DE2749179A1 - Speicherelement fuer elektrische energie - Google Patents

Description

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Speicherelement für elektrische Energie

Die Erfindung betrifft Speicherelemente für elektrische Energie, also z. B. Batteriezellen. Die vorteilhafte Anwendbarkeit der Erfindung erstreckt sich auf fast alle elektrische Speicherelemente, unabhängig von ihrem chemischen System, wenn die¹*Speicherelemente eine großefeöhe haben· z. B. 100 cm und mehr, falls die schlechte bzw geringe Leitfähigkeit des Grundmaterials (z. B. Blei) eine ungünstige Holle spielt, insbesondere wenn Entladeströme von großer Stärke entnommen werden.

Batteriezellen können als "schmal" bezeichnet werden, wenn sie ein großes Verhältnis zwischen Höhe und Breite haben.

Unter "großer Stromentnahme" sind Betriebszustände zu verstehen, bei denen die Entladungszeit 20 min und auch kurzer ist.

Die Bezeichnung "Speicherelement für elektrische Energie" bezieht sich auf alle Bauarten solcher Elemente, also einzelne Zellen bzw auch solche Zellen die als Batteriezellen zusammengestellt bzw zusanunengeschaltet werden können; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Akkumulatorenzellen der Blei-Schwefelsäure-Bauart (Blei-Akkumulatoren), aber, wie schon erwähnt, auch auf andere Bauarten.

Die Erfindung sieht eine beträchtliche Verbesserung bei der Entladung von Speicherelementen mit großen Stromstärken vor, was aus der folgenden vergleichenden Beschreibung der Batteriezelle eines Blei-Akkumulators von "schmaler", also hoher Bauart einer bekannten Ausführungsform mit einer sochen Zelle gemäß der Erfindung hervorgeht.

Der Aufbau solcher Zellen ist bekannt; sie bestehen aus einer Anzahl positiver und negativer Platten, die in einem geeigneten Gefäß, dem Zellengefäß, untergebracht sind. Die Platten können aus einer Anordnung bzw Zusammenfassung _/

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röhrchenförmiger Elemente oder aus Gittern bestehen, die das aktive Material aufnehmen bzw halten. Die Gitter der Gitterplatten haben "Hauptleiter¹¹, die vom oberen zum unteren Ende des Gitters bzw der Platte, also lotrecht verlaufen. Querschienen verlaufen im rechten Winkel zu diesen Hauptleitern zwischen ihnen. Dabei haben die lotrechten Leiter im allgemeinen eine größeren Querschnitt als die Querschienen, durch die sie verbunden sind. Das hat zur Folge, daß der größte Anteil des Stromes in diesen Hauptleitern fließt.

Es zeigt schematisch:

Fig.1 in Seitenansicht eine Röhrchenplatte bekannter Bauart und

Fig.1a einen Schnitt in der Linie B-B der Fig.1.

Wie ersichtlich ist eine Anzahl röhrchenförmiger Teile a in lotrechter Anordnung zwischen den lotrechten Schienen b,b' - in paralleler Lage zueinander - fest zusammengehalten bzw zusammengebaut. Die Schiene b'hat ein*Ansatz bzw eine Fahne I. Ein Dorn bzw Runddraht C liegt in der Mittellängsachse jedes Röhrchens a.

Der Wikungsgrad der Strom- bzw Energieabgabe von solchen hohen Blei-Akkumulatoren-Zellen wird beträchtlich vermindert, wenn die Entladung schnell, also z. B. in 20 min oder in kürzerer Zeit vor sich geht. Der elektrische Widerstand der Platten spielt eine wichtige Rolle bei der Verminderung des Wirkungsgrades der Batterie, verursacht durch die (Widerstands-)Verluste in den lotrechten Leitern der Gitterplatten bzw in den Drähten c der Röhrchen a. Diese Verlustefsteigen mit dem Quadrat der Stromstärke (I R- Verluste)) es wird infolgedessen Wärme erzeugt und die elektrochemische Ausnutzung des aktiven Materials ist nicht gleichmäßig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die oben erwähnten Nachteile durch eine beträchtliche Verminderung des elektrischen Widerstandes der Platten bzw der den Strom aus den Speicherelementen ableitenden Teile zu vermeiden. Der Platten-

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bzw Leiteraufbau gemäß der Erfindung kann auf fast alle Typen von Platten angewendet werden, z. B. aus Rohren aufgebaute oder ebene Platten, die mit Paste bestrichen sind, oder gegossene, gestanzte oder gezogene Gitter haben; insbesondere ist die Erfindung anwendbar bei Platten von großer Höhe und verhältnismäßig geringer Breite.

Die Speicherelemente für elektrische Energie gemäß der Erfindung unterscheiden sich von bekannten Speicherelementen dadurch, daß ihre positiven und negativen Platten derart zusammengebaut sind, daß die Platten sich in lotrechten Ebenen (ggfs. senkrechten Ebenen zum Boden des Zellengefäßes) erstrecken, wobei die ersten Leiter, d. h. die Leiter, die mit dem aktiven Material unmittelbar in Verbindung stehen, waagerecht angeordnet sind, wobei.als innere Stromleiter Sammelschienen vorgesehen sind, die sich vom oberen Ende der Zelle nach unten längs der äußeren Kanten der Platten erstrecken, mit einem geringen Abstand von diesen Kanten; diese Sammelschienen bestehen aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen Metall von hoher elektrischer Leitfähigkeit und sind in der für ihre Zweckbestimmung geeigneten Weise herstellt und behandelt. Jede lotrechte Sammelschiene (positive und negative) hat in verschiedenen Höhen eine Anzahl Querschienen. Dabei ist jede Platte mit der ihr zugehörigen lotrechten Sammelschiene an bestimmten Punkten, die über ihre ganze Höhe verteilt sind, mittels der erwähnten Querschienen verbunden, die sich über die Breite der Plattengruppe in der Waagerechten erstrecken und so eine angemessene Zahl von Platten derselben Polarität in derselben Höhe verbinden.

Bei einer anderen Ausführung form der Erfindung ist das Speicherelement so ausgebildet, daß es zwei Gruppen von Platten von entgegengesetzter Polarität hat, die sich in lotrechten (oder ggfs. senkrechten) Ebenen erstrecken, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Platte aus einer Anzahl in waagerechter Richtung sich erstreckender Leiter besteht und daß jede Platte einer Gruppe an einer Anzahl von Stellen, die in lotrechter Richtung Abstand

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voneinander haben, also übereinander liegen, mit einer Sammelschiene verbunden ist, die sich im wesentlichen lotrecht erstreckt. Vorzugsweise hat die lotrecht stehende Sammelschiene eine Anzahl in Querrichtung sich erstreckender Teile, die mit der Sammelschiene ein Stück bilden und deren Endteile den Verbindungspunkten entsprechen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Ee zeigt schematisch:

Fig.2 die Seitenansicht einer postiven, aus neuen rohrförmigen Teilen aufgebauten^latte gemäß der Erfindung (in der Darstellungsweise der Fig.1, um die Unterschiede zum Stand der Technik zu verdeutlichen) ;

Fig.3 eine schaubildliche Darstellung einer Zelle gemäß der Erfindung (ohne Zellengefäß);

Fig.3a einen Schnitt in der Linie A-A der Fig.3;

Fig.4· eine Seitenansicht einer Plattenanordnung, die in der Anordnung gemäß Fig.3 untergebracht ist;

Fign. 5 und 6 eine bevorzugte Ausführungsform der Herstellung einer neuen Bauart von rohrförmigen Taschen für die Platten, die in Fig.4 veranschaulicht sind;

Fign 7 und 7a eine bevorzugte Ausführungsform einer neuen Bauart einer Trennplatte mit Rippen zur Benutzung in Verbindung mit der Anordnung gemäß der Erfindung, nämlich den aus waagerecht liegenden Bohren aufgebauten Platten.

Wie aus den Figuren 2 un 3 ersichtlich stehen die Platten, die im Ganzen mit 1 bezeichnet sind, in lotrechten Ebenen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Platten

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aus den Rohren bzw Rohrteilen 2 zusammengesetzt, von denen jedes einen Dorn bzw Rundleiter oder Runddraht 3 aufweist. Zum Unterschied von den bekennten Zellen (vgl. Fig.1), bei denen die Röhrchen in den Platten lotrecht angeordnet sind, erstrecken sich die einzelnen Rohrteile 2 bei der Ausführungsfonn gemäß der Erfindung waagerecht. Alle Rohrteile 2 sind zwischen den Schienen 4 und 4a gehalten. Die (positive) Stromführungsschiene 4 hat eine Anzahl Ansätze bzw Fahnen I. In gleicher Weise hat die(negative)Stromführungsschiene solche Fahnen I. Entlang der Plattenanordnung erstrecken sich an beiden Seiten des schachtartigen Zusammenbaus flache Sammelschienen 5, die entweder als ein Stück mit den beiderseits herausragenden Querschienen 6 ausgebildet oder mit diesen elektrisch leitend verbunden sind. Die Sammeis chi en en 5" dienen als Hauptstromleiter und über die Querschienen 6 sind sie mit den Fahnen I derart verbunden, daß eine Verbindung mit jeder Platte in bestimmten Höhen gebildet wird.

Der Strom wird, wie aus der Zeichnung ersichtlich, mittels verhältnismäßig kurzer, waagerecht liegender Leiter oder Dorne 3 von angemessenem Querschnitt über das aktive Material verteilt. Alxe Dorne 3 haben gleiche Länge und infolgedessen den gleichen elektrischen Widerstand.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß bei einer hohen Entladestromstärke der Wirkungsgrad der Rohrteile 2 enthaltenden Platten, die, gemäß der Erfindung, wie eben beschrieben, waagrecht liegende und lotrecht übereinander angeordnete Rohrteile sind, durch die hydrodynamische Turbulenz verstärkt wird, welche während der Entladung erzeugt wird.

Fertig zusammengebaute Plattengruppen-Einheiten von jeder gewünschten, praktisch herstellbaren Höhe, wie oben beschrieben , können in—einfacher Weise dazu verwendet werden, Zellen von größerer Leitfähigkeit und größerer Kapazität herzustellen als bisher, wobei eine verhältnismäßig kleine Stellfläche benötigt wird. Jede Platte kann aus verschiedenen Plattenabschnitten zusammengebaut sein, wie es zweckmäßig ist bzw aufgrund technologischer Gegebenheiten oder praktischen

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Überlegungen eich ergibt.

Die elektrischen Vorteile der Speicherelemente gemäß der Erfindung im Verhältnis zu bekannten Speicherelementen sind folgendermaßen nachzu-weisen:

Bei einer gegebenen Flattengröße mit einer lotrechten Erstreckung (Höhe) L und einer waagerechten Erstreckung (Breite) d ist der elektrische Widerstand bei der bekannten Anordnung bzw Gestaltung (vgl. Fig.1) L/d. Bei der Anordnung bzw Gestaltung gemäß der Erfindung dagegen (vgl. Pig. 2) ist diese Beziehung d/L. Daraus folgt, daß der Widerstand einer Platte bzw Plattenanordnung gemäß der Erfindung (Fig.2), die eine geeignete bzw angemessene An-Zahl von Fahnen I hat, (L/d) mal kleiner ist als diejenige der in Fig.1 dargsstellterfPlatte mit denselben äußeren Abmessungen. In dem Fall, in dem z. B. L = 100 cm und d ■ 20 cm ist, wird der Widerstand der Platte gemäß der Erfindung ^ _{des vidergtan<}j_es ^₆₁. bekannten (Vergleichs-) Platte betragen.

Man ersieht daraus, daß - verglichen mit einer sonst ähnlichen Zelle gewöhnlicher Bauart- eine hohe bzw schmale 31ei-Akkumulatoren-Zeil e Jgemäß der Erfindung gestaltet ist und die bis auf einen vorbestimmten Spannungswert entladen wird, eine höhere Durchschnittspannung hat und deshalb beträchtlich mehr elektrische Energie liefert. Weiterhin wird in der Zelle gemäß der Erfindung weniger Wärme erzeugt. Die in Fig.3 veranschaulichte Anordnung hat Bleiplatten-Gruppen mit positiven Platten, die aus Bohrteilen zusammengesetzt sind und ebene bzw flachen negativen Platten, die mit Paste bestrichen sind. Die Erfindung ist aber auch für andere Platten-Bauar^ten und auch für andere Bauarten von Zellen verwendbar. So kann man z. B. Gitte'platten in lotrechten Ebenen anordnen, wobei die Hauptleiter in der Waagerechten verlaufen.

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Wellenförmig gestaltete Trennplatten bekannter Bauart, deren Wellen in einer lotrechten Ebene liegen, rufen eine ähnliche hydrodynamische Turbulenz hervor, wie oben beschrieben.

Die lotrecht angeordneten Sammelschienen (5) können nach oben verlängert sein, so daß sie die Polklemmen der Zellen bilden. Diese Hammelschienen können auch als Wärmetauscher dienen. Die lotrechten Sammelschienen (5) können sich in der Richtung nach unten verjüngen, so daß eine gleichmäßiige Stromdichte in den verschiedenen Querschnitten an allen Verbindungspunkten über die Höhe der Zelle sichergestellt ist.

In gleicher Weise können die waagerecht angeordneten Leiter oder Dorne 3» die in der Mittel-Längsachse der Rohrteile 2 liegen, einen abnehmenden Querschnitt in Richtung vom Stromabnahmepunkt hinweg haben.

Es ist vorteilhaften den Sammel schienen 5 seitlich an einer oder mehreren Stellen nach innen ratende Ansätze 7 vorzu-

nicht-leitende

sehen, auf denen/Träger 8 ruhen, an welchen die aus Rohrteilen 2 aufgebauten Platten aufgehängt sind. Auf diese Weise ruht das ganze Gewicht der Anordnung nicht mehr auf den unteren Rohrteilen 2 allein und es wird dadurch eine Verformung dieser Teile oder eine Ausbeulung der aus den Rohrteilen 2 aufgebauten Platte verhindert. Die Träger 8 werden in angemessenen Abständen angebracht. In leeren R.hrteilen.. ersetzen sie den Dorn 3 und auch das aktive Material.

Die Herstellung von Röhrchen und röhrchenförmiger^Taschen, wie sie bei der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion verwendet werden, ist bekannt.

Die Figuren 5 und 6 veranschaulichen eine neue Ausführungsform rohrförmiger Taschen, die vorzugsweise in Verbindung mit der Erfindung benutzt werden kann.

Die Textilien flO, die üblicherweise für die Herstellung solcher rohrförmiger Taschen verwendet werden, sind durch besondere Fäden bzw. fadenähnliche Teile 11 aus einem elektrisch nicht leitenden, gegen Säure widerstandsfähigen und

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festen Material verstärkt. Die Fäden 11 können mit den Textilien 10 in verschiedener Weise verbunden werden, z. B. durch Heften bzw Steppen oder durch Kleben. Die Fäden 11 können mit den Textilien -jo auch unter Anwendung von Wärme verschweißt werden oder unter Verwendung eines Klebemittels verleimt werden.

Das Heften der verstärkten Textilien 10, die Ausbildung der Taschen 14 und die Endbehandlung werden in bekannter Weise durchgeführt.

In den fertigen-Platten liegen die Verstärkungsfäden im wesentlichen senkrecht zu den Mittel-Längsachsen der Rohrteile 2; d. h. sie verlaufen in einer üblichen Röhrchenplatte (Pig.1) waagerecht und in einer Rohrplatte gemäß der Erfindung (Fig.2) lotrecht bzw senkrecht.

Figuren 7 und 7a veranschaulichen eine neue Ausführungsform einer Trennplatte mit Rippen, die ebenfalls in Verbindung mit der Erfindung Anwendung finden kann.

Die senkrechten Rippen 20 der Trennplatten 21 haben Ausnehmungen 22, die verhältnismäßig flach sind und deren Abstand gleich dem Abstand der Rohrteile 2 (bzw ihrer Mittel-Längsachsen) oder der Taschen 14 ist. In der zusammengebauten Zelle passen die Taschen 14 über die ganze Plattenfläche in die Ausnehmungen 22. So übernimmt die Trennplatte 21 zusätzlich zu ihrer üblichen Funktion die Aufgabe, einer Verwerfung der Rohrteile 2 entgegenzuwirken.

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L e e r s e 11 e

Claims (12)

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   Patentansprüche:

   M. Speicherelement für elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Platten (1) so zusammengebaut sind, daß sie in lotrechten Ebenen stehen und die ersten, mit dem aktiven Material in Verbindung stehenden Leiter (3) waagerecht angeordnet sind, und daß lotrechte Sammeischienen (5)i die den erforderlichen Querschnitt aufweisen und aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sind, als innere Stromleiter vorgesehen sind, die sich vom oberen Ende des Speicherelements bzw der Zelle nach unten längs der lotrechten Kanten der Platten (1) in einem geringen Abstand von diesen Kanten erstrecken, und daß jede lotrechte, positive oder negative Sammelschiene (5) in verschiedenen Höhen eine Anzahl von Querverbindungen (6) aufweist, so daß jede Platte (1) mit der ihr zugehörigen Sammelschiene (5) an bestimmten Punkten, die über die Höhe der Platte (1) verteilt sind, mittels der Querverbindungen (6) Kontakt hat, die sich über die Breite einer Plattengruppe in der Waagerechten derart erstrecken, daß eine angemessene Anzahl von Platten (1) derselben Polarität an verschiedenen Stellen auf gleicher Hohe elektrisch verbunden sind.
2. 2. Speicherelement nach Anspruch 1 mit zwei Gruppen von Platten entgegengesetzter Polarität, die in lotrechten Ebenen stehen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (1) eine Anzahl waagerecht liegender Leiter aufweist, und daß jede Platte (1) einer Gruppe an lotrecht übereinander liegenden Stellen mit einer Sammelschiene (5) verbunden ist, die im wesentlichen lotrecht in der Nähe der auf einer Geraden liegenden Enden der waagerechten Leiter dieser Plattengruppe verläuft.
3. 3. Speicherelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede lotrechte Sammelschiene (5) eine Anzahl in Querrichtung sich erstreckender Teile(6)aufweist, deren Enden mit den Stellen zur Stromabnahme von den Platten (1) zusammenpassen.

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4. 4. Speicherelement nach Anspruch 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, aus denen eine Platte besteht, Rohrteile (2) beliebigen Querschnitts sind.
5. 5. Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile (2) zwischen zwei lotrechten Schienen (4,4a) gehalten sind, wobei eine (4) dieser Schienen nach der Seite sich erstreckende Fahnen (I) hat.
6. 6. Speicherelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) derselben Polarität durch Querschienen (6) zusätzlich zu der Verbindung, die durch die lotrechten Sammelschienen (5) gegeben ist,verbunden sind.
7. 7. Speicherelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auch als Wärmetauscher dienenden lotrechten Sammelschienen (5) mit ihren obersten Abschnitten die Zellen-Klemmen bilden.
8. 8. Speicherelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lotrechtenjsammelschienen (5) einen sich nach unten verjüngenden Querschnitt haben.
9. 9· Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte bzw Dorne (3) in den Rohrteilen (2) in Richtung vom Stromabnahmepunkt hinweg einen abnehmenden Querschnitt haben.
10. 10. Speicherelement nach Anspruch 1 und 2 von der Bauart mit Paste bestrichener Gitterplatten, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Gitterschienen einen abnehmenden Querschnitt in Richtung vom Stromabnahmepunkt hinweg haben.

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11. 11. Speicherelement nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lotrechten Sammelschienen (5) nach innen weisende Ansätze (7) haben, auf denen Träger (8) aus elektrisch nicht leitendem Material ruhen, die als Aufhängung der Plattenanordnung dienen.
12. 12. Speicherelement nach Anspruch 1 bis 4-, gekennzeichnet durch die Rohrteile (2) haltende rohrförmige Taschen (14), die aus in Querrichtung verhefteten Textilien(10)bestehen, die mittels an ihnen angebrachter, elektrisch nicht leitende Fäden (11) od. dgl., die senkrecht zu den Achsen der Taschen (14) verlaufen, verstärkt sind.

    13· Speicherelement nach Anspruch 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Trennplatte, die Rippen (20) hat, die sich in der Einbaulage in lotrechter Richtung erstrecken und Ausnehmungen (22) haben, die die waagerecht liegenden Rohrteile (2) aufnehmen können.

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