DE2460287C3

DE2460287C3 - Vorrichtung zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen, die bei Ladungsvorgängen einer Batterie entstehen

Info

Publication number: DE2460287C3
Application number: DE2460287A
Authority: DE
Inventors: Masaru Mukou Kyoto Watanabe
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1974-12-19
Publication date: 1984-12-20
Also published as: DE2460287A1; DE2460287B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen, die bei Ladungsvorgängen einer Batterie entstehen, mit einem Katalysatorkörper und einer Kondensationsglocke, welche den Katalysatorkörper unter Bildung eines Rekombinationsraumes umgibt und an ihrem unteren, der Batterie zugekehrten Ende zur Aufnahme der zu rekomb'nierenden Gase und zur Abgabe des durch die Rekombination entstandenen Wassers offen ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-AS 2 050 683) besteht der Katalysatorkörper aus zwei Teilen, nämlich einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel. Der Kern des Katalysators weist ein relativ hohes Gasrekombinationsvermögen auf, während der Mantel des Katalysators ein relativ schwaches Rekombinationsvermögen besitzt. Die den Katalysatorkörper umgebende Kondensate ns glocke bildet mit dem Gasvolumen in der Batterie ein geschlossenes System. Die während des Ladungsvorganges entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase treten in die unten offene Kondensationsglocke ein, gelangen mit dem Katalysatorkörper in Berührung und werden über eine exotherme Reaktion in Wasserdampf umgewandelt, wobei der Katalysatorkörper erwärmt wird. Der Wasserdampf gelangt mit den Innenwänden der Kondensationsglocke in Berührung und wird dort zu Wasser kondensiert, das von der Kondensationsglocke wieder zur Batterie zurückgeleitet wird. Wenn beim Ladungsvorgang eine geringe

Menge an Wasserstoff- und Sauersfoffgas entsteht, bleibt die bei der Rekombination der Gase im Katalysatorkörper entstehende Wärme in Grenzen, so daß die bekannte Vorrichtung normal und gefahrlos arbeiten kann. Wenn jedoch die Batterie überladen wird und eine überaus große Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffgas entsteht, wird die gesamte entstehende Gasmenge dem Katalysator zur Rekombination zugeführt, wodurch die bei der Rekombination auftretende Reaktionswärme immer mehr zunimmt und die Temperatur des Katalysatorkörpers auf einen Wert steigt, bei welchem der Katalysatorkörper zerstört wird. Gleichzeitig nimmt der Druck innerhalb der Batterie in starkem Maße zu, so daß die Gefahr einer Explosion der Batterie besteht. Die bekannte Vorrichtung führt

somit bei einem Überladen der Batterie zu einer Überhitzung und Zerstörung des Katalysatorkörpers und in besonders extremen Fällen sogar zum Bruch der Batterie.

Es ist auch eine Vorrichtung zur katalytischen Re-

«o kombination von Wasserstoff- und Sauerstoffgas bekannt (US-PS 2687448), bei welcher die gesamte beim Laden einer Batterie bestehende Gasmenge einer Reaktionskammer zugeführt wird, in welcher ein Katalysator untergebracht ist. Der Katalysator besteht aus einer Vielzahl von tablettenartigen Katalysatorstückchen, die in einem fasrigen Katalysatorträger eingebettet sind. Der fasrige Katalysatorträger wird in Drahtnetzsäcken gehalten, die in der Reaktionskammer aufgehängt sind. Wenn die beim Ladungs-

Vj Vorgang entstehende Gasmenge verhältnismäßig gering ist, arbeitet diese bekannte Vorrichtung zufriedenstellend. Wenn jedoch die Batterie überladen wird und eine große Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffgas entsteht, gelangt die gesamte Gasmenge mit dem Katalysator in Berührung, wodurch die bei der Rekombination auftretende Reaktionswärme immer mehr zunimmt und die Temperatur des Katalysators auf einen Wert steigt, bei welcher der Katalysator zerstört wird. Auch hier treten gleichzeitig Drücke auf, welche zu einem Bersten der Batterie und der Vorrichtung zur katalytischen Rekombination führen können. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung läßt sich daher ein Überhitzen des Katalysators nicht vermeiden, wenn beim Überladen einer Batterie eine große Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffgas entsteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art so auszuführen, daß ein

Überhitzen und ein damit verbundener Ausfall des Katalysatorkörpers vermieden ist. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Katalysatorkörper in einem gasdurchlässigen Katalysatcrbehälter angeordnet ist, die KondensationsglGcke in einem Gehäuse untergebracht ist und zwischen dem Gehäuse und der Kondensationsglocke ein Gasdurchgang vorhanden ist, der mittels einer zur Atmosphäre führenden Austrittsöffnung in der Deckenwand des Gehäuses unter Zwischenschaltung einer Sperre, die einen Feuerrückschlag eines entzündeten Gases in das Innere der Vorrichtung verhindert, entlüftet ist.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die beim Laden einer Batterie entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase dem Rekombinationsraum in der Kondensationsglocke von unten zugeführt. Wenn die Menge des entstehenden Gases klein ist, dringt das Gas von unten in die Kondensationsglocke ein und füllt den Rekombinationsraum zwischen der Innenfläche der Kondensationsglocke und der Außenfläche des Katalysatorbehälters aus. Das Gas dringt durch die winzigen Poren des Katalysatorbehälters hindurch und gelangt mit dem im Behälter befindlichen Katalysatorkörper in Berührung und wird unter Entstehung von Reaktionswärme in Wasserdampf umgewandelt. Die Reaktion erfolgt nach der folgenden chemischen Gleichung:

2H₂ + O₂ ->2H₂O.

Das Verhältnis des gesamten Volumens auf der linken Seite der Gleichung zum Volumen auf der rechten Seite der Gleichung beträgt 3:2. Dies bedeutet, daß das Volumen nach der Reaktion geringer ist als vor der Reaktion, so daß weiteres Gas in den Katalysatorbehälter nachgesaugt wird. Der durch die vorstehende Reaktion entstandene Wasserdampf wird durch die Berührung mit der Innenwand der Kondensationsglocke abgekühlt und zu Wasser kondensiert. Wenn der Wasserdampf zu Wasser kondensiert, nimmt das von dem Gasgemisch eingenommene Volumen in der Kondensationsglocke ab, wodurch weiteres Gas in die Kondensationsglocke nachgesaugt wird.

Das kondensierte Wasser läuft in Tropfenform an der Innenwand der Kondensationsglocke nach unten und gelangt wieder in die Batterie. Dieser Vorgang wiederholt sich laufend.

Wenn dagegen eine Überladung der Batterie auftritt und eine große Mer.<?,e an Wasserstoff- und Sauerstoffgas entsteht, wird die Reaktion an einem Punkt angehalten, bei welchem die Innenwand der Kondensationsglocke keine Kühlwirkung zum Abkühlen und Kondensieren des Wasserdampfes mehr zeigt, so daß keinerlei Wasserdampf mehr in Wasser umgewandelt und demzufolge kein weiteres Gas mehr in die Kondensationsglocke angesaugt wird. Die einen bestimmten Wert übersteigende Gasrnenge tritt daher durch den Durchtrittsspalt zwischen dem unteren Ende der Kondensationsglocke und dem Boden des Gehäuses hindurch und gelangt in den zwischen dem Gehäuse und der Kondensa'tionsglocke vorgesehenen Gasdurchlaß, aus welchem das Gas durch die Durchtrittsöffnung in der Deckenwand des Gehäuses zur Atmosphäre austritt. Hierdurch wird erreicht, daß die einen bestimmten Wert übersteigende Gasmenge unter Umgehung des Katalysatorkörpers direkt in die Atmosphäre abgeleitet wird.

Die Vofrichtung gemäß der Erfindung ist daher in der Lage, sich selbst zu st ';ern und sich selbsttätig

den jeweiligen Betriebsbedingungen anzupassen. Wenn eine geringe Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffgas entsteht, wird die gesamte anfallende Gasmenge in Wasser umgewandelt. Wenn dagegen beim Aufladen einer Batterie die entstehende Gasmenge einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird die überschüssige Gasmenge an die Atmosphäre abgegeben und an einer Reaktion mit dem Katalysatorkörper gehindert. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ve.rhindert somit ein Überhitzen und einen Ausfall des Katalysatorkörpers.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß eier Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfind';;g;

Fig. 3,4 und 5 zeigen andere Ausiünrrngsformen von Vorrichtungen gemäß der Erfindung;

Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen dem Überladestrom und der Temperatur der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

F i g. 1 ist eine senkrechte Schnittansicht einer kata-Iytischen Einrichtung gemäß der Erfindung, die einen Halteteil 1 aufweist zum Anbringen der Einrichtung an einer Einfüllöffnung der Batterie, wobei der Halteteil 1 mit Gewinde versehen ist. Die Einrichtung weist -.veiterhin eine Dichtung oder Packung 2 auf, die aus elastischem Material, wie Chloroprenkautschuk od. dgl., gebildet ist. Die Dichtung 2 dient dazu, den Halteteil oder die Halterung 1 luft- und wasserdicht zu halten. Die Einrichtung weist weiterhin einen äußeren Behälter 3 auf, der beispielsweise aus einem säurebeständigen und alkalibeständigen Polypropylenharz gebildet ist. Mit 4 ist ein Gasdurchgang bezeichnet, durch welchen ein Gasüberschuß in Form nicht reagierten Gases hindurchtreten kann, wenn eine große Gasmenge in die katalytische Einrichtung eingeführt wird. Die Einrichtung umfaßt weiterhin eine Kondensationsglocke 5, die sich nur nach unten öffnet und beispielsweise aus säurebeständigem und alknlibeständigem Polypropylenharz gebildet ist. In der Kondensationsglocke 5 ist ein Katalysatorbehälter 6 angeordnet. Der Katalysatorbehälter 6 ist gasdurchlässig, und er ist gebildet durch Sintern von wärmebeständigen und unbrennbaren Kornpartikeln, beispielsweise aus Tonerdekornmaterial. In dem Katalysatorbehälter 6 befindet sich ein Katalysator 7, der hergestellt ist durch Imprägnieren eines Elements der Platinfamilie, beispielsweise PallaOiuri., in Körnern, die durch Sintern erhalten sind und beispielsweise aktive Tonerde bzw. aktives Aluminiumoxid bilden. Mit 8 ist ein Filter bezeichnet, der dazu dient, einen Feuerrückschlag zu verhindern, und der aus dem gleichen Material wie der Katalysatorbehälter 6 gebildet ist. Mit 9 ist e^;ie Austrittsöffnung zum Verhindern kontinuierlicher Verbrennung bezeichnet. Mit 50 ist ein vorragender Aufnahmesitz bezeichnet, der den Katalysatorbehälter 6 von unten hält, und der aus eif.em Material gebildet ist, welches eine Wärmebeständigkeit von 150° C oder mehr hat.

Gemäß der vorliegerden Erfindung können der äußere Behälter 3 und die Kondensationsgiocke 5 gemaß Fig. 1 integriert oder zusammengefaßt werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Weiterhin kann gemäß der Erfindung die katalytische Einrichtung auch so gebildet werden, daß, wie in den Fig. 3 und 4 darge-

stellt, eine Mehrzahl von grundsätzlichen Kombinationen von Kondensationsglocke 5 gemäß F i g. 1 und dem in diesem Behälter enthaltenen Katalysator 7 in Reihe mit oder parallel zu dem Gasstrom angeordnet werden. Bei der Reihenanordnung gemäß Fig. 3 ist es möglich, den Grad der Wirksamkeit der Umwandlung erzeugten Gases zu Wasser zu erhöhen, und bei der Parallelanordnung gemäß Fig. 4 kann der Oberladestrombereich, der Wartung ausschließt, erhöht werden. Weiterhin kann die Einrichtung gemäß der Erfindung auch innerhalb der Batterie angeordnet werden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. In den Fig. 3, 4 und 5 sind für die der Fig. 1 entsprechenden Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Nachstehend wird an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 die Arbeitsweise einer katalytischer! Vorrichtung gemäß d?r Erfindung beschrieben. In der Batterie durch Überhdung erzeugter Sauerstoff und erzeugter Wasserstoff werden von dem Halte- oder Anbringungsteil 1 zum inneren Teil geführt. Wenn die erzeugte Gasmenge klein ist, tritt das von dem unteren Teil der Kondensationsglocke 5 in das Innere eintretende Gas mit dem Katalysatorkörper 7 durch die winzigen Poren in dem Katalysatorbehälter 6 hindurch in Berührung und wird durch chemische Reaktion zu Dampf umgewandelt. Gleichzeitig wird Wärme erzeugt. Der gebildete Dampf wird bei Inberührungtreten mit der Innenfläche der Kondensationsglocke 5 zu Wassertropfen kondensiert, wodurch das Volumen verringert wird und er aufs neue Gas mitführt. Diese Arbeitsvorgänge finden kontinuierlich statt. Wenn andererseits ein nicht normaler großer Überiadestrom durch die Batterie fließt und eine große Menge an Gas erzeugt wird, wird ein Gleichgewicht erreicht an einer Stelle, an der die Menge oder das Ausmaß der Kondensation des erzeugten Dampfes die bzw. das durch die Kühlkapazität der Kondensationsglocke 5 vorbestimmt ist, und die aufs neue eingeführte Gasmenge gleich sind. Ein Überschuß an Gas strömt in den unteren Teil des Gasdurchganges 4, der an dem Umfang der Kondensationsglocke 5 vorgesehen ist, strömt in diesem unteren Teil nach oben und über einen Spalt in dem Aufnahmesitz 10 durch den einen Feuerrückschlag verhindernden Filter 8 und tritt schließlich durch die Austrittsöffnung 9 hindurch zur Atmosphäre aus, wobei, wie gesagt, die öffnung 9 dazu dient, kontinuierliche Verbrennung zu verhindern.

Die katalytis~he Einrichtung gemäß der Erfindung wird zufolge der Intensität des Überladestroms der Batterie nicht wärmebeeinflußt oder durch Wärme beeinträchtigt, so daß die Einrichtung sich ausreichend an die Betriebs- oder Arbeitsbedingungen der Batterie anpassen kann. Selbst wenn ein übernormal kehrten Bechers auf, der in einem Teil seiner Seitenwand oder Seitenfläche so ausgebildet ist, daß eine Austrittsöffnung oder mehrere Austrittsöffnungen gebildet sind.

Ein Teil des oberen Teifs der becherförmigen Kondensationsglocke 5 und ein Teil des oberen Teils des äußeren Behälters 3 sind abnehmbar gebildet..

Die maximale Menge von Reaktionsgas der katalytischen Einrichtung kann durch Vorsehen von Schrauben gesteuert werden, die an der unteren Fläche des Bodens des äußeren Behälters 3 und an der oberen Fläche der Kondensationsglocke 5 vorgesehen sind, so daß beide Teile miteinander in Eingriff treten können, jedoch abnehmbar und nach oben und unten frei bewegbar bleiben.

Weiterhin ist eine Antiexplosionseinrichtungan der katalytischen Einrichtung vorgesehen, die eine Austrittsöffnung 9 für den Austritt von Gasüberschuß aufweist und durch einen Filter 8 abgedeckt ist, der kleine Poren aufweist. Die Poren, welche durch den Filter abgedeckt sind, sind im Boden des äußeren Behälters 3 angebracht, wobei der Abdeckteil 9 eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen in seiner äußeren Umfangswandung aufweist, so daß überschüssiges Gas (welches nicht reagiert hat) austritt. Sogar wenn das G'ts welches nicht reagiert hat, im Deckel bzw. Abdeckbereich sich entzündet, besteht keine Gefahr, daß der Abdeckteil selbst zerstört wird, weil die Explosionsenergie klein ist und eine Flamme ausgeblasen wird. Außerdem kann nur der untere Teil des kleine Poren aufweisenden Behälters 6, der den Katalysatorkörper 7 aufnimmt, derart abgeschirmt sein, daß das Gas nicht in direkte Berührung mit dem unteren Teil des kleine Poren aufweisenden Behälters gelangt. Durch Absperren der unteren Fläche der Kondensationsglocke oder durch Anordnen von Absperrplatten oder einer Absperrplatte, und zwar so, daß der Boden nicht direkt dem Gas ausgesetzt wird, tritt Gas, welches nicht reagiert hat, gleichförmig durch die Umfangswand des Katalysatorbehälters hindurch, so daß die untere Fläche des Katalysatorbehälters nicht örtlich überhitzt wird. Gas, welches nicht reagiert hat und in der Batterie erzeugt wird, tritt in der Kondensationsglocke 5 durch offene Bohrungen oder Löcher am unteren Teil des äußeren Behälters 3 ein. Wenn die Menge von Gas, welches nicht reagiert hat, über die Durchsatzmenge des katalytischen Verfahrens hinaus sich erhöht, strömt Gas vom unteren Bereich der Kondensationsglocke 5 in den Durchgang 4 ein, steigt dort an und geht durch den Filter 8 hindurch nach außen.

Der Körper 10, wie in Fig. 1 gezeigt, braucht nicht zylindrische Form zu haben, sondern kann auch durch plattenförmige Teile ersetzt werden, die in radialer

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

großer Überiadestrom durch die Batterie fließt und 55 Richtung angeordnet sind. Entsprechend tritt das Gas eine große Gasmenge zufolge eines Temperaturen- nicht immer durch den Bodenteil des Behälters 6 in stiegs der Batterie oder eines Versagens der Ladevor- die katalytische Einrichtung ein. richtung erzeugt wird, wird die katalytische Einrichtung nicht durch Wärme zerstört, und sie kann in stabiler Weise und in stabilem Zustand verwendet «> werden. Demgemäß ist die kaialytische Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für Batterien geeignet und wirksam, insbesondere für wartungsfreie Batterien derjenigen Art, bei welcher eine Kammer oder ein Abteil od. dgl. dazu verwendet wird, die Bat- 65 terien kompakt aufzunehmen.

Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Austrittsöffnung 9 einen Teil in Gestalt eines umge-

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen, die bei Ladungsvorgängen einer Batterie entstehen, mit einem Katalysatorkörper und einer Kondensa-Jionsglocke, welche den Katalysatorkörper unter Bildungeines Rekombinationsraumes umgibt und an ihrem unteren, der Batterie zugekehrten Ende zur Aufnahme der zu rekombinierenden Gase und zur Abgabe des durch die Rekombination entstandenen Wassers offen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkörper (7) in einem gasdurchlässigen Katalysatorbehälter (6) angeordnet ist, die Kondensationsglocke (S) in einem Gehäuse (3) untergebracht ist und zwischen dem Gehäuse (3) und der Kondensationsglocke (5) ein «Gasdurchgang (4) vorhanden ist, der mittels einer zur Atmosphäre führenden Austrittsöffnung (9) in der Deckenwand des Gehäuses (3) unter Zwischenschaltung einer Sperre (8), die einen Feuerrückschlag eines entzündeten Gases in das Innere der Vorrichtung verhindert, entlüftet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Katalysatorkörper (7) aufnehmende Katalysatorbehälter (6) im unteren Teil der Kondensationsglocke (5) angeordnet und auf einem rostartigen Sitz (10) abgestützt ist, der d urch Vorsprünge im Bod ι η des Gehäuses (3) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach An; >ruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Katalysatorbehälter (6) abstützenden Vorsprünge am Boden des Gehäuses (3) aus einem Material mit einer Wärmebeständigkeit von 150° C und mehr bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere, der Batterie zugekehrte Teil des gasdurchlässigen Katalysatorbehälters (6) gegen eine direkte Berührung mit den aus der Batterie aufsteigenden Gasen abgeschirmt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre (8) ein Filter mit winzigen Poren ist.

6. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung einer Anlage für die Rekombination von Wasserstoff- und Sauerstoffgas, bei welcher eine Mehrzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Reihe oder parallel geschaltet ist.