DE2621081A1 - Elektrochemische batterie - Google Patents

Elektrochemische batterie

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Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK
8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (08 9l) 881608
12.5.1976-SS(4) 298-1429P
AB OLLE LINDSTRÖM, Lorensviksvägen 14,
Elektrochemische Batterie
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Batterie mit mindestens zwei elektrisch in Serie geschalteten Baueinheiten, von denen jede mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Zellen aufweist, die je wenigstens eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Elektrolytraum enthalten, der über spezielle Kanäle mit Elektrolyt speisbar ist, über welche die einzelnen Elektrolyträume miteinander in Verbindung stehen und ein gemeinsames Elektrolytsystem bilden.
Zahlreiche Arten von elektrochemischen Batterien wie beispielsweise Brennstoffbatterien, Metall/Luft-Batterien und auch moderne Ausführungsformen lang eingeführter Batterien wie alkalische Akkumulatoren oder Blei-Säure-Batterien werden häufig in Stapelform oder in sogenannter Filterpressenkonfiguration gebaut. Ein solcher Stapel besteht meist aus vorzugsweise ebenen Bauteilen, die so aneinandergereiht und miteinander verbunden sind, daß sich ein zusammenhängender Stapel ergibt, der Elektroden, Elektrolyträume und Kanäle für die Zufuhr von Elektrolyt, Kühlmittel, Reaktionspartnern und dergleichen enthält. Die auf diese Weise in einem solchen Stapel erhaltenen einzelnen Zellen enthalten jeweils eine funktionell positive Elektrode, einen Elektrolytraum und eine funktionell
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negative Elektrode. Derartige Zellen können in Gruppen parallel geschaltet werden, während diese einzelnen Gruppen dann wieder in Serie zueinander geschaltet werden. Daneben gibt es auch andere Ausführungsformen, bei denen die Seilen nur in Serie geschaltet sind, wobei die positive Elektrode der einen Zelle elektrisch mit der negativen Elektrode in der benachbarten Zelle verbunden ist usw. Weiter sind auch kompliziertere Bauformen möglich, die sich meist aus dem Wunsch ergeben, Leckströme im Elektrolytsystem zu verringern und die Voraussetzungen für eine spezielle elektrische Steuerung unter Ein- und Auskopplung einzelner Teile des Batteriestapels zu schaffen.
Batterien dieser Art gehören zum bekannten Stande der Technik und sind beispielsweise in der SW-PS 217 054 beschrieben.
Ein solcher Batteriestapel besteht meist aus Bauelementen, die abgesehen von den notwendigen elektrischen und mechanischen Verbindungselementen unabhängig voneinander arbeiten. Es ist jedoch häufig von Vorteil, die verschiedenen im Batteriestapel vorhandenen Elektrolyträurae miteinander zu verbinden, so daß sich ein gemeinsames Elektrolytsystem ergibt. Eine in der SW-PS 217 054 beschriebene Bauform dieser Art arbeitet mit einem Elektrolytkanal für die Elektrolytzufuhr, der mit den einzelnen Elektrolyträumen über sogenannte Stichkanäle in Verbindung steht. Außerdem ist für die Abführung des Elektrolyten ein entsprechender Kanal vorhanden, der in ähnlicher Weise über Stichkanäle mit den einzelnen Elektrolyträumen in Verbindung steht. Auf diese Weise kann Elektrolyt aus einem gesonderten gemeinsamen Elektrolytsystem zu einem Umlauf durch die verschiedenen Elektrolyträume gebracht werden. Dies führt zu zahlreichen Vorteilen wie beispielsweise der Möglichkeit einer Temperaturregelung, der Ausschaltung von Konzentrationsunterschieden, der Möglichkeit einer Elektrolytreinigung usw.
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Eine spezielle Bauform für eine solche Batterie mit gemeinsamem Elektrolytsystem ist in der SW-PS 363 193 beschrieben und kennzeichnet sich dadurch, daß der aus dem Batteriestapel austretende Elektrolyt anstelle seiner Abführung über ein System von Stichkanälen und einem Hauptkanal über einen überlauf frei abfließen kann.Diese Ausführungsform ist von großem Vorteil insbesondere für Eisen/ Luft-Batterien in Stapelbauweise, da dann der während der Ladung sich entwickelnde Sauerstoff frei aus dem Batteriestapel entweichen kann.
Die vorliegende Erfindung ist so mit elektrochemischen Stromquellen befaßt, die grundsätzlich als Stapel gebaut sind und ein gemeinsames Elektrolyfesystem für alle Zellen des Stapels enthalten, wobei der elektrische Aufbau des Stapels so gewählt ist, daß der Stapel wenigstens zwei Baueinheiten enthält, die elektrisch in Serie geschaltet sind und jede wenigstens zwei elektrisch parallel geschaltete Zellen enthält. Dabei zielt die Erfindung darauf ab, Abhilfe für ein schwieriges Problem zu schaffen, das bei Batterien mit einem gemeinsamen Elektrolytsystera für alle Zellen der Batterie auftritt. Dieses gemeinsame Elektrolytsystem verbindet nämlich Zellräume mit unterschiedlichem Potential, was zu Leckströmen in den Elektrolytkanälen führt. Der natürliche Ausweg zur Verminderung dieser Leckströme wäre eine Verringerung der Abmessungen der einzelnen Elektrolytkanäle, dies ist jedoch mit der Gefahr einer Verstopfung dieser Elektrolytkanäle durch Schlamm und dergleichen verbunden. In der Praxis ist man daher zu einem Kompromiss zwischen dem Wunsch nach einer guten Elektrolytdurchlässigkeit dieser Verbindungen einerseits und nach einem hohen elektrischen Widerstand in diesen Verbindungen andererseits gezwungen.
Die Elektrolytzufuhr zu einem einzelnen Zellenraum kann
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durch Schlarambildung unterbrochen werden, die beispielsweise einen Stichkanal für den eintretenden Elektrolyt absperrt, selbst wenn diese Kanäle vergleichsweise cjroß sind. Derartige Vorkommnisse führen häufig zu Sekundäreffekten. So kann die Störung beispielsweise infolge eines Temperaturanstiegs in dem betroffenen "ellenrauR infolge ungenügender Kühlmittelzufuhr verstärkt v/erden, und dies führt wiederum zu einer noch stärkeren Schiarmbildung. In Endergebnis kann dies zu einer Situation führen, da." der betroffene ElektroIytraura seine Elektrolytfüllung verliert und sich ein Gasraura darin ausbildet. Dadurch müssen dann die noch mit Elektrolyt in Berührung stehenden Elektroden eine sehr starke Strombelastung aufnehmen. Außerdem besteht die Gefahr einer Ausbildung von Vertrustungen an den Grenzflächen zwischen der Gasphase und der liloktrolytphase. Diese miteinander zusammenwirkenden Effekte können einen völligen Ausfall einer einzelnen "eile der !wattorie bewirken, während deren andere Seilen vollkoi 'χ:αη intakt bleiben. Dies mag für Eatteriestapel, die mit nur kleinen Toleranzen gebaut sind und aus Elektroden von gleichförmiger Größe und Qualität bestehen,unglaubhaft erscheinen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen rTeg aufzuzeigen, auf dem sich die oben geschilderten Schwierigkeiten völlig ausschalten oder zumindest drastisch verringern lassen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Elektrolyträumen der einander parallel geschalteten Zellen im unteren Teil dieser Tllektrolyträume spezielle Verbindungen vorgesehen sind, die einen Elektrolyttransport zwischen diesen Elektrolyträumen ermöglichen.
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Eie erfindungsgemäß gewählte Lösung behebt die geschilderten Schwierigkeiten in einfachster und überraschender Weise. Bei einer bevorzugten Aus führung sforra der Erfindung !tonnen weiterhin in den parallel zueinander geschalteten Zellen im oberen Teil der Elektrolyträurae spezielle Verbindungen zwischen denselben vorgesehen v/erden, so daß sich eine sogenannte Anfüllung, ein sogenanntes Plenum, ergibt.
Die meisten Verbindungen können relativ weit gemacht werden, da sich zwischen auf gleichem Potential liegenden Elektrolyträumen keine Leckströme ergeben können. Dank der einfachen, erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen nehmen die Elektrolyträume in den parallel geschalteten Zellen sozusagen an der Funktion der Stichkanäle teil, die der Elektrolytzufuhr zu den einzelnen iJlektrolyträumen dienen. Wenn einer dieser Stichkanäle verstopft v/erden sollte, strömt in den betroffenen Llektrolytraum über die speziellen Verbindungen Elektrolyt aus den anderen Elektrolyträumen ein.
Die Auswirkungen der erfindungsgeniäß getroffenen Haßnahmen auf die Betriebszuverlässigkeit lassen sich an einem sehr einfachen Beispiel zeigen. Es sei angenommen, daß die Zuverlässigkeit eines bestimmten Stichkanals 0,99 beträgt, was gleichbedeutend damit ist, daß die Gefahr eines Ausfalles der Elektrolytzufuhr zu Jeüi betroffenen Elektrolytraum innerhalb einer bestimmten Seit spanne Jie irahrscheinlichkeit 1 % besitzt. V7enn nun vier Ulektrolyträume parallel geschaltet sind und diese Elektrolytrciur.ite erfin-2ungscjeiii£.ß vait Zwischenverbindungen versehen sind, so verhindert sich diese Gefahr bis auf einen Wert von 10', wenn die Verstopfung eines einzelnen Stichkanals ein ZufallseffekL ist. Die orfindungsgemäß vorgesehenen Querverbindungen steigern Jie Betriebssuverlässic-keit für die gesamte Batterie also erlieblich.
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Für die spezielle und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem sogenannten Plenum in oberen Teil der Elektrolyträume kann angemerkt v/erden, daß sich ein solches Plenum speziell für solche Batteriestapel als von großem Vorteil erweist, bei denen sich im Betrieb Gase entwickeln, die dann beispielsweise durch Löcher in den Elektroden von nit gasförmigen Reaktionspartnern gespeisten Brennstoffzellen oder Metall/Luft-Batterien hindurch in die Elektrolyträurae austreten können. Ein starker Gasaustritt in einem derartigen. Eatteriestapel kann zu einem sogenannten Marnmutpumpeneffekt führen. Der Elektrolyt fließt dann durch den die leckende Elektrode enthaltenden Elektrolytraum durch die speziellen Verbindungen im unteren Teil der Elektrolyträurae, was zu einer ungleichförmigen Verteilung des Elektrolytflusses zwischen den einzelnen Elektrolyträumen führen kann. Diese Gefahr wird jedoch bei der speziellen und bevorzugten Ausführungsform ausgeschaltet, wo die speziellen Verbindungen im unteren Teil der Llektrolyträune durch ähnliche Verbindungen im oberen Teil der Llektrol^L-räur^e ergänzt werfen. ha. die letzterwähnten Verbindungen e.uf einem ITiveau liegen, das unterhalb des Zaislasses für den abzuführenden Elektrolyt und vorzugsweise so nahe wie möglich an diesem ITiveau liegt, kann der von der Schwierigkeit betroffene Elektrolytraun über die obere Verbindung nit elektrolyt versorgt werden, wodurch einer ungleichen Elektrolytversorgung für die einzelnen Ulektrolyträume entgegengewirkt wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines bevorzugten Äusführungsbeispiels noch weiter veranschaulicht; es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Iletall/Luft-Batterie, in diesem Falle eine Eisen/Luft-Batterie, und
Fig. 2 eine einzelne Luftelektrode der Batterie von rig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Batterie 1 ist in Form eines Stapels aufgebaut und enthält ein Elektrolytsystem der Art, wie sie in der SW-PS 363 193 beschrieben ist. Der Batteriestapel uiu-
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faßt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei in Serie geschaltete Baueinheiten 2, von denen jede wiederum aus drei elektrisch parallel geschalteten Seilen 3 aufgebaut ist. Außerdem ist der Batteriestapel mit Endstücken 4, Polbolzen 5 und weiteren notwendigen Bauelementen wie einer Punpe 6 für die
Zufuhr von Elektrolyt aus einem Behälter 7 zu einen l^anal 8
für die Elektrolyteinspeicung versehen. Im Stapelinneren gelangt der zugeführte Elektrolyt zu Elektrolytrilunen 9, und
für die Abführung -J.es Elektrolyten aus diesen Llektrolytrüumen S ist ein Überlauf 10 vorgesehen. Als negative Elektroden 11 im üattariestapel sind bei .lern dargestellten Beispiel einer Eisen/ Luft-Batterie Eisenelektroden vorgesehen, die mit -positiven
Elektroden 12 in Form von Luftelektroden kombiniert sind, die beispielsweise gemäß der ST-.'-PS 360 952 hergestellt sind. Dabei sind diese Luftelektroden in !lähmen 13 gehalten, so daß sich Luftelemente ergeben, Jie beispielsweise gemäß der Sw-PS 349 zu einem Stapel zusammengefaßt sind.
Die positiven Luftelektroden 12 der einzelnen Saueinheiten sind über Stronverbinder 14 parallel geschaltet, und in ähnlicher \;eise sind die negativen Elektroden 11 in den einzelnen Baueinheiten 2 über Stromverbinder 15 miteinander verbunden. Iiii unteren Teil der Elektrolyträume 9 sind zwischen ihnen Verbindungen 16 vorgesehen, und außerdem zeigt das dargestellte Ausführungsbeispiel clhnliche Verbindungen 17 zwischen den
Elektrolyträumen 9 auch an deren oberem Teil.
Der Elektrolytfluß im eingangsseitigen Kanal 3 beläuft sich auf 0,4 Liter pro Minute für den gesamten Batteriestapel, und er verteilt sich über Stichkanäle 18 auf insgesamt neun Elektrolyträume 9.
Die Darstellung in Fig. 2 zeigt ein einzelnes Luftelement aus dem Batteriestapel von Fig. 1 und läßt erkennen, wie die Querschnitte für die Verbindungen 16 und 17 in den Rahmen 13 bemessen sind. Diese Verbindungen 16 und 17 setzen dem Flüssigkeitsstrom im Vergleich zu den Stichkanälen 18 einen nur geringen
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Strömungswiderstand entgegen. Die OuerSchnittsfläche für die Verbindungen 16 und 17 liegt bei dem dargestellten Last uhr ung sbeisyiel in der Grö;3enordnung von 50 om, und die Länge dieser Verbindungen 1o und 17 liegt bei etwa 5 mm, Well-rend die Stichkanllle 1G einen Querschnitt von etwa 2 qr.ua und eine Lunge von etwa 20 κιία aufweisen.
Die Abmessungen der speziellen Verbindungen 16 und 17 sind also in diesem Falle erheblich gröi3er als die rbnessungen der Stichkanäle 16, v/as unter anderem vor allem dadurch ermöglicht wird, da'j sich keine Leckstroinprobleae für diese speziellen Verbindungen 16 und 17 ergeben, da sie Slektrolytrüune 3 r.JLt gleichen Potential miteinander verbinden. Die unteren Verbindungen 16 zwischen den Zlektrolytrüumen S können vorzugsweise etwas oberhalb von deren ijoilen angeordnet sein, uii eine Verstopfung dieser Verbindungen 16 durch Scblarüaansaiiiilung zu vermeiden.
v7ie bereits erwähnt, ist die Erfindung von be Lon .lere:.! Vorteil für LIetall/Luft-Batterien wie Eisen/Luft-Batterien und Zink/Luft-Batterien sowie für mit üasserstoff und Luft betriebene Brennstoffzellen. Sie lä.3t sich jedoch auch bei alkalischen Batterien rait umlaufendem Elektrolyten einsetzen, die als Stapel oder in einer einem Stapel funktionell entsprechenden Fora gebaut sind. Uesentliche Vorteile ergeben sich auch bei einer Anwendung der Erfindung beispielsweise bei Düsenbatterxen r-iit umlaufendem Elektrolyten, und es besteht ganz allgemein keine Schwierigkeit für den Fachmann, die Lehre der Erfindung bei den verschieden elektrochemischen Stromquellen anzuwenden, die mehrere «eilen mit einem gemeinsamen Llektrolytsyster-i enthalten.
Patentansr r üclie:
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    ,1 y Llöktrochc^.iisclie Batterie ip.it mindestens zwei elektrisch in Garie geschalteten Baueinheiten, von denen jede mindestens ~",;oi elektrisch parallel geschaltete Seilen auf v/eist, die je •..O.n.i-_.3ten3 eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Elektrolytraum enthalten, der über spezielle Kanäle i.iit Elektrolyt speisbar ist, über welche die einzelnen lilektrolyträurae miteinander in Verbindung stehen und ein geraeinsair.es Elektrolytsysten bilden, dadurch gekennzeichnet, da3 zwischen den Lilektrolytrüumen (9) der einanier parallel geschalte ton Seilen (3) ixa unteren Teil dieser ILlektrolyträur.ie spezielle Verbindungen (15) vorgesehen sind, die einen ^lektrolyctransport zwischen diesen Elektrolyträunen ermöglichen.
  2. 2. La'cterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi-2cli-.·- -Lin T.'.lektrolyträunen (9) der einander parallel geschal-L^t.::; 2,'Giloii (3) auch in oberen Teil dieser Slektrolyträume Vürbindungon (17) vorgesehen sind.
  3. 3. ratterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Verbindungen (1G) zwischen den Elektrolyträunen (9) iso bej tonsen sind, daß sie einen Flüssigkeitsstrom einen in Vergleich ::u den Kanälen (10) zwischen den einzelnen Elektrolytxvui son eineraoits un-\ den übrigen Teil des Elelitrolytsystens andererseits nur kleinen otruiaungswiderstand entgegensetzen.
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