DE3303189C1

DE3303189C1 - Akkumulator

Info

Publication number: DE3303189C1
Application number: DE3303189A
Authority: DE
Inventors: Erich Ing. Pöhlmann (grad.), 8650 Kulmbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-02-01
Filing date: 1983-02-01
Publication date: 1984-02-09
Also published as: FR2540292A1; JPS59143267A; GB8401677D0; GB2134699A

Description

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator, insbesondere einen Bleiakkumulator, bestehend aus einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Plus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten, einem in dem Gehäuse angeordneten Minus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten und zwei aus dem Gehäuse herausragenden Anschlußzapfen des Plus-Plattensatzes bzw. des Minus-Plattensatzes, wobei vorzugsweise die Polplatten der beiden Plattensätze ineinander verschachtelt angeordnet sind und das Gehäuse im übrigen mit einem flüssigen Elektrolyten, insbesondere wäßriger Schwefelsäure, gefüllt ist.

Akkumulatoren sind seit langer Zeit in verschiedensten Ausführungsformen bekannt (vgl. zur Übersicht »Lexikon der Physik«, Band 1, DTV, München 1970, Seite 68 ff.). Ein Akkumulator ist ein elektrochemischer Speicher für elektrische Energie, der auf zumindest annähernd reversiblen elektrochemischen Vorgängen, normalerweise auf heterogenen Redox-Reaktionen beruht. Wie bei allen elektrochemischen Zellen ist auch bei einem Akkumulator die einwandfreie Funktion davon abhängig, daß an den Grenzflächen der Elektroden, beim Akkumulator Polplatten genannt, ein Stromübergang von Elektronen oder Defektelektroden zu Ionen stattfindet. Außerdem muß der Ionenleiter, der Elektrolyt, frei von Elektronenleitung sein. Tatsächlich haben sich in der Praxis nur wenige Systeme durchgesetzt, insbesondere der Bleiakkumulator, erfunden Mitte des vorigen Jahrhunderts. Weiterhin haben sich in der Praxis Nickeloxidakkumulatoren, als sogenannte Stahlakkumulatoren bezeichnet, Silber-Zink-Akkumulatoren, Zink-Luft-Akkumulatoren und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren durchgesetzt. Obwohl sich die vorliegende Erfindung generell auf alle Arten von Akkumulatoren bezieht, soll nachfolgend der Einfachheit halber nur der Bleiakkumulator behandelt werden.

Der grundsätzliche technische Aufbau eines Akkumulators ist aus der zuvor angesprochenen Literaturstelle im einzelnen bekannt, so daß darauf verwiesen werden darf. Lediglich hinsichtlich der Polplatten ist zu bemerken, daß ganz unterschiedliche Konstruktionen aus der Praxis bekannt sind, nämlich u. a. Gitterplatten, bei denen eine pastenartige aktive Masse in ein Trägergitter aus Hartblei eingestrichen ist, Großoberflächenplatten, bei denen die aktive Masse aus einer gegossenen Weichbleielektrode elektrolytisch hergestellt wird, und Röhrchenplatten, die aus perforierten Kunststoff- oder Hartgummiröhrchen bestehen, in die die aktive Masse um einen Blei- oder Hartbleistift als Kern und Ableitelektrode eingestampft ist.

Akkumulatoren, insbesondere' Bleiakkumulatoren, sind wegen der verwendeten Materialien relativ schwer, d. h. die elektrische Speicherkapazität je Gewichtseinheit, der gewichtsspezifische Wirkungsgrad, ist ein nicht unerhebliches Problem. Für dieses Problem spielen die bei Akkumulatoren konstruktiv bedingten elektrischen Verluste durch Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, durch hohe Stromübergangswiderstände usw. eine bedeutende Rolle. Ein besonderes Problem stellt dabei die sogenannte Entmischung des Elektrolyten beim Entladen eines Akkumulators dar, die darauf beruht, daß die Dichte des unverdünnten Elektrolyten bei voll geladenem Akkumulator größer ist als die Dichte des verdünnten Elektrolyten bei fortschreitender Entladung des Akkumulators (d = 1,2—1,3 gegenüber d = 1,03 — 1,1). Mit fortschreitender Entladung eines Akkumulators wächst die Wasserschicht im oberen Teil des Akkumulators immer mehr nach unten, so daß von oben her immer größere Bereiche der Polplatten funktionslos werden. Diese Entmischung wird noch

dadurch stabilisiert, daß die Polplatten von unten nach oben wegen der durch Stromintegration anwachsenden Stromdichte immer mehr erwärmt werden. Insgesamt ist also der Entladungswiderstand bei den bekannten Akkumulatoren stets höher als er theoretisch sein müßte.

Die zuvor erläuterte Entmischung des Elektrolyten wird mitunter bei sehr großen Akkumulatoren dadurch zu verhindern gesucht, daß extern eine Umwälzpumpe stets Elektrolyt von unten nach oben umgepumpt wird. Das ist natürlich eine im Ergebnis nicht sehr zweckmäßige Lösung.

Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, den gewichtsspezifischen Wirkungsgrad der bekannten Akkumulatoren zu verbessern.

Der erfindungsgemäße Akkumulator, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußzapfen auf der Unterseite des Gehäuses angeordnet sind. Die Plattensätze bzw. die Polplatten der Plattensätze sind also bei dem erfindungsgemäßen Akkumulator gewissermaßen »umgekehrt« in das Gehäuse eingesetzt, indem der Strom über die Anschlußzapfen nach unten und nicht, wie bisher durchgehend üblich, nach oben abgeführt wird. Das gilt natürlich bei Ladung des erfindungsgemäßen Akkumulators für die umgekehrte Stromrichtung in derselben Weise. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, daß die zuvor erläuterte Erwärmung der Polplatten durch den über sie zu den Anschlußzapfen geführten Strom dazu genutzt werden kann, der Entmischung des Elektrolyten entgegen zu wirken. Die Polplatten werden bei der erfindungsgemäßen Konstruktion nämlich am stärksten im unteren Bereich erwärmt, da dort die größte Stromdichte vorliegt. Diese Wärme wird in den flüssigen Elektrolyten übertragen und führt dort zu einer nach oben gerichteten Bewegung des flüssigen Elektrolyten. Im Ergebnis wird also eine dauernde, selbsttätige Durchmischung des Elektrolyten erzielt, die dazu führt, daß unter allen Umständen die Polplatten vollflächig wirksam bleiben. Messungen haben ergeben, daß bei ansonsten identischer Konstruktion eines Bleiakkumulators durch diese Maßnahme allein eine Erhöhung der Speicherkapazität durch Minderung der elektrischen Verluste bzw. des Ladungs- und Entladungswiderstandes um 6% möglich ist.

Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Anordnung der Anschlußzapfen bei allen Arten von Akkumulatoren sinnvoll.zu verwirklichen ist, daß aber die Anschlußzapfen natürlich nicht zwingend auf der Unterseite des Gehäuses angeordnet sein müssen, sondern evtl. auch beispielsweise am unteren Seitenrand des Gehäuses angeordnet sein können.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere, auch eigenständige Bedeutung zukommt, empfiehlt sich eine Ausgestaltung des Akkumulators der zuvor erläuterten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Polplatten einen von der von den Anschlußzapfen entfernten Seite in Richtung der Anschlußzapfen zunehmenden Stromleitungsquerschnitt aufweisen. Diese Konstruktion geht von der Erkenntnis aus, daß die Polplatten von Akkumulatoren der in Rede stehenden Art eben, wie zuvor schon erläutert worden ist, nicht nur eine elektrochemische Funktion haben, sondern auch als Stromleiter für den Lade- oder den Entladestrom dienen. Unabhängig davon, wie die Polplatten nun im einzelnen gestaltet sind, beinhaltet die Lehre der Erfindung nun den konstruktiven Gedanken, den Stromleitungsquerschnitt der Polplatten in Richtung auf die Anschlußzapfen zu zu vergrößern. Damit trägt die Erfindung der Tatsache Rechnung, daß in Richtung der Anschlußzapfen die Stromstärke des Stromes aufgrund der Stromintegration zunimmt. Der zunehmenden Stromstärke werden nun erfindungsgemäß die Stromleitungsquerschnitte angepaßt. Dabei kann das durch eine Änderung des Gesamtquerschnittes der Polplatten verwirklicht werden, empfehlenswerter ist es aber, nur den inneren Stromleitungsquerschnitt der Polplatten zu ändern.

Im Zusammenhang mit der zuletzt erläuterten Lehre der Erfindung ist noch die Überlegung von Bedeutung, daß man anstelle einer Vergrößerung der Stromleitungsquerschnitte der Polplatten in Richtung der Anschlußzapfen auch eine Verringerung des spezifischen elektrischen Widerstandes der Polplatten vorsehen kann. Das könnte beispielsweise durch in Richtung der Anschlußzapfen kontinuierlich geänderte Materialzusammensetzungen verwirklicht werden.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere und eigenständige Bedeutung zukommt, weisen die Polplatten eines Akkumulators der in Rede stehenden Art einen Kern aus hochleitf ähigem Material, insbesondere aus Kupfer, ggf. auch aus Silber od. dgl., auf. Der Kern aus hochleitfähigem Material kann dabei mit dem Material der Polplatten beschichtet oder vergossen sein und ist vorzugsweise als Gittergeflecht ausgebildet. Dieser Lehre der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der noch nicht befriedigende gewichtsspezifische Wirkungsgrad bekannter Akkumulatoren auch auf der schlechten Leitfähigkeit der für die Polplatten verwendeten Materialien beruht. So ist z. B. die spezifische Leitfähigkeit von Kupfer das Zehnfache der spezifischen Leitfähigkeit von Blei. Mit der Lehre der Erfindung wird nun eine Kombination der aus elektrochemischen Gründen notwendigerweise verwendeten Materialien für die Polplatten mit aus elektrischen Gründen vorteilhaften hochleitfähigen Materialien realisiert. Bei einem Bleiakkumulator üblicher Bauart kann auf diese Weise bei ansonsten identischen elektrischen Eigenschaften und Daten eine Gewichtsersparnis von ca. 14% erzielt werden.

Im folgenden wird die Erfindung nun anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten, ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Akkumulators.

Der in der einzigen Figur dargestellte Akkumulator ist ein Bleiakkumulator und besteht aus einem Gehäuse 1, einem in dem Gehäuse 1 angeordneten Plus-Plattensatz 2 aus mehreren parallelgeschalteten Polplatten 3, einem in dem Gehäuse angeordneten Minus-Plattensatz 4 aus mehreren parallelgeschalteten Polplatten 5 und zwei aus dem Gehäuse herausragenden Anschlußzapfen 6,7 des Plus-Plattensatzes 2 bzw. des Minus-Plattensatzes 4. Die Polplatten 3, 5 der beiden Plattensätze 2, 4 sind ineinander verschachtelt angeordnet. Das Gehäuse 1 ist im übrigen mit einem flüssigen Elektrolyten 8, nämlich mit wäßriger Schwefelsäure, gefüllt. Das ist durch Punktierung angedeutet.

In der einzigen Figur weiter erkennbar sind an der Unterseite des Gehäuses 1 angeordnete Bodenprismen 9 und ein auf der Oberseite des Gehäuses 1 vorgesehener Einfülldeckel 10. Zur Festlegung der

Polplatten 3, 5 im Gehäuse 1 sind im übrigen auch im oberen Bereich des Gehäuses 1 noch Abstützprismen 11 vorgesehen.

Aus der einzigen Figur ist ohne weiteres erkennbar, daß die Anschlußzapfen 6, 7 auf der Unterseite des Gehäuses 1 angeordnet sind. Nicht erkennbar ist in der einzigen Figur, daß die Polplatten 3,5 einen von der von den Anschlußzapfen 6, 7 entfernten Seite in Richtung der Anschlußzapfen 6, 7 zunehmenden Stromleitungsquerschnitt aufweisen. Dazu weisen die Polplatten 3, 5 einen Kern aus hochleitfähigem Material, nämlich aus Kupfer, auf. Der Kern aus hochleitfähigem Material ist mit dem Material der Polplatten 3, 5, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel Blei, vergossen.

Durch die zuvor erläuterten Konstruktionsmerkmale ist der in der einzigen Figur dargestellte Akkumulator hinsichtlich seines gewichtsspezifischen Wirkungsgrades bislang bekannten Akkumulator ansonsten gleicher Art um ca. 20% überlegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

1. Akkumulator, insbesondere Bleiakkumulator, bestehend aus einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Plus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten, einem in dem Gehäuse angeordneten Minus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten und zwei aus dem Gehäuse herausragenden Anschlußzapfen des Plus-Plattensatzes bzw. des Minus-Plattensatzes, wobei vorzugsweise die Polplatten der beiden Plattensätze ineinander verschachtelt angeordnet sind und das Gehäuse im übrigen mit einem flüssigen , Elektrolyten, insbesondere wäßriger Schwefelsäure, gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußzapfen (6, 7) auf der Unterseite des Gehäuses (1) und der Einfülldeckel (10) auf der Oberseite des Gehäuses (1) angeordnet sind.

2. Akkumulator, insbesondere Bleiakkumulator, bestehend aus einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Plus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten, einem in dem Gehäuse angeordneten Minus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten und zwei aus dem Gehäuse herausragenden Anschlußzapfen des Plus-Plattensatzes bzw. des Minus-Plattensatzes, wobei vorzugsweise die Polplatten der beiden Plattensätze ineinander verschachtelt angeordnet sind und das Gehäuse im übrigen mit einem flüssigen Elektrolyten, insbesondere wäßriger Schwefelsäure, gefüllt ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polplatten (3, 5) in bekannter Weise einen von der von den Anschlußzapfen (6, 7) entfernten Seite in Richtung der Anschlußzapfen (6, 7) zunehmenden Stromleitungsquerschnitt aufweisen.

3. Akkumulator, insbesondere Bleiakkumulator, bestehend aus einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Plus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten, einem in dem Gehäuse angeordneten Minus-Plattensatz aus mehreren parallel geschalteten Polplatten und zwei aus dem Gehäuse herausragenden Anschlußzapfen des Plus-Plattensatzes bzw. des Minus-Plattensatzes, wobei vorzugsweise die Polplatten der beiden Plattensätze ineinander verschachtelt angeordnet sind und das Gehäuse im übrigen mit einem flüssigen Elektrolyten, insbesondere wäßriger Schwefelsäure, gefüllt ist, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polplatten (3, 5) in bekannter Weise einen Kern aus elektrisch hochleitfähigem Material, insbesondere aus Kupfer, aufweisen.

4. Akkumulator nach .Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus hochleitfähigem Material mit dem Material der Polplatten (3, 5) beschichtet oder vergossen ist.

5. Akkumulator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus hochleitfähigem Material als Gittergeflecht ausgebildet ist. so