DE2621081B2 - Galvanische Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanische Batterie in Stapelbauweise mit getrennten Zellräumen und mindestens zwei elektrisch in Serie geschalteten Zellgruppen, von denen jede mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Zellen aufweist, in denen jeweils wenigstens eine funktionell positive und eine funktionell negative Elektrode in einem getrennten Elektrolytraum angeordnet sind, der über Stichkanäle mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem für die Speisung aller Elektrolyträume der Batterie mit Elektrant in Verbindung steht.

Für den konstruktiven Aufbau von galvanischen Batterien sind zwei Grundbauweisen bekannt, die sich prinzipiell voneinander unterscheiden, nämlich die ältere Blockbauweise einerseits und die in neuerer Zeit aufgekommene und vor allem bei elektrochemischen Brennstoffelementen und auch bei Primärelementen verbreitete Stapelbauweise. Bei der Blockbauweise, für die der herkömmliche Bleiakkumulator das verbreitetste Beispiel darstellt, enthält jede auch als Zelle bezeichnete Baueinheit mehrere Elektrodenpaare mit dazwischenliegenden Elektrolyträumen, sie besteht also eigentlich aus mehreren Einzelzellen aus je einer positiven und einer negativen Elektrode, die elektrisch parallel geschaltet sind und insoweit besser als Zellengruppe zu bezeichnen sind. Bei der Stapelbauweise hingegen sind mehrere Rahmen mit verschiedenen funktioneilen Bauelementen wie bipolaren Elektroden, Kühlelementen oder positiven und negativen Einzelelektroden zu einem Stapel vereinigt Dabei enthält jeder dieser Rahmen Kanäle oder öffnungen für den Durchtritt von Elektrolyt oder auch von Kühlmittel, so daß jeder Funktionsraum innerhalb des Stapels beispielsweise mit Elektrolyt versorgt werden kann. Elektrisch gesehen sind bei der Stapelbauweise die einzelnen Elektroden in Serie geschaltet, während bei der Blockbauweise eine Serienschaltung zwischen den einzelnen Zellengruppen vorgesehen ist, die Einzelzelien innerhalb jeuer Gruppe aber parallel gescnaiiei sind.

Eine galvanische Batterie in Blockbauweise, deren einzelne Blöcke in ihrer Konstruktion im wesentlichen einer Baueinheit eines herkömmlichen Bleiakkumulators entsprechen, ist in der DE-AS 17 71 330 beschrieben. Bei dieser bekannten Batterie sind die einzelnen Blöcke über einen speziellen Einlaßkanal, einen speziellen Auslaßkanal und einen speziellen erweiterten Elekirolytkanal, eine sogenannte Vorkammer mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem verbunden, wobei die Einlaß- und Auslaßkanäle für die einzelnen Blöcke oberhalb von deren Elektrolytpegel vorgesehen sind, so daß die Möglichkeit besteht, die einzelnen Blöcke im Ruhezustand und bei geringer Belastung voneinander zu trennen.

In der DE-OS 2t 00 695 ist als ein weiteres Beispiel für eine galvanische Batterie in Blockbauweise eine Zink/Luft-Batterie beschrieben, bei der die einzelnen Blöcke wiederum mit einem gemeinsamen Elektrolytreservoir verbunden sind und außerdem jeder Block einen eigenen Injektorkreislauf für den Elektrolyten enthält Zweck dieses Injektorkreislaufes ist die Erzielung eines guten Elektrolytumlaufes in den einzelnen Blocken, und es ist daher als Antriebselement eine Hochdruckpumpe vorgesehen, um den Elektrolyten umzupumpen.

Eine galvanische Batterie in Stapelbauweise, deren Aufbau der eingangs erwähnten Art entspricht ist in der DE-AS 14 21 523 beschrieben. Bei dieser bekannten Batterie ist für die Speisung der einzelnen Elektrolyträume innerhalb des Stapels ein Kanal in Form eines die

jo Elektroden des Stapels in öffnungen durchquerenden und einen engen Schlitz enthaltenden Rohres vorgesehen, und außerdem sind zusätzliche öffnungen und Verbindungen für einen Elektrolyttransport zwischen den jeweils bipolare Elektroden enthaltenden Einzelzel-

)5 len so angeordnet, daß ergänzend Elektrolyt aus die Batterie im Einsatzfalle umgebendem Seewasser eintreten kann. Bei beiden Wegen für die Elektrolytspeisung ist eine ausreichende Elektrolytversorgung jedoch nur unter Inkaufnahme erheblicher und die Funktionsfähig keit der Batterie in Frage stellender Leckströme zwischen Einzelzellen unterschiedlichen Potentials zu erreichen, die aus einem gemeinsamen Elektrolytreservoir gespeist werden. Weitere Beispiele für galvanische Batterien in

Stapelbauweise zeigen die DD-PS 53 130 und 60 339,

wobei jedoch kein gemeinsames Elektrolytreservoir für die Speisung aller Einzelzellen innerhalb des Stapels unabhängig von ihrem Potential vorgesehen ist

Demgegenüber sind aus den SE-PS 2 17 054 und

so 3 63193 galvanische Batterien in Stapelbauweise bekannt, die ein gemeinsames Elektrolytreservoir aufweisen, das mit dem Stapel entweder über einen Hauptkanal mit anschließenden Stichkanälen oder über einen Überlauf in Verbindung steht der einen freien

Elektrolytablauf zuläßt

Die Verbindung eines Elektrodenstapels, dessen einzelne Zellen elektrisch auf unterschiedlichem Potential liegen, mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem für die Versorgung aller Elektrolyträume innerhalb des Stapels wirft nun insoweit erhebliche Probleme auf, als sich über dieses gemeinsame Elektrolytsystem zwangsläufig elektrische Leckströme einstellen, die ihren Weg über die Elektrolytverbindungen zwischen den einzelnen Zellen mit unterschiedlichem Potential nehmen,

es woraus sich der Wunsch ergibt die entsprechenden Elektrolytkanäle zwischen den einzelnen Zellen klein im Querschnitt auszuführen, was aber wiederum die Gefahr mit sich bringt, daß diese Eickiröiyikäiiäie beispiciswei-

se durch im Batteriebetrieb anfallenden Schlamm verstopft werden und damit für den Elektrolyttransport zu den einzelnen Elektrolyträumen aus allen mit der Folge, daß die betroffenen Zellen an der Stromerzeugung in der Batterie nicht mehr teilnehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine galvanische Batterie der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß einerseits ein ausreichender Elektrolytaustausch für die einzelnen Elektrolyträume untereinander und mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem sichergestellt ist und andererseits das Auftreten unerwünscht großer Leckströme zwischen Zellen von unterschiedlichem Potential vermieden bleibt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Elektrolyträumen der elekirisch parallel geschalteten Zellen im unteren Teil dieser Elektrolyträume Verbindungen mit im Vergleich zu den Stichkanälen geringem Strömungswidersund für einen Elektrolyttransport zwischen diesen Elektrolyträumen vorgesehen sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß zwischen den Elektrolyträumen der elektrisch parallel geschalteten Zellen auch im oberen Teil dieser Elektrolyträume Verbindungen mit im Vergleich zu den Stichkanälen geringem Strömungswiderstand vorgesehen sind.

Die Erfindung beruht in erster Linie aui der in langjährigen Untersuchungen beispielsweise und insbesondere an galvanischen Brennstoffelementen und Metall/Luft-Batterien gewonnenen Erkenntnis, dal3 es jo für einen zufriedenstellenden Betrieb von galvanischen Batterien in Stapelbauweise mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem der Erfüllung folgender Forderungen bedarf:

Zum ersten darf es zwischen den Elektrolyträumen im ji Stapel an Verbindungen nur die Kanäle in der Rahmenstruktur und die erfindungsgemäß gestalteten zusätzlichen Verbindungen geben; zum zweiten bedarf es des Anschlusses an ein gemeinsames Elektrolytreservoir für alle Baueinheiten im Stapel; zum dritten müssen die einzelnen Zellen der Batterie mit diesem gemeinsamen Elektrolytreservoir über Stichkanäle in Verbindung stehen, und zum vierten muß es eine spezielle Verbindung zwischen elektrisch parallel geschalteten Zellen geben, wobei diese Verbindung vorzugsweise innerhalb der Rahmenstruktur des Stapels liegen sollte.

Mit der erfindungsgemäßen Bauweise lassen sich die oben geschilderten Schwierigkeiten für die Konstruktion einer galvanischen Batterie in Stapelbauweise mit gemeinsamem Elektrolytsystem für den gesamten Stapel in überraschend einfacher Weise beheben, und die bevorzugte Ausführungsform mit speziellen Verbindungen auch zwischen dem oberen Teil der einzelnen Elektrolyträume führt zur Ausbildung eines sogenannten Plenums, das für bestimmte Batterietypen noch besondere Vorteile bietet.

Von besonderem Vorteil erweist sich die erfindungsgemäße Ausbildung bei Metall/Luft-Batterien wie Eisen/Luft-Batterien oder Zink/Luft-Batterien sowie für mit Wasserstoff und Luft betriebene galvanische bo Brennstoffelemente. Die Erfindung läßt sich auch bei alkalischen Batterien mit umlaufendem Elektrolyten einsetzen, die als Stapel oder in einer einem Stapel funktionell entsprechenden Form gebaut sind. Wesentliche Vorteile ergeben sich darüber hinaus auch bei einer Anwendung der Erfindung beispielsweise bei Düsenbatterien mit umlaufendem Elektrolyten, und es besteht ganz allgemein keine Schwierigkeit für den Fachmann, die Lehre der Erfindung bei den verschiedenen elektrochemischen Si romquellen anzuwenden, die mehrere Zellen mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem enthalten.

Bei der erfindungsgemäß gestalteten Batterie können die meisten Verbindungen relativ weit gemacht weHen, da sich zwischen auf gleichem Potential liegenden Elektrolyträumen keine Leckströme ergeben können. Dank der einfachen, erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahme nehmen die Elektrolyträume in den parallel geschalteten Zellen sozusagen an der Funktion der Stichkanäle teil, die der Elektrolytzufuhr zu den einzelnen Elektrolyträumen dienen. Wenn einer dieser Stichkanäle verstopft werden sollte, strömt in den betroffenen Elektrolytraum über die speziellen Verbindungen Elektrolyt aus den anderen Elektrolyträumen ein.

Die Auswirkungen der erfindungsgemäß getroffenen Maßnahmen 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 dem betroffenen Elektrolytraum innerhalb einer bestimmten Zeitspanne die Wahrscheinlichkeit 1% besitzt. Wenn nun vier Elektrolyträume parallel geschaltet sind und diese Elektrolyträume erfindungsgemäß mit Zwischenverbindungen versehen sind, so vermindert sich diese Gefahr bis auf einen Wert von 10-⁶, wenn die Verstopfung eines einzelnen Stichkanals ein Zufallseffekt ist. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Querverbindungen steigern die Betriebszuverlässigkeit für die gesamte Batterie also erheblich.

Für die spezielle und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem sogenannten Plenum im oberen Teil der Elektrolyträume kann angemerkt werden, 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 mit gasförmigen Reaktionspartnern gespeisten Brennstoffzellen oder Metall/Luft-Batterien hindurch in die Elektrolyträume austreten können. Ein starker Gasaustritt in einem derartigen Batteriestapel kann zu einem sogenannten Mammutpumpeneffekt führen. Der Elektrolyt fließt dann durch den die leckende Elektrode enthaltenden Elektrolytraum durch die speziellen Verbindungen im unteren Teil der Elektrolyträume, 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 Elektrolyträume durch ähnliche Verbindungen im oberen Teil der Elektrolyträume ergänzt werden. Da die letzterwähnten Verbindungen auf einem Niveau liegen, das unterhalb des Auslasses für den abzuführenden Elektrolyt und vorzugsweise so nahe wie möglich an diesem Niveau liegt, kann der von der Schwierigkeit betroffene Elektrolytraum über die obere Verbindung mit Elektrolyt versorgt werden, wodurch einer ungleichen Elektrolytversorgung für die einzelnen Elektrolyträume entgegengewirkt wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch weiter veranschaulicht; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine als Eisen/Luft-Batterie ausgebildete galvanische batterie und

Fig.2 eine einzelne Luflelektrode der Batterie gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Batterie 1 ist in Form eines Stapels aufgebaut und enthält ein Elektrolytsystem der Art, wie sie in der SE-PS 3 63 193 beschrieben ist. Der Batteriestapel umfaßt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei in Serie geschaltete Baueinheiten 2, von denen jede wiederum aus drei elektrisch parallel geschalteten Zellen 3 aufgebaut ist. Außerdem ist der Batteriestapel mit Endstücken 4, Polbolzen 5 und weiteren notwendigen Bauelementen wie einer Pumpe 6 für die Zufuhr von Elektrolyt aus einem Behälter 7 zu einem Kanal 8 für die Elektrolyteinspeisung vorgesehen. Im Stapelinneren gelangt der zugeführte Elektrolyt zu Elektrolyträumen 9, und für die Abführung des Elektrolyten aus diesen Elektrolyträumen 9 ist ein Überlauf 10 vorgesehen. Als negative Elektroden U im Batteriestapel sind bei dem dargestellten Beispiel einer Eisen/Luft-Batterie Eisenelektroden vorgesehen, die mit positiven Elektroden 12 in Form von Luftelektroden kombiniert sind, die beispielsweise gemäß der SE-PS 3 60 952 hergestellt sind. Dabei sind diese Luftelektroden in Rahmen 13 gehalten, so daß sich Luftelemente ergeben, die beispielsweise gemäß der SE-PS 3 49 189 zu einem Stapel zusammengefaßt sind.

Die positiven Luftelektroden 12 der einzelnen Baueinheiten 2 sind über Stromverbinder 14 parallel geschaltet, und in ähnlicher Weise sind die negativen Elektroden 11 in den einzelnen Baueinheiten 2 über Stromverbinder 15 miteinander verbunden. Im unteren Teil der Elektrolyträume 9 sind zwischen ihnen Verbindungen 16 vorgesehen, und außerdem zeigt das dargestellte Ausführungsbeispiel ähnliche Verbindun gen 17 zwischen den Elektrolyträumen 9 auch an derei oberem Teil.

Der Elektrolytfluß im eingangsseitigen Kanal 1 ¹S beläuft sich auf 0,4 Liter pro Minute für den gesamte: Batteriestapel, und er verteilt sich über Stichkanäle I: auf insgesamt neun Elektrolyträume 9.

Die Darstellung in Fig. 2 zeigt ein einzelne Luftelement aus dem Batteriestapel von Fig. 1 und laß

to erkennen, wie die Querschnitte für die Verbindungen 11 und 17 in den Rahmen 13 bemessen sind. Diesi Verbindungen 16 und 17 setzen dem Flüssigkeilsstron im Vergleich zu den Stichkanälen 18 einen nur geringei Strömungswiderstand entgegen. Die Querschnittsflächi für die Verbindungen 16 und 17 liegt bei den dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenord nung von 50 qmm, und die Länge dieser Verbindungei

16 und 17 liegt bei etwa 5 mm, während die Stichkanäli 18 einen Querschnitt von etwa 2 qmm und eine Längi von etwa 20 mm aufweisen.

Die Abmessung der speziellen Verbindungen 16 un<

17 sind also in diesem Falle erheblich größer als dii Abmessungen der Stichkanäle 18, was unter anderen vor allem dadurch ermöglicht wird, daß sich keim

2^rt Leckstromprobleme für diese speziellen Verbindungei 16 und 17 ergeben, da sie Elektrolyträume 9 mi gleichem Potential miteinander verbinden. Die unterei Verbindungen 16 zwischen den Elektrolyträumen ! können vorzugsweise etwas oberhalb von deren Bodei

j» angeordnet sein, um eine Verstopfung dieser Verbin düngen 16 durch Schlammansammlung zu vermeiden.

Hierzu 2 Blati Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Galvanische Batterie in Stapelbauweise mit getrennten Zellräumen und mindestens zwei elektrisch in Serie geschalteten Zellgruppen, von denen jede mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Zellen aufweist, in denen jeweils wenigstens eine funktionell positive und eine funktionell negative Elektrode in einem getrennten Elektrolytraum angeordnet sind, der über Stichkanäle mit einem gemeinsamen Elektrolytsystem für die Speisung aller Elektrolyträume der Batterie mit Elektrolyt in Verbindung steht dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektrolyträumen (9) der elektrisch parallel geschalteten Zellen (3) im unteren Teil dieser Elektrolyträume Verbindungen (16) mit Ln Vergleich zu den Stichkanälen (18) geringem Strömungswiderstand für einen Elektrolyttransport zwischen diesen Elektrolyträumen vorgesehen sind.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektrolyträumen (9) der elektrisch parallel geschalteten Zellen (3) auch im oberen Teil dieser Elektrolyträume Verbindungen (17) mit im Vergleich zu den Stichkanälen (18) geringem Strömungswiderstand vorgesehen sind.