ES2278863T3 - Acumulador con dispositivo de recirculacion para la homogeneizacion del electrolito. - Google Patents

Abstract

Acumulador (14) con una célula (12) que presenta un electrolito (10), así como dos electrodos (18) dispuestos en la célula (12), unidos eléctricamente cada uno de ellos con al menos un polo, que están en contacto respectivamente al menos parcialmente con el electrolito (10), caracterizado porque el acumulador (14) presenta una bomba alternativa (72) controlable por medio de una unidad de control (22) para la recirculación del electrolito (10).

Description

Acumulador con dispositivo de recirculación para la homogeneización del electrolito.

La presente invención se refiere a un acumulador con una célula que presenta un electrolito, así como dos electrodos dispuestos en la celda, cada uno de ellos unidos eléctricamente con al menos un polo, que están en contacto respectivamente al menos parcialmente con el electrolito. La invención se refiere además a un procedimiento para la homogeneización de una concentración de sustancia de un electrolito en un acumulador conforme a la invención.

Durante un proceso de carga, por ejemplo en un acumulador de plomo-ácido, en el que se ha empleado como electrolito ácido sulfúrico, durante el proceso de carga se incrementa la densidad del ácido sulfúrico. Por medio de la acción de la gravedad, éste baja a la región inferior de la célula del acumulador. Este proceso lleva a una concentración de sustancia no homogénea en el electrolito, y con ello, tiene efecto en las características de la célula del acumulador, en particular cuando los electrodos de plomo se extienden en la dirección de la gravedad, y con ello, en un electrodo hay a lo largo de su extensión diferentes concentraciones de electrolito.

Del estado de la técnica se conoce el hecho de conseguir, por medio de burbujas de gas que suben de gases de hidrógeno y de oxígeno, formadas al final de la fase de carga, una mezcla del electrolito. Este proceso de la sobrecarga, sin embargo, no requiere ningún tiempo de carga adicional ni energía de carga. Adicionalmente se conoce el hecho de inyectar aire comprimido en el electrolito, para conseguir de esta manera una mezcla.

Se muestra como algo negativo el hecho de que por medio de las burbujas de gas que explotan en la superficie del electrolito se ocasiona un arrastre de ácido. Este efecto se puede extender hasta la toma de corriente de carga y/o clavija para el cargador del vehículo. Debido a ello, se han de prever medidas de protección referidas a esto, que protejan los dispositivos correspondientes frente a las características corrosivas. La recirculación del electrolito por medio de aire comprimido, además, se muestra como desventajosa al emplear recombinadores, ya que éstos, en el caso de grandes volúmenes de aire, ya no pueden llevar a cabo su función.

El documento JP 59-198658 A describe un dispositivo de recirculación para un electrolito de una célula de batería, estando dispuesto junto a las placas de los electrodos unidas con los polos de la célula el dispositivo de recirculación en el interior del electrolito. Éste presenta un tubo que se sumerge en el electrolito, en el que está alojada de modo giratorio una hélice equipada con aspas de una bomba centrífuga. En la parte central, la hélice presenta una abertura de paso en la que penetra de modo hermético al líquido un molde de un casquillo unido con una carcasa de la batería. En el casquillo está dispuesto un árbol alojado de modo giratorio que sobresale con un extremo de la carcasa de la célula, y que presenta en su otro extremo que penetra en el molde un elemento de cuerpo magnético. Este elemento de cuerpo magnético entra en interacción magnética con un elemento magnético dispuesto en la hélice. Al realizarse el movimiento de giro del árbol se arrastra la hélice como consecuencia de las fuerzas magnéticas, y se ocasiona en ella un movimiento de giro que lleva a una corriente de líquido axial del electrolito en el interior de los tubos, y con ello a una recirculación del electrolito.

El documento JP11-185730A describe una bomba centrífuga dispuesta en el interior de una célula de un acumulador que está dispuesta aproximadamente de modo central en una pared lateral de la célula. Esta bomba se puede accionar por medio de un motor eléctrico.

El documento JP2-094255A describe una célula del acumulador de una batería para un vehículo con un dispositivo de bombeo, en el que a través de una tubería se aspira el electrolito de una región superior de la célula y se transporta a una región inferior de la célula. La bomba está conformada como bomba de émbolo. El émbolo se acciona por medio de las fuerzas de inercia que se producen en el desplazamiento.

El documento JP59-127369A describe una célula de acumulador con una recirculación de electrolito para la compensación de diferencias de concentración del electrolito referidas a la región superior e inferior de la célula. La bomba está dispuesta en el interior de la célula, y está configurada como bomba centrífuga. La hoja del rotor se puede accionar magnéticamente por medio de un campo rotatorio magnético exterior.

El documento JP58-075764 da a conocer un dispositivo para la compensación de las diferencias de electrolito en el interior de una célula de acumulador. Por medio de una tubería rodeada por electroimanes se transportan portadores de carga en el electrolito desde una región inferior de la célula a una región superior de la célula. La bomba no presenta ninguna parte móvil mecánica.

El documento US5.665.484 describe un dispositivo para la recirculación de un electrolito en el interior de una célula de un acumulador. La bomba está dispuesta en la región superior de la célula, y aspira por medio de una tubería desde una región inferior electrolito, y bombea éste a una región superior a través de otra tubería. La bomba se acciona hidráulicamente.

El documento US4.565.748 describe un dispositivo para la recirculación de un electrolito en una célula de acumulador, estando dispuesta la bomba en el interior de la célula, y estando formada por una tubería que está rodeada de boinas magnéticas. Estas ejercen, a través de una polarización adecuada, un campo de ondas progresivas, por medio del cual se pueden transportar los portadores de carga en un modo que se puede prefijar a través de la tubería. La bomba no presenta partes móviles mecánicas.

El documento FR2600214 describe una batería eléctrica que se puede cargar con una recirculación de electrolito. La bomba está dispuesta en el interior de la célula de la batería. La bomba está configurada como bomba centrífuga.

Es deseable poder garantizar durante un funcionamiento adecuado del acumulador una concentración de electrolito homogénea en su mayor parte.

Debido a ello, el objetivo de la presente invención es mejorar un acumulador genérico de tal manera que en el interior de la célula del acumulador se pueda conseguir una concentración de electrolito homogénea en su mayor parte, habiéndose de reducir la energía necesaria para el accionamiento de una bomba.

Como consecución del objetivo, se propone con la invención que el acumulador presente una bomba alternativa controlable por medio de una unidad de control para la recirculación del electrolito. Con la presente invención es posible, por primera vez, conseguir también en una célula completamente cerrada de un acumulador, por medio de la recirculación del electrolito, una concentración de sustancia homogénea en su mayor parte en el electrolito. Adicionalmente, con la presente invención también se puede conseguir una recirculación del electrolito durante un funcionamiento adecuado del acumulador, de manera que se puede conseguir una mejora de las particularidades características, como la intensidad de corriente máxima admisible, la estabilidad de tensión o similar. El medio para la recirculación puede estar formado, por ejemplo, por una bomba. La bomba puede estar acoplada con un accionamiento eléctrico o también con un accionamiento hidráulico.

Adicionalmente se propone que el medio para la recirculación esté dispuesto en la célula. De este modo se puede conseguir de modo ventajoso una recirculación, independientemente de otras células del acumulador. Además, sin embargo, en un acumulador con varias células también puede estar previsto un medio común para la recirculación, cuando, por ejemplo, se desea un funcionamiento síncrono. Por ejemplo, la bomba puede estar integrada en una pared del acumulador o de la célula. Sin embargo, también puede ser una pieza constructiva que esté unida por medio de medios de fijación conocidos con la pared de la célula.

Adicionalmente se propone que el medio para la recirculación presente una bomba volumétrica, en particular una bomba de membrana. De este modo, la bomba puede estar conformada, por ejemplo, como una bomba alternativa. Se propone que esté prevista una unidad de control por medio de la que se pueda controlar el medio para la recirculación. De un modo ventajoso, se puede conseguir que se ahorre energía para el accionamiento. Adicionalmente, por medio de la reducción del tiempo de servicio del accionamiento y/o de la bomba se puede conseguir una reducción del desgaste. Adicionalmente puede estar previsto un elemento de medición con el que se pueda determinar la homogeneidad de la concentración de sustancia del electrolito, y con el que se active el accionamiento en caso necesario al pasar por debajo de un valor umbral prefijado. De este modo se puede garantizar que la distribución de la concentración de sustancia del electrolito no pase por debajo de un grado de desviación prefijado. Una configuración especialmente sencilla la ofrece, sin embargo, una bomba de membrana que se pueda adaptar con medios conocidos al entorno corrosivo químico. Este tipo de bombas se emplea ya reiteradamente para el transporte de ácidos. La bomba de membrana puede estar formada por menos piezas constructivas, de manera que se puede conseguir una fiabilidad elevada.

Como accionamiento para el medio para la recirculación se propone que el medio para la recirculación presente un motor eléctrico unido con el medio para la recirculación. Se puede conseguir un accionamiento robusto y compacto, habiéndose de suministrar adicionalmente energía al accionamiento del acumulador. El motor, en este caso es, preferentemente, un motor de corriente continua, en particular un motor de corriente continua sin escobillas, que se caracteriza por medio de un coste de mantenimiento reducido, y una fiabilidad elevada. El motor, sin embargo, también puede estar formado por un electroimán elevador accionable eléctricamente, cuyo émbolo de levantamiento esté unido, por ejemplo, a través de una varilla con una membrana de una bomba de membrana en una unión efectiva. Por medio de la activación y desactivación en varias ocasiones del electroimán elevador se puede generar así un movimiento de un lado al otro que ocasiones los movimientos correspondientes de la membrana. Las piezas rotativas, con ello, se pueden ahorrar en su mayor parte. En contraposición a esto, sin embargo, se da un coste de control mayor en comparación con un motor de corriente continua. Además, sin embargo, el motor también puede estar formado por un motor neumático o por medio de un motor hidráulico.

Adicionalmente se propone que la unidad de control esté conformada con una carcasa del acumulador en una pieza. Se puede ahorrar una carcasa propia para la unidad de control, así como el montaje y el coste de cableado. De este modo, por ejemplo, la carcasa del acumulador puede presentar una abertura prevista para el alojamiento de la unidad de control, que al mismo tiempo conforma una carcasa para la unidad de control.

Adicionalmente se propone que el medio para la recirculación esté conformado con la carcasa del acumulador en una pieza. El montaje y el coste de las piezas constructivas se pueden reducir aún más. Adicionalmente, las piezas constructivas que ya estén en el acumulador se pueden añadir para la conformación del medio para la recirculación, por ejemplo, haciendo que se pueda usar una pared lateral de una célula de acumulador al mismo tiempo como membrana de una bomba de membrana.

Adicionalmente, con la invención se propone un procedimiento para la homogeneización de una concentración de sustancia de un electrolito en una célula de un acumulador conforme a la invención, en el que el electrolito se recircula y en el que el medio para la recirculación se controla en función de un estado de funcionamiento de una instalación eléctrica que se puede unir con el acumulador. De este modo, por ejemplo, en un acumulador unido con una instalación eléctrica de un automóvil, en el proceso de arranque del motor del automóvil, se puede conectar el medio para la recirculación. De un modo ventajoso, por medio de la recirculación se consigue que se mezclen regiones del electrolito con diferentes concentraciones de sustancia, gracias a lo cual se puede conseguir una reducción de diferencias en una concentración de sustancia local del electrolito.

Adicionalmente se propone que el electrolito se aspire a través de una abertura de aspiración que penetra en el electrolito, se acelere por el medio para la recirculación y salga a través de una abertura de salida del medio para la recirculación al electrolito. De un modo ventajoso, se puede alcanzar una recirculación del electrolito a través de la cual se pueda evitar ya una generación de regiones de diferentes concentraciones de sustancia en el electrolito en su mayor parte.

En otra configuración se propone que el electrolito se aspire por medio de un canal de aspiración de una posición prefijable. Así, de manera ventajosa, el medio para la recirculación puede estar dispuesto en un lugar cualquier del acumulador, por ejemplo también en el exterior de la célula en la tapa del acumulador, aspirándose a través del canal de aspiración, por ejemplo un tubo de aspiración, el electrolito en una posición prefijable. Una solución de este tipo también puede estar prevista para la reequipación en un acumulador ya existente.

Adicionalmente se propone que el electrolito se transporte por medio de otro canal a una posición prefijable. En esta configuración se puede conseguir que, por ejemplo, que un medio dispuesto en la región superior de la célula del acumulador para la recirculación en la región del nivel del electrolito aspire electrolito con una concentración de sustancia reducida, y lo transporte a través del otro canal a una posición prefijable, en este caso preferentemente a la región inferior de la célula del acumulador. Adicionalmente, al prever un canal de aspiración, así como el otro canal, se puede conseguir que el medio para la recirculación se pueda disponer en una posición cualquiera del acumulador. Por medio de la disposición de los canales se puede garantizar un efecto de recirculación deseado.

En otra configuración se propone que el medio para la recirculación se controle según sea necesario. De este modo, por ejemplo, puede estar previsto un dispositivo de medición con el que se determinen desviaciones de la concentración de sustancia del electrolito en diferentes posiciones locales, y que al sobrepasar un valor umbral prefijado se active el medio para la recirculación. De este modo se puede conseguir un grado elevado de homogeneidad de la concentración de sustancia del electrolito con una energía necesaria reducida.

Adicionalmente se propone que el medio para la recirculación se controle en función de una carga de corriente del acumulador. De este modo, por ejemplo, puede estar conectado el medio para la recirculación sólo durante la carga del acumulador, si bien además, sin embargo, también se puede conectar en una descarga de gran amperaje para, por ejemplo, mejorar la característica de gran amperaje del acumulador.

Adicionalmente se propone que el medio para la recirculación se controle en función de intervalos de tiempo prefijados. De un modo ventajoso, se puede conseguir que sin medios de medición adicionales se consiga una reducción adicional del coste de energía para la recirculación.

En una variante ventajosa de la presente invención se propone que se use ácido sulfúrico como electrolito. Además, se propone que como electrodos se usen electrodos de plomo

Otras ventajas y características se pueden desprender de la siguiente descripción de ejemplos de realización. Las piezas constructivas que fundamentalmente quedan igual están designadas con los mismos números de referencia. Además, por lo que se refiere a las mismas características y funciones se hace referencia a la descripción relativa al ejemplo de realización en la Fig. 1.

Se muestra:

Fig. 1 una sección a través de un corte de una célula de un acumulador con una bomba centrífuga,

Fig. 2 una representación esquemática de la bomba centrífuga fijada en la carcasa en la Fig. 1 y

Fig. 3 una representación esquemática de una configuración conforme a la invención con una bomba volumétrica.

En la Fig. 1 está representada una vista seccionada a través de una célula 12 de un acumulador 14, que está llena hasta un nivel 32 con un electrolito 10. En la célula 12 están dispuestos electrodos 18, que están respectivamente unidos eléctricamente con polos del acumulador 14 no representados con más detalles en una unión efectiva, y en contacto con el electrolito 10. Una carcasa 24 del acumulador 14 presenta una abertura de la célula 38 que está cerrada por medio de un tapón de cierre 36. En otra abertura 40 está dispuesto un casquillo 42 que penetra en la célula del acumulador 21. En la región de la abertura 40 está conformado en la parte de la carcasa un cuello 44 orientado hacia el interior, que con una junta tórica 46 dispuesto en una ranura anular 48 del casquillo 42 conforma una obturación. El casquillo 42 se extiende desde la región de la abertura 40 hasta el electrolito 10. El extremo del casquillo 42 que penetra en el electrolito 10 está cerrado. En la parte central del eje del casquillo 42, el suelo 52 presenta una abertura 50 a través de la que pasa un árbol de accionamiento 54 para una bomba centrífuga 16. En su extremo superior, el árbol de accionamiento 54 está unido con un árbol motor no representado con más detalle del motor de corriente continua 20. Por razones de mantenimiento, el motor de corriente continua 20 está conformado en este caso sin escobillas. En la región del paso del árbol de accionamiento 54 a través del suelo 52, está previsto en el casquillo 42 otra junta tórica 56. Éste sirve, además de para una función como obturación, al mismo tiempo, como alojamiento para el árbol de accionamiento 54. En el extremo del casquillo 42 opuesto al motor 20 está fijada una carcasa de bomba 58. Ésta presenta lateralmente por debajo del suelo 52 una abertura de aspiración 26. En el extremo del árbol de accionamiento 54 opuesto al motor 20 están fijadas por debajo de la abertura 26 aspas 60. Al producirse la rotación del árbol 54, por medio de las aspas 60 en rotación se acelera el electrolito 10 aspirado a través de la abertura de aspiración 26 en la dirección de la abertura de salida 28 de la carcasa de la bomba
58.

La carcasa de la bomba 58 presenta en la región de la abertura de salida 28 una pieza de conexión 62 a la que está fijada un tubo flexible 30. A través del tubo flexible 30 se transporta el electrolito 10 acelerado a la región inferior de la célula 12. Por medio de la recirculación ocasionada a través de esto del electrolito 10 se consigue una homogeneización de la concentración de sustancia en el interior del electrolito 10.

En particular, el gradiente de densidad del electrolito 10 que se produce al cargar un acumulador de plomo - ácido sulfúrico se puede reducir de esta manera en función de la altura. De este modo, los electrodos 18 están permanentemente en un electrolito 10 homogéneo en su mayor parte, gracias a lo cual se puede conseguir una eficacia electroquímica elevada. En el caso de un acumulador unido con la instalación eléctrica de un vehículo, el medio para la recirculación se inserta en el proceso de arranque del motor del automóvil.

La Fig. 2 muestra una modificación de la bomba 16 respecto a la configuración representada en la Fig. 1. En esta configuración, un casquillo 64 conforme al mismo tiempo la carcasa de la bomba que se requiere para la bomba centrífuga. Adicionalmente está prevista una abertura 66 a través de la que está guiado el árbol de accionamiento 54 y que al mismo tiempo realiza una función de alojamiento y de obturación. Por lo que se refiere al resto de funciones y características, se hace referencia a la descripción relativa a la configuración en la Fig. 1.

La Fig. 3 muestra otra configuración de la presente invención, en la que el accionamiento para el medio para la recirculación está formado por un electroimán elevador 68 que, como en los ejemplos de realización previos, está fijado en una abertura 40 de la carcasa del acumulador 24. Está dispuesto un casquillo 76 que sobresale desde la abertura 40 penetrando en la célula 12 del acumulador 14, que presenta un taladro 78 central en el que está dispuesta una varilla de elevación 70 de modo que se puede desplazar axialmente. El extremo opuesto del casquillo 76 penetra en el electrolito 10. El extremo del casquillo 76 que penetra en el electrolito 10 presenta lateralmente una abertura 74 para la salida del electrolito 10. Por medio de una bomba volumétrica 72 se aspira el electrolito 10 en un primer ciclo de trabajo por medio del tubo flexible 30 desde la región inferior de la célula del acumulador 12, y en un segundo ciclo de trabajo se transporta a través de la abertura de salida 74. Para ello, la bomba volumétrica 72, que en este caso está conformada como una bomba alternativa, presenta un espacio de bomba 84 en el que está alojado, de modo que se puede desplazar axialmente, un émbolo 86 unido con la varilla de elevación 70. En al región inferior del espacio 84 está prevista una válvula 88 para la entrada de electrolito 10 en el espacio 84. El émbolo 86 presenta otra válvula 90 a través de la que se extrae el electrolito que se encuentra en el espacio 84 en un movimiento hacia abajo del émbolo 86 extrayéndolo de la bomba alternativa 72. A través de una abertura no representada con más detalle de este extremo del tubo flexible 30 se aspira el electrolito 10. De un modo ventajoso se puede alcanzar también un transporte del electrolito 10 cuando el nivel del electrolito 10 está bajo, en particular por debajo de la abertura de
salida 74.

En la carcasa del acumulador 24 está dispuesta, adicionalmente, una unidad de control 22, que suministra a través de líneas de unión 80 energía a los electroimanes elevadores 68. De este modo, por medio de la realización de varios ciclos de elevación se puede conseguir un efecto de transporte, gracias a lo cual el electrolito 10 se recircula. De un modo ventajoso, se puede reducir una conformación de gradiente en la concentración de sustancia vertical. Por medio de la unidad de control 22, el electroimán elevador 68 se controla cuando se transmite un proceso de carga del acumulador 14 a través de una unión de comunicación no representada con más detalle. Adicionalmente, la unidad de control 22 presenta un programa controlado temporalmente que prevé una recirculación del electrolito 10 por hora para cada cinco
minutos.

Los ejemplos de realización representados en las figuras sirven simplemente para la explicación de la invención, y no son limitantes para ésta. De este modo, por ejemplo, puede variar el accionamiento y el tipo del medio para la recirculación. También se pueden combinar configuraciones o partes de ella en el marco de esta invención para formar nuevas realizaciones. Adicionalmente, la presente invención también se puede emplear en otros acumuladores o células galvánicas.

Lista de símbolos de referencia

10

Electrolito

12

Celda

14

Acumulador

16

Bomba

18

Electrodo

20

Motor de corriente continua

22

Unidad de control

24

Carcasa

26

Abertura de aspiración

28

Abertura de salida

30

Tubo flexible

32

Nivel

36

Tapón de cierre

38

Abertura de la célula

40

Abertura

42

Casquillo

44

Cuello

46

Junta tórica

48

Ranura anular

50

Abertura

52

Suelo

54

Árbol de accionamiento

56

Junta tórica

58

Carcasa de la bomba

60

Aspas

62

Pieza de conexión

64

Casquillo

66

Abertura

68

Electroimán elevador

70

Varilla de elevación

72

Bomba volumétrica

74

Abertura de salida

76

Casquillo

78

Taladro

80

Línea de unión

82

Abertura de entrada

84

Espacio

86

Émbolo

88

Válvula

90

Válvula

Claims (16)

1. Acumulador (14) con una célula (12) que presenta un electrolito (10), así como dos electrodos (18) dispuestos en la célula (12), unidos eléctricamente cada uno de ellos con al menos un polo, que están en contacto respectivamente al menos parcialmente con el electrolito (10), caracterizado porque el acumulador (14) presenta una bomba alternativa (72) controlable por medio de una unidad de control (22) para la recirculación del electrolito (10).

2. Acumulador según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio para la recirculación por la bomba alternativa (72) está dispuesto en la célula (12).

3. Acumulador según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la bomba alternativa (72) presenta un motor (20, 68) eléctrico unido con la bomba alternativa (72).

4. Acumulador según la reivindicación 3, caracterizado porque el motor está formado por un electroimán elevador (68).

5. Acumulador según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la unidad de control (22) está conformada con una carcasa (24) del acumulador (14) en una pieza.

6. Acumulador según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la bomba alternativa (72) está conformada con la carcasa (24) del acumulador (14) en una pieza.

7. Acumulador según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por un elemento de medición con el que se puede determinar una homogeneidad de la concentración de sustancia del electrolito (10).

8. Procedimiento para la homogeneización de una concentración de sustancia de un electrolito (10) en una célula (12) de un acumulador (14), en el que el electrolito (10) se recircula, caracterizado porque se controla un medio (16) para la recirculación en función de un estado de funcionamiento de una instalación eléctrica que se puede unir con el acumulador (14).

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque el electrolito (10) se aspira a través de una abertura de aspiración (26) que penetra en el electrolito (10), se acelera por el medio (16) para la recirculación y sale a través de una abertura de salida (28) del medio (16) para la recirculación al electrolito (10).

10. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque el electrolito (10) se aspira por medio de un canal de aspiración de una posición que se puede prefijar.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el electrolito (10) se transporta por medio de otro canal (30) a una posición que se puede prefijar.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque el medio (16) para la recirculación se controla según se necesite.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el medio (16) para la recirculación se controla en función de una carga de corriente del acumulador (14).

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 ó 13, caracterizado porque el medio (16) para la recirculación se controla en función de intervalos de tiempo que se pueden prefijar.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado porque como electrolito (10) se usa ácido sulfúrico.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 a 16, caracterizado porque como electrodos (18) se usan electrodos de plomo.