-
Akkumulatorzelle mit Rekombinator und externer
-
Sauerstoffversorgung Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorzelle
mit wässrigem Elektrolyten, die mit einer Vorrichtung zur Rekombination der im Betrieb
des Akkumulators entstehenden Gase ein gegen die Luftatmosphäre dicht abgeschlossenes
System bildet.
-
Allgemein entstehen in Akkumulatorzellen mit wässrigem Elektrolyten,
z.
-
B. in der Bleizelle wie auch in der Ni/Cd-Zelle, im Oberladebereich
durch Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff. Auch durch Selbstentladung können
Wasserstoff und Sauerstoff bei der Entladung oder auch bei betriebsloser Standzeit
entwickelt werden. Dadurch, daß diese Gase ins Freie gelangen, verringert sich das
Wasservolumen. Die Akkumulatoren bedürfen deshalb einer Wartung.
-
Durch Verwendung eines Rekombinationskatalysators kann man Wasserstoff
und Sauerstoff, die in der Zelle gebildet werden, zu Wasser-rekombinieren und dadurch
den Wasserhaushalt ausgleichen. Die Elektrolysegase werden jedoch infolge der Eigenschaften
der Einzelelektroden nicht stöchiometrisch entwickelt, sondern entstehen mit einer
gewissen Phasenverschiebung. Im allgemeinen beginnt die Sauerstoffentwicklung vor
der Wasserstoffentwicklung.
-
Man begegnet bisher diesem Umstand dadurch, daß man in Zeiten des
Sauerstoffüberschusses über eine Offnung im Rekombinator diesen Sauerstoff in die
Atmosphäre entweichen läßt; in Zeiten eines Überangebotes von Wasserstoff wird dieser
nach außen abgegebene Sauerstoff durch Diffusion wieder in die Zelle hineingeholt.
-
In der DE-OS 2 447 381 wurde schon vorgeschlagen, Rekombinator und
Akkumulator in einem gasdichten Gefäß unterzubringen und die Speicherwirkung
des
Gasvolumens im Zellgefäb oberhalb des Elektrolytspiegels zum Ausgleich der durch
unstöchiometrische Gasentwicklung gestörten Gasbilanz zu nutzen.
-
Ein weiterer Vorschlag, die Gasbilanz im zeitlichen Mittel auszugleichen,
geht gemäß der DE-OS 2 804 583 dahin, daß der Akkumulator und der Rekombinator in
einem gemeinsamen gasdichten Gehäuse oder in zwei untereinander kommunizierenden
Gehäusen untergebracht sind und daß von zwei Ventilen, welche das geschlossene System
mit seiner Umgebung verbinden und gegebenenfalls zu einem einzigen Ventil für beide
Durchlaßrichtungen (Doppelfunktionsventil) vereinigt sein können, das eine sich
bei überschreiten eines bestimmten überdrucks gegen die äußere Atmosphäre und das
andere sich bei einem bestimmten Unterdruck öffnet.
-
Allen bekannten Maßnahmen zur RUckgewin#u# ,ut,g des Wassers aus den
Elektrolysegasen sind entweder darauf angelegt, daß nach Zeiten unstöchiometrischer
Gasentwicklung die Korrektur der Gasbilanz entweder ganz aus dem internen Gashaushalt
heraus erfolgt oder daß eine bei hohem überdruck erzwungene Freigabe von Gasen,
insbesondere von Sauerstoff, durch Zuführung von Luftsauerstoff wenigstens teilweise
wieder wett gemacht wird. Dabei kann die interne Gasspeicherung zwischenzeitlich
zu erheblichen überdrucken fuhren, während durch das Abblasen von Gas, wenn dieses
in seiner Zusammensetzung stark von der Stöchiometrie des Wassers abweicht, längerfristig
Elektrolytverluste nicht zu umgehen sind.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine im gasdichten
Verbund mit einem Rekombinator arbeitende Akkumulatorenzelle anzugeben, die es erlaubt,
den Gasumsatz am Katalysator von den zeitlichen Angebotsmengen an Wasserstoff und
Sauerstoff unabhängiger zu machen und bei der Rückgewinnung des Wassers eine größtmögliche
Ausbeute zu erzielen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem geschlossenen
System Zelle/Rekombinator aus einer externen Quelle reiner Sauerstoff zuführbar
ist.
-
Die erfindungsgemäße Funktionsweise der Akkumulatorenzelle ist mithin
dadurch charakterisiert, daß ihr Gashaushalt zu jedem Zeitpunkt in der Regel einen
stöchiometrischen überschub an Sauerstoff aufweist und daß der Sauerstoffanteil
im Grenzfall bis auf die von der Stöchiometrie des Wassers geforderte Menge absinkt.
Die Bildung eines temporären Sauerstoffdefizits bei ungleichmäßiger Gasentwicklung
wird durch die erfindungsgemäße externe Sauerstoffversorgung verhindert. Zu diesem
Zweck ist das gasdichte Zelle/Rekombinator-System mit der Sauerstoffquelle durch
eine Zuleitung verbunden. Die Sauerstoffquelle kann eine Gasflasche oder auch eine
chemische oder elektrochemische Reaktion sein, die von einer Sauerstoffentwicklung
begleitet ist.
-
Die Zuführung des Sauerstoffs zu dem geschlossenen System ist durch
Ventile gesichert, welche ansprechen, wenn jeweils ein bestimmter überdruck oder
Unterdruck des Systems gegen die äußere Luftatmosphäre überschritten wird.
-
Zur näheren Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung zeigt Figur
1 schematisch eine Anordnung von Akkumulatorzelle, Rekombinator und Sauerstoffquelle,
Figur 2 zeigt die Verwendung eines Doppelfunktionsventils bei der Anordnung nach
Figur 1, Figur 3 zeigt die Verbindung mehrerer geschlossener Zelle/Rekombinator-Systeme,
die einen Batterieberband bilden, mit einer gemeinsamen Sauerstoffquelle unter Verwendung
eines Monitorrekombinators zur Funktionskontrolle.
-
Nach Figur 1 ist das geschlossene System aus Akkumulatorzelle 1 und
Rekombinator 2 durch die Sauerstoffzuleitung 3 mit der Sauerstoffquelle 4 verbundes
Ein auf Unterdruck in der Zelle ansprechendes und nur in Einlaßrichtung arbeitendes
Ventil 5 in der Zuleitung 3 kann die Sauerstoffversorgung des Systems regulieren.
Dabei wird das freie Gasvolumen oberhalb des Elektrolytspiegels 6 mit Sauerstoff
gefüllt.
-
Gast die Zelle mit WasserstoffüberschuS, so ist eine vollständige
Rekombination mit dem vorhandenen Sauerstoff möglich. Der verbrauchte Sauerstoff
wird
durch nachströmenden Sauerstoff aus der externen Quelle ersetzt, bis der Druck in
dem System einen definierten Wert erreicht hat.
-
Ebenso führt ein Sauerstoffüberschuß in der Zellgasung zu einer Druckerhöhung,
da keine vollständige Rekombination stattfindet.
-
Um einen unzulässigen Druckanstieg über den definierten Wert hinaus
zu verhindern, ist an dem geschlossenen System Zelle/Rekombinator ein Ventil 7 angebracht,
das sich bei Erreichen eines Schaltdrucks öffnet und den überschüssigen Sauerstoff
in die Atmosphäre abbläst.
-
Gemäß Figur 2 kann sich das Abblasventil 7 auch an anderer Stelle
der Anordnung befinden, z.B. an der Zuleitung 3, aber nur dann, wenn außer dem Gaszufluß
auch ein Gasabfluß durch die Zuleitung zugelassen wird.
-
Dies ist in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines Doppelfunktionsventils
8 möglich, das anstelle des einfachen Ventils 5 (Figur 1) in der Zuleitung 3 abgeordnet
ist.
-
Bei Verwendung von mehreren Zelle-/Rekombinator-Systemen in einem
Batterieverband bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die einfache Möglichkeit,
einen sogenannten Monitorstopfen nach DE-OS 27 25 661 zur überwachung der Systeme
zu installieren.
-
Werden gemäß Figur 3 mehrere Zellen-/Rekombinator-Systeme parallel
an eine Sauerstoffquelle angeschlossen, dann überwacht ein Monitorrekombinator 9,
angebracht im Verzweigungspunkt der Gaszuleitungen, die Funktionstüchtigkeit aller
Systeme. Fällt ein Rekombinator auf einer Zelle aus, so erhöht sich dort während
der Zellgasung der Druck, und das Wasserstoff/ Sauerstoff-Gemisch drückt in Richtung
Sauerstoffquelle. Erreicht das Gas den Monitorrekombinator, so setzt Rekombination
unter Wärmeentwicklung ein.
-
Die Temperaturerhöhung wird z.B. über ein Thermoelement gemessen und
zeigt die Störung eines Systems an. Bei dieser Anordnung muß das Abblasventil 7
zwischen Monitorrekombinator und 02Quelle angebracht sein.
-
Die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle bietet weiterhin die Möglichkeit,
die Gitterkorrosion zu messen, die sich durch einen im Laufe der Zeit ansteigenden
Elektrolytspiegel äußert. über längere Zeiträume betrachtet ist beim Bleiakkumulator
die Gasung, hervorgerufen durch Lade- und Entladevorgänge, stöchiometrisch. Es ist
allerdings bekannt, daß die Blei gitter und -zuleitungen im Laufe der Lebensdauer
eines Akkumulators korrodieren.
-
Hauptsächlich korrodiert das positive Gitter nach den Reaktionen:
Pb + HSO, = PbSO4 + H+ + 2 e Pb + H20 = PbO + 2H+ + 2 e Dadurch entwickelt sich
an der negativen Elektrode Wasserstoff: 2H + 2 e = H2 Aufgrund der Gitterkorrosion
entspricht die Wasserstoffgasung nicht der Stöchiometrie 2 : 1 Wasserstoff/Sauerstoff,
sondern ist größer.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung rekombiniert auch den durch Korrosion
erzeugten Wasserstoff, da Sauerstoff immer im Überschub angeboten wird. Dadurch
erhöht sich während der Lebensdauer der Zelle die Elektrolytmenge, und die Erhöhung
des Elektrolytspiegels ist ein direktes Maß für die Stärke der Gitterkorrosion.
Eine Skala in oder an dem Zellgefäb zeigt den Korrosionsgrad entsprechend der Elektrolythöhe
an.