DE2904842A1

DE2904842A1 - Bleiakkumulatorenzelle

Info

Publication number: DE2904842A1
Application number: DE19792904842
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl Chem Dr Kiessling; Eberhard Dr Phil Nann
Original assignee: HAGEN AG ACCU FAB WILHELM
Current assignee: Hagen Batterie AG
Priority date: 1979-02-09
Filing date: 1979-02-09
Publication date: 1980-08-21

Description

B e s c h r e i b u n g:
Die Erfindung betrifft eine Bleiakkumulatorenzelle mit einem im Gasraum der Zelle angeordneten Rekombinationselement mit von einem gasdurchlässigen Behälter umgebenen Katalysator zur Rekombination der beim Betrieb des Akkumulators entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase zu Wasser.
Bei der chemischen Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff wird im Bereich des Rekombinationskatalysators Wärmeenergie in erheblichem Maße frei. Dies führt zu einer Betriebstemperator des Katalysators, die über dem Siedepunkt des Wassers liegt, so daß das rekombinierte Wasser in Form von Wasserdampf entsteht, der in den bekannten Rekombinationselementen an speziellen Kühlflächen niedergeschlagen und in den Elektrolyten zurückgeführt wird.
Da bei einer starken Gasentwicklung des Akkumulators die am Katalysator frei werdende Wärmeenergie sehr groß sein kann und andererseits der vom Katalysator abströmende Wasserdampf nur eine geringe Wärmemenge abzuführen vermag, muß bei allen Rekombinationselementen dieser Art dafür gesorgt werden, daß der Katalysator nicht überhitzt und thermisch zerstört wird. Gemäß der DE-AS 24 42 465 wird dies durch ein Rekombinationselement erreicht, bei dem der Katalysatorträger großflächig gestaltet und über einen Metalleiter in einen verbesserten thermischen Kontakt zu einem Teil des Zellendeckels gebracht ist.
Bei dem Rekombinationselement gemäß der GB-PS 1 492 970 wird versucht, eine Überhitzung des Katalysators bei einer zu starken Gasentwicklung des Akkumulators dadurch zu verhindern, daß man die dem Katalysator zuströmende Gasmenge begrenzt. Zu diesem Zweck ist eine gasdurchlässige Keramikfritte, in der der Katalysator angeordnet ist, von einer nach unten offenen Kühlglocke umgeben, in der der vom Katalysator abströmende Wasserdampf aufgefangen wird und an deren Kühlflächen der Wasserdampf bei optimalen Betriebsverhältnissen vollständig kondensiert und den Weg für die zum Katalysator zuströmenden Gase freigibt, Bei einem Uberangebot an Reaktionsgasen ist auch die erzeugte Wasserdampfmenge so groß, daß diese bei entsprechender Bemessung der Kühlglocke nicht mehr niedergeschlagen werden kann und den Glockeninnenraum ausfüllt, so daß der Zustrom weiterer Reaktionsgase zum Katalysator blockiert ist.
Mit den vorgenannten relativ aufwendigen Maßnahmen kann zwar die Überhitzung des Rekombinationselementes bzw.
des Katalysators mehr oder weniger wirksam vermieden werden, doch wird das eigentliche Ziel solcher Anstrengungen, nämlich eine sogenannte wartungsfreie Akkumulatorzelle zu schaffen, bei der möglichst während der gesamten Lebensdauer kein destilliertes Wasser nachgefüllt zu werden braucht, nicht erreicht. Bei den bekannten Akkumulatorzellen ist es nicht zu vermeidet daß Reaktionsgase, die nicht am Katalysator rekombiniart.werden sowie auch der bei der Rekombinations erzeugte Wasserdampf, der nicht schnell genug kondensiert werden kann, über die dafür vorgesehenen Druckausgleichsöffnungen in dem Zellengefäß bzw. dem Zellendeckel abströmen und damit dem Wasserrückführungskreislauf der Zelle verloren gehen, so daß eben doch von Zeit zu Zeit destilliertes Wasser nachgefüllt werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Wartungsfreiheit von Akkumulatorenzellen des vorgenannten Typs auf einfache und kostengünstige Weise zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zelle gasdicht verschlossen und mit mindestens einem Druckbegrenzungsventil versehen ist, und daß im Gasraum der Zelle mindestens ein Rekombinationselement angeordnet ist, bei dem die Zuströmmenge der Reaktionsgase zum Katalysator mechanisch begrenzt ist.
Die Erfindung geht von folgender Überlegung aus. Zweifelsfrei ist es wichtig, den Katalysator vor Überhitzung und thermischer Zerstörung zu schützen. Das kann aber sehr viel einfacher und kostengünstiger durch ein Rekombinationselement geschehen, das grundsätzlich so ausgelegt ist, daß der mögliche Mengendurchsatz an Reaktionsgasen so klein bleibt, daß die thermische Energie sicher durch den entstehenden Wasserdampf und die normale Wärmeübertragung sowie Wärmeleitung abgeführt werden kann.
Zur Begrenzung des Mengendurchsatzes kann beispielsweise eine poröse, begrenzt gasdurchlässige Keramikfritte als Katalysatorbehälter benutzt werden. Ebenso ist es möglich, das gesamte Rekombinationselement in einer Kapsel zu lagern, wobei die Kapsel ein oder mehrere Drossel-Zuströmöffnungen besitzt.
Diese einfachen und kostengünstigen Schutzmaßnahmen gegen die Überhitzung des Katalysators, die an sich im grundsätzlichen bekannt sind, werden erfindungsgemäß kombiniert mit einem Druckbegrenzungsventil, das die gasdicht aufgebaute Zelle vollständig gegen die Atmosphäre abschließt. Damit wird entgegen der bisherigen Praxis zwar eine Druckerhöhung in der Zelle in Kauf genommen, doch werden in erwünschter Weise alle Reaktionsgase bis zu einem aus Sicherheitsgründen nicht zu überschreitenden Druck in der Zelle gesammelt und den Rekombinationselementen zur Verfügung gestellt. Hierdurch wird eine entscheidende Verbesserung der Wartungsfreiheit der Akkumulatorenzelle erreicht.
Dies wird erkennbar, wenn man zum einen die Wirksankeit der bekannten Rekombinationselemente und zum anderen die Entstehung von Reaktionsgasen bei den unterschiedlichen Betriebszuständen des Akkumulators betrachtet Die bekannten Rekombinationselemente arbeiten nur in einem bestimmten Betriebstemperaturbereich mit einem vernünftigen Wirkungsgrad, Die obere Grenze des Betriebstempe raturbereiches ist durch die bereits genannte Begrenzung der Zuströmmenge der Reaktionsgase abgesichert. Die untere Grenze des Betriebstemperaturbereiches ist durch einen starken Abfall des Wirkungsgrades des Rekombinationselementes gekennzeichnet. Je geringer das Angebot rekombinierbarer Gase ist, desto schlechter arbeitet der Rekombinator und desto mehr Reaktionsgase werden bei den bekannten Akkumulatorenzellen über die Druckausgleichs öffnungen abgeblasen und gehen dem Wasserrückführungskreislauf der Zelle verloren.
Nun ist es keineswegs so, daß alle entstehenden Reaktionsgase rekombinierbar sind, d.h. in dem richtigen stöchiometrischen Verhältnis entstehen, um in den Rekombinationselementen zu Wasser verbrannt zu werden. Solche Betriebszustände des Akkumulators, bei denen die Entwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff im richtigen stöchiometrischen Verhältnis erfolgt sind praktisch nur bei der Erhaltungsladung vorhanden. In allen anderen Betriebszuständen des Akkumulators wird entweder zu viel Sauerstoff oder zu viel Wasserstoff entwickelt, der bei den bekannten Akkumulatorenzellen dem Wasserrückführungskreislauf verloren geht. Wird z.B. eine mehr oder weniger entladene Batterie wieder aufgeladen, so entwickelt die positive Platte von Anfang an Sauerstoff, wohingegen die negative Platte erst bei Erreichen einer bestimmten Klemmenspannung nennenswert Wasserstoff entwickelt. Befindet sich eine Bleiakkumulatorenzelle dagegen im Ruhezustand, so besteht die Gasentwicklung im wesentlichen fast nur aus Wasserstoff. Eine stöchiometrisch richtig zusammengesetzte Gasmenge kann somit nur über einen relativ langen Zeitraum entstehen.
Hier schafft die erfindungsgemäße Lehre Abhilfe. Die bei den unterschiedlichen Betriebszuständen eines Akkumulators entstehenden Reaktionsgase werden so lange in der Zelle zurückbehalten und dem Rekombinatior zur Verfügung gestellt, bis entweder für das Anspringen des Katalysators ein richtiges stöchiometrisches Verhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfügung steht oder aber ein Innendruck in der Zelle erreicht ist, der aus sicherheitstechnischen Gründen nicht überschritten werden soll.
Selbst aber bei einem Überschreiten des Innendruckes werden gemäß der Erfindung nur für eine kurze Zeit Reaktionsgase aus der Zelle abgeblasen, nämlich so lange, bis der Sicherheitsdruck wieder unterschritten ist.
Die auf diese Weise dem Wasserrückführungskreislauf verlorengehende Menge an Reaktionsgasen ist aber sehr viel geringer als die Gasmenge, die bei den bekannten Akkumulatorenzellen permanent über die stets offenen Druckausgleichsöffnungen abströmt.
Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, daß das Druckbegrenzungsventil druckabhängig gesteuert ist, beispielsweise durch eine Gegendruckfeder oder Gegengewichtsbelastung. Das Druckbegrenzungsventil kann auch temperaturabhängig gesteuert sein, beispielsweise vermittels eines Bimetalls, da die erreichte Betriebstemperatur des Rekombinationselementes ein Maß für die im richtigen stöchiometrischen Verhältnis vorhandenen und rekombinierten Gasmengen ist.
Vorteilhaft ist es, das Druckbegrenzungsventil in einen der üblichen Verschlußstopfen des Zellengefäßes einzubauen. Grundsätzlich bedarf es keiner räumlichen Zuordnung von Druckbegrenzungsventil und Rekombinationselement. Es kann jedoch fertigungstechnisch zweckmäßig sein, das Druckbegrenzungsventil gemeinsam mit einem Rekombinationselement in einen Verschlußstopfen einzubauen.
Eine erfindungsgemäß Akkumulatorenzelle kann in ihrem Gasraum auch mehr als ein Rekombinationselement aufweisen. Dabei kann sich der Gasraum selbstverständlich auch in ein Rekombinationselement hineinerstrecken, das außen auf die eigentliche Akkumulatorenzelle aufgesetzt ist.
Sind mehrere Rekombinationselemente für eine Akkumulatorenzelle vorgesehen, dann kann es gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zweckmäßig sein, daß die Rekombinationselemente bei verschieden hohem Innendruck der Zelle die Zuströmwege der Reaktionsgase zum jeweiligen Katalysator des betreffenden Rekombinationselementes im wesentlichen frei geben. Auf diese Weise wird ein gestaffeltes Anspringen der Katalysatoren erreicht, so daß beispielsweise in einer ersten Druckstufe nur ein Rekombinationselement arbeitet, dem dadurch die Möglichkeit gegeben ist, eine ausreichend hohe Betriebstemperatur und damit einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen. Die übrigen Rekombinationselemente einer Akkumulatorenzelle schalten sich dann mit steigendem Innendruck der Zelle zu, so daß es in der Regel nicht zu einem Offnen des Druckbegrenzungsventils kommen muß. Es ist ersichtlich, daß damit eine weitgehende Wartungsfreiheit der Akkumulatorenzelle garantiert werden kann.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Teilausschnit einer erfindungsgemäßen Akkumulatorenzelle mit getrennt voneinander angeordneten Rekombinationselement und Druckbegrenzungsventil, Fig. 2 + 3 kombinierte Anordnungen des Druckbegrenzungsventils mit einem Rekombinationselement in einem Verschlußstopfen einer erfindungsgemäßen Akkumulatorenzelle.
In Fig. 1 ist im Querschnitt der Deckel 4 einer Akkumulatorenzelle dargestellt, in den zwei Verschlußstopfen 5 und 6 unter Beifügung einer Dichtung 7 und 8 eingeschraubt sind.
Der Verschlußstopfen 5 schließt die Öffnung hermetisch ab und besitzt an seiner Unterseite eine an ihm befestigte begrenzt gasdurchlässige Keramikfritte 9, die mit Katalysatoren gefüllt ist. Der Füllbereich 10 der Keramikfritte enthält als aktive Bestandteile im wesentlichen Kupferoxide, das das als Katalysatorgift wirksame SbH3 zersetzen kann. Der eigentliche Katalysator 11 enthält Palladium, an dessen Oberfläche Wasserstoff und Sauerstoff rekombinieren können. Solche Rekombinationselemente sind bekannt und in der Zeichnung nur beispielsweise dargestellt.
Das zur Reaktion bestimmte Gas kann aus dem Gasraum der Zelle in einer begrenzten Menge durch die Fritte 9 in den Katalysatorenbereich eindringen, wird im Bereich 10 von evtl. mitgeführten Sb-Wasserstoff befreit und nach Maßgabe der vorgelegten Konzentration zu Wasser verbrannt, wobei je nachdem Sauerstoff oder auch Wasserstoff als Restgas übrigbleibt. Das Wasser entsteht in Form von Wasserdampf, der in kühleren Zellenbereichen, insbesondere an der Oberfläche des Elektrolyten, kondensiert.
Der Verschlußstopfen 6 ist weitgehend identisch wie der Verschlußstopfen 5 ausgeführt, er besitzt jedoch eine zentrale Abblasöffnung 12. Diese ist durch das Ventil 13 gasdicht verschlossen, das aus einem Ventilgehäuse 14, einem Ventilteller 15 und dem Ventilsitz 25 besteht.
Das Ventil wird durch den Druck der Feder 26 geschlossen gehalten. Die Federkraft bestimmt den max. zulässigen Innendruck der Akkumulatorenzelle.
Fig. 2 zeigt die gemeinsame Anordnung eines Druckbegrenzungsventils und eines Rekombinationselementes in einem Verschlußstopfen 15.
Das Rekombinationselement ist wieder entsprechend Fig. 1 aufgebaut und an der Unterseite des Verschlußstopfens 15 befestigt. In dem unteren Teil des Verschlußstopfens 15 ist ein Kanal 16 vorhanden, durch den nach dem Öffnen des auf den Verschlußstopfen aufgebauten Druckbegrenzungsventils 17 Gase entweichen können. Der Aufbau des Druckbegrenzungsventils 17 ist im wesentlichen bereits anhand Fig. 1 beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine gemeinsame Anordnung eines Druckbegrenzungsventils und eines Rekombinationselementes in einem Verschlußstopfen, bei dem das Druckbegrenzungsventil vorteilhaft auch temeperaturabhängig gesteuert werden kann.
Innerhalb der äußeren, begrenzt gasdurchlässigen Keramikfritte 18 ist koaxial eine innere Keramikfritte 19 angeordnet, die gasundurchlässig ist. Auf dieser undurchlässigen inneren Keramikfritte ist der eigentliche Katalysator 20 angeordnet, der seine Betriebstemperatur direkt im Innenraum 21 des Druckbegrenzungsventils mitteilt.
Das Druckbegrenzungsventil besteht im wesentlichen aus dem Ventilteller 22, der sich vermittels einer Ringschnurdichtung 23 auf einer Dichtungsfläche der inneren Keramikfritte 19 abstützt. Der Dichtungsdruck wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wieder über eine Druckfeder 24 aufgebracht, deren Federkraft im wesentlichen konstant ist. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich aber auch gut dazu, anstelle der konstanten Federkraft eine Bimetallfeder in dem Innenraum 21 des Druckbegrenzungsventils anzuordnen, die temperaturabhängig arbeitet.
Leerseite

Claims

Bleiakkumulatorenzelle 1. Bleiakkumulatorenzelle mit einem im Gasraum der Zelle angeordneten Rekombinationselement mit von einem gasdurchlässigen Behälter umgebenen Katalysator zur Rekombination der beim Betrieb des Akkumulators entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase zu Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle gasdicht verschlossen und mit mindestens einem Druckbedrdhzungsventil (13, 17) versehen ist und daß im Gasraum der Zelle mindestens ein Rekombinationselement (9-11, 18, 20) angeordnet ist, bei dem die Zuströmmenge der Reaktionsgase zum Katalysator (11, 20) mechanisch begrenzt ist.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch aekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (13, 17) druckabhängig gesteuert ist.
3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil temperaturabhängig gesteuert ist.
4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (13) in einem Verschlußstopfen (6) des Zellengefäßes eingebaut ist.
5. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (17) gemeinsam mit einem Rekombinationselement (18, 20) in einen Verschlußstopfen (15) eingebaut ist.
6. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasraum der Zelle mehr als ein Rekombinationselement angeordnet ist, wobei die Rekombinationselemente bei verschieden hohem Innendruck der Zelle die Zuströmwege der Reaktionsgase zum jeweiligen Katalysator des betreffenden Rekombiantionselementes im wesentlichen freigeben.
7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aekennzeichnet durch ein Rekombinationselement mit einer porösen, begrenzt gasdurchlässigen Keramikfritte (9, 18) als Katalysatorbehälter.
8. Zelle nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch ein in einer Kapsel gelagertes Rekombinationselement, wobei die Kapsel ein oder mehrere Drossel-Zuströmöffnungen besitzt.