DE3924011C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator mit Elektrodenplatten, die in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht sind, mit einer Elektrolyt-Umwälzvorrichtung, die ein vertikal angeordnetes, die Elektrolytflüssigkeit zirkulierendes Rohr aufweist, das zumindest eine obere und eine untere Öffnung besitzt.

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 des Gases einander 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 Elektrodenplatte 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 Konstantspannungs-Ladesystem verwendet, in dem die Ladespannung auf einen bestimmten Wert begrenzt wird. Um die vorgenannten 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 übernommen 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.

Aus der DE-PS 27 41 933 ist ein Akkumulator mit gasbetätigter Elektrolytbewegung bekannt, bei dem einerseits zwischen dem Plattenblock und dem Akkumulatorgehäuse ein Elektrolytkanal ausgebildet wird und der andererseits eine Gasblasenquelle zur Bewegung des Elektrolyten enthält.

Aus der JP-A-59-71 257 ist ein Akkumulator mit Gasblasen-Umwälzvorrichtung bekannt, wobei die Gasblasen in einen nach unten offenen, kommunizierenden Behälter aufsteigen und die Verbindung zu einem Raum oberhalb des Elektrolytspiegels des Akkumulators durch ein Rückschlagventil hergestellt wird, welches in Abhängigkeit vom Innendruck im Akkumulator bzw. von der Druckdifferenz zwischen dem Innendruck im Akkumulator oberhalb des Elektrolytspiegels und dem Druck innerhalb des nach unten offenen Behälters betätigbar ist. Eine solche Lösung benötigt nicht nur verhältnismäßig aufwendige Einrichtungen innerhalb des Akkumulators, sondern vergrößert auch dessen Bauhöhe beträchtlich.

Aus der JP-A-62-73 558 ist ein Akkumulator bekannt, bei dem das aufsteigende Gas innerhalb eines die Elektrodenplatten umgebenden Glockenkörpers zu einem Überfließen des Elektrolyten und einer Zwangsströmung entlang der Außenwandung des Glockenkörpers zur Umwälzung des Elektrolyten führt.

Ein Akkumulator der eingangs genannten Art ist aus der DE-AS 11 56 127 bekannt. Eine solche Vorrichtung bedingt allerdings eine Erzeugung von Gasblasen durch einen Elektrolyseur und damit eine Zersetzung des Elektrolyten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Umwälzvorrichtung für den Elektrolyten aufweist, die sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet und ein während eines Ladevorganges oder dgl. erzeugtes Gas als Umwälzmittel verwendet, um auf diese Weise die Lebensdauer des Akkumulators durch Homogenisierung der Elektrolytdichte zu verlängern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohr stromauf seiner oberen Öffnung eine Zwischenöffnung aufweist und außerhalb des Rohres ein Gassammelraum vorgesehen ist, der durch einen sich nach unten öffnenden U-förmigen Gaskanal mit der Zwischenöffnung verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann das innerhalb des Elektrolyten während eines Ladevorganges aufsteigende Gas durch den Gassammelkanal gesammelt und vermöge des sich nach unten öffnenden U-förmigen Gaskanales unter Verdrängung von Elektrolytflüssigkeit aus diesem zu der Zwischenöffnung des Zirkulationsrohres geführt und von dort unter Ausförderung der über der Zwischenöffnung sich befindenden Elektrolyt-Flüssigkeitssäule aus dem oberen Endteil des Rohres 1 abgefördert werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigt

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

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 Elektrolytlösung-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 Zwischenöffnung 4 in seinem Mittelabschnitt aufweist;
einen Gassammelraum 2, der an seinem unteren Ende eine Öffnung besitzt, welche unterhalb der kleinen Zwischenöffnung 4 sich befindet, um ein Gas zu sammeln, das von den Elektrodenplatten B erzeugt wird;
einen U-Gaskanal 3 (Kanal in Form eines umgekehrten U) zur Verbindung der kleinen Zwischenöffnung 4 und des Gassammelraumes 2 miteinander, und außerdem ist ein Gasreservoir 5 an der oberen Endöffnung des Rohres 1 durch Abdeckung des oberen Endabschnittes des Rohres 1 mit einer Kappe ausgebildet, die an ihrer Unterseite offen ist, so daß das Gasreservoir 5 umgekehrt L-förmig ausgebildet ist.

In dem Ausführungsbeispiel, das in den Zeichnungen dargestellt ist, ist das die Elektrolytlösung umwälzende Rohr 1 an der Stelle der Zwischenöffnung 4 abgebogen. Die Form des Rohres 1 ergibt sich aus dem Zweck eines möglichst leichten Entformens der Umwälzvorrichtung aus einer Form, wenn die Vorrichtung aus Kunststoff integral einstückig hergestellt, insbesondere spritzgegossen wird. Das gekrümmte, die Elektrolytlösung umwälzende Rohr 1 unterscheidet sich in seiner Arbeits- und Wirkungsweise nicht von einem nicht gekrümmten, geradlinigen 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. Die Elektrolytlösung, die in den U-Gaskanal 3 eintritt, wird durch die Zwischenöffnung 4 in das Rohr 1 zurückgedrückt, entsprechend der Ansammlung des Gases. Wenn die Gasmenge, die sich in dem Gassammelraum 2 ansammelt, derart zunimmt, daß das Gas die Zwischenöffnung 4 erreicht, wird das Gas durch die Zwischenöffnung 4 in Form von Blasen heraus und in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 hineingepreßt. Wenn der Druck der Gasblasen und des Gases in den Gassammelraum 2 zunimmt und schließlich den Druck der Elektrolytlösung übersteigt, der in einem Abschnitt 1a oberhalb der Zwischenöffnung 4 herrscht, bewegen sich die Gasblasen nach oben, während sie die Elektrolytlösung, die sich in dem Abschnitt 1a oberhalb der Zwischenöffnung 4 befindet, d. h. die Elektrolytlösung, die in dem Abschnitt 1a des Rohres 1 ist, unter Druck setzt, so daß die Gasblasen gemeinsam mit Elektrolytlösung von der oberen Endöffnung des Rohres freigesetzt werden. Gleichzeitig nimmt der Druck der Elektrolytlösung in dem 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 Rohr 1 nach oben zu einer Stelle oberhalb der Zwischenöffnung 4 gedrückt, 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 den Gassammelraum 2 gesammelt, und die vorerwähnte Arbeitsweise wiederholt sich.

Bei dem Akkumulator mit der Umwälzvorrichtung der vorerwähnten Art 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 diesem Ausführungsbeispiel wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.

q0
Dichte der Elektrolytlösung im oberen Abschnitt,
q	Dichte der Elektrolytlösung am Boden des Akkumulators,
H1	Flüssigkeitshöhe zwischen einer Flüssigkeitsoberfläche und der Zwischenöffnung 4,
H2	Flüssigkeitshöhe zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem unteren Ende des Gasreservoirs,
H3	Flüssigkeitshöhe zwischen der Zwischenöffnung 4 und dem unteren Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1,
H4	Flüssigkeitshöhe zwischen der Zwischenöffnung 4 und dem unteren Ende der Gassammelkammer 2,
hx	Flüssigkeitshöhe zwischen der Zwischenöffnung 4 und einer Oberfläche der Gasphase in der gassammelkammerseitigen Seite des U-Gaskanales 3,
hy	Flüssigkeitshöhe zwischen der oberen Endflüssigkeitsoberfläche in dem die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohr 1 und der Zwischenöffnung 4,
DP1	Oberflächenspannung, erzeugt in dem Abschnitt der Zwischenöffnung 4,
DP2	Oberflächenspannung, erzeugt am unteren Endabschnitt des Gasreservoirs 5.

Fig. 3A zeigt den Zustand, in dem ein erzeugtes Gas nach und nach in dem U-Gaskanal 3 beim Laden des Akkumulators 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 Zwischenöffnung 4 in dem Rohr durch die Zwischenöffnung 4 durch den zunehmenden Druck innerhalb des U-Gaskanales 3 in das Rohr 1 herausgedrückt wird und das Gas in dem Rohr 1 durch die Zwischenöffnung 4 in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 (Bereich 1a) eintritt. In diesem Zustand ergibt sich das Druckgleichgewicht wie folgt:

(H1 + hx) q0 = H2 q0 + hy q + DP1 + DP2 (1)

Wen hx selbst nur geringfügig zunimmt, wird die obige Beziehung verletzt, so daß die Elektrolytlösung in dem Abschnitt 1a des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1 vom oberen Ende dieses Abschnittes 1a 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 U-Gaskanals 3 abnimmt. Entsprechend steigt die Elektrolytlösung innerhalb des U-Gaskanales 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 U-Gaskanales 3 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 q0 der Elektrolytlösung im oberen Bereich außerhalb des Zirkulationsrohres 1 niedriger ist als die Dichte der Elektrolytlösung innerhalb des Rohres 1, wird die Oberfläche der Elektrolytlösung, die in die Seite 3b des Gassammelraumes 2 des U-Gaskanales 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 bedeutend beeinträchtigt, wie nachfolgend noch erläutert wird.

Je größer das Volumen des Gasreservoirs 5 ist, um so 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 Zwischenöffnung 4 durch den U-Gaskanal 3 eintritt; d. h. es ist erforderlich, daß der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gassammelraumes 2 und der Zwischenöffnung 4 so eingerichtet ist, daß er groß ist. Wenn dieser Abstand nicht angemessen eingerichtet ist, entweicht das erzeugte Gas vom unteren Ende des Gassammelraumes 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 + H3) q = (H1 - H2 + H3) q0 + DP2 (2)

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

hy = [DP1 + 2DP2 - (q - q0)H3]/q0 (3)

Wie aus dem Ausdruck (3) verständlich ist, wird der Wert von hx maximal, wenn q=q0 ist. Da die Oberflächenspannung DP1, erzeugt in dem Abschnitt der Zwischenöffnung 4, und die Oberflächenspannung DP2, erzeugt im unteren Endabschnitt des Gasreservoirs 5, einen ausreichenden Gasdurchgang sicherstellen, wird ein Spalt eingerichtet, derart, daß die Spitze der Oberflächenspannung nicht größer als 2 bis 3 mm ist. Nimmt man nunmehr an, daß DP1+DP2=5 mm ist (Wert der "Spitze") und die Dichte q0=1,2 ist, tritt das Gas in den U-Gaskanal 3 in den oberen Abschnitt 1a des Zirkulationsrohres 1 ein, um hierdurch schweflige Säure von innerhalb des Rohres 1a nach außen auszuwerfen, 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 Gasphasenoberfläche a auf ihr niedrigstes Niveau ab. Wenn q »q0 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 Zwischenöffnung 4. In diesem Zustand kann das erzeugte Gas in die Zwischenöffnung 4 wie folgt eintreten: 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 oberen Bereich der Elektrolytlösung zirkulierenden Rohrabschnitt 1a des Zirkulationsrohres 1 ab, wenn die Dichte q zunimmt. Wenn die Differenz in der Dichte zwischen q und q0 einen bestimmten Wert überschreitet, wird hy negativ, so daß ein Zustand auftritt, in dem sich keine Elektrolytlösung in dem Rohrabschnitt 1a des Zirkulationsrohres 1 für die Zirkulation des oberen Teiles des Elektrolyten befindet. In diesem Zustand steigt die Gasphasen-Oberfläche a bis nahe dem obersten Abschnitt des U-Gaskanales 3 an, so daß das erzeugte Gas frei durch die Zwischenöffnung 4 hindurchgeführt und aus dem Rohr 1 durch den Rohrabschnitt 1a 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-q0) 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 um so größer, je größer der Wert von (H1-H2) wird. Die Höhe der Umwälzvorrichtung wird jedoch ebenfalls größer, wenn der Wert hy groß wird.

Andererseits nimmt die Druckkraft der Elektrolytlösung zu, wenn die innere Querschnittsfläche des den oberen Bereich der Elektrolytlösung zirkulierenden Rohrabschnittes 1a groß ist. Wenn die innere Querschnittsfläche 60-80 mm² überschreitet, tritt jedoch das Phänomen des Ersatzes von Elektrolytlösung durch Gas in dem Rohrabschnitt 1a 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 U-Gaskanales 3 kleiner wird. Wenn der Gaskanal 3a, 3b so eng ist, daß ein Flüssigkeitsfilm in dem U-Gaskanal 3 ausgebildet werden kann, wird jedoch eine Oberflächenspannung DP3 erzeugt, die nicht übereinstimmt mit der Summe aus DP1+DP2 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 H4, 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 Zwischenöffnung 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 sich keine Elektrolytlösung in dem Rohrabschnitt 1a für die Zirkulation der oberen Teile der Elektrolytlösung befindet, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist, und in dem Fall, für den der Druck in dem U-Gaskanal 3 vermindert ist, können DP1 und DP2 in dem Ausdruck (1) vernachlässigt werden, so daß sich der Ausdruck (1) zu dem Ausdruck hx = - (H1 - H2) vereinfacht. Kurz gesagt steigt die Gasphasen-Oberfläche a in der Seite 3b des U-Gaskanales 3 bis zum oberen Ende des Rohrabschnittes 1a. Wenn die obere Öffnung 6 der Gassammelkammer 2 und die Zwischenöffnung 4 nicht durch den U-Gaskanal 3, sondern direkt verbunden sind, strömt die Elektrolytlösung von niedriger Dichte q0 im oberen Bereich der Batterie in das die Elektrolytlösung zirkulierende Rohr 1 durch die Zwischenöffnung 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 Anordnung darin, daß der U-Gaskanal 3 von umgekehrt U-förmiger Gestalt angewandt wird. Die Bewegung der Elektrolytlösung wird durch den U-Gaskanal 3 perfekt abgeschnitten, obwohl ein Gas sich frei von der Seite 3b nach der Seite 3a des U-Gaskanales 3 bewegen kann. Wie oben erläutert, steigt in dem übermäßigen Zustand die Gasphasen-Oberfläche a in dem Abschnitt 3b des U-Gaskanales 3 bis zum oberen Ende des die Elektrolytlösung zirkulierenden Rohres 1. Es wird daher bevorzugt, daß die Spitze des U-Gaskanales 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 U-Gaskanal 3 als auch der Druck in dem Rohrabschnitt 1a 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 1a vom unteren Ende des Gasreservoirs 5 her einzudringen. Jedoch wirkt der Druck -DP2 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 1a 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 U-Gaskanal 3 gesammelt hat, kehrt der Akkumulator in den Zustand zurück, der in Fig. 3A gezeigt ist.

Im folgenden wird zur Erläuterung das Ergebnis eines Versuches mitgeteilt. Wenn H1-H2, H3 und die innere Querschnittsfläche des den oberen Teil der Elektrolytlösung zirkulierenden Rohrabschnittes 1a 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-q0=0,1 und von 2 l/h in dem Zustand q-q0=0,05 betrug.

Der Akkumulator mit der Umwälzvorrichtung hat vorzugsweise den vorerwähnten Aufbau. Die Umwälzvorrichtung für die Elektrolytlösung kann sehr kompakt ausgeführt werden. Für den Gassammelraum, angeordnet oberhalb der Elektrodenplatten, kann jede Form gewählt werden, solange der Raum einen Teil des Gases sammeln kann, der an den Elektrodenplatten erzeugt wird. Außerdem ist das Gasreservoir 5 an seinem oberen Ende mit einem Rohrabschnitt 1a 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.

Claims (4)

1. Akkumulator mit Elektrodenplatten, die in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht sind, mit einer Elektrolyt-Umwälzvorrichtung, die ein vertikal angeordnetes, die Elektrolytflüssigkeit zirkulierendes Rohr (1) aufweist, das zumindest eine obere und eine untere Öffnung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) stromauf seiner oberen Öffnung eine Zwischenöffnung (4) aufweist und außerhalb des Rohres ein Gassammelraum (2) vorgesehen ist, der durch einen sich nach unten öffnenden U-Gaskanal (3) mit der Zwischenöffnung (4) verbunden ist.

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der oberen Öffung des Rohres (1) ein Gasreservoir (5) ausgebildet ist.

3. Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich nach unten öffnende Gassammelraum mit einem Ende des U-Gaskanales (3) auf einem Niveau verbunden ist, das sich unterhalb der Zwischenöffnung (4) befindet.

4. Akkumulator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasreservoir (5) umgekehrt L-förmig ausgebildet ist.