DE2458206C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen Generatorelementen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen Generatorelementen

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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)

Patentansprüche:
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
DE2458206A 1973-12-11 1974-12-09 Verfahren und Vorrichtung zur Zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen Generatorelementen Expired DE2458206C2 (de)

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