DE3902651C2 - Verfahren und Vorrichtung zur selbsttätigen Elektrolytumwälzung in einer geschlossenen Akkumulatorenzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Elek­ trolytumwälzung in einer geschlossenen Akkumulatorenzelle, die eine Einrichtung zum Sammeln der beim Betrieb erzeugten Elek­ trolysegase in Verbindung mit einem Flüssigkeitssteigrohr ent­ hält, durch welches Elektrolyt aus dem unteren Raum der Zelle in den oberen Raum transportiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim Betrieb elektrochemischer Sekundärzellen stellen sich durch unausgewogene Massebelegungen der Elektroden, durch un­ ausgeglichene Stromführung oder beides Inhomogenitäten in der Elektrolytdichte ein. Bei Bleiakkumulatoren sind örtliche Dich­ teänderungen des Säure-Elektrolyten sogar systembedingt, weil die Schwefelsäure am stromliefernden Vorgang unmittelbar betei­ ligt ist. Dies hat zur Folge, daß im Laufe zyklischer Beanspru­ chung mit erschöpfender Entladung in Bodennähe des Zellgefäßes sich eine höhere Konzentration und Dichte der Schwefelsäure einstellt als im oberen Bereich.

Die Ausbildung einer solchen Elektrolytschichtung ist höchst unerwünscht, weil wegen der Elektrolytverarmung im Bereich der oberen Plattenenden die Zellkapazität vermindert wird.

Vorübergehend lassen sich Inhomogenitäten der Elektrolytdichte mit Hilfe eines Rührers oder durch die Rührwirkung aufsteigender Gasblasen, die man während des Wiederaufladens bei hoher Über­ ladespannung erzeugt, wieder aufheben. Dies ist die übliche Praxis.

Es sind aber auch bereits Sekundärzellen mit dicht verschlosse­ nen Gehäusen bekannt, in denen eine Elektrolytumwälzung ohne direkten äußeren Eingriff, allenfalls durch Lageveränderung oder vorzugsweise mit Hilfe der Zellengase erfolgt. So führt bei einer Traktionszelle gemäß DE-OS 33 14 174 eine Trennwand quer durch den Gasraum und weiterhin quer durch den Platten­ block hindurch, derart, daß zwei unabhängige Gasräume vorhanden sind, wobei die an sie angrenzenden Elektrolyträume jedoch im Bodenbereich unterhalb des Plattenblocks miteinander kommuni­ zieren. Indem die Trennwand oberhalb des Elektrolytspiegels eine Öffnung mit angelenkter Klappe besitzt, die sich nach Art eines Rückschlagventils nur nach einer Richtung hin öffnet, kann ein bei einer durch Schrägstellung des Fahrzeugs sich ergebender Unterschied der Elektrolytstände einen Übertritt von Elektrolyt in Durchlaßrichtung von einem Teilraum in den ande­ ren veranlassen, wo sich der Elektrolyt unmittelbar über die Platten ergießt.

Eine aus der US-PS 4 308 322 bekannte Akkumulatorenzelle be­ dient sich zum Zwecke der Elektrolytbewegung des Prinzips der Blasenpumpe. Bei dieser wird die Saugwirkung von seitlich in ein Flüssigkeitssteigrohr eingeleiteten Gasblasen ausgenutzt. Bei der nämlichen Zelle entstammen die Blasen einem Vorrat aus den eigenen Zellengasen, die unterhalb des Elektrolytspiegels unter einer den Plattenblock überdeckenden Haube gesammelt wer­ den und über einen Kanal zum Steigrohr gelangen, durch dessen obersten Abschnitt sie bis in den überstehenden Elektrolyten und weiter bis in den Gasraum aufsteigen. Dabei setzen sie eine Elektrolytzirkulation in Gang. Für diese selbsttätige Elektro­ lytumwälzung ist eine starke Auftriebskraft der Blasen günstig, die einen erheblichen Elektrolytüberstand erfordert. Die sich von der Öffnung des Zuführungskanals ablösenden Blasen müssen ferner eine ausreichende Größe besitzen, um den Querschnitt des Steigrohres vollständig auszufüllen, da sonst Elek­ trolytflüssigkeit an ihnen vorbei wieder abwärts fließt und der Pumpeffekt vermindert ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in einer ge­ schlossenen Akkumulatorenzelle unter Ausnutzung der Treibkraft gesammelter Zellengase für einen Flüssigkeitstransport den ört­ lichen Elektrolytaustausch noch intensiver zu gestalten und dieses Ziel mit möglichst einfachen Mitteln zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, wie es in Patentanspruch 1 angegeben ist, bzw. durch eine Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wie sie im Pa­ tentanspruch 2 definiert ist.

Anders als in der zuletzt erwähnten bekannten Vorrichtung wird gemäß der Erfindung, die vorzugsweise Bleiakkumulatoren be­ trifft, der Druck-Volumen-Schub der im Elektrolytraum der Zelle zunächst festgehaltenen Ladegase unmittelbar auf den Elektroly­ ten übertragen, woraufhin dieser durch ein Steigrohr in einen oberhalb der Elektrodenplatten gelegenen Raum ausweicht. Aus diesem erfolgt die Rückkehr der verdrängten Elektrolytmenge im­ mer dann, wenn sich ein Bodenventil im oberen Raum öffnet, wel­ ches auf einen bestimmten Abfall des Elektrolytstandes im Elektrolytraum anspricht. Dieser Vorgang kann sich bei jeder Ladung beliebig oft wiederholen. Der Elektrolyt ist auf diese Weise einer besonders gründlichen Zirkulation unterworfen.

Um das erfindungsgemäße Verfahren und den ihm zugrundeliegen­ den Mechanismus der Elektrolytbewegung näher zu erläutern, wird anhand der Fig. 1 bis 4 ein Funktionsmodell beschrieben. Dieses Modell steht beispielhaft für eine Reihe möglicher Akku­ mulatorenzellen gemäß der Erfindung, die sich nur durch kon­ struktive Einzelheiten, etwa durch andere Ausführungsformen der Ventile oder Maßnahmen zu deren Steuerung, voneinander unter­ scheiden könnten.

Fig. 1 zeigt die Zelle im Zustand der Ruhe bzw. bei begin­ nender Gasung.

Fig. 2 zeigt die Zelle mit aus dem Elektrolytraum herausge­ drücktem Elektrolyten.

Fig. 3 zeigt die Zelle mit geöffnetem Gasauslaß- und Elek­ trolyteinlaßventil.

Fig. 4 zeigt die Zelle nach Rückfluß des her ausgedrückten Elektrolyten in den Elektrolytraum.

Nach Fig. 1 besitzt die Zelle ein dichtes Gehäuse 2 mit einem Ventil 3. Eine horizontale Trennwand 4, durch welche das Steig­ rohr 5 hindurchgeführt ist, sperrt den Elektrolytraum 6 von ei­ nem oberen Behälter 7 ab. In der Trennwand sind nebeneinander ein von einem Schwimmer 8 betätigtes Gasauslaßventil 9 und ein Elektrolyteinlaßventil 10 angeordnet. Letzteres wird durch He­ ben und Senken einer Gassammelglocke 11 betätigt, welche beide Ventile übergreift. Die Gassammelglocke hebt und senkt sich durch eine Kippbewegung um eine in der Ebene der Trennwand 4 liegende horizontale Achse 12 und ist dabei durch ein Gegenge­ wicht 13 stets ausbalanciert. Mit einer kleinen Bohrung 14 be­ sitzt die Gassammelglocke einen eigenen Gasauslaß.

Die Elektrolytbewegung geschieht mit Hilfe der er­ findungsgemäßen Einrichtung nun wie folgt:
Der Schwimmer 8 verschließt das Gasauslaßventil 9 so, daß bei einsetzender Gasentwicklung dieses nicht entweichen kann (Fig. 1). Unter dem auf die Elektrolytoberfläche wirkenden Druck wird Elektrolyt aus dem unteren Bereich des Elektrolytraumes 6 durch das Steigrohr 5 nach oben gedrückt. Der Elektrolyt fließt in den oberen Behälter 7, das dort befindliche Gas kann durch das Ventil 3 ausströmen. Jedoch kann der Elektrolyt den Raum 7 nicht verlassen, da sowohl Ventil 9 durch den Schwimmer 8 als auch Ventil 10 durch dessen Eigengewicht verschlossen sind (Fig. 2).

Ist jedoch soviel Elektrolyt in den Behälter 7 gepumpt, daß der Elektrolytspiegel so weit gefallen ist, daß der Schwimmer 8 das Ventil 9 nicht mehr verschließt, verdrängt das durch Ventil 9 aufsteigende Gas in Glocke 11 den dortigen Elektrolyten. Glocke 11 erhält dadurch Auftrieb und öffnet Ventil 10. Dadurch fließt der Elektrolyt von Behälter 7 in die Zelle zurück (Fig. 3).

Wenn kein Elektrolyt in Behälter 7 mehr vorhanden ist, entfällt auch die Auftriebskraft für Glocke 11. Ventil 10 wird wieder verschlossen, und der Kreislauf kann von neuem beginnen (Fig. 4). Dabei ermöglicht es die kleine Bohrung 14 in Glocke 11 dem dort eingeschlossenen Gas, langsam durch den wieder in Behälter 7 geförderten Elektrolyten verdrängt zu werden (vergleiche Fig. 2). Dadurch wird verhindert, daß mit steigendem Elektro­ lytspiegel in Behälter 7 die Glocke 11 das Ventil 10 schon vor­ zeitig öffnet. Dies geschieht erst durch die rasche Gaszufuhr, wenn Ventil 9 durch den Schwimmer 8 geöffnet wird.

In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuerung des Gas-Auslaßventils 9 statt durch einen Schwimmer auch mit Hilfe eines mechanisch, elektrisch oder elektronisch arbeitenden Sensors erfolgen, indem dieser auf einen vorgegebe­ nen Füllgrad des oberen Zellenraumes anspricht und die Öffnung des Ventils veranlaßt, nach Entleerung des oberen Zellenraumes das Ventil dagegen wieder schließt. Geeignete Sensoren könnten beispielsweise aus zwei Paar Leiterstücken bestehen, welche in verschiedenen Höhen im oberen Zellenraum entsprechend einem "Vollzustand" bzw. einem "Leerzustand" angeordnet sind. Er­ reicht die hochgepumpte Elektrolytmenge das obere Leiterpaar, verursacht der Elektrolytschluß zwischen ihnen eine Wider­ standsänderung, die als Signal zum Öffnen des Ventils genutzt werden kann. Umgekehrt spricht das untere Leiterpaar durch Ver­ lust der elektrolytleitenden Verbindung bei Absinken der Elek­ trolytmenge auf ein tieferes Niveau an und veranlaßt die Schließung des Ventils.

Die Vorteile der Erfindung liegen vor allem darin, daß sich keine Inhomogenitäten im Elektrolyten ausbilden können und daß für die Elektrolytzirkulation keine unnötige Überladung erfor­ derlich ist. Daraus ergeben sich eine Ersparnis an Ladeenergie sowie ein verminderter Wasserverbrauch.

Der selbsttätige Umwälzmechanismus macht die Zelle von einer externen Druckgasquelle oder einem zentralen Pumpaggregat frei.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen einfachen Auf­ bau, ist preisgünstig und kann komplett, nämlich als Nachrüst­ teil oder Zusatzeinrichtung, in vielen marktgängigen Akkumula­ torenzellen eingesetzt werden, ohne daß konstruktive Änderungen an diesen vorgenommen werden müßten.

Bei zu großer Gasentwicklung verläßt das gebildete Elektrolysegas die Zelle und trägt somit zu Wasserverlusten bei, wenn auch diese Wasserverluste durch die wirkungsvolle Schichtungsverhinderung gering sind. Bringt man in den oberen Raum einen Rekombinator ein, der Wasserstoff und Sauerstoff wieder zu Wasser rekombiniert, werden im Idealfall Wasserverluste ganz vermieden. Dieser Zustand ist wegen der zeitweise unstöchiometrischen Zusammensetzung des Elektrolysegases nur zu erreichen, wenn ein hinreichend großes Gaspuffervolumen unterzubringen ist, wozu man den Gasraum 7 entsprechend groß wählt und zweckmäßigerweise entsprechend der DE-PS 28 04 583 anstelle des Ventils 3 ein Doppel­ funktionsventil verwendet.

Claims (9)

1. Verfahren zur selbsttätigen Elektrolytumwälzung in einer geschlossenen Akkumulatorenzelle, die eine Einrichtung zum Sammeln der beim Betrieb erzeugten Elektrolysegase in Ver­ bindung mit einem Flüssigkeitssteigrohr enthält, durch welches Elektrolyt aus dem unteren Raum der Zelle in den oberen Raum transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der transportierte Elektrolyt im oberen Zellenraum ge­ sammelt wird und daß er über eine vom Elektrolytstand ge­ steuerte Ventilanordnung wieder in den unteren Zellenraum zurückfließt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatorenzelle mit­ tels einer im wesentlichen horizontal angeordneten Trenn­ wand (4) in einen unteren Raum, welcher die aktiven Be­ standteile und den Elektrolyten enthält, und einen oberen Raum aufgeteilt ist, wobei durch ein die Trennwand durch­ dringendes Flüssigkeitssteigrohr (5) Elektrolyt vom unte­ ren Raum in den oberen Raum förderbar ist, und daß in der Trennwand Ventile (9, 10) zur Entlüftung des unteren Raumes einerseits und zur Rückführung von Elektrolytflüssigkeit in denselben andererseits vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite der Trennwand eine Gassammelglocke (11) angeordnet ist, welche die Ventile übergreift und durch Anheben das Rückflußventil (10) für den Elektrolyten öff­ net, durch Absenken dagegen schließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gasauslaßventil (9) ein von einem Schwimmer (8) betätigtes Ventil ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gasauslaßventil (9) durch einen Sen­ sor betätigbar ist, welcher bei Erreichen eines vorgegebe­ nen Flüssigkeitsstandes im oberen Zellenraum die Öffnung, bei Erreichen des Leerzustandes dagegen die Schließung veranlaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Glocke (11) eine Entlüftungsöffnung (14) besitzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im oberen Raum der Akkumulatorenzelle ein Sicherheitsven­ til (3) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im oberen Raum der Akkumulatorenzelle ein Rekombinator für die Rekombination der aus dem unteren Raum entweichenden Elek­ trolysegase angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Raum der Akkumulatorenzelle anstelle des Sicherheitsventils ein Doppel­ funktionsventil aufweist, welches zur äußeren Atmosphäre oberhalb eines vorgegebenen Überdrucks und unterhalb eines vorgegebenen Unterdrucks öffnet.