DE3833426A1 - Elektrochemische zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle in Stapelbauweise, insbeson­ dere Bleiakkumulator, mit einer Elektrolytdurchströmung ausgesetzten positiven und negativen Elektroden sowie zwischenliegenden Abstandshalterrahmen, in welche Separatoren eingelegt sind und die Elektrodenzwischenräume definieren, welche über Öffnungen in der Rahmenstruktur an eine zentrale Elektrolytversor­ gung angeschlossen sind.

Das Prinzip der Säuredurchströmung von Akkumulatorenplatten als ein wirksa­ mes Mittel zur Optimierung der Masseausnutzung ist seit langem bekannt. Den­ noch konnten manche technischen Schwierigkeiten bei der Umsetzung theore­ tischer Erfordernisse in die Praxis bis heute nicht überwunden werden.

Elektrolytströmungen finden in vielen galvanischen Zellen statt, z. B. in Brenn­ stoffzellen, in bestimmten Metall-Luftzellen oder Speicherzellen verschiedenster Art, wobei dem strömenden Elektrolyten auch die Aufgabe der Wärmeabführung aus dem Zellenverband zufallen kann (DE-OS 27 04 314). In anderen Fällen dient eine Elektrolytzirkulation insbesondere der Konstanthaltung der Elektrolytkonzentration oder überhaupt dem Zu- und Abtransport der an der stromliefernden Reaktion beteiligten Stoffe.

Typisch für die meisten Zellen, die mit Elektrolytströmungen arbeiten, ist eine Schichtbauweise aus hintereinanderliegenden, mit Elektroden entgegengesetzter Polarität bestückten flachen Kammern, die einen rechteckigen Umriß besitzen und an diagonal gegenüberliegenden Ecken Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen für den Elektrolyten aufweisen, vgl. DE-PS 20 60 585. Über diese Öffnungen, die an Sammelkanäle angeschlossen oder selbst Teilabschnitte solcher Sammelkanäle sind, kommunizieren alle Zellen eines Batterieverbandes miteinander. Als problematisch bei Speicherzellen mit Elektrolytzirkulation gilt unabhängig von dem speziellen elektrochemischen System auch die Erzielung einer gleichmäßigen Strömungsverteilung über dem Querschnitt der Zelle und damit insbesondere über einer aktiven Elektrodenfläche. Außerdem müssen während des Betriebsablaufes Ladegase oder Spülgase ausgebracht werden.

Bereits in der älteren DE-AS 11 63 413 werden die Vorteile einer Elektrolyt­ durchströmung der Akkumulatorelektroden nicht nur beim Entladen, sondern auch während des Ladens und des Formierens ausführlich erörtert und verschiedene Zellenkonstruktionen vorgeschlagen, an deren Arbeitsprinzip sich bis heute wenig geändert hat. Auch diese Zellen sind stapelweise aus vertikal geschichteten, porösen Elektrodenplatten aufgebaut, wobei vierseitige Rahmen aus einem Isoliermaterial zwischen die Elektroden als Abstandshalter gefügt sind und diese zugleich gegen die Wände des Zellgefäßes abdichten. Die Rahmen um­ schließen jeweils zwischen zwei Elektrodenplatten einen Elektrolytraum. Da nur eine der vier Rahmenseiten offen ist, muß ein durch diese Rahmenöffnung ein­ gespeister Elektrolyt, um weiterzufließen, den Zwangsweg durch zumindest eine der anliegenden Elektroden, vorzugsweise durch die positive, nehmen, um aus dem nächstfolgenden Rahmen mit entgegengesetzter Orientierung seiner offenen Seite wieder auszutreten.

Die bekannten Maßnahmen erlauben es im Prinzip, durch in die Rahmen eingeleg­ te Separatoren, Ändern des Pumpendrucks, durch Differenzierung der Elektro­ dendicken etc. den Durchströmungsvorgang so zu regeln, daß die Säurekonzentra­ tion dem jeweiligen Betrieb (Laden, Entladen, Formieren) und der jeweils angewendeten Stromdichte gut angepaßt ist.

Die vorliegende Erfindung ist vornehmlich auf eine Hochleistungsversion des Bleiakkumulators, d. h. eine mit sehr hohen Strömen belastbare Akkumulatoren­ zelle gerichtet.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zellenkonstruktion anzuge­ ben, die eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung und Durchdringung der Elektrodenplatten durch eine Elektrolytströmung gestattet und die zudem leck­ sicher ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrochemische Zelle gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist.

Es wurde gefunden, daß die Teilaufgabe der Lecksicherheit auf besonders vorteil­ hafte Weise durch eine Gehäuseeinbettung in ein 2-Komponentengießharz mit den Mitteln der Vergußtechnik erfüllt werden kann. Die erfindungsgemäße Zelle besitzt dadurch eine sehr kompakte äußere Gestalt. Entsprechend kompakt ist der innere Aufbau, der anhand einer Figurendarstellung weiter unten erläutert wird. Weitere Figuren machen Einzelheiten sowie das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Zelle deutlich.

Fig. 1 zeigt die vollständige Anordnung der Zelle.

Fig. 2 zeigt einen Hilfsrahmen als Bauelement der Zelle.

Fig. 3 zeigt die Elektrolytbewegung in der Zelle bei Durchströmung.

Fig. 4 zeigt die Strömungsverteilung an einer Platte bei Durchströmung.

Fig. 5 zeigt die Elektrolytbewegung in der Zelle bei Umwälzung.

Fig. 6 zeigt die Strömungsverteilung an einer Platte bei Umwälzung.

Gemäß Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Zelle 1 schichtweise aus aneinanderge­ reihten negativen Elektroden 2, Abstands- oder Hilfsrahmen 3 und positiven Elektroden 4 aufgebaut. Zur besseren Übersicht wurden Abstandshalter und Separatoren, die in die Abstandsrahmen eingelegt sind, weggelassen und der Abstand zwischen den Elektroden und den Rahmen vergrößert. In Wirklichkeit liegen die Hilfsrahmen beim aufgeschichteten Zellenstapel bündig auf den Elektrodenrändern auf.

Die Elektroden sind Gitterplatten von üblicher Dicke. Die Verwendung von Git­ terplatten ergibt sich aus den Forderungen nach einem gleichmäßigen Strömungs­ widerstand über die Plattenoberfläche und einer einfachen Geometrie. Der Hilfs­ rahmen umschließt jeweils einen kammerartigen Zwischenraum zwischen den Elektroden. Er ist mit einem nicht dargestellten gelochten Wellscheider sowie zwei Separatoren ausgefüllt, zwischen denen der Wellscheider als Abstandshalter fungiert, wobei die Separatoren den benachbarten Elektroden unmittelbar auflie­ gen. Dies läßt sich erreichen, indem der Rand des Hilfsrahmens so ausgeführt ist, daß Abstandshalter und Separatoren ohne aufzutragen in ihn hineingelegt werden können. Die unmittelbare Belegung der Elektroden mit einem Separator verhin­ dert, daß sich zwischen beiden eine Querströmung ausbildet, was vorteilhaft ist, wenn eine Platte einen Riß aufweist. Die Separatoren begrenzen dann den Strö­ mungskurzschluß und verringern auch eine mögliche Erosion am Riß. Die Hilfs­ rahmen dichten während des Vergießens die Elektrodenzwischenräume gegen die Vergußmasse ab. Zum Zwecke der Elektrolytversorgung und -entsorgung der Elektrodenzwischenräume besitzt jeder Hilfsrahmen, wie in Fig. 2 in einer Draufsicht (a) und einer Schnittdarstellung längs AA′ (b) wiedergegeben, zwei Ohren 5, 5, welche diagonal gegenüberliegen. Von den Ohren gehen Querbohrungen 6 aus, die in die Plattenzwischenräume hineinführen. Durch die Querbohrungen wird der Elektrolyt zwischen den Separatoren in den Zwischenraum eingeleitet. Da sich hier der Wellscheider befindet, kann sich der Elektrolyt ungehindert über den ganzen Zwischenraum verteilen. Das Zellgehäuse wird von der Vergußmasse 7 gebildet, die beispielsweise aus Epoxidharz besteht. In das Zellengehäuse integriert sind vier Hauptversorgungskanäle 8 bis 11. Sie führen durch die Ohren der Hilfsrahmen hindurch und sind über die Quer­ bohrungen 6 mit den Elektrodenzwischenräumen verbunden. Erfindungsgemäß werden die Hilfsrahmen beim Zusammenbau des Zellenstapels so orientiert, daß sich die Ohren des ersten Rahmens links oben und rechts unten befinden (vgl. Fig. 1), die Ohren des zweiten Rahmens rechts oben und links unten, die Ohren des dritten Rahmens wieder links oben und rechts unten usw. Durch diese Abwechs­ lung entsteht die richtige Zuordnung zur Säurezu- und Säureableitung.

Der Abschluß der Zelle an den Stirnseiten wird durch zwei Kunststoffplatten ge­ bildet (nicht dargestellt), die in die Vergußmasse mit eingebettet sind.

Die an sich einfache Montage der erfindungsgemäßen Zelle, nämlich durch Auf­ einanderlegen von Hilfsrahmen mit eingepaßten Wellscheidern und Separatoren im Wechsel mit negativen und positiven Platten zu einem kompakten Stapel mit bündig abschließenden Plattenrändern und Hilfsrahmen, wobei die inverse Diago­ nalstellung der Ohren bei jeweils aufeinanderliegenden Hilfsrahmen zu beachten ist, geschieht mit Rücksicht auf die anzubringenden Säurekanäle 8 bis 11 mit einer Grundplatte aus Stahl, die an den Eingangsstellen der späteren Säurekanäle vier Bohrungen besitzt, durch welche Stahlstifte, mittels Teflonringen abgedich­ tet, so hindurchgeführt sind, daß die aufgelegten Hilfsrahmen mit ihren Ohren von diesen aufgefädelt werden. Die Stahlstifte haben nämlich die Aufgabe, beim Verguß die Säurekanäle freizuhalten. Zu diesem Zweck füllen sie die Ohren direkt aus und verschließen auch die Querbohrungen 6 ins Innere der Hilfsrahmen, so daß kein Harz in die Plattenzwischenräume eindringen kann.

Die stählerne Grundplatte sowie eine ähnliche zweite Platte bilden die Stirn­ platten einer Gießform mit einem U-förmigen Mittelteil, welches den Zellensta­ pel umgibt und der späteren Zellenkontur angepaßt ist.

Durch eine gesonderte zentrale Bohrung in der Stirnplatte kann dann das Gieß­ harz in die Form geleitet werden, wobei Teflonstempel auf den Innenseiten der Stahlplatten das Zellenpaket zusammengepreßt halten, solange das Gießharz nicht ausgehärtet ist. Nach seinem Aushärten werden die Stahlstifte herausgezo­ gen. Dabei hinterlassen sie in der Einbettung die Säurekanäle. Es liegt im Rah­ men der Erfindung, eine Zelle auch mit Abstandshalterrahmen aufzubauen, die statt eines Ohrenpaares mehrere diametral angeordnete Ohrenpaare besitzen, welche sich an den Rahmenseiten befinden können. Dies ist von Vorteil bei sehr großflächigen Elektrodenplatten.

Auch hier muß die Montage stets so erfolgen, daß alle Ohrenpaare an den einer positiven Elektrode zugeordneten Abstandshalterrahmen zu den entsprechenden Ohrenpaaren an den einer negativen Elektrode zugeordneten Abstandshalterrah­ men eine inverse Position einnehmen.

Anhand der bereits erläuterten Fig. 1 ist leicht einzusehen, daß derartige Varianten einer erfindungsgemäßen Zelle auch mit weiteren Zentralleitungen auszustatten sind, da jedes zusätzliche Ohrenpaar an einem Abstandshalterrah­ men vier zusätzliche Kanäle zur Elektrolytversorgung und -entsorgung bean­ sprucht.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zelle gründet sich auf die ab­ wechselnde Lage der Hilfsrahmen. Diese hat nämlich zum Ergebnis, daß z. B. der erste Zwischenraum mit den Kanälen 8 und 10 verbunden ist, der zweite mit 9 und 11, der dritte wieder mit 8 und 10 usw. Werden nun die Kanäle 8 und 10 mit der Druckseite einer Säurepumpe verbunden, 9 und 11 mit der Saugseite, so strömt der Elektrolyt in den ersten Zwischenraum, von dort durch die erste Elektrode in den zweiten Zwischenraum, den er durch die Querbohrungen in die Kanäle 9 und 11 verläßt.

In Fig. 3 ist eine solche Durchströmung benachbarter Elektroden und ihrer Zwi­ schenräume, hier mit 12 bezeichnet, schematisch wiedergegeben.

Fig. 4 macht den Strömungsverlauf entlang den Oberflächen einer Elektroden­ platte in einer Draufsicht deutlich. Aus den Zufuhrkanälen 8 und 10 über die Bohrungen 6 kommend verteilt sich die Säure entsprechend den ausgezogenen Pfeilen über die Vorderseite der Platte und durchdringt sie schließlich in Richtung auf die Abfuhrkanäle 9 und 11, wobei die Säure entsprechend den gestrichelten Pfeilen über die Rückseite der Platte strömt. Durch die abwechselnde diagonale Zufuhr bzw. Ableitung der Säure wird eine möglichst gleichmäßige Versorgung der gesamten Oberfläche bewirkt.

Die diagonale Anordnung der Ohren der Hilfsrahmen und die Invertierung der Diagonalrichtung durch Wenden des im Zellstapel jeweils nächstfolgenden Hilfs­ rahmens um 180° verbessert aber nicht nur die Verteilung der Säure über die Plattenoberfläche, sondern ermöglicht es auch, durch Umschalten von zwei Säurekanälen die Zelle von Durchströmung auf Umwälzung umzustellen. Das Mittel hierzu ist ein elektrisch angetriebenes Vierwegeventil, welches, von einem Rechner gesteuert, bei der Ladung so eingestellt wird, daß entstehendes Gas auch bei stehender Pumpe nach oben entweichen kann. Von der Stirnseite der Zelle hergesehen übernehmen daher in diesem Fall die unteren Kanäle 10 und 11 die Säurezufuhr, die oberen Kanäle 8 und 9 dagegen die Säureabfuhr.

Wie man aus der schematischen Fig. 5 erkennt, sind bei der Umwälzung in jedem Elektroden-Zwischenraum 12 ausschließlich von unten nach oben gerich­ tete Strömungen vorhanden. Die Kanäle 10 und 11 sind in diesem Fall an die Druckseite, die Kanäle 8 und 9 an die Saugseite der Pumpe angeschlossen. Nun tritt über den Kanal 10 Elektrolyt in den einen Zwischenraum ein und verläßt ihn durch die diagonal gegenüberliegende Querbohrung 6 über den Kanal 8. In den zweiten Zwischenraum tritt Elektrolyt aus Kanal 11 ein und verläßt ihn über Kanal 9. Dabei werden aus allen Zwischenräumen 12 auch Ladegase 13 mit herausgeschafft.

Auf diese Weise entstehen bei der Umwälzung die in Fig. 6 dargestellten Strö­ mungsmuster, entsprechend den ausgezogenen Pfeilen auf der Vorderseite und ent­ sprechend den gestrichelten Pfeilen auf der Rückseite einer jeden Elektrode.

Mit der erfindungsgemäßen Zellkonstruktion wird ein mit elektrolytdurchström­ ten Elektroden arbeitender Blei-Säure-Akkumulator verfügbar, bei dem durch Vergießen des ganzen Zellenpaketes, bestehend aus Elektroden und den Hilfs­ rahmen mit den Separatoren, ein hohes Maß an Lecksicherheit gewährleistet ist. Durch die Verwendung der Hilfsrahmen aus Kunststoff in Verbindung mit der Vergußtechnik wurde eine besonders einfache Herstellung der Elektrolyt-Versor­ gungs- und Entsorgungskanäle möglich. Dabei erlaubt der Anschluß zweier be­ stimmter Säurekanäle an die Druckseite einer Säurepumpe und der Anschluß der jeweils anderen zwei Kanäle des 4-Kanalsystems an die Saugseite der Säurepum­ pe einen wahlweisen Durchströmungsbetrieb oder - zwecks Entgasung während des Ladens - Umwälzbetrieb.

Eine über die gesamte Elektrodenfläche gleichmäßige Säurezufuhr sorgt dafür, daß die Zelle auch bei sehr niedrigen Drücken ohne Verarmungseffekte gezykelt werden kann und daß, wenn eine Säureverarmung dennoch auftritt, sie sich gleichmäßig auf alle Platten auswirkt.

Claims (2)

1. Elektrochemische Zelle in Stapelbauweise, insbesondere Bleiakkumulator, mit einer Elektrolytdurchströmung ausgesetzten positiven und negativen Elektroden sowie zwischenliegenden Abstandshalterrahmen, in welche Sepa­ ratoren eingelegt sind und die Elektrodenzwischenräume definieren, welche über Öffnungen in der Rahmenstruktur an eine zentrale Elektrolytversor­ gung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abstandshal­ terrahmen (3) mindestens ein Paar diametral einander gegenüberliegender Ohren (5, 5) aufweist, in denen sich Querbohrungen (6) befinden, die in die Elektrodenzwischenräume hineinführen, wobei die Abstandshalterrahmen zwischen stetig wechselnden Elektrodenpolaritäten und der Reihe nach so angeordnet sind, daß das Ohrenpaar an dem einen Rahmen sich in stets in­ verser Position zu dem Ohrenpaar an dem jeweils nächstfolgenden Rahmen befindet, und daß alle jeweils in Reihe liegenden Ohren über eine gemeinsame Leitung verbunden sind, so daß die Zelle längsseitig mindestens vier Zentralleitungen (8, 9, 10, 11) für die Elektrolytversorgung und -entsorgung besitzt, und daß die Zelle mit einem Kunstharz elektrolytdicht vergossen ist.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle durch wahlweises Anschließen jeweils zweier bestimmter Zentral­ leitungen an die Druckseite und der beiden anderen Zentralleitungen an die Saugseite einer Elektrolytpumpe mit Elektrolytdurchströmung oder mit Elektrolytumwälzung betreibbar ist.