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Anordnung zu Austauschen der Elektrolytflüssigkeit
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in Batterien aus elektrocheiischen Zellen Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zum Austauschen der Eloktrolytflüssigkeit in Batterien aus elektrochemischen
Zellen mit einem beweglichen elektrisch nichtleitenden Verschlußstab.
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nhrend des Betriebs von Batterien aus einer Mehrzahl von elektrochemischen
Zellen, wie Brennstoffelementen und Metall/Luft-Zellen, ist von Zeit zu Zeit dann
ein Austausch der Elektrolytflussigkeit erforderlich, wenn die Batterie keinen Elektrolytkreislauf
aufweist. Dies gilt insbesondere bei Batterien mit alkalischen Elektrolyten, weil
hierbei die Elektrolytflüssigkeit carbonatisiert wird, und bei Batterien mit in
Elektrolyten gelöstem Brennstoff, bei denen der verbrauchte Brennstoff ersetzt werden
muß.
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Bein Austausch der Elektrolytrflüssigkeit, d.h. bein Entleeren der
Elektrolyträume der elektrisch in Serie geschalteten Zellen, was bislang in allgemeinen
Uber einen gemeinsamen Sammelkanal erfolgte, stehen die einzelnen Zellen untereinander
über die Elektro-Lytflussigkeit in Verbindung. Diese Elektrolytverbindungen bewirken
dann Kurzschlußströme zwischen den einzelnen Zellen, Jogenannte Leckströme. Um dies
zu unterbinden, ist aus der DT-AS 1 496 339 eine Anordnung bekannt, bei der der
gemeinsame Sammelkanal, in den die Abflußöffnungen der einzelnen Elektrolyträume
einstunden einen beweglichen elektrisch nichtleitenden Verschlußstab
enthält,
der zum Ablassen der Elektrolytflüssigkeit herausgezogen wird. Bei dieser Anordnung
läßt sich aber die -während des Entleervorganges hergestellte - Verbindung zwischen
ihn Elektrolyträumen während des Betriebs der Batterie nicht mehr @ollständig unterbrechen,
weil nämlich zwischen dem Verschlußstab und der Wandung des Sammelkanals ein Elektrolflfflm
verbleibt.
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Dies bedeutet aber, daß auch während des Betriebs Leckströme auftreten,
die den Wirkungsgrad der Batterie herabsetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Austauschen der ElektrolytflUssigkeit
in Batterien aus elektrochemischen Zellen mit einem beweglichen elektrisch nichtleitenden
Verschlußstab derart auszugestalten, daß damit das Entleeren und Füllen der Batterien
in technisch einfacher und zufriedenstellender Weise ermöglicht wird und gleichzeitig
sichergestellt ist, daß die einzelnen Zellen während des Betriebs elektrolytmäßig
vollständig voneinander getrennt sind.
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Dies wird erfindungsgenäß dadurch erreicht, daß die Wände sämtlicher
Zellen nahe des Zellenbodens mit in horizontaler Richtung miteinander fluchtenden
Öffnungen zur Aufnahme des Verschlußstabes versehen sind, daß der Verschlußstab
an einem Batterieende in der Zellenwand gelagert und am anderen Batterieende flüssigkeitsdicht
durch die Zellenwand hindurchgeführt ist, daß auf dem Verschlußstab in einem der
Zellendicke entsprechenden Abstand Dichtungen angeordnet sind und daß wenigstens
eine der Zellen am Zellenboden mit einer Abflußöffnung für die Elektrolytflilssigkeit
versehen ist.
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Bei der erfindungsgeiäßen Anordnung wird zwischen den einzelnen Zellen
nur whhrend des Entleer- und Ftlllvorganges eine Elektrolytverbindung hergestellt.
Während des Betriebes dagegen sind die Zellen vollständig voneinander getrennt,
so daß keine Leckströme auftreten können. Die auf den Verschlußstab angeordneten
Dichzungen, die der Zahl der Einzelzellen entsprechen, weisen nämlich in etwa den
gleichen Querschnitt auf wie die öffnungen in den Zellenwänden und dichten, wenn
sie sich in dienen Öffnungen
befinden, die Zellen hermetisch gegeneinander
ab, so daß eine Elektrolytverbindung ausgeschlossen ist. Der Verschlußstab selbst
hat einen geringeren Querschnitt als die Öffnungen in den Zellen wAlden, d.h. er
fUllt diese Öffnungen nicht aus. An dem Batterie ende, an dem er durch die Zellenwand
hindurchgeftihrt ist, ist der Verschiußstab mit Mitteln versehen, um ihn in horizontaler
Richtung bewegen, d.h. um ihn mitsamt den Dichtungen verschieben zu können.
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Vorteilhaft sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Dichtungen
auf dem Verschluß stab in Nuten angeordnet und der Verschlußstab ist zwischen den
Nuten verjüngt, um - beim Entleeren und Fullen - einen Flussigkeitsausgleich zwischen
den einzelnen Zellen zu ermöglichen. Der Verschlußstab besteht dabei vorteilhaft
aus Kunststoff. Als Dichtungen werden vorzugsweise Rundschnurringe verwendet.
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Die Abflußöffnung ist bei der e:findungsgemäßen Anordnung vorzugsweise
in der Batteriemitte angebracht, d.h. an der mittleren Zelle. Bei größeren Batterien
kann es - zur Beschleunigung des Entleervorganges - auch vorteilhaft sein, mehr
als eine Abfluß-Öffnung fUr die Elektrolytflüssigkeit vorzusehen. Vorteilhaft ist
bei der erfindungsgemäßen Anordnung ferner wenigstens eine der Zellen mit einer
Öffnung zur ZufUhrung der Elektrolytflüssigkeit versehen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann immer dann Verwendung finden,
wenn bei elektrochemischen Zellen, wie Metall/Luft-Zellen, die Elektrolytflüssigkeit
von Zeit zu Zeit zu erneuern ist, d.h.
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verbrauchter Elektrolyt durch frischen ersetzt wird. Besonders vorteilhaft
findet diese Anordnung aber Verwendung bei Brennstoffbatterien, die mit im Elektrolyten
gelösten Reaktanten betrieben werden. Hierbei ist ein Elektrolytwechsel einer dann
erforderlich, wenn der gelöste Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel aufgebraucht
ist. Derartige Brennstoffbatterien sind beispielaweise Hydrazin/Luft-, Methanol/Lurt-
und Glykol/Lurt-Batterien. Die erfindungegemiße Anordnung kann ferner In soge-
nannten
Füllelementen verwendet werden, d.h. in lagerfähigen Zellen, bei denen die Betriebsbereitschaft
nicht schon während der Lagerung aufrechterhalten, sondern erst kurz vor der Bela-3tuug
hergestellt wird. Die Aktivierung erfolgt dabei durch Zugabe der BlektrolyttlUssigkeit.
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Anhand von Ausf2hrungsbeispielen und Figuren soll die Erfindung noch
naher erläutert werden.
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In Fig. 1 ist schematisch in Schnitt eine Batterie mit der erfindungsgemäßen
Anordnung dargestellt, wobei Fig. 1a den Betriebs Zustand der Batterie zeigt und
Fig. 7b den Zustand während des Zntlcor- bzw. Füllvorganges. Gleiche Teile sind
in Fig. 1a und Ib mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die Batterie 10 besteht aus mehreren Einzelzellen 11, die durch Rands
12 voneinander getrennt sind. Die Wände 12, die - ebenso wie der gesamte Rahmen
- aus Kunststoff bestehen, sind nahe des Zellenbodens mit Öffnungen 13 versehen.
Die in horizontaler Richtung miteinander fluchtenden Öffnungen 13 nehmen den Verschlußstab
14 auf, der aus elektrisch nichtleitendem Material besteht, insbesondere aus Kunststoff.
In der Zellenwand 15 an einen Batterieende ist der Verschlußstab 14 in einer Aussparung
16 gelagert. An anderen Batterieende ist der Verschlußstab 14 durch die Zellenwand
17 hindurchgefUhrt, an der eine Fuhrungsbuchse 18 angebracht ist. Zum Abdichten
der Öffnungen 13 in den Zellenwänden 12 ist der Verschlußstab 14 mit Dichtungen
19 in Form von Rundschnurringen versehen, die in einem der Zellendicke entsprechenden
Abstand auf den Verschlußstab in Nuten angeordnet sind.
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Der Boden der mittleren zelle der Batterie 10 ist mit einer Abflußöffnung
20 für die Elektrolytflüssigkeit versehen, an der ein Absperrventil 21 angebracht
ist.
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Das Verschieben des Verschlußstabes in horizontaler Richtung erfolgt
mittels eines Handrades 22. Die Längsbewegung wird dabei in der Weise erreicht,
daß in der Nähe des Handrades 22 aus den Verschlußstab 14 ein Stift 23 in eine wendelförmige
Nut der
Buchse 18 hineinragt, so daß eine Drehbewegung am Handrad
in eine Dreh-Längs-Bewegung des Verschlußstabes umgesetzt wird. Auf diese Weise
ist es möglich, die Öffnungen 13 in den Zellenwinden ;2, die - wie Fig. 1a zeigt
- während des Betriebes durch die Dichtungen 19 verschlossen sind, freizulegen und
eine Verbindung zwischen den einzelnen Zellen herzustellen (vgl. Fig. 1b). Zum Entfernen
der ElektrolytflUssigkeit braucht dann lediglich noch das Absperrventil 21 geöffnet
zu werden. Nach den entleeren wird das Ventil 21 geschlossen und der Batterie bzw.
einer der Zellen durch eine - zeichnerisch in Fig. 1 nicht dargestellte - Öffnung
frische Elektrolytflüssigkeit zugeführt, die sich auf sämtliche Zellen verteilt.
Dann werden die öffnungen zwischen den einzelnen Zellen durch Zurtlckdrehen des
Verschlußstabes wieder geschlossen.
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so daß die Batterie betriebsbereit ist. Zur Abdichtung Moh außen ist
der Verschlußstab 14 im Bereich der Zellenwand 17 noch mit einen Rundschnurring
24 versehen.
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In Fig. 2, in der entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern
versehen sind wie in Fig. 1, ist schematisch in Schnitt eine die erfindungsgemäße
Anordnung enthaltende Glykol/Lutt-Batterie dargestellt. Fig. 2a zeigt dabei die
Batterie in Betriebszustand, Fig. 2b zeigt die Batterie während des Entleer-bzw.
FUilvorganges.
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Die Einzelzellen 25 der Clykol/Luft-Batterie nach Fig. 2 weisen Jeweils
zwei Luftelektroden 26 auf. Zwischen den beiden Luftelektroden 26, die als Elektrokatalysator
beispielsweise mit Silber belegte Kohle enthalten, befindet sich Jeweils ein Raum
27 zur Aufnahme eines Elektrolyt/Brennstoff-Gemisches. In den Räumen 27 ist ferner
Jeweils eine Brennstoff-, d.h. Glykolelektrode 28 angeordnet, die beispielsweise
aus einen netzpaket aus Nickelnetzen als Katalysatorträger besteht, das mit Palladium,
Platin und Wismut belegt ist. Den Luftelektroden wird die Luft durch einen Spalt
29 zugeführt, der zwischen den Elektroden zweier benachbarter Zellen vorgesehen
ist.
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Die Batterie weist beispielsweise die Abmessungen 310 mm x 115 - X
175
mm auf und enthält 12 Zellen (Zellendicke: 24 mm); als Rahmenmaterial dient schlagfestes
Polystyrol. Der Verschlußstab 14, der aus Polypropylen besteht, ist ca. 320 um lang;
er weist in einem der Zellendicke entsprechenden Abstand Nuten auf, in denen Rundschnuringe
19 aus einem Äthylen.Propylen-Copolymeren angeordnet sind, und ist zwischen den
Nuten verJüngt. in Bereich der Nuten beträgt der Durchmesser des Verschlußstabes
10 mm, im Bereich der Verjüngungen 6 pump. Die in den Zellenwänden 12 angebrachten
Öffnungen 13 weisen ebenfalls einen Durchmesser von 10 mm auf.
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An eine Batterieende ist der Verschlußstab 14 in einer Aussparung
16 in der Zellenwand 15 gelagert, am anderen Ende ist er durch die Zellenwand 17
und eine Buchse 18 hindurchgeführt und mit einen Handrad 22 versehen. Der Stift
23 dient zur Übertragung der Drehbewegung des Handrades 22 in eine Dreh-Längs-Bewegung
des Verschlußstabes. im Bereich der Zellenwand 17 ist der Verschlußstab 14 zur Abdichtung
nach außen mit einem weiteren Rundscbnurring 30 versehen. Der Boden einer der Zellen
der Glykol/ Luft-Batterie weist schließlich noch eine Abflußöffnung 20 fUr die Elektrolytflüssigkeit
und ein Absperrventil 21 auf.
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Jeder Elektrolytraum der vorstehend beschriebenen Glykol/Lutt-Batterie
enthält beispielsweise 180 ml 6 m KOH mit 4 m Glykol und weist damit eine Ladung
von 77 An auf. Je nach Belastung (etwa zwischen 1 und 8 A) arbeitet die Batterie
bei einer Spannung zwischen 6 und 9 V und gibt maximal eine Leistung von 50 W ab.
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Bei einen Aufbau in der bisher Ublichen Art wUrden bei dieser Batterie
in Ruhezustand Leckströme in der Größenordnung von ca.
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0,5 A auftreten. Dies wErde bedeuten, daß das gesamte Glykol in wenigen
Tagen verbraucht wäre, ohne daß die Batterie Strom liefort. insbesondere auf Anwendungsgebieten,
bei denen mit langen Standzeiten zu rechnen ist, wie beispielsweise bei Notstromaggregarten,
ist dies aber nicht tragbar. Durch die Verwendung der erfindungsge1ßen Anordnung
werden dagegen die Leckströme unterbunde und die Batterie ist auch nach sehr langen
Standzeiten noch voll betriebsbereit.
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6 P a t e n t a n s p r ü c h e 2 Figuren
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