DE3924011A1

DE3924011A1 - Akkumulator mit einer elektrolyt-umwaelzvorrichtung

Info

Publication number: DE3924011A1
Application number: DE3924011A
Authority: DE
Inventors: Masafumi Tanaka
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1990-01-25
Also published as: DE3924011C2; GB2221789A; GB8916336D0; US4945011A; JPH0230059A; GB2221789B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Akkumulator bzw. eine Elektrolyt-Batterie, versehen mit einer Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung.

In Akkumulatoren ist eine Elektrolytlösung direkt in eine Reaktion einbezogen, die zur Erzeugung elektrischer Energie führt. Entsprechend ist es bekannt, daß die Kapazität der Batterie stark durch die Effizienz der Verwendung der Elektrolytlösung in dem Akkumulator ebenso wie durch die Effizienz in der Verwendung der Aktivteile ihrer Plattenelektroden beeinflußt wird.

Im Falle eines Blei-Akkumulators wird während des Lade- und Entladevorganges die Dichte der Elektrolytlösung an den oberen Abschnitten des Akkumulators verringert, so daß der Teil der Elektrolytlösung, der eine hohe Dichte aufweist, stets im unteren Abschnitt des Akkumulators verbleibt.

Um diese Ungleichverteilung bezüglich der Dichte zwischen Teilen der Elektrolytlösung zu beseitigen, wird durch Überladen ein Gas erzeugt, so daß das spezifische Gewicht der oberen und unteren Teile der Elektrolytlösung durch die Umwälzwirkung oder Umrührwirkung des Gases einander angenähert oder angeglichen wird. Für den Fall, daß der Akkumulator nur eine geringe Höhe aufweist, kann die Dichte der Elektrolytlösung verhältnismäßig leicht durch Überladen vergleichmäßigt werden. Für den Fall, daß jedoch ein Akkumulator verwendet wird, der eine größere Höhe aufweist, wie dies z.B. bei einem Akkumulator für ein Elektrofahrzeug der Fall ist, kann allgemein die Dichte nicht in gleichem Maße durch Überladen homogenisiert werden. Im Ergebnis dessen hat die Elektrolytlösung in den oberen Bereichen der Elektrodenplatten stets eine niedrigere Dichte, so daß die Kapazität der Batterie herabgesetzt ist. Andererseits bleibt Elektrolytlösung mit einer hohen Dichte und stark oxidierenden Eigenschaften stets in den unteren Bereichen der Elektrodenplatten, so daß die unteren Endbereiche der Elektrodenplatten korrodieren und ihre Lebensdauer sich verkürzt. Aus diesem Grund wird allgemein bei jedem Laden des Akkumulators eine Überladung desselben durchgeführt. Im Ergebnis dessen wird nicht nur elektrische Energie verschwendet, sondern auch die Lebensdauer des Akkumulators verringert.

Andererseits können bei Plattenakkumulatoren verschiedenartige Belastungen an den Akkumulatoren angeschlossen werden. Da einige dieser Belastungen für eine große Spannungsänderung während des Ladevorganges nicht geeignet sind, wird häufig ein Konstanzspannungs-Ladesystem verwendet, in dem die Ladespannung auf einen bestimmten Wert begrenzt wird. Um die Schwierigkeiten zu lösen, ist ein gleichmäßiges Laden über eine lange Zeitspanne von 12 bis 24 Stunden ausgeführt worden. Bei den gegebenen Umständen können die eingangs erwähnten Schwierigkeiten jedoch nicht gelöst werden, da die gleichmäßige Ladespannung niedrig ist.

Im Falle eines stationären Lastbegrenzungs-Akkumulators von großer Kapazität wird ein Umrühren oder Umwälzen des Elektrolyten periodisch durch zwangsweises Einbringen von Luft in den Akkumulator von außen ausgeführt. Im Ergebnis dessen ist bestätigt worden, daß die Lebensdauer der Batterie das zweifache beträgt, abhängig vom Vorhandensein einer Rühr- bzw. Umwälzvorrichtung. Außerdem kann die Lademenge während jedes Ladezyklus um 10% vermindert werden. Im Ergebnis dessen kann der Wasserverbrauch in der Elektrolytlösung infolge Überladens merklich vermindert werden, so daß der Wasserversorgungszyklus auf das Fünffache verlängert ist, mit dem Ergebnis einer merklichen Verminderung in den Wartungskosten.

Die gegenwärtig verwendete Rühr- oder Umwälzvorrichtung erfordert jedoch eine Kompressor-Verrohrung od.dgl., so daß die Gesamtkosten zunehmen und die Verwendung solch einer Rühr- oder Umwälzvorrichtung auf Batterien begrenzt ist, die für spezielle Zwecke verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator mit einer Elektrolytlösung und einer Umwälzvorrichtung für den Elektrolyten zu schaffen, durch den auf einfache und kostengünstige Weise die Lebensdauer des Akkumulators durch Homogenisierung der Elektrolytdichte in dem Akkumulator verlängert werden kann.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Akkumulator mit einer Elektrolyt-Umwälzvorrichtung vorgesehen, wobei die Umwälzvorrichtung keine von außen angetriebene Umwälzvorrichtung ist, wie sie gegenwärtig angewandt wird, sondern eine Umwälzvorrichtung ist, welche die Energie verwendet, die aus der Erzeugung eines Gases in dem Akkumulator resultiert, wobei die vorerwähnten Nachteile vermieden sind.

Erfindungsgemäß weist der Akkumulator mit der Elektrolyt-Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung auf: ein die Lösung zirkulierendes bzw. umwälzendes Rohr, das eine kleine Öffnung in seinem Mittelabschnitt aufweist und das vertikal in einer Elektrolytlösung angeordnet ist, eine Gassammelkammer, die ein unteres Ende besitzt, welches sich unterhalb der Position der kleinen Öffnung des die Lösung zirkulierenden Rohres öffnet und die oberhalb der Elektrodenplatten angeordnet ist, einen Siphonstreifen in Form eines umgekehrten U zur Verbindung der kleinen Öffnung und der Gassammelkammer miteinander sowie ein Gasreservoir, das an der oberen Endöffnung des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres angeordnet ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiel der Erfindung und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles eines Akkumulators mit einer Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung nach der vorliegenden Erfin dung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Elektrolyt- Umwälzvorrichtung nach Fig. 1, teilweise im Schnitt, und

Fig. 3A und 3C Ansichten zur Erläuterung der Arbeitsweise des Akkumulators nach der vorliegenden Erfindung, der mit der Elektrolyt-Umwälzvorrichtung ausge rüstet ist.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachfolgend im einzelnen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles eines Akkumulators mit der Elektrolytlösungs-Umwälzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Ansicht der Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung selbst.

In der Zeichnung bezeichnet A eine Zelle, in der Elektrodenplatten aufgenommen sind, B bezeichnet die Elektrodenplatten, C bezeichnet eine Elektrolytlösung und D bezeichnet die Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung.

Die Umwälzvorrichtung D für die Elektrolytlösung weist auf: ein die Lösung zirkulierendes oder umwälzendes Rohr 1, das ein unteres Ende besitzt, welches sich zum Boden der Zelle öffnet und welches ein oberes Ende besitzt, das sich in der Nähe der Oberfläche der Elektrolytlösung öffnet und das eine kleine Öffnung 4 in seinem Mittelabschnitt aufweist; eine Gassammelkammer 2, die an ihrem unteren Ende eine Öffnung besitzt, welche unterhalb der kleinen Öffnung 4 sich befindet, um ein Gas zu sammeln, das von den Elektrodenplatten B erzeugt wird; einen Siphonstreifen 3 in Form eines umgekehrten U zur Verbindung der kleinen Öffnung 4 und der Gassammelkammer 2 miteinander und außerdem ist ein Gasreservoir 5 an der oberen Endöffnung des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 durch Abdeckung des oberen Endabschnittes des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 mit einer Kappe ausgebildet, die sich an ihrer Unterseite öffnet oder in dem der obere Endabschnitt des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 abgekröpft oder in Form eines umgekehrten J nach unten gedreht wird.

In dem Ausführungsbeispiel, das in den Zeichnungen dargestellt ist, ist das die Elektrolytlösung umwälzende Rohr 1 an der Stelle der kleinen Öffnung 4 abgebogen oder gekrümmt. Die Form des die Elektrolytlösung umwälzenden Rohres 1 ergibt sich aus dem Zweck der Erleichterung des Entfernens der Umwälzvorrichtung aus einer Form, wenn die Vorrichtung aus Kunststoff bzw. Kunstharz integral hergestellt, insbesondere spritzgegossen wird. Das gekrümmte, die Elektrolytlösung umwälzende Rohr 1 unterscheidet sich in seiner Arbeits- und Wirkungsweise nicht von einem nicht gekrümmten, linearen Rohr.

Bei einem Akkumulator mit einer Umwälzvorrichtung, die einen Aufbau wie oben beschrieben aufweist, wird ein Gas von den Elektrodenplatten B während des Ladevorganges od.dgl. erzeugt und dieses Gas wird in der Gassammelkammer 2 gesammelt und akkumuliert. Die Elektrolytlösung, die in den Siphonstreifen 3 in Form eines umgekehrten U eintritt, wird durch die kleine Öffnung 4 in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 zurückgedrückt, entsprechend der Ansammlung des Gases. Wenn die Gasmenge, die in der Gassammelkammer 2 sich ansammelt, derart zunimmt, daß das Gas die kleine Öffnung 4 erreicht, wird das Gas durch die kleine Öffnung 4 in Form von Blasen heraus und in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 hineingepreßt. Wenn der Druck der Gasblasen und des Gases in der Gassammelkammer 2 zunimmt, um den Druck der Elektrolytlösung zu übersteigen, der in einem Abschnitt 1 a oberhalb der kleinen Öffnung 4 herrscht, bewegen sich die Gasblasen nach oben, während sie die Elektrolytlösung, die sich in dem Abschnitt 1 a oberhalb der kleinen Öffnung 4 befindet, d.h. die Elektrolytlösung, die in dem Abschnitt 1 a des die Elektrolytlösung umwälzenden Rohres 1 ist, unter Druck gesetzt, so daß die Gasblasen gemeinsam mit Elektrolytlösung von der oberen Endöffnung des die Elektrolytlösung umwälzenden Rohres freigesetzt werden. Gleichzeitig nimmt der Druck der Elektrolytlösung in dem die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohr 1 ab, so daß die Elektrolytlösung am Boden des Akkumulators eintritt und von der Öffnung am unteren Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres aufsteigt. Entsprechend wird die Elektrolytlösung mit hoher Dichte in dem die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohr 1 nach oben zu einer Stelle oberhalb der kleinen Öffnung 4 gepreßt, wo ihr Druck ausgeglichen ist mit dem Druck der Elektrolytlösung, die sich rund um das Zirkulationsrohr 1 befindet und die Elektrolytlösung wird stabil. In diesem Zustand wird das Gas, das von den Elektrodenplatten erzeugt wird, wieder in der Gassammelkammer 2 gesammelt und die vorerwähnte Arbeitsweise wiederholt sich.

Bei dem Akkumulator mit der Umwälzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist ein Gasreservoir 5 an der oberen Endöffnung des die Elektrolytlösung umwälzenden Rohres 1 angebracht, so daß die Elektrolytlösung, die sich innerhalb des die Lösung umwälzenden Rohres 1 befindet, von der Elektrolytlösung, die sich außerhalb der oberen Endöffnung befindet, durch eine Gasphase isoliert sind. Demzufolge strömt die Elektrolytlösung außerhalb der oberen Endöffnung niemals rückwärts in das die Lösung umwälzende Rohr 1 hinein, obwohl die obere Endöffnung des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 unterhalb der Oberfläche der Elektrolytlösung angebracht ist, d.h., die Elektrolytlösung bewegt sich stets vom unteren Ende zum oberen Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1.

Die Arbeitsweise der Umwälzvorrichtung bei dem Akkumulator nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt eine Serie von Ansichten für die Erläuterung der Arbeitsweise der Umwälzvorrichtung in Verbindung mit einem Akkumulator nach der vorliegenden Erfindung. Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen haben die folgenden Bedeutungen:

q 0 Dichte der Elektrolytlösung im oberen Abschnitt,
q Dichte der Elektrolytlösung am Boden des Akkumulators,
H 1 Flüssigkeitshöhe zwischen einer Flüssigkeitsoberfläche und der kleinen Öffnung 4,
H 2 Flüssigkeitshöhe zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem unteren Ende des Gasreservoirs,
H 3 Flüssigkeitshöhe zwischen der kleinen Öffnung 4 und dem unteren Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1,
H 4 Flüssigkeitshöhe zwischen der kleinen Öffnung 4 und dem unteren Ende der Gassammelkammer 2,
hx Flüssigkeitshöhe zwischen der kleinen Öffnung 4 und einer Oberfläche der Gasphase in der gassammelkammerseitigen Seite des Siphonstreifens 3 in Form eines umgekehrten U;
hy Flüssigkeitshöhe zwischen der oberen Endflüssigkeitsoberfläche in dem die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohr 1 und der kleinen Öffnung 4,
DP 1 Oberflächenspannung, erzeugt in dem Abschnitt der kleinen Öffnung 4,
DP 2 Oberflächenspannung, erzeugt am unteren Endabschnitt des Gasreservoirs 5.

Fig. 3A zeigt den Zustand, in dem ein erzeugtes Gas nacheinander in dem Siphonstreifen 3 in Form eines umgekehrten U beim Laden des Akkumulators od.dgl. gesammelt wird, so daß die Elektrolytlösung von hoher Dichte q am Boden der Zelle, in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 eintritt. Mit anderen Worten zeigt Fig. 3A den Zustand, in dem die Elektrolytlösung nahe der kleinen Öffnung 4 innerhalb des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres durch die kleine Öffnung 4 durch den zunehmenden Druck innerhalb des Siphonstreifens 3 in das Rohr 1 herausgedrückt wird und das Gas in dem Rohr 1 durch die kleine Öffnung 4 in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 (Bereich 1 a) eintritt. In diesem Zustand ergibt sich das Druckgleichgewicht wie folgt:

(H 1+hx) q 0=H 2 q 0+hy q+DP 1+DP 2 (1)

Wenn hx selbst nur geringfügig zunimmt, wird die obige Beziehung verletzt, so daß die Elektrolytlösung in dem Abschnitt 1 a des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 vom oberen Ende dieses Abschnittes 1 a ausgeworfen wird, wie dies in Fig. 3B dargestellt ist. Gleichzeitig nimmt der Druck in dem die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohr 1 entsprechend um das Maß der ausgeworfenen Elektrolytlösung ab, so daß der Druck in dem Gassammelkammer-Seitenrohr des Siphonstreifens 3 abnimmt. Entsprechend steigt die Elektrolytlösung innerhalb des Siphonstreifens 3 mit der Form eines umgekehrten U auf. Entsprechend der Druckgleichgewichtsgleichung für einen stationären Zustand ist die Stelle, bis zu der die Flüssigkeitsoberfläche zu diesem Zeitpunkt ansteigt, das obere Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1. In der Praxis ist jedoch das Ansteigen der Flüssigkeitsoberfläche so kraftvoll, daß die Flüssigkeitsoberfläche über das obere Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 durch die Trägheitskraft der Flüssigkeit hinaus ansteigt und es wird daher bevorzugt, das obere Ende des Siphonstreifens 3 von der Form eines umgekehrten U oberhalb des oberen Endes des Zirkulationsrohres 1 anzuordnen.

Wenn dieser übermäßige Zustand beendet ist, stabilisiert sich der Zustand wie in Fig. 3C gezeigt ist und anschließend wird die Ansammlung von Gas wieder begonnen.

Da die Dichte q 0 der Elektrolytlösung im oberen Bereich außerhalb des Zirkulationsrohres 1 niedriger ist als die Dichte der Elektrolytlösung innerhalb des Rohres 1, wird sich die Oberfläche der Elektrolytlösung, die in die Seite 3 b der Gassammelkammer 2 des Siphonstreifens 3 eintritt, an einer Stelle stationär, die höher liegt als die Flüssigkeitsoberfläche in dem die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohr 1. Wenn der obere Endabschnitt des Zirkulationsrohres 1 nicht durch das Gasreservoir 5 abgedeckt ist, würde die obere Elektrolytlösung mit niedriger Dichte in das Zirkulationsrohr 1 von dessen oberen Ende her eintreten. Wenn die obere Elektrolytlösung in dem Zirkulationsrohr 1 vermischt wird, würde der Umwälzeffekt bzw. die Effizienz der Durchmischung durch die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung bedeutend beeinträchtigt, wie nachfolgend noch erläutert wird.

Je größer das Volumen des Gasreservoirs 5 ist, umso größer ist der Isoliereffekt. Wenn dieses Volumen klein ist, wird das Gas, das in dem Gasreservoir 5 verbleibt, gemeinsam mit der Elektrolytlösung abgeblasen bzw. mitgerissen, wenn die Elektrolytlösung von dem Zirkulationsrohr 1 ausgeworfen wird, so daß die obere Elektrolytlösung in diesem Moment in das Zirkulationsrohr 1 eintreten kann. Wenn die Innenabmessung dieses Abschnittes klein ist, wird die Oberflächenspannung an einem Spalt in dem Abschnitt groß, so daß die Flüssigkeitshöhe (druck-)äquivalent zur Oberflächenspannung erforderlich ist, wenn das erzeugte Gas in das Zirkulationsrohr 1 von der kleinen Öffnung 4 durch den Siphonstreifen 3 eintritt, d.h. es ist erforderlich, daß der Abstand zwischen dem unteren Ende der Gassammelkammer 2 und der kleinen Öffnung 4 so eingerichtet ist, daß er groß ist. Wenn dieser Abstand nicht angemessen eingerichtet ist, entweicht das erzeugte Gas vom unteren Ende der Gassammelkammer 2. Aus diesem Grunde wird bevorzugt, daß die inneren Querschnittsflächen des Gasreservoirs 5 so eingerichtet sind, daß sie ausreichend größer sind als die innere Querschnittsfläche S des Zirkulationsrohres 1. Durch Vorsehen des Gasreservoirs 5 kann ein stabiler Umwälzeffekt unabhängig von der Lage der Oberfläche der Elektrolytlösung erreicht werden.

Das Druckgleichgewicht in dem Gasreservoir, gezeigt in Fig. 3A, wird wie folgt ausgedrückt:

(hy+H 3) q=(H 1-H 2+H 3) q 0+DP 2 (2)

Aus den Ausdrücken (1) und (2) wird hy berechnet wie folgt:

hy=[qp 1+2DP 2-(q-q 0)H 3]/q 0 (3)

Wie aus dem Ausdruck (3) verständlich ist, wird der Wert von hx maximal wenn q=q 0 ist. Da die Oberflächenspannung Dp 1, erzeugt in dem Abschnitt der kleinen Öffnung 4, und die Oberflächenspannung Dp 2, erzeugt im unteren Endabschnitt des Gasreservoirs 5, einen ausreichenden Gasdurchgang sicherstellen, wird ein Spalt eingerichtet, derart, daß die Druckhöhe der Oberflächenspannung nicht größer als 2 bis 3 mm ist. Nimmt man nunmehr an, daß Dpa + Dp 2=5 mm ist (Wert des "Kopfes" bzw. der Druckhöhe) und die Dichte q 0=1,2 ist, tritt das Gas in dem Siphonstreifen 3 von der Form eines umgekehrten U in den oberen Abschnitt 1 a des Zirkulationsrohres 1 ein, um hierdurch schweflige Säure von innerhalb des Rohres 1 a nach außen anzuwerfen, wenn hx 4 bis 5 mm wird. Dieser Zustand ist in Fig. 3B gezeigt.

Wenn die Dichte der Elektrolytlösung innerhalb des Rohres 1 gleich der Dichte der Elektrolytlösung außerhalb des Rohres 1 ist, wie dies oben erläutert ist, sinkt die Gasphasen- Oberfläche a auf ihr niedrigstes Niveau ab. Wenn q»q 0 ist, wird, wie aus dem Ausdruck (3) ersichtlich ist, hx negativ und die Gasphasen-Oberfläche a kommt auf ein Niveau, das höher liegt als das der kleinen Öffnung 4. In diesem Zustand kann das erzeugte Gas in die kleine Öffnung 4 eintreten wie folgt. Wie aus dem Ausdruck (2) ersichtlich ist, nimmt der Wert von hy ab, wenn der Wert von q zunimmt. Mit anderen Worten sinkt die Oberfläche der Elektrolytlösung in dem den oberen Bereich der Elektrolytlösung zirkulierenden Rohrabschnitt 1 a des Zirkulationsrohrs 1 ab, wenn die Dichte q zunimmt. Wenn die Differenz in der Dichte zwischen q und q 0 einen bestimmten Wert überschreitet, wird hy negativ, so daß ein Zustand auftritt, in dem sich keine Elektrolytlösung in dem Rohrabschnitt 1 a des Zirkulationsrohres 1 für die Zirkulation des oberen Teiles des Elektrolytes befindet. In diesem Zustand steigt die Gasphasen-Oberfläche a bis nahe des obersten Abschnittes des Siphonstreifens 3 von der Form eines umgekehrten U an, so daß das erzeugte Gas frei durch die kleine Öffnung 4 hindurchgeführt und aus dem Rohr 1 durch den Rohrabschnitt 1 a für die Zirkulation des oberen Teiles der Elektrolytlösung abgeführt wird.

Wie oben erläutert, ist die Druckkraft der Elektrolytlösung (Umwälzkapazität der Umwälzvorrichtung) proportional hx, und wenn der Wert von (q-q 0) einen bestimmten Wert überschreitet, wird, wie oben erläutert, hx negativ, so daß die Umwälzkapazität bzw. das Umwälzvermögen verloren gegangen ist.

Die Umwälzkapazität und hx können wie folgt erhöht werden. Wie aus dem Ausdruck (2) verständlich ist, wird der Wert von hy umso größer, je größer der Wert von (H 1-H 2) gemacht wird. Die Höhe der Umwälzvorrichtung wird jedoch ebenfalls größer, wenn der Wert hy groß gemacht wird.

Andererseits nimmt die Druckkraft der Elektrolytlösung zu, wenn die innere Querschnittsfläche des den oberen Bereich der Elektrolytlösung zirkulierenden Rohrabschnittes 1 a groß gemacht ist. Wenn die innere Querschnittsfläche 60-80 mm² überschreitet, tritt jedoch das Phänomen des Ersatzes von Elektrolytlösung durch Gas in dem Rohrabschnitt 1 a auf, so daß das Umwälzvermögen oder die Umwälzkapazität vermindert wird.

Außerdem nimmt die Druckkraft der Elektrolytlösung relativ zur Menge des erzeugten Gases zu, wenn das Innenvolumen des Siphonstreifens 3 mit der Form eines umgekehrten U kleiner gemacht wird. Wenn der Gaskanal 3 a, 3 b so eng ist, daß ein Flüssigkeitsfilm in dem Siphonstreifen 3 ausgebildet werden kann, wird jedoch eine Oberflächenspannung Dp 3 erzeugt, die nicht übereinstimmt mit der Summe aus Dp 1+Dp 2 in dem Ausdruck (3), um hierdurch hx stark zu erhöhen. Im Ergebnis dessen entweicht das erzeugte Gas vom unteren Endabschnitt der Gassammelkammer der Umwälzvorrichtung, wenn hx größer wird als H 4, so daß die Umwälzvorrichtung dann unwirksam wird. Fig. 3B ist eine Darstellung, die den übermäßigen Zustand zeigt, unmittelbar nachdem die Elektrolytlösung in dem Rohr 1 aus dem Rohr durch das erzeugte Gas ausgeblasen wird, das durch die kleine Öffnung 4 in den Rohrabschnitt 1a zur Umwälzung der oberen Teile der Elektrolytlösung eintritt. Die Druckverteilung in diesem übermäßigen Zustand kann mathematisch wie folgt analysiert werden.

In dem Fall, in dem keine Elektrolytlösung sich in dem Rohrabschnitt 1 a für die Zirkulation der oberen Teile der Elektrolytlösung befindet, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist, und in dem Fall, wo der Druck in dem Siphonstreifen 3 vermindert ist, können Dpa und Dp 2 in dem Ausdruck (1) vernachlässigt werden, so daß sich der Ausdruck (1) zu dem Ausdruck hx = -(H 1-H 2) vereinfacht. Kurz gesagt steigt die Gasphasen-Oberfläche a in der Seite 3 b des Siphonstreifens 3 bis zum oberen Ende des Rohrabschnittes 1 a. Wenn die obere Öffnung 6 der Gassammelkammer 2 und die kleine Öffnung 4 nicht durch den Siphonstreifen 3 von der Form eines umgekehrten U, sondern direkt verbunden sind, strömt die Elektrolytlösung von niedriger Dichte q 0 im oberen Bereich der Batterie in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 durch die kleine Öffnung 4, so daß die Elektrolytlösung von hoher Dichte am unteren Ende des Rohres 1 nicht nach oben gedrückt werden kann. Wie oben erläutert, besteht einer der wesentlichsten Punkte der vorliegenden Erfindung darin, daß der Siphonstreifen 3 von umgekehrt U-förmiger Gestalt angewandt wird. Die Bewegung der Elektrolytlösung wird durch den Siphonstreifen 3 perfekt abgeschnitten, obwohl ein Gas sich frei von der Seite 3 b nach der Seite 3 a des Siphonstreifens 3 bewegen kann. Wie oben erläutert, zeigt in dem übermäßigen Zustand die Gasphasen-Oberfläche a in dem Abschnitt 3 b des Siphonstreifens 3 von der Form eines umgekehrten U bis zum oberen Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1. Es wird daher bevorzugt, daß die Spitze des Siphonstreifens 3 höher liegt als das obere Ende des Rohres 1.

In dem Zustand, der in Fig. 3B gezeigt ist, ist sowohl der Druck in dem Siphonstreifen 3 als auch der Druck in dem Rohrabschnitt 1 a für die Zirkulation der oberen Bereiche der Elektrolytlösung zeitweilig geringfügig vermindert. Entsprechend versucht die Elektrolytlösung dann, wenn die Gasphasen-Oberfläche a ansteigt, in den Rohrabschnitt 1 a vom unteren Ende des Gasreservoirs 5 her einzudringen. Jedoch wirkt der Druck -qp 2 infolge des Filmes, erzeugt durch die Oberflächenspannung, auf das untere Ende des Gasreservoirs 5, um so eine Rückwärtsströmung der Elektrolytlösung in den Rohrabschnitt 1a hinein zu verhindern. Daher kann selbst dann, wenn die Umwälzvorrichtung in der Elektrolytlösung untertaucht, die Elektrolytlösung aus dem unteren Bereich nach oben gedrückt werden, ohne daß es zu einer Vermischung mit den Elektrolytteilen aus dem oberen Bereich, die eine geringe Dichte aufweisen, in dem Rohrabschnitt 1 a kommt.

Fig. 3C ist eine Darstellung, die den stabilen Zustand zeigt, in der Elektrolytlösung mit hoher Dichte q vom Boden der Zelle durch das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 nach oben gedrückt wird, nachdem der übermäßige Zustand, der in Fig. 3B dargestellt ist, aufgetreten ist. Wenn das erzeugte Gas sich in dem Siphonstreifen 3 von der Form eines umgekehrten U gesammelt hat, kehrt der Akkumulator in den Zustand zurück, der in Fig. 3A bezeigt ist.

Im folgenden wird zur Erläuterung das Ergebnis eines Versuches mitgeteilt. Wenn H 1- H 2, H 3 und die innere Querschnittsfläche des den oberen Teil der Elektrolytlösung zirkulierenden Rohrabschnittes 1 a auf 50 mm, 30 cm und 50 mm² jeweils festgelegt wurden, wurde die Umwälzkapazität für die Elektrolytlösung durch die Gasmenge bestimmt, die während einer Überladung von 20 A erzeugt wurde. Es ergab sich, daß die Gasmenge bei einer Menge von 800 cm³/h in dem Zustand von q-q 0 = 0,1 und von 2 l/h in dem Zustand q-q 0 = 0,05 betrug.

Der Akkumulator mit der Umwälzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise den vorerwähnten Aufbau. Die Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung kann sehr kompakt ausgeführt werden. Für die Gassammelkammer, angeordnet oberhalb der Elektrodenplatten, kann jede Form gewählt werden, solange die Kammer einen Teil des Gases sammeln kann, der in den Elektrodenplatten erzeugt wird. Außerdem ist das Gasreservoir 5 an seinem oberen Ende mit einem Rohrabschnitt 1 a für die Zirkulation eines oberen Teiles der Elektrolytlösung versehen, durch den eine Verminderung der Umwälzwirkung unabhängig von der Lage des oberen Endes des Zirkulationsrohres 1 für die Elektrolytlösung innerhalb der Elektrolytlösung verhindert werden kann. Außerdem kann der Innendurchmesser des Zirkulationsrohres zum Aufwärtssaugen der Elektrolytlösung auf ungefähr 2 bis ungefähr 3 mm festgelegt werden, so daß das Rohr 1 in jeden Raum innerhalb des Akkumulators eingesetzt werden kann. Entsprechend ist die vorliegende Erfindung von hohem praktischem Wert, da sie auf alle Arten von Akkumulatoren u.dgl. angewandt werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Akkumulator mit einer Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung in dem Akkumulator. Ein die Elektrolytlösung zirkulierendes Rohr 1 mit offenen gegenüberliegenden Enden ist in der Elektrolytlösung angeordnet. Das offene obere Ende 1 a öffnet sich zu einem Gasreservoir 5 von der Form eines umgekehrten eines J und öffnet sich nach unten in den oberen Teil der Elektrolytlösung. Eine Gassammelkammer 2 sammelt Gasblasen, die durch die Elektrodenplatten erzeugt werden und dieses Gas tritt in einen Siphonstreifen 3 von der Form eines umgekehrten U ein, der sich an einem Ende zu der Kammer und an dem anderen Ende zu dem Rohr 1 über eine kleine Öffnung 4 im Mittelabschnitt des Rohres 1 öffnet. Das Gas in dem Siphonstreifen 3 zwingt somit die Elektrolytlösung und Gas aus dem oberen Teil des Rohres und des Gasreservoirs in den oberen Teil der Elektrolytlösung über die Gasreservoiröffnung einzutreten.

Claims

1. Akkumulator des Typs mit Elektrodenplatten, die in eine Elektrolytlösung eingetaucht sind, wobei der Akkumulator mit einer Elektrolyt-Umwälzvorrichtung versehen ist, gekennzeichnet durch:
ein vertikal angeordnetes, die Elektrolytlösung zirkulierendes Rohr (1), angeordnet innerhalb des Akkumulators und offen an seinem oberen und seinem unteren Ende, wobei das Rohr (1) eine kleine Öffnung (4) in seinem Mittelabschnitt aufweist und ein Gasreservoir (5) an seinem oberen offenen Ende ausgebildet ist,
eine Gassammelkammer (2), die oberhalb der Platten angeordnet ist und an ihrem unteren Ende eine Öffnung unterhalb des Niveaus der kleinen Öffnung (4) in dem Rohr (1) aufweist, und
einen Siphonstreifen (3) von der Form eines umgekehrten U, angeschlossen zwischen der Gassammelkammer (2) und der kleinen Öffnung (4) zur Fluidverbindung zwischen der Gaskammer (2) und dem Rohr (1) über die kleine Öffnung (4).

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasreservoir (5) die Form eines umgekehrten J aufweist, wobei seine Öffnung zu der Elektrolytlösung des Akkumulators nach unten weist.

3. Umwälzvorrichtung für eine Elektrolytlösung, zur Verwendung in einem Akkumulator des Typs, der Elektrodenplatten besitzt, die in einer Elektrolytlösung eingetaucht sind, gekennzeichnet durch:
ein vertikal angeordnetes, die Elektrolytlösung zirkulierendes Rohr (1), angeordnet innerhalb des Akkumulators und an seinem oberen und unteren Ende offen, wobei das Rohr (1) eine kleine Öffnung (4) in seinem Mittelabschnitt aufweist und ein Gasreservoir (5) an seinem oberen offenen Ende vorgesehen ist,
eine Gassammelkammer (2), die oberhalb der Elektrodenplatten angeordnet ist und eine untere Endöffnung besitzt, die unterhalb des Niveaus der kleinen Öffnung (4) liegt, und
einen Siphonstreifen (3) von der Form eines umgekehrten U, angeschlossen zwischen der Gassammelkammer (2) und der kleinen Öffnung (4) zur Fluidverbindung zwischen der Gaskammer (2) und dem Rohr (1) über die kleine Öffnung (4).

4. Umwälzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasreservoir (5) die Form eines umgekehrten J aufweist, wobei seine Öffnung zu der Elektrolytlösung des Akkumulators nach unten weist.