei kurz daran erinnert daß eine Elementarzelle eines solchen Generators einen katalytischen aktiven
Teil uinfaßt, in dem eine alkalische Lösung fließt, die
suspendiertes Zinkpulver enthält; tritt ein solcher aktiver Teil mit Luft in Berührung, so wird das Zink
oxydiert, woraus sich eine elektromotorische Kraft ergibt.
Zur Bildung eines elektro-chemischen Generators ist es also notwendig, elektrisch und flüssigkeitsmäßig
solche Elementarzellen oder Elemente untereinander zu verbinden.
Im allgemeinen werden die Elemente in Serie mit Hilfe von Pumpen mit der alkalischen Lösung versorgt
und elektrisch in Reihe geschaltet.
Auf diese Weise werden Elementegruppen oder Moduln hergestellt, die jeweils eine begrenzte Anzahl
von Elementen enthalten, und es ist natürlich möglich, solche Moduln untereinander zu verbinden, um einen
Generator mit bestimmten elektrischen Nominalwerten zu schaffen.
Solche Gruppen müssen folglich mit einer vorbestimmten alkalischen Lösungsmenge versorgt werden,
deren Wert insbesondere von den Abmessungen der Elemente und von den physikalischen Merkmalen der
Lösung abhängt.
Darüber hinaus muß der mittlere Druck dieser Lösung innerhalb bestimmter Grenzen bleiben, die
insbesondere durch den Druck der Umgebung, in diesem Fall der Atmosphäre, bedingt werden; auf jeden
Fall muß der unmittelbare Druck unter dem Atmosphärendruck liegen, denn der Druckunterschied zwischen
der Atmosphäre und der alkalischen Lösung muß so sein, daß die Luft in allen Elementen mit dem katalytisch
aktiven Teil, der in den Elementen vorhanden ist, in Berührung treten und so die elektro-chemischen
Reaktionsvorgänge auslösen kann.
Ferner ist es in solchen Generatoren notwendig, zu Beginn die Elemente rasch mit der Lösung auszufüllen
und während des Betriebs darüber hinaus zu vermeiden, daß die Speisepumpen versehentlich anhalten und so
eine Herabsetzung oder sogar Unterbrechung der elektrischen Energieproduktion nach sich ziehen.
Mit der Erfindung ist es möglich, die. vorgenannten Nachteile zu vermeiden. Sie bezieht sich auf ein
Verfahren, mit dem eine Vielheit von elektro-chemischen Generatorelementen der Reihe nach mit einer
Lösung mit einem vorbestimmten Durchsatz und einem konstanten mittleren Druck versorgt werden können,
wobei lediglich ein minimaler Energieverbrauch auftritt und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet wird.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur seriellen Zwangsumlaufversorgung von mehreren elektro-chemischen
Generatorelementen mit einem Medium gemäß einem vorbestimmten Durchsatz und unter
einem vorbestimmten und konstanten mittleren Druck, wobei der Generator in einer Bauart ausgeführt ist, bei
der die Elemente in Gruppen oder Moduln zusammengefaßt sind, von denen jeder dieselbe Anzahl von
Elementen umfaßt, und wobei das Verfahren insbesondere darin besteht, zwischen jedem Modul und dem in
Ström\.ngsrichtung jeweils folgenden Modul mindestens eine sogenannte Zwischenpumpe anzuordnen, mit
der im in Strömungsrichtung vorausgehenden Modul auftretende Druckverluste ausgeglichen werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
— oaß in Slrömungsrichtui.g gesehen hinter allen
Moduln mindestens eine Pumpe angeordnet wird, die für den vorbestimmten Durchsatz einen Druck
entwickeln kann, der gleich dem Unterschied zwischen eine>seits dem vorbestimmten mittleren
Druck und andererseits der Hälfte des Druckverbotes im stromauf ivärtsliegenden Modul ist,
— daß in Strömungsrichtung gesehen vor allen Moduln mindestens eine Pumpe angeordnet wird,
mit der für den vorbestimmten Durchsatz ein Druckverlust hergestellt werden kann, der gleich
der Summe einerseits des vorbestimmten mittleren Drucks und andererseits der Hälfte des Druckverlustes
im in Strömungsrichtung folgenden Modul ist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, in der dieses Verfahren angewendet wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Speisung von
Elementen eines elektro-chemischen Luft-Zink-Generators beschrieben; selbstverständlich gilt die Erfindung
analog auch für r/.t anderen Lösungen und Metallpulvern arbeitende elektrochemische Generatoren,
Die Beschreibung erfolgt an Hand der beiliegenden drei Figuren."
F i g. 1 zeigt den Aufbau eines aus Elementen gebildeten Moduls.
F i g. 2 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar. F i g. 3 stellt die Kennlinien der erfindungsgemäß
eingesetzten Pumpen dar.
In F i g. 1 ist also ein Modul 1 zu sehen, der aus einer
K) bestimmten Anzahl π von praktisch untereinander gleichen Elementen 2 besteht, die in Serie mit einer
Kalilösung versorgt werden, die suspendiertes; Zinkpulver enthält; diese Versorgung erfolgt durch Leitungen 3
und wird durch Pfeile Fangedeutet Elemente dieser Bauart werden beispielsweise in der
deutschen Patentanmeldung P 22 62 170 vom 19. Dezember 1972 beschrieben.
Es sei daran erinnert, daß jedes der Elemente 2 ein negatives Kollektor-Gitter a, einen porösen Separator
b, eine poröse katalytisch aktive Schicht c sowie ein positives Kollektor-Gitter d umfaßt, das in eine
wasserabweisende poröse Su-icht e eingehüllt ist.
Solche Elemente werden über ib-e gesamte Länge hinweg von der Kalilösung und dem darin suspendierten
2ϊ Zink in der angegebenen Weise durchflossen, und die
elektro-chemische Oxydation des Zinks durch die Außenluft erzeugt zwischen den Gittern a und d eine
elektromotorische Kraft. Die dargestellten Elemente sind mit Hilfe von Leitern 4 elektrisch in Reihe
geschaltet und die durch einen solchen Modul erzeugte elektro-motorische Kraft wird an den äußeren Anschlußklemmen
5 abgenommen.
Die Anzahl der Elemente 2 in einem Modul ist aufgrund der in diesen Elementen durch die Lösungsströmung
hervorgerufenen Druckverluste begrenzt.
Wenn mit Ap der Druckverlust in einem Element bezeichnet wird, so beträgt im Modul 1 der Druckverlust
ηΔρ, wobei η die Anzahl der Elemente des Moduls darstellt.
Folglich ist der Druck in demjenigen Element des Moduls, das in Strömungsrichtung am weitesten
entfernt liegt, geringer als in allen davorliegenden Elementen, und es ist notwendig, diesen Druck nicht
unter bestimmte Grenzen abfallen zu lassen, damit die 4-, Außenluft mit der katalytischen Schicht c noch in
Berührung kommen und das Zink oxydieren kann. Es ist also verständlich, daß der Wert für π durch diesen
Sachverhalt begrenzt ist.
Es ist notwendig, daß der mittlere Druck Pm der Lösung in einem Modul innerhalb bestimmter Grenzen
bleibt und gleichzeitig geringer ist als der Atmosphärendruck.
In Fig. 2 wird ein elektro-chemischer Generator dargestellt, der aus mehreren Moduln 1,, I2, !3..· Im
besteht, die praktisch gleich sind und mit einer suspendiertes Zinkpulver enthaltenden Kp.lilösung 6
versorgt werden; eine solche Lösung befindet sich im Behälter 7.
Zwischen je 2 der Moduln ist eine Zwischenpumpe 81,
bo 82,... 8m_i "orgesehen, während in Strömungsrichtung
gesehen hinter dem letzten Modul lm eine Pumpe 9 und
in Strömungsrichtung gesehen vor dem ersten Modul Ii
eine Pumpe 10 angebracht ist.
Die Pumpen 8,, 82. -. 8m_ 1 weisen praktisch alle
bo untereinander gleiche Kennlinien auf, während die
Pumpen 9 ui H 10 unterschiedliche Kennlinien haben,
wie es im folgenden genauer erläutert wird. Alle diese
Pumpen können über eine gemeinsame Welle oder
getrennt angetrieben werden.
In F i g. i wird das Diagramm für den Druck ρ und den
Durchsalz D der eingesetzten Pumpen dargestellt. Dabei zeigt die Kurve I die Kennlinie der Zwischenpumpen
8i, 82... 8,„_,· die Kurve Il die Kennlinie der
Pumpe 9 und die Kurve III die Kennlinie der Pumpe 10.
Wird mit Di der nominale Kalilösungs· und Zinkdurchsatz in den Elementen bezeichnet, so ist dieser
Durchsatz natürlich in Abhängigkeit insbesondere von der Abmessung der Elemente und den physikalischen
Eigenschaften der Lösung selbst vorbestimmt. Darüber hinaus ergibt sich, wie bereits gesagt, in jedem der
Moduln ein Druckverlust ηΔρ, und darüber hinaus ist es
notwendig, daß zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Inneren eines jeden Moduls eine miulerc
Druckdifferenz Pm herrscht, damit die Luft die aktive
Schicht cjedes der Elemente erreichen kann: dabei wird der Atmosphärendruck als Ausgangsdruck genommen
ijnri fnlglirh der Wert 0 dafür angenommen.
Die Pumpen 8t. B2 8 „ ■, sorgen jede für den
Ausgleich des Druckverlustes ηΔρ in jedem in Strömungsrichtung gesehen jeweils vorhergehenden
Modul, und in F i g. 3 ist /u sehen, daß der Abstand A-Di
gleich n/lpist.
Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß der Druck an Eingang eines Moduls - Pn und am Ausgang
-(Po+ nAp)bwnfi\.
Der mittlere Druck Pm in einem Modul beträgt also
praktisch
Pm
11 Λ ρ
Die Pumpe 9 muß die Lösung zum Außenmilieu, d. h. in
den Behälter 7 transportieren und daher einen Druck Po+ ηΔρ liefern, was durch den Abstand B-Di in F i g. 3
symbolisiert wird, dieser Druck ist im übrigen gleich
η .1 ρ
Die Rolle der Pumpe 10 ist die folgende:
Beim Einschalten sind die Moduln 1 ■. ... 1 -, luftgefüllt.
lli-jr/u : Wm
und es ist notwendig, die Pumpen 8, ... 8,„ 1 und 9
einzuschalten. Betrachtet man daher die Kurve III. so
sieht man, daß die Pumpe 10 eine Anlaufleistung bis zum Punkt Dk erbringt, bei dem die übrigen Pumpen
nacheinander in Betrieb genommen werden. In diesem Augenblick wird die Kennlinie ρ (D) der Pumpe 10
negativ, was für den nominalen Durchsatz D/durch den Punkt Cdargestellt wird. Die Pumpe 10 ist so aufgebaut,
daß der Abstand DiC für den Durchsatz Di genau gleich dem Abstand A-B ist, d.h.. —Po oder auch
Pm+ηΔρ; folglich erzeugt sie in diesem Augenblick
euH'n Druckverliist Po im gesamten Kreislauf und somit
den für den Betrieb der Elemente notwendigen mutieren Druck Pin. Es sei weiterhin darauf hingewiesen,
daß im Abschnitt Dk-Cdcr Kurve 111 die Pumpe 10
theoretisch keine Energie verbraucht, da sie einen Druckverlust herstellt.
|edes zum falschen Zeitpunkt erfolgende Ausfallen irgendeiner Pumpe würde einen Durchsatzrückgang
und das Einspringen der Pumpe IO nach sich ziehen, durch die ein solcher Fehler unverzüglich behoben wird:
dabei wird die Kennlinie der Pumpe dann positiv.
Mit dein erfindungsgemäßen Verfahren und der
erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also bei einem konstanten Druckunterschied zwischen dem mittleren
Druck und dem äußeren Milieu und unter gleichzeitigem Ausgleich der Druckverluste und Verhindern von
Pumpenausfällen die Versorgung aller Elemente erreicht.
Als Beispiel für eine Ausführungsform werden vier Moduln mit jeweils zwölf Elementen elektrisch und
flüssigkeitsmäßig iii Reihe geschaltet.
Der so gebildete Generator liefert eine Spannung von 48 Volt und eine Leistung von i kW.
Die oben definierten Parameter sind dabei:
Po | 40 Millibar |
Δρ | 10 Millibar |
ηΔρ | 120 Millibar |
Pm | = -100 Millibar |
Der nominale Lösungsdurchsatz ist dabei etwa 1 m' pro Std.
Claims (1)
1. Verfahren zur seriellen Zwangsumlaufversorgung von mehreren elektrochemischen Generatorelementen
mit einem Medium gemäß einem vorbestimmten Durchsatz und unter einem vorbestimmten
und konstanten mittleren Druck, wobei der Generator in einer Bauart ausgeführt ist, bei der
die Elemente in Gruppen oder Moduln zusammen- ι ο gefaßt sind, von denen jeder dieselbe Anzahl von
Elementen umfaßt, und wobei das Verfahren insbesondere darin besteht, zwischen jedem Modul
und dem in Strömungsrichtung jeweils folgenden Modul mindestens eine sogenannte Zwischenpumpe
anzuordnen, mit der im in Strömungsrichtung vorausgehenden Modul auftretende Druckverluste
ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet,
— daS in Strömungsrichtung gesehen hinter allen
Muduln (li...lm) mindestens eine Pumpe (9)
angeordnet wird, die für den vorbestimmten Durchsatz (Di) einen Druck entwickeln kann,
der gleich dem Unterschied zwischen einerseits dem vorbestimmten mittleren Druck (Pm) und
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Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |