DE3239396C2

DE3239396C2 - Batterie

Info

Publication number: DE3239396C2
Application number: DE3239396A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr. 5790 Brilon Katryniok; Jean Dr. Ruch
Original assignee: Accumulatorenwerk Hoppecke Carl Zoellner and Sohn KG
Current assignee: Accumulatorenwerk Hoppecke Carl Zoellner and Sohn KG
Priority date: 1982-10-25
Filing date: 1982-10-25
Publication date: 1985-01-17
Also published as: GB8326770D0; JPH0626140B2; DE3239396A1; GB2129199B; JPS5994386A; FR2535903B1; US4490443A; FR2535903A1; GB2129199A

Abstract

An einer Batterie aus einer Mehrzahl von galvanischen Elementen, insbesondere Metall-Luft-Zellen, die jeweils aus einer verbrauchbaren Metallelektrode flächiger Form bestehen, welche in einen vom Elektrolyten durchspülten Behälter hineinragt, dessen Seitenwände frei von Luft oder Sauerstoff anspülbar sind und der jeweils mindestens eine Gasdiffusionselektrode mit Abstand zur Arbeitsfläche der verbrauchbaren Metallelektrode trägt, soll ein Langzeitbetrieb unter hoher Last ermöglicht sein. Zwecks Bereitstellung einer unbeschränkten Lagerfähigkeit durch Aktivierung und Desaktivierung und schnelle mechanische Wiederaufladung unabhängig vom Stromnetz, ist in einem Gehäuse unterhalb mindestens einer Zelleneinheit ein Vorratsbehälter für den Elektrolyten angeordnet. Der Vorratsbehälter ist über ein Schließorgan mit einem zumindest teilweise über dem Arbeitsniveau des Elektrolyten in den Zellen angeordneten Elektrolyt-Aktivierungstank verbunden. Vom Vorratsbehälter aus ist über eine Pumpe und Zweigleitungen jeder Zellenbehälter mit Elektrolyt beaufschlagbar, welcher über den Elektrolyt-Aktivierungstank umwälzbar ist. Über die Öffnungen des Schließorgans läßt sich die Zelleneinheit bei Bedarf aktivieren und desaktivieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie aus einer Mehrzahl von galvanischen Elementen, insbesondere Metall-Luft-Zellen, die jeweils aus einer verbrauchbaren Metallelektrode flächiger Form bestehen, welche in einen vom Elektrolyten durchspülten Behälter hineinragt, dessen Seitenwände frei von Luft oder Sauerstoff anspülbar sind, und der jeweils mindestens eine Gasdiffusionselektrode mit Abstand zur Arbeitsfläche der verbrauchbaren Metallelektrode trägt, wobei in einem Gehäuse unterhalb mindestens einer Zelleneinheit ein Vorratsbehälter für den Elektrolyten angeordnet ist. der mittels einer Pumpe und Zweigleitungen jedem Zeilenbehälter zuführbar ist.

Eine derartige Flachzelle, die in einer Zusammenstellung zu mehreren zur Ausbildung einer Batterie geeignet ist, ist aus der DE-Patenianmeldung P 31 29 248.8 bekannt Die dort beschriebene Aluminium-Luft-Zelle besteht aus einer Anode, die eine verbrauchbare Aluminiumelektrode flächiger, rechteckiger Form darstellt, einem Behälter zur Aufnahme eines alkalischen Elektrolyten, insbesondere KOH. sowie zwei auf den Flachseiten des Behälters einander gegenüberliegend angeordneten Gas-Diffusionselektroden in der Ausführungsform als Luftelektroden. Solche Aluminium-Luftsauerstoff-Zelien gehören zu einer neuen Generation von aktivierbaren Primärbatterien, in denen durch Erneuerung der Anode und des Elektrolyts eine »Wiederaufladung« erfolgt. Während des Entladevorgangs wird Aluminiummetall mit dem Sauerstoff aus der Luft oder einem mitgeführten Vorrat umgesetzt und im alkalischen Element gelöst.

Aus der DE-AS 21 31 394 ist ferner ein Elektrolythilfssystem für ein Verfahren bekannt, den Elektrolyten bei in Stapelform aufgebauten Batterien mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Zellen zum Zirkulieren zwischen den äußeren und inneren Elektrolyträumen zu bringen. Dabei ist in einem Gehäuse unterhalb einer Zelleneinheit ein Vorratsbehälter für den Elektrolyten angeordnet, der mittels einer Pumpe und Zweigleitungen jedem Zellenbehälter zuführbar ist. Dabei ist nachteilig, daß eine Desaktivierung und Reaktivierung nicht vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung der bekannten Zelle eine Batterie zu entwikkein, die einen Langzeitbetrieb unter hoher Last ermöglicht, durch Aktivierung und Desaktivierung unbeschränkt lagerfähig ist, durch Erneuerung der Betriebsstoffe Aluminium und Elektrolyt eine schnelle Wiederaufladung unabhängig vom Stromnetz ermöglicht und einen hohen Energicinhalt bei hoher Leistungsdichte aufweist.

Die Aufgabe ist e'-findungsgemäß dadurch gelöst, daß der Vorratsbehälter für den Elektrolyten über ein Schließorgan mit einem zumindest teilweise über dem

so Arbeitsniveau des Elektrolyten in den Zellen angeordneten Elektrolyt-Aktivierungstank verbunden ist, über welchen der Elektrolyt umwälzbar ist. Hierdurch ist es möglich, zunächst rein hydrostatisch über die Öffnung des Schließorgans die Zelleneinheit bei Bedarf zu aktivieren und zu desaktivieren. Vorzugsweise ist das Schließorgan ein elektrisches Schaltventil, über das elektrisch eine Pumpe an die Zelieneinheit angeschlossen ist derart, daß bei einer Aktivierung der in der Zelleneinheit erzeugte Strom zum Antrieb der Pumpe und damit zur automatischen Elektrolytumwälzung verwendet wird.

Ferner kann es zur Intensivierung der Luftzufuhr vorteilhaft sein, an einer der Zelleneinheit benachbarten Gehäusewandung einen Lüfter einzubauen, der elektrisch ebenfalls an die Zelleneinheit angeschlossen sein kann. Bei einer Ausführungsform einer Batterie ist mittig im Gehäuse der Batterie eine über die gesamte Breite sich erstreckende Elektrolytzuleitung angeordnet.

von der aus die Zweigleitungen abgezweigt sind und die tragendes Element für eine Aluminium-Luftzelleneinheit mit 12 in Reihe geschalteten Flachzellen ist. Jede Flachzelle besteht aus einem Behälter aus einem elektrolytbeständigen Metall, insbesondere Nickel oder Edelstahl für alkalische Elektrolyten, der mit einem Stromabgriff versehen ist. An seinen den aktiven Flächen der Aluminium-Elektrode gegenüberliegenden Flachseiten weist der Behälter fensterartige Aussparungen auf, in die je eine mit hydrophober Sperrschicht versehene Gas-Diffusionselektrode eingesetzt ist Ferner ist am Behälter eine Elektrolytableitung ausgebildet, die in den Aktivierungsfank führt. Der Ausfluß befindet sich immer oberhalb des Elektrolytniveaus im Aktivierungsbehälter. Die einzelnen Elektrolytableitungen der Zellen können auch zu einer Verbindungsleitung zusammengefaßt sein.

Die beschriebene Batterie ist besonders geeignet als Stromquelle für die Notstromversorgung, auf Baustellen und an allen Orten, wo das elektrische Stromnetz nicht vorhanden ist. Sie zeichnet sich durch pinen hohen Energieinhalt und hohe Leistungsdichte aus. Durch die Möglichkeit einer Aktivierung einerseits und Desaktivierung andererseits bei unbeschränkter Lagerfähigkeit sind hervorragende Einsatzmöglichkeiten gegeben. Die Konzeption erlaubt einen Langzeitbetrieb unter hoher Last. Dabei ist durch Erneuerung der Betriebsstoffe Aluminium und Elektrolyt eine schnelle Wiederaufladung unabhängig vom Stromnetz möglich, wobei die ausgetauschten Teile, insbesondere der Elektrolyt nach der Entladung im Recycling wieder zur Aluminiumherstellung genutzt werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der eine erfindungsgemäße Batterie dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Batterie in der Seitenansicht, schematisch und

F i g. 2 eine Frontansicht der Batterie der F i g. 1.

Aus F i g. 1 der Zeichnung ist erkennbar, daß in einem Gehäuse 10, das beispielsweise aus nicnt leitendem Kunststoff oder kunststoffbeschichtetem Edelstahl, ggf. mit Lochungen zur Luftzuführung versehen, bestehen kann, einr: Flachzelle 11 in der oberen Hälfte angeordnet ist. Die Flachzelle 11 ist eine Aluminium-Luftzelie und besteht aus einer Anode 1, die eine verbrauchbare Aluminiumelektrode flächiger, rechteckiger Form darstellt, einem Behälter <? aus Nickel zur Aufnahme eines alkalischen Elektrolyten, insbesondere KOH, sowie zwei auf den Flachseiter, des Behälters 4 einander gegenüberliegend angeordnete Gas-Diffusionselektroden 5 in der Ausführungsform als Lufteiektroden. Der Behälter 4 ist im .Prinzip ein rechteckiger Kasten, dessen obere öffnung durch einen elektrisch isolierten Deckel 3 dicht verschlossen ist. Der Deckel 3 hält mittig die Anode 1, an der einstückig eine Fahne 13 als Stromabgriff ausgebildet ist. Darüber hinaus ist der Fig. 1 der Zeichnung entnehmbar, daß die in der Zeichnung linke Seite des Behälters 4 mit der benachbarten Wandung des Gehäuses 10 verbunden ist. Diese Verbindung dient der Halterung der Flachzelle im Batteriegehäuse. Schließlich ist ein Rohrarischluß 2 für die Elektrolytableitung im Bereich des Deckels 3 am Gehäuse 4 vorgesehen.

Weitere Einzelheiten, der beschriebenen Flachzelle ergeben sich aus der Patentanmeldung P 31 29 248.8, auf die hiermit zwecks Vermeidung einer wiederholenden Beschreibung verwiesen wird.

In dem Gehäuse 10 sind in im wesentlichen gleichem Abstand über die Frontseite verteilt insgesamt 12 Flachzellen 11 der beschriebenen Art nebeneinander ange-

5 ordnet, wie Fig.2 der Zeichnung entnehmbar ist. Zu ihrer Halterung ist etwa mittig im Gehäuse 10 eine Elektrolytzuleitung in Form eines Rohres 6 befestigt, von der jeweils eine Zweigleitung 7, insgesamt daher 12 Zweigleitungen 7, unten an die zugehörigen Behälter 4

ίο der Flachzellen einzeln angeschlossen sind, um diese mit Kalilauge versorgen zu können. Für letztere ist im unteren Bereich des Gehäuses 10 ein Elektrolytvorratsbehälter 8 angeordnet. Dieser steht mit der Zuleitung 6 über eine unterhalb der Flachzellen-Einheit 9 angeordnete Kreisel- oder Impellerpumpe 12 in Verbindung, die von einem Elektromotor 14 angetrieben ist. Mit der Bezugsziffer 24 ist dabei in der Zeichnung sowohl der Ansaugstutzen wie auch der Druckstutzen der Kreiselpumpe btzeichnet.

Zusätzlich zu dem Elektrolytvoivusbehälter 8 ist zumindest teilweise über dem Arbeitsniv sau des Elektrolyten in der Zelleneinheit 9 angeordnet im rechten oberen Eck des Gehäuses 10 der Fig. 1 der Zeichnung ein Elektrolyt-Aktivierungstank 15 vorgesehen.

De ■ Aktivierungstank 15 und der Elektrolytvorratstank 8 sind über einen mit Metallasche als elektrischer Schalter ausgebildeten Hahn 16 sowie Rohrleitungen 17, 18 miteinander verbindbar. Darüber hinaus besteht eine weitere Verbindung in Form einer Tankentlüftung 20, die als Rohr vom Abschlußdeckel des Elektrolytvorratsbehälters 8 zu einem oberen Bereich des Aktivierungstanks 15 geführt ist. Mit dem Öffnen und Schließen des Hahns 16 findet jeweils gleichzeitig eine elektrische Schaltfunktion statt. Über den Hahn 16 ist die Flachzelleneinheit 9 elektrisch mit dem Elektromotor 14 für die Kreiselpumpe derart geschaltet, daß in Öffnungsstellung des Hahns Strom über den Elektromotor fließt. Selbstverständlich sind alle Elemente der Batisrie aus elektrolytbeständigem Material, das darüber hinaus auch temperaturbeständig bis mindestens 80"C sein soll. Letztlich ist innerhalb des Gehäuses 10 noch ein Lüfter 19 angeordnet, der — wie Fig. 2 der Zeichnung entnehmbar ist — zur Intensivierung der Luftbeaufschlagung der Gas-Diffusionselektroden 5 der Zelleneinheit 9 dient. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß die Rohranschlüsse 2 zur Elektrolytableitung sämtlicher Zellen im Aktivierungstank 15, und zwar oberhalb des Elektrolytniveaus — wie gestrichelt in F i g. 1 der Zeichnung verdeutlicht ist — münden.

Beispiel

Eint Aluminium-Luftsauerstoff-Batterie der beschriebenen Art weist folgende technische Daten ptif:

Zur Bereitstellung werden die Batterie und der Elektrolyt getrennt geliefert. Um die Batterie betriebsbereit zu machen, ist zunächst der Elektrolytvorratsbehälter 8 zu befüllen. Dazu wird bei geöffnetem Schaltventil 16

Typ	12 DFA 50 A
Kapazität (Ah)	80
Entladezeiifh)	4
Entladespannung (V)	12
Masse (kg)	13,2
Abmessungen (mm)
(I χ b χ h)	192 · 182 · 352
Volumen (I)	12.3

der Elektrolyt über eine Einfiillkupplung 21 um Gehäuse 10 befüllt. Anschließend wird das Schallventil 16 geschlossen. Sodann wird der Aktivierungstank 15 befüllt. In der Zelleneinheit 9 befindet sich in diesem Bereitstcllungszustand kein Elektrolyt. -,

Zur Inbetriebsetzung der Batterie ist es darum allein nötig, das Schaltventil 16 in die Öffnungsstellung zu bringen, so daß nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren rein hydrostatisch sich die Zelleneinheit 9 bzw. sämtliche einzelnen Flachzellen mit Elektrolyt ι ο über die Elektrolytzuleitung 6 füllen. Die Befüllung muß mengenmäßig allein ausreichend sein, die Pumpe mittels des erzeugten Stroms in Gang zu setzen. Mit der öffnung des Schaltventils ist der elektrische Anschluß zum Pumpenmotor 14 hergestellt, so daß in der Flachzellen- 15 einheit 9 erzeugter Strom sofort die Umwälzung des Elektrolyten mittels der Kreiselpumpe 12 bewirkt. Ebenfalls ist der Ventilator 19 über den Schalter 16 elektrisch mit der Zclleneinheit 9 verbunden, so daß auch die Luftzufuhr zu den Gas-Diffusionselektroden 5 20 mit der Stromerzeugung intensiviert wird.

In einfacher Weise erfolgt die Außerbetriebsetzung durch Schließen des Schaltventils 16. Hierdurch wird der Pumpenmotor 14 abgeschaltet und endet die Elektrolytförderung durch die Kreiselpumpe. Der in der >5 Flachzelleneinheit befindliche Elektrolyt fließt nach unten zurück in den Elektrolytvorratsbehälter 8. Im Aktivicrungstank 15 bofindet sich in diesem Betriebszustand mindestens die Eicktrolytmenge. die notwendig ist. die Zelleneinheit bei erneuter Aktivierung über das Schalt- m ventil 16 wieder zu befüllen.

Zum Nachladen wird zunächst der gebrauchte Elektrolyt aus den Tanks entfernt. Dazu wird der Schlauch eines äußeren Entleerungsbehälters an eine zum Vorratsbehälter 8 führende Entleerungskupplung 22 ge- J5 fuhrt und nach Öffnen entsprechender Ventile der Elektrolyt abgezogen. Daran anschließend werden die verbrauchten Aluminiumelektroden 1 an den Polen 13 aus den Flachzellen herausgezogen und neue Anoden eingeschoben. Die zur elektrischen Kontaktierung vorgesehenen Kontaktfederlaschen 23 legen sich selbsttätig aufgrund der Federwirkung wieder in die Kontaktierungsposition.

Die verbrauchten Aluminiumelektroden werden im Behälter für neue Elektroden gemeinsam mit dem verbrauchten Elektrolyten im separaten Vorratsgefäß zurückgeführt und können im Rahmen eines Recyclings wieder zur Aluminiumgewinnung verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche.-

1. Batterie aus einer Mehrzahl von galvanischen Elementen, insbesondere Metall-Luft-Zellen, die jeweils aus einer verbrauchbaren Metallelektrode flächiger Form bestehen, welche in einen vom Elektrolyten durchspülten Behälter hineinragt, dessen Seitenwände frei von Luft oder Sauerstoff anspülbar sind, und der jeweils mindestens eine Gasdiffusionselektrode mit Abstand zur Arbeitsfläche der verbrauchbaren Metallelektrode trägt, wobei in einem Gehäuse unterhalb mindestens einer Zelleneinheit ein Vorratsbehälter für den Elektrolyten angeordnet ist, der mittels einer Pumpe und Zweigleitungen jedem Zellenbehälter zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß er über ein Schließorgan (16) mit einem zumindest teilweise über dem Arbeitsniveay -des Elektrolyten in den Zellen angeordneten Elektrolyt-Aktivierungstank (l5j verbunden ist, über weichen der Elektrolyt umwälzbar ist

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließorgan (16) ein elektrisches Schaltventil ist, über welches elektrisch die Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe (11) an die Zelleneinheit angeschlossen ist derart, daß bei einer Aktivierung der in der Zelleneinheit (9) erzeugte Strom zur Inbetriebnahme der Pumpe und damit zur automatischen Elektrolytumwälzung verwendbar ist.

3. Batterie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an .einer ds·- Zelleneinheit (9) benachbarten Gehäusewandung ein Lüfter (19) eingebaut ist, der elektrisch ebenfall; ?.n die Zelleneinheit (9) über das Schaltventil (16) angeschlossen ist.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Flachzelle aus einem Behälter elektrol.ytbcständigen Metalls, insbesondere Nickel oder Edelstahl für alkalische Elektrolyten besteht, der mit einem Stromabgriff versehen ist, daß jeder Behälter (4) an seinen den aktiven Flächen der Aluminium-Elektrode (1) gegenüberliegenden Flachseiten fensterartige Aussparungen aufweist, in die je eine mit hydrophober Sperrschicht versehene Gas-Diffusionselektrode (5) eingesetzt ist und daß am Behälter (4) eine Elektrolytableitung (2) ausgebildet ist, die in den Aktivierungstank (15) geführt ist.

5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytvorratstank (8) und der Aktivierungstank (15) aus KOH-beständigem Polypropylen mit einer Temperaturbeständigkeit bis 80⁰C bestehen.

6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytvorratsbehälter (8) über eine Entlüftungsleitung (20) mit dem Aktivierungstank (15) verbunden ist und daß die Rohranschlüsse (2) zur Elektrolytableitung aus sämtlichen Flachzellen oberhalb des Elektrolytniveaus im Aktivierungstank (15) münden.