NL8006445A - Elektrochemische inrichting en werkwijze voor het daarin tot een minimum beperken van shunt-stromen. - Google Patents

Description

VO 1150

Elektrochemischs inrichting en werkwijze voor het daarin tot een minimum beperken van shunt-stromen.

De uitvinding is gericht op het verminderen of opheffen van ongewenste shuntstromen in elektrochemische celinrichtingen, voorzien van een aantal althans ten dele in serie verbonden cellen, en van een elektrolyt die een gemeenschappelijke elektrolyt is voor 5 althans twee van deze cellen, en die een gedeelde elektrolyt bevat waardoor een elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan wordt verschaft rond deze cellen en door de gedeelde elektrolyt, hetgeen ongewenste shuntstromen tot gevolg heeft. Meer in het bijzonder is de.uitvinding gericht op een dergelijk verminderen of opheffen van 10 shuntstromen door een juiste toepassing van een veiligheidsstroom door verbindingstunnels, en op een elektrochemische inrichting voor het bereiken van dit resultaat.

In elektrochemische inrichtingen,.voorzien van een aantal cellen in serie, en van een gemeenschappelijke elektrolyt, die 15 b.v. door de cellen circuleert, treden shuntstroomverliezen Cook bekend als stroomomlopen) op als gevolg van geleidende banen door de elektrolyt gedurende zowel het laden als het ontladen. Deze shuntstroomverliezen kunnen ook 'optreden onder omstandigheden van een open keten, en een ongewenst ontladen veroorzaken van elektro-20 chemische inrichtingen. Bovendien kunnen deze shuntstromen secun daire ongewenste uitwerkingen hebben op elektrochemische inrichtingen. Onregelmatig of onjuist elektrolytisch bekleden van een werkzaam onderdeel kan b.v. plaats vinden met als uiteindelijk gevolg een bekort nuttig gebruik van de inrichting. Ook kan aantasting 25 van de elektroden en/of andere onderdelen optreden, kunnen reactie- middelen onnodig worden verbruikt en kunnen bovenmatige thermische verliezen het gevolg zijn. Shuntstroommoeilijkheden zijn dus op het gebied van elektrochemische inrichtingen om vele redenen onderkend, en verschillende wijzigingen van dergelijke inrichtingen zijn uit 8006445 « - 2 - gevoerd voor het verminderen of opheffen van deze, alsmede andere onderkende moeilijkheden.

B.v. is voorgesteld, dat stelsels met een aantal cellen elektrische isolatiemiddelen bevatten voor het tot een minimum beperken 5 van de gevolgen van shuntstromen. Zo leert het Amerikaanse octrooi- schrift 3.773.561 dat inwendig kortsluiten van een aantal elektrische cellen van een cellengroep gedurende buiten werking stelling of klaarstelling kan worden voorkomen door het afsluiten van de cellen met betrekking tot onderling elektrisch contact door het af-10 sluiten van inlaat- en uitlaatpoorten voor het in de afzonderlijke cellen afscheiden van elektrolytgedeelten. Het Amerikaanse octrooi-schrift 3.806.370 beschrijft een elektrolytverbrekerstelsel voor het verschaffen van het met tussenpozen doorspoelen van de elektrolyt in een brandstofcellenbatterij, voorzien van een aantal brand-15 stofcellen, waarbij de elektroden worden vastgehouden in kunst stoffen ramen. Het elektrolytverbrekerstelsel bestaat uit een elek-trolytverdeler en een elektrolytverdeelstuk, aangebracht in de ramen van de afzonderlijke brandstofcellen. Elektrolyttoevoerleidin-gen voor elke cel monden uit in de elektrolytverdeler, en elektrolyt-20 afvoerleidingen voor elke cel monden uit in het elektrolytverdeel stuk. De elektrolytverdeler en het elektrolytverdeelstuk worden elk gevormd door onderling in lijn liggende gaten in de bovenste gedeelten van de ramen, waarbij de onderkant van de gaten de elektrolytverdeler vormt die zich althans op dezelfde hoogte bevindt als 25 de openingen van de elektrolytafvoerleidingen, die in het elektro lytverdeelstuk voeren. Het Amerikaanse octrooischrift 3.378.405 leert het elektrolytisch onderling afscheiden van cellen in een veelledig brandstofcellenstelsel met natriumamalgaam en een anode-oxydatiemiddel door toepassing van één en bij voorkeur twee diëlek-30 trische verbrekers per cel. Het Amerikaanse octrooischrift 4.025.697 beschrijft veelledige celinrichtingen, waarbij een elektrolyt wordt verdeeld in een tweefasig stelsel, waarin een grote pomp (eerste fase) de elektrolyt verdeelt door hydraulisch gedreven circulatieorganen (tweede fase)naar afzonderlijke elektrode-. 35 vakken, die elektrisch van elkaar zijn gescheiden. Het totale stel- 8006445 - 3 - sel heeft het tot een minimum beperken tot gevolg van lekkage tussen de cellen en energieverliezen tussen de cellen door kortsluitingen via de elektrolyt.

Andere technieken voor elektrolytverbreking als een middel 5 voor het voorkomen van inwendige of shuntstroomverliezen in inrich tingen met een aantal cellen, worden eveneens geleerd. De Amerikaanse octrooischriften 3.537.904 en 3*522.098 b,v. beschrijven het in de elektrolytoplossing brengen van gasbellen voor het verminderen of verbreken van de geleidende baan door de elektrolyt.

10 Andere werkwijzen zijn eveneens voorgesteld. Het Amerikaanse octrooischrift 3.666.561 b.v. beschrijft een uitvinding, die een elektrolytcirculatiebatterij verschaft, waarbij de elektrische stroom tussen de cellen tot een minimum wordt beperkt door de aanwezigheid van afgetakte elektrolytinlaat- en -uitlaatdoorgangen 15 naar en vanaf de cellen, welke doorgangen in sterke mate zijn ver^· lengd en in dwarsdoorsnede in aanzienlijke mate verkleind, zodat de elektrische weerstand van de elektrolyt in elke afgetakte doorgang is vergroot. Dit octrooischrift leert tevens het verder voorkomen van inwendige stromen door het gebruik van gasbellen, gespo-20 ten in de elektrolytbanen voor het verder vergroten van de elek trische weerstand.

Het geometrisch herontwerpen is eveneens gebruikt zonder gasbellen voor het voorkomen of verminderen van shuntstromen of inwendige ketenverliezen. Het Amerikaanse octrooischrift 3.964.929 25 b.v. leert het beveiligen tegen.shuntstromen in koelstelsels van brandstofcellen door het verschaffen van middelen voor hét circuleren van een koelmiddel en drukkamers, ingericht voor het verschaffen van banen met een grote elektrische weerstand. Het Amerikaanse octrooischrift 3,540.934 wijst erop, dat redaxstelsels met een aan-30 tal cellen in serie, shuntstroommoeilijkheden kunnen hebben zelfs wanneer elektrisch niet geleidende leidingen worden gebruikt. Dit octrooischrift leert, dat elektrische shuntwerking een verwaarloosbare ondoelmatigheid veroorzaakt indien de afzonderlijke elektrolyt-fluïdumdoorgangen, die elke afzonderlijke elektrodekamer verbinden 35 met een centraal stromingsstelsel, een lengte hebben voor het midde- 8 0 ö 6 4 4 5 - -4-- len van de binnendiameterverhouding van 10 : 1 of meer. Het Amerikaanse octrooischrift 3.634.139 omschrijft een ontwerpbenadering voor de shuntstroommoeilijkheden. Dit octrooischrift leert, dat lekstromen tot een minimum kunnen worden beperkt door een juist 5 verdeelstukontwerp. Als een voorbeeld wordt gesteld, dat bij het kleinmaken van elektrolytaftak-(of kanaal)-poorten, lekstroom kan worden verwaarloosd, hoewel de verdeelstukdiameter betrekkelijk groot is. Indien echter de poorten te klein worden gemaakt, kan de elektrolytstroming worden vertraagd. Dit octrooischrift stelt, dat 10 poorten van ongeveer 2,5 mm in diameter aanvaardbaar zijn, evenals verdeelstukken van ongeveer 3,2 mm in diameter.

Het Amerikaanse octrooischrift 4.049.Θ78 is een vertegenwoordiger van de huidige inspanning volgens de stand van de techniek voor het oplossen van lekstroommoeilijkheden. Dit octrooi-15 schrift geeft aan, dat vele elektrochemische inrichtingen een aan tal cellen in een groepsvorm bevatten, welke cellen kunnen zijn gekoppeld in parallelle groepen, welke groepen op hun beurt in serie zijn gekoppeld. Andere uitvoeringsvormen zijn inrichtingen met een aantal cellen, waarbij de cellen alleen in serie zijn gekoppeld.

20 Gesteld is, dat ingewikkelder koppelingspatronen mogelijk zijn, hetgeen wordt bepaald door de wens tot het verminderen van lekstromen in het elektrolytstelsel, en het verschaffen van omstandigheden voor bijzondere manieren van elektrische regeling met het in- en uitkoppelen van afzonderlijke gedeelten van de groep. Ook wordt erop 25 gewezen, dat de gebruikelijke weg voor het verminderen van lekstro men bestaat uit het tot een minimum beperken van de afmetingen van elektrolytkanalen, maar dat deze techniek stromingsmoeilijkheden voor de elektrolyt tot gevolg heeft. Dit octrooischrift leert een wijze waarop deze moeilijkheden kunnen worden voorkomen. De techniek 30 omvat het gebruik van fluïdumverbindingen of dwarskanalen, die tot stand worden gebracht tussen de elektrolytruimten in de cellen, welke cellen elektrisch parallel zijn gekoppeld. Deze dwarskanalen zijn in een uitvoeringsvorm aangebracht in de onderste gedeelten v an de elektrolytruimten, zodat enig elektrolyt wordt overgebracht 35 tussen deze elektrolytruimten door middel van de dwarskanalen. In 8006445 - 5 - een andere uitvoeringsvorm zijn de dwarsKanalen ook voorzien tussen de elektrolytruimten in de parallel verbonden cellen in de bovenste gedeelten van de elektrolytruimten teneinde een zogenoemde drukkamer te produceren.

5 In een recent artikel door Burnett en Danley van Monsanto, "Current Bypass in Electrochemical Cell Assemblies", gepresenteerd tijdens de nationale bijeenkomst van "The American Institute of Chemical Engineers” in Atlanta (28.februari - 1 maart 1978], "Symposium on Electro-organic Synthesis Technology, Session No.l, 10 Operating Experience with Electro-organic Processes", worden de moeilijkheden van shuntstromen in inrichtingen met een aantal cellen in serie en een circulerende elektrolyt, onderzocht en afleidingen ontwikkeld van bepaalde mathematische verbanden tussen geometrisch samenhangende stromen en weerstanden in dergelijke inrichtingen.

15 De schrijvers concluderen, dat stroomomloopverliezen voor bepaalde celinrichtingen op een aanvaardbaar peil kunnen worden gehouden, maar dat de verliezen snel toenemen bij een toenemend aantal cellen. Verder wordt geen bijzondere oplossing voor het opheffen van shuntstromen of stroomomlopen van de in de aanvrage toegepaste soort af-20 geleid of voorgesteld. In feite beschrijven de schrijvers 2,40 m lange celverbindingen met het verdeelstuk voor het verminderen van de verliezen, veroorzaakt door shuntstromen.

Het recentelijk verleende Amerikaanse octrooischrift 4.081.585 blijkt de enige verwijzing naar de stand van de techniek 25 te zijn, die lekstromen vermindert door vernietiging met elektroden.

In tegenstelling echter tot de onderhavige werkwijze en inrichting, leert dit octrooischrift het gebruik van althans viermaal zoveel stellen elektroden als celleneenhèden, waarbij deze elektroden worden toegepast in aftakkanalen, hetgeen op zijn best een inferieure 30 en kostbare techniek is.

Het Amerikaanse octrooischrift 4.197.169 is gericht op een werkwijze voor het tot een minimum beperken van shuntstromen in elektrochemische inrichtingen, die een aantal, althans ten dele in serie verbonden cellen hebben, en een elektrolyt, die een gemeen-35 schappelijke elektrolyt is voor althans twee van de cellen, en die 8006445 - 6 - een gedeelde elektrolyt bevat, waardoor een elektrische elektroly-tisch geleidende omloopbaan wordt verschaft rond de cellen en door de gedeelde elektrolyt met als gevolg ongewenste shuntstromen. Deze werkwijze omvat het aanleggen van een beveiligingsstroom door al-5 thans een gedeelte van de geleidende omloopbaan door de gedeelde elektrolyt in een richting, die dezelfde is als de shuntstroom door de gedeelde elektrolyt en met een grootte, die de shuntstromen doelmatig althans vermindert. Een enkele beveiligingsstroom wordt in serie aangelegd met althans een gedeelte van de geleidende omloop-10 baan, zodat shuntstromen tot een minimum worden beperkt of opgehe ven. Deze toepassing is ook gericht op een elektrochemische inrichting, voorzien van middelen die de beveiligingsstroom daaraan kunnen leggen. Er wordt echter geen onderkenning gegeven van hét feit, dat tunnels met voordeel kunnen worden toegepast in dit stelsel, 15 hetgeen een kritisch aspect is van de onderhavige uitvinding.

Niettegenstaande alle voorgaande pogingen op dit gebied voor het oplossen van shuntstroom-(lekstroom)-moeilijkheden in elektrochemische inrichtingen met een aantal cellen, is de nieuwe en doeltreffende techniek volgens de onderhavige uitvinding tot nu toe 20 geleerd noch gesuggereerd. In feite zijn vele van de bekende leren, zoals vertegenwoordigd door de voorgaande verwijzingen, gericht op problematische technieken, die zelf ontwerp- en stromingsmoeilijk-heden scheppen.

De onderhavige uitvinding is gericht op een werkwijze voor 25 het tot een minimum beperken van shuntstromen in elektrochemische inrichtingen, die een aantèl, althans ten dele in seria verbonden cellen hebben, en een gemeenschappelijke elektrolyt, die naar althans twee van de cellen wordt gevoerd als een gedeelde elektrolyt > vanuit een gemeenschappelijk verdeelstuk via afzonderlijke inlaat- 30 kanalen, waardoor een elektrische elektrolytisch geleidende omloop baan wordt geschapen rond de cellen en door de gedeelde elektrolyt met ongewenste shuntstromen als gevolg. Deze werkwijze omvat het verschaffen van elektrolyttunnels, die de afzonderlijke inlaatkana-len verbinden, en het aanleggen van een beveiligingsstroom door 35 de elektrolyttunnels en door de gedeelde elektrolyt, welke bevei- 8006445 - 7 - ligingsstroom een grootte heeft, die de shuntstromen doeltreffend althans vermindert. Een enkele beveiligingsstroom kan dus worden aangelegd, zodat shuntstromen tot een minimum worden beperkt en bij voorkeur volledig worden opgeheven. De uitvinding is eveneens 5 gericht op een elektrochemische inrichting, voorzien van middelen voor het daaraan leggen van de beveiligingsstroom.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Fig.l schematisch een weerstandsbordschema toont van de elek-10 trochemische inrichting volgens het Amerikaanse octrooischrift 4.197.169;

Fig.2 schematisch een weerstandsbordschema toont van de onderhavige elektrochemische inrichting;

Fig.3 een schematische afbeelding is van de onderhavige elek-15 trolytische ontledingsinrichting;

Fig.4 de onderhavige batterij-inrichting met een aantal cellen en een tweeledige elektrolyt (anolyt en katholyt) toont;

Fig.5 celspannings- en -weerstandswaarden toont voor een spanningsbordstelsel van een veelledige Ni-Cd-batterij; 20 Fig.6 de spanningen toont over de weerstanden van hetzelfde stelsel;

Fig.7 - 14 spanningen tonen voor verschillende beveil'igings-stromen, gelegd over hetzelfde stelsel;

Fig.15 een grafiek afbeeldt van de spanningsval en de stroom 25 voor de poten van elke cel uitgezet tegen het aantal cellen voor hetzelfde stelsel;

Fig.16 spanningen toont gedurende het laden van hetzelfde stelsel;

Fig.17 schematisch een weerstandsbord toont, analoog aan de 30 onderhavige elektrochemische inrichtingen;

Fig.18 schematisch een uitvoeringsvorm toont van de onderhavige batterij-inrichting met een aantal cellen en een tweeledige elektrolyt (anolyt en katholyt!;

Fig.19 schematisch een tweede uitvoeringsvorm toont; 35 Fig.20 schematisch een derde uitvoeringsvorm toont; en

Fig.21 schematisch nog een weerstandsbord toont, analoog aan 8006445 - a - de onderhavige elektrochemische inrichtingen.

In elektrochemische inrichtingen, voorzien van een aantal cellen in serie, en van een elektrolyt, die een gemeenschappelijke elektrolyt is voor twee of meer van deze cellen, en die een gedeelde 5 elektrolyt bevat, treden shuntstroomverliezen op als gevolg van elektrische elektrolytisch geleidende omloopbanen door de elektrolyt rond de cellen. De uitvinding is gericht op het tot een minimum beperken van shuntstromen in dergelijke stelsels, en op inrichtingen voor het bereiken van dit resultaat.

10 Zoals gebruikt is de uitdrukking "elektrochemische inrich tingen" bedoeld om fotoëlektrochemische inrichtingen te omvatten, zoals waterfotolyse-celinrichtingen, fotogalvanische celinrichtin-gen, vloeibare zonnecelinrichtingen, en om andere elektrochemische inrichtingen te omvatten, zoals batterijen, brandstofcelinrichtin-15 gen, chlooralkalicelinrichtingen, metaal-luchtinrichtingen, zeewa- terbatterljen, elektrolytische ontledingsinrichtingen, elektrochemische synthese-inrichtingen en elektrische wininrichtingen, alsmede andere inrichtingen waarbij gebruik wordt gemaakt van kathoden, anoden en gemeenschappelijke elektrolyten, met inbegrip van bipo-20 laire en monopolaire veelcellige inrichtingen, en met inbegrip van inrichtingen, voorzien van een aantal elektrolyten (b.v. katholyten en anolyten).

Zoals gebruikt betekent de uitdrukking "gemeenschappelijke elektrolyt" een elektrolyt, die wordt gebruikt in en verdeeld naar 25 twee of meer cellen, waarbij de elektrolyt een fysisch samenhangend geheel omvat. In een stelsel met een circulerende elektrolyt, waarbij gebruik wordt gemaakt van een of meer verdeelstukken, bevat het fysisch samenhangende geheel de elektrolyt, die zich bevindt in de verdeelstukken, in de aftakkanalen en in de cellen.

30 Zoals gebruikt betekent de uitdrukking "gedeelde elektrolyt" het gedeelte van de elektrolyt, dat zich bevindt in een gebied van gemeenschappelijkheid voor de elektrolyt, die zich bevindt in afzonderlijke onderdelen. In een stelsel met een circulerende elektrolyt, waarbij gebruik wordt gemaakt van een of meer verdeelstukken, 35 is dus de elektrolyt, die zich bevindt in een voorraadhouder of de voorraadhouders, en in een verdeelstuk of in de verdeelstukken, 8006445 - 9 - de gedeelde elektrolyt, en is de elektrolyt, die zich bevindt in aftakkanalen, cellen en andere afzonderlijke onderdelen een niet-gedeelde elektrolyt.

Zoals gebruikt betekent de uitdrukking "tot een minimum be-5 perken van shuntstromen” het verminderen van shuntstromen of het opheffen van shuntstromen.

In de ontwikkeling van de uitvinding, beschreven in een samenhangende Amerikaanse octrooiaanvrage 939.325, werd een weer-' standsequivalentieketen verkregen voor een elektrochemische inrich-10 ting met een aantal in serie verbonden cellen, voorzien van een ge meenschappelijke elektrolyt, die in een samenhangend geheel fysisch is verbonden met de cellen van de inrichting via een gemeenschappelijk verdeelstuk of verdeelstukken, waardoor een gedeelde elektrolyt tot stand wordt gebracht, en door kanalen voor elke cel. Het 15 model werd ontwikkeld met als aanneming, dat alle cellen in de in richting gelijk waren. Op grond van deze aanneming werden de regelende ketenvergelijkingen geschreven als lineaire vergelijkingen met een constant coëfficiëntverschil, waarvoor oplossingen met een algemeen gesloten vorm werden verkregen voor stromen in de elektro-20 lyt in de cellen (binnencellen], in de kanalen en in het verdeel stuk (gedeelde elektrolyt]. Omdat de kanaalweerstand in het algemeen veel groter bleek dan de elektrolytweerstanden in het verdeelstuk en binnen de cellen, werden eveneens benaderende algebraïsche oplossingen ontwikkeld. Aangetoond werd, dat een enkele van buiten 25 opgelegde stroom, die van de laatste cel naar de eerste cel wordt geleid, een tot het minimum beperken van shuntstromen tot gevolg kan hebben en in feite op optimale wijze alle kanaalstromen doeltreffend op nul kan stellen.

Elke cel werd in het model weergegeven als een ideale span-30 ningsbron V , gelijk aan zijn open keten-potentiaal in serie, met een elektrolytweerstand binnen de cel van R . Zoals weergegeven in fig.l werd dan de stroom door de elektroden zodanig verdeeld, dat enige stroom door elk kanaal ging in het verdeelstuk (gedeelde elektrolyt]. De in fig.l gebruikte veranderlijken zijn als volgt: 8006445 - 10 - R = verdeëlstukweerstand; m R = kanaalweerstand; c R = elektrolytweBrstand binnen de cellen (met inbegrip van inwen-6 dige onderdelen, zoals scheiders en membranen); 5 VQ = open keten-celspanning; V = feitelijke celspanning, met inbegrip van een ohmse spannings-val (V » Vq + IR ;met beveiliging); Θ i = hoofdelektrolytstroom door de n cel;

Q

j = de kanaalshuntstroom door het n kanaal; n e 10 k = de verdeelstukshuntstroom door het verdeêlstuk tussen de n n 0 en de n +1 kanalen; kQ = de stroom door het verdeelstuk, nodig voor het tot 0 verminderen van de sbuntstromen; en I = de totale eindstroom door de elektrochemische inrichting.

15 Zoals weergegeven in fig.l is de bekende elektrochemische inrichting schematisch afgebeeld als 2, en bevat deze de in serie opgestelde cellen 4, 6, 8, 10,12 en 14. Stroom I gaat door de inrichting 2 vanaf de eindplaat 16 naar de eindplaat 18, zoals weergegeven. Een gemeenschappelijke elektrolyt (niet weergegeven) vormt 20 een enkel fysisch samenhangend geheel door elke cel via het gemeen schappelijke verdeelstuk 20, dat een gedeelde elektrolyt bevat, en door de afzonderlijke celkanalen 24, 26, 28, 30, 32 en 34. De weerstand van de elektrolyt in elke cel is weergegeven als R , de weer-stand van het verdeelstuk is weergegeven als R^ en de weerstand van 25 sik kanaal is weergegeven als R . De stromen i , j en k , zoals hiervoor gedefinieerd, zijn eveneens afgebeeld.

Elk elektrolytgedeelte werd in model gebracht met zijn bijpassende weerstand. Toepassing van de stroom- en spanningwetten van Kirchoff op de ne cel vereist: 30 Vl - ' 3n (1)

Kn-1 Kn ’ ‘Jn (2) k , R - R (j - jn J - i η R = V (3) n-1 m c n n-1 n-1 e o

De algebra wordt sterk vereenvoudigd indien de vergelijking (3) wordt herschreven met vergroting van de index n met 1: 35 kn Rm Rc ‘Vl ' ‘ ln Ra ' V° t4) 8006445 - π - □oor het dan van (3) aftrekken van (4) zijn de uitdrukkingen, die de i's en de k's omvatten, net gelijk aan j uit (1) en [23, zodat een enkele vergelijking voor de kanaalshuntstromen wordt verkregen:

Vl - B Jn * Vl 0 (5) 5 waarin B gelijk is aan 2 + (R + R )/R .

Zoals lineaire vergelijkingen met een constant coëfficiënt-verschil exponentiële oplossingen hebben, hebben lineaire vergelijkingen met een constant coëfficiëntverschil zoals in (53 machtwet-oplossingen met de vorm: 10 jp = ΑλΠ (6) waarin A de amplitude is, en waarbij de karakteristieke parameter /\ (analoog aan natuurlijke frequenties in continue stelsels, beschreven door differentiaalvergelijkingen) werd gevonden door het terugsubstitueren van de aangenomen oplossing van (6) in (5): 15 A λΠ"Χ(* 2 - Β)ί + 1) = 0 (7)

Voor een niet nietige oplossing (A / 0, / 0) moet de tus sen haakjes staande uitdrukking in (7) gelijk zijn aan nul: λ = B/2 +_ /(B/2)2-1 (Θ)

Merk op, dat de twee oplossingen in (8) omgekeerden van elkaar 20 zijn: ,- χ B/2 + V (B/2)2'1 = - ........ y— '"· (9) B/2 - V (B/2)2"1

Omdat (5) lineair is, is de algemeenste oplossing een lineaire combinatie van beide mogelijke oplossingen: 25 jn = A λ" + A2 λ"Π (10) waarin ^ een van de wortels is in (8).

De amplituden A^ en A2 werden geschat door de grensomstandig-heden. Door symmetrie heeft de stroom in de eerste cel j = J een gelijke grootte maar tegengestelde richting ten opzichte van de 30 stroom in de laatste cel, j = -J.

(11) jN = -J - A^N * Α2λ'Ν met de oplossingen: 35 A - -JU * Λ'Νη) 1 λ N - λ"Ν+2 8006445 - 12 - "2 · . J-N.2

Door toepassing van algebraïsche reductie worden de Kanaalstromen:

Jn ^ .

5 Op dit punt is J nog niet bekend. Echter wordt j gebruikt in het oplossen van de vergelijkingen (13 en (2). Met de aandacht gericht op (1) wordt de homogene oplossing eerst gevonden door het op nul aannemen van j . Onder aanneming van machtwetoplossingen, is de natuurlijke oplossing een constante: 10 i , - i = 0; i = Ap° (13) η 1 η n

Apn_1(l-p) = 0j p = 1; i = A (14) n

De tot stand gebrachte oplossing moet dezelfde machtwetafhan- kelijkheid hebben als de j en is zodoende van dezelfde vorm als 15 (10). De totale oplossing is dan: i - I + -rr-^- (λΠ + λΝ"Π - 1 - λ N) (15) Π (“λ - λ) (λ-ΐ) waarin de constante A in (14) zodanig is aangepast, dat i = I, waarin I de eindstroom is. Onder open keten-omstandigheden is I = 0. 20 Wanneer de batterij wordt geladen is I positief, waarbij onder be lasting I negatief is.

Op soortgelijke wijze zijn de verdeelstukshuntstromen: K - k - -H-—- ( λη ♦ λ N'n - 1 - Λ (16) n ° (λΝ - A) (λ - 1) 25 waarin de eerste verdeelstukstroom kQ nog onbepaald is.

De belangrijke parameter J, die de eerste kanaalstroom is, is nog niet bekend. Het gebruiken van (13), (14), (15) en (18) in (3) voor een willekeurige waarde van n (n = 2 is het gemakkelijkst), geeft (17) of (10):

30 V + IR - k R

j , -2-6 — ° — N_1 η (17) R + R + R (Λ -1) ( ?. 1 * 7\) m e c __ (ΛΝ - λ) j , ίν0 * IRa - Κο V -¾1 Μ - 11 (18) 35 *(Rs * V 11 * λΝ) 8006445 - 13 -

De voorgaande vergelijking [17] of zijn alternatieve equivalente vorm (18) toont aan dat J kan worden gewijzigd indien kQ een andere waarde heeft dan nul. Indien J, de shuntstroom in het eerste aftakkanaal, wordt verminderd, worden de j 's (vergelijking (12)) 5 verminderd. Indien k een zodanige waarde heeft dat V + IR ° k = -^-=-- (19)

o R

m is J gelijk aan 0 en zijn alle j 's eveneens gelijk aan nul.

In deze toestand reduceren de vergelijkingen (12), (15) en 10 (16) tot: i=I, k=k;j=0 (20) n non

Het voorgaande suggereert dus, dat de doorgang van een enkele beveiligingsstroom door de gedeelde elektrolyt in het verdeel-stuk in een inrichting, soortgelijk aan die in fig.l, shunt- of 15 lekstromen tot een minimum zou kunnen beperken (verminderen of op heffen ).

De richting van deze stroom is dezelfde als de onbeveiligde k -stromen, d.w.z. de shuntstroom door de gedeelde elektrolyt.

Uit de voorgaande vergelijkingen en het model in fig.l is 20 tevens te zien, dat wanneer een kQ, gelijk aan die, welke is gede finieerd in vergelijking (20), wordt geleid door de gedeelde elektrolyt,de spanning op elk verbindingspunt van het aftakkanaal en de gedeelde ruimte gelijk is aan die celspanning. Wanneer dus de spanningsval door het aftakkanaal gelijk is aan nul, is er geen 25 stroom. De spanning door het aftakkanaal is vernietigd.

De spanningen in de aftakkanalen worden echter niet vernietigd wanneer kQ anders is dan de vergelijking (20). Desalniettemin worden de shuntstromen in deze kanalen verminderd door het aanleggen van een beveiligingsspanning, hetgeen nuttig is gebleken in 30 praktische elektrochemische inrichtingen, waarin een nauwkeurige kQ van de vergelijking (20) niet uitvoerbaar is.

Vanuit een praktisch standpunt vereist de nuttigheid van de voorgaande benadering een niet aan nul gelijke R . Verder wordt de nuttigheid verbeterd door geometrische gevolgen, die de grootte 35 van R vergroten. Dergelijke gevolgen kunnen de lengte vergroten m 8006445 -14-- van de gedeelde elektrolytruimte tussen de cellen, en het dwars-doorsnedegebied verkleinen van de gedeelte elektrolytruimte. De verhouding van de beveiligingsstroom tot de stroom van de elektrochemische inrichting wordt dus verminderd wanneer de verhouding van 5 ^n/^e worc^ vergroot. Hydraulische factoren moeten echter in over weging worden genomen, in het bijzonder bij circulatiestelsels, waarbij ontwerpcompromissen, aangebracht tussen de stroming van de elektrolyt en de doorgang van de stroom in de gedeelde ruimte, passend kunnen_zijn.

10 De voorgaande analyse neemt een model 'aan, waarin de waarden van R , R , R en V gelijk zijn voor alle cellen. In een prakti-m c e o sche inrichting echter worden deze waarden bepaald door de geometrie en de vervaardigingstoleranties van het stelsel. Het is zelfs in dergelijke gevallen echter duidelijk, dat de doorgang van een 15 beveiligingsstroom door de gedeelde elektrolyt, stromingen in de af- takkanalen wijzigt en vermindert, hoewel in dergelijke gevallen een absoluut vernietigen niet tot stand wordt gebracht.

Samenvattend kunnen shuntstromen (en hun gevolgen) dus worden verminderd of opgeheven door de doorgang van een stroom door de 20 verdeelstukelektrolyt (in dezelfde richting als de shuntstromen) welke doorgang vergezeld gaat van een spanningsval door het verdeel-stuk. Het spanningsverschil tussen de cellen door de kanalen naar het verdeeistuk wordt verminderd, waarbij wanneer de stroming wordt vergroot, het spanningsverschil nul nadert (bij voldoende sterke 25 stromen door het verdeeistuk wordt het spanningsverschil door de ka nalen negatief).

De shuntstromen van de cellen door de gedeelde elektrolyt worden, wanneer hèt spanningsverschil wordt vernietigd, kleiner en worden opgeheven. Hieruit volgt, dat de energie-eisen voor het ver-30 minderen of opheffen worden bepaald door de weerstand van het ver deeistuk en onafhankelijk zijn van de weerstand van de kanalen.

De energie-eisen (P) voor de beveiligingsstroom door het verdeeistuk direct boven de N cellen in een serie cellen, wordt benaderd door: ~ 35 PW (21) m 8006445 - 15 - waarin N het aantal cellen is, V de celspanning en R de weerstand m van een enkel verdeelstuksegment.

Thans is gevonden, dat de energie-eisen voor het verminderen van shuntstromingen aanmerkelijk kunnen worden verminderd door 5 het toevoegen van verbindingstunnels tussen de afzonderlijke cel- kanalen. De beveiligingsstroom wordt aangelegd op het verbindingspunt van de tunnel met het eerste kanaal en op het verbindingspunt van de tunnel met het laatste kanaal om zodoende door de verbindingstunnels te gaan. De energie-.-.en stroomeisen zijn lager naarmate de 10 tunnels dichter bij het verbindingspunt liggen van de kanalen met de cellen. Naar keuze kan ook een aanvullende beveiligingsstroom via kQ,. indien gewenst, in het verdeelstuk worden gebracht. Het is dus mogelijk te werken met kQ gelijk aan nul en zodoende een totale opheffing van shuntstromen te bereiken of te benaderen.

15 Het weerstandsnetwerk voor dit stelsel is weergegeven in fig.2. De veranderlijken, die gelijk zijn aan die van de stand van de techniek volgens fig.l, zijn voorzien van eenzelfde verwijzings-cijfer, welke veranderlijken de volgende zijn: = elektrolytweerstand binnen de cellenj 20 R = kanaalweerstand; c R = verdeelstukweerstand; m R-p = tunnelweerstand j R^ = pootweerstandj tQ = tunnelingangsstroom nodig voor het tot een minimum beperken 25 van shuntstromenj t = tunnelstroom: n ln = pootstroom; j = kanaalshuntstroom; k = verdeelstukshuntstroom; n 30 i = celstroom; n

Vq = open keten-celspanning; I = totale eindstroom.

De onderhavige elektrochemische inrichting omvat een gebruikelijke elektrochemische inrichting, voorzien van een aantal cellen 35 in serie, en van een gemeenschappelijke elektrolyt, die wordt toe- 8006445 - 16 - gevoerd aan althans twee cellen als een gedeelde elektrolyt vanuit een gemeenschappelijk verdeelstuk via afzonderlijke inlaatkanalen, waardoor een elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan wordt geschapen rond deze cellen en door de gedeelde elektrolyt, 5 hetgeen resulteert in ongewenste shuntstromen, en die verder bij zonder elektrolyttunnels bevat, die de afzonderlijke inlaatkanalen verbinden, alsmede middelen, die een beveiligingsstroom kunnen aah-leggen door de elektrolyttunnels en ..dus door de gedeelde elektrolyt voor het doeltreffend tot een minimum beperken van de shuntstromen.

10 Dergelijkë middelen bevatten oxydatie/reductiereactiemiddelen aan de buiteneinden van de verbonden tunnels van de elektrochemische inrichting. Deze oxydatie/reductiereacties moeten verenigbaar zijn met de chemie van de elektrochemische inrichting, zoals hierna vollediger wordt beschreven. Hoewel de uitvinding is ontwikkeld met be-15 trekking tot het inlaatverdeelstuk, de inlaatkanalen en de verbin- dingstunnels, en wordt besproken voor wat betreft deze aspecten, is de uitvinding bovendien tevens gericht op de werkwijze en inrichting, waarbij tunnels worden toegepast, die uitlaatkanalen verbinden van uitlaatverdeelstukken. In feite worden bij de onderhavige werk-20 wijze en inrichting in voorkeursuitvoeringsvormen zowel de verbin- dingstunnels aan de inlaatzijde als aan de uitlaatzijde toegepast met daarop aangelegde beveiligingsstromen.

De uitvinding omvat dus een werkwijze en een inrichting, waarbij een beveiligingsstroom wordt aangelegd door elektrolyttunnels, 25 die kanalen naar afzonderlijke cellen vanaf een verdeelstuk in een werkzame elektrochemische inrichting, verbinden welke inrichting is voorzien van een aantal althans ten dele in serie verbonden cellen, en van een elektrolyt, die wordt toegevoerd aan althans twee van deze cellen als een gedeelde elektrolyt vanuit het verdeelstuk 30 via de kanalen, waardoor een elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan wordt geschapen rond deze cellen en door de gedeelde elektrolyt met als gevolg ongewenste shuntstromen bij afwezigheid v an de beveiligingsstroom. Hoewel de grootte van de beveiligingsstroom kan worden vastgesteld door de substitutie van feitelijke 35 aantallen veranderlijken in mathematische vergelijkingen, moet wor den opgemerkt, dat de vertraging in plaats van de totale opheffing 8006445 - 17 - van de shuntstroom tot stand Kan worden gebracht door het toepassen van een beveiligingsstroom met een andere grootte, indien gewenst. OoK Kan de grootte van de beveiligingsstroom zelf proefonder-vindelijK worden vastgesteld onafhanKelijK van de voorgaande verge-5 lijKingen wanneer eenmaal de hiervoor beschreven beginselen en

Kriteria zijn onderKend.

In de onderhavige werKwijze en inrichting vindt een omzetting plaats van eleKtronische stroom in eleKtrolytische. stroom. EleKtroden Kunnen b.v. zijn aangebracht in de gedeelde eleKtrolyt 10 in de tunnels bij of nabij de eerste en laatste tunnelverbindings- punten. Oxydatie/reductiereacties bij deze eleKtroden zetten de eleKtronische stroom om in een ionische stroom. Althans in beginsel Kunnen dus willeKeurige redoxreacties worden gebruiKt. Deze Kunnen b.v, dezelfde zijn als de reacties bij de eleKtroden van 15 de eleKtrochemische inrichting. OoK Kunnen andere reacties worden gebruiKt die chemisch en eleKtrisch verenigbaar zijn met de eleKtrochemische inrichting.

H2 zou b.v. anodisch Kunnen worden geoxydeerd aan een einde van de tunnels in de eleKtrochemische inrichting, en A2 zou aan 20 het andere einde Kunnen worden ontwiKKeld. 0e twee reacties in een zure oplossing zouden zijn H2 -> 2H+ + 2e (anodisch) en 2H+ + 2e -> H2 (Kathodisch).

Het geproduceerde H2-gas zou Kunnen worden teruggeleid naar 25 de anodische eleKtrode.

In een ander geval zou bromide Kunnen worden geoxydeerd bij een eleKtrode en broom gereduceerd bij de andere: 2Br -> Br2 + 2e 2e + Br2 -> 2Br" 30 In een ander geval zou Zn Kunnen worden geoxydeerd bij de anode en gereduceerd bij de Kathode:

Zn° ——> Zn + 2e Zn + 2e -> Zn .

De Keuze van de redoxreacties is afhanKelijK van het bepaal-35 de stelsel, dat wordt beveiligd, en Kan naar Keuze de normale eleK- 8006445 - IB - trochemie volgen. Verder zijn de spanning- en stroomeisen voor de beveiligingsketen afhankelijk van de keuze van de redoxreacties, en de weerstand van de verdeelstukoplossing overeenkomstig de voorgaande bespreking.

5 Op te merken is, dat de beschreven elektrochemische inrich ting er een in zijn eenvoudigste vorm is, die een aantal, althans ten dele in serie verbonden cellen heeft. De onderhavige elektrochemische inrichting kan echter zo zijn en niet meer of kan op een grotere schaal bestaan uit twee of meer blokken cellen, die elek-10 trisch in serie zijn verbonden en een gemeenschappelijke elektrolyt of gemeenschappelijke elektrolyten aan de blokken hebben toegevoerd en daaruit verwijderd op parallelle wijze vanaf hoofdverdeelstukken. Elk blok cellen kan bestaan uit twee of meer cellen in serie, welke cellen worden voorzien van elektrolyt op evenwijdige wijze vanaf 15 tussenverdeelstukken in de blokken cellen. Dergelijke stelsels heb ben shuntstromen in de blokken door de blokverdeelstukken en hebben shuntstromen tussen de blokken cellen door de hoofdverdeelstukken. Deze kunnen tot een minimum worden beperkt met beveiligingsstromen in de blokverdeelstukken en in de hoofdverdeelstukken, naar keuze, 20 zonder de strekking van de uitvinding te verlaten.

In een .voorkeursuitvoeringsvorm omvatten de werkwijze en inrichting een circulerende elektrolyt (of elektrolyten), waarbij de circulatie door de inrichting wordt bereikt via inlaat- en uitlaat-kanalen naar afzonderlijke cellen vanaf twee of meer verdeelstukken, 25 voorzien van een circulerende gemeenschappelijke elektrolyt, die een gedeelde elektrolyt bevat, waardoor de elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan wordt geschapen met als gevolg shuntstromen. Deze uitvoeringsvorm omvat het gebruik van twee stellen symmetrische, rechtlijnige tunnels, waarbij een stel de inlaatkanalen ver-30 bindt en het andere stel de uitlaatkanalen. Ook zijn middelen aange bracht voor het aanleggen van een beveiligingsstroom door elk van de twee stellen tunnels, d.w.z. door een gedeelte met de gedeelde elektrolyt van de geleidende omloopbaan voor het tot een minimum beperken van de shuntstromen. De beveiligingsketen omvat de doorgang 35 van een elektrolytische stroom door de gedeelde elektrolyt in de tunnels en is dus werkzaam voor het tot een minimum beperken van de 8006445 -19-.

produktie van shuntstromen door de verdeelstukken en door de kanalen, die de cellen verbinden met de verdeelstukken, waarbij tevens de energiebehoeften tot een minimum worden beperkt.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de 5 volgende voorbeelden, besproken in samenhang met de tekening.

Voorbeeld I

Een inrichting met 10 cellen voor het elektrolytisch ontleden van H2Q wordt ingericht op de in fig.3 weergegeven wijze. In deze figuur is een cel als voorbeeld in zijn algemeenheid weergege-10 ven door het verwijzingscijfer 50. De cel 50 bevat een anode 52, een kathode 54 en een elektrolyt 56. De anode en kathode voor deze .cel zijn resp. aangeduid als A^ en C^, A2 en C2 voor de tweede cel en Ajq en voor de laatste (10e] cel. V^ en 1^ vertegenwoordigen de spannings- en stroominvoer naar de inrichting. De elektro-15 lyt wordt verdeeld door de cellen door een gemeenschappelijk ver- deelstuk 58 (gebied van gedeelde elektrolyt] en celkanalen, b.v. het kanaal 60. De shuntstroom van de eerste cel is aangeduid als in het kanaal 60, en als S2, Sg, S^, enz. t/m S Q voor de overige cellen. De tunnels, die de kanalen verbinden, zijn weergegeven 20 als tunnels 66. Het verdeelstuk 58 is ongeveer 6,4 mm in diameter en 62.5 cm lang, en elk kanaal is ongeveer 3,2 mm in diameter en ongeveer 12,7 cm lang. De tunnels zijn ongeveer 1,3 mm in diameter en ongeveer 57,2 mm lang. De tunnels 66 bevatten elektroden 62 en 64 voor de beveiligingsstroom, zoals weergegeven in de gedeelde 25 elektrolyt met een beveiligingsstroom I en een beveiligingsspan-

ning V . De kanalen, tunnels , verdeelstukken en celwanden zijn ge-P

maakt van niet geleidende materialen. Verder bevinden de beveili-gingsstroomelektroden (nikkel] 62 en 64 zich nabij maar niet op het verbindingspunt van de kanalen en de eerste en laatste tunnels, 30 omdat zij in een gebied zijn geplaatst van de gedeelde elektrolyt, zoals weergegeven.

De in fig.3 weergegeven inrichting wordt bediend met V£ op 20,8 V en 1^ op 124 mA. De ontwikkeling van H2 en 02 uit het water vindt plaats en kan zonder beveiliging worden waargenomen in hoe-35 veelheid naar het midden groep cellen af te nemen, d.w.z. zoals ge meten vanaf een einde gaande naar de middencellen. Een gedeelte van 8006445 -ZO- de invoerstroom taKt af door het verdeelstuk met de gemeenschappelijke elektrolyt, zodat dus de beschikbare stroom voor de produk-tie van eri 0^ gas in het midden van de groep cellen minder is dan bij de eindcellen. Een tweede energietoevoer wordt dan verbon-5 den met de beveiligingsstroomelektroden, die zich in de gedeelde elektrolyt bevinden in de tunnels. De twee stroomniveaus worden geleid door de gedeelde elektrolyt in de tunnels. Als gevolg daarvan is waar te nemen dat de aan de elektrolytische celgroep geleverde stroom met een aanzienlijke factor omhoog gaat. De tweede energie-10 bron wordt dan verwijderd en de shuntstromen in de niét beveiligde kanalen verschijnen weer.

Door toepassing van een beveiligingsstroom door. de gedeelde elektrolyt in de tunnels van de elektrolytische ontledingsinrich-ting, warden shuntstromen dus in aanzienlijke mate tot een minimum 15 beperkt door de geleidende omloopbaan, gevormd door de kanalen en het verdeelstuk.

Voorbeeld II

Een beveiligingsstroom wordt overeenkomstig de uitvinding toegepast in samenhang met een reeks in serie verbonden monopolaire 20 zink-broomcellen. Zoals weergegeven in fig.4 worden batterij-inrich tingen met een stel van acht in serie verbonden monopolaire cellen in hun algemeenheid weergegeven door het verwijzingscijfer 00. De monopolaire cel 82 is representatief voor de cellen en bevat de anode 04 en kathode 06. Anolyt stroomt in de cel 02 bij het vak 88 via 25 het kanaal 90, en katholyt stroomt in de cel 82 bij het vak 92 via het kanaal 94. Het vak 80 en het vak 92 zijn verdeeld door een voor ionen permeabele membraanscheider 96. De cel 88 is in serie verbonden met de volgende naburige cel 98 via een verbinding 100.

De eindcellen 82 en 102 bevatten respectieve aansluitingen 104 en 30 106. De anolyt, die in hét vak 88 stroomt via het kanaal 90, doet dit via het verdeelstuk 108 voor de gedeelde elektrolyt, welk verdeelstuk de anolyt toevoert aan alle cellen. De anolyt stroomt uit" het vak 88 via het kanaal 110 en door het verdeelstuk 112 voor de gedeelde elektrolyt, door welk verdeelstuk alle anolyt naar buiten 35 stroomt. De katholyt, die in het vak 92 stroomt via het kanaal 94, 8006445 - 21 - doet dit via het verdeèlstuk 114 voor de gedeelde elektrolyt, welk verdeelstuk de katholyt toevoert aan alle cellen. De katholyt stroomt uit het vak 92 via het kanaal 116 en door het verdeelstuk 118 voor de gedeelde elektrolyt, door welk verdeelstuk alle katho-5 lyt naar buiten stroomt.

De stellen kanalen, weergegeven door 90, 94, 110 en 116 voor resp. de verdeelstukken 108, 114, 112 en 118 hebben elk een stel verbindingstunnels. De stellen tunnels. 70, 72, 74 en 76 verbinden dus de afzonderlijke kanalen vanaf resp. de verdeelstukken 108, 10 114, 112 en 118, zoals weergegeven.

Middelen voor het verschaffen van beveiligingsstromen aan de inrichting 80 bevinden zich aan elk der uiteinden van de vier stellen tunnels in de gedeelde elektrolyt. De anolyttunnelstellen 70 en 74 hebben negatieve beveiligingsstroomelektroden 120 en 122 15 en positieve beveiligingsstroomelektroden 124 en 126. De katholyt- tunnelstellen 72 en 76 hebben negatieve beveiligingsstroomelektroden 128 en 130, en positieve elektroden 132 en 134. Bij wijze van voorbeeld wordt tussen de negatieve elektrode 120 en de positieve elektrode 124 een beveiligingsstroom aangelegd voor het tot stand 20 brengen van de beveiligingsstroom door de gedeelde elektrolyt over het tunnelstel 70 voor het zodoende vernietigen of tot een minimum beperken van shuntstromen, die door de geleidende omloopbaan gaan, d.w.z. komende uit de kanalen, verbonden met het verdeelstuk 108, en anderszins daar doorheen gaande. Op soortgelijke wijze worden 25 beveiligingsstromen aangelegd over de tunnelstellen 72, 74 en 76 door de gedeelde elektrolyt.

Zowel de aid^t als de katholyt worden gecirculeerd door hun betreffende verdeelstukken, kanalen, tunnels en vakken gedurende de werking van de inrichting, en worden gehercirculeerd vanuit 30 voorraadhouders (niet weergegeven). Zoals afgebeeld zijn de mono- polaire cellen in de inrichting 80 elektrisch in serie en hydraulisch parallel verbonden. Zonder aanlegging van de beveiligingsstromen ontstaan belangrijke shuntstromen in de kanalen en verdeelstukken. In deze zink-broominrichting, heeft de shuntvorming niet alleen 35 capaciteitsverlies en verbruik van onderdelen tot gevolg, maar ver- 8006445 ' - 22 - oorzaakt het tevens de groei van zink op verschillende plaatsen, waar de anolyt de zinkelektrodevakken verlaat en binnengaat. De verdeling van afgezet zink bij het laden is niet regelmatig door de batterij, en dienovereenkomstig is het verbruik van zink bij 5 het ontladen niet regelmatig.

De inrichting Θ0 wordt bediend zonder beveiligingsstroom en met beveiligingsstroom voor een ontlaadkringloop, een laadkring-. loop en een open keten-kringloop. De beveiligingsstromen worden aangelegd over de tunnels met een totale spanningsval, die onge-10 veer gelijk is aan de batterijklemspanning. De beveiligingsstroom, die déj tunnel binnengaat, verdeelt zich bij elk verbindingspunt van een tunnel en een kanaal. Een gedeelte gaat in de volgende tunnel en een gedeelte gaat in het kanaal. Deze stromen, die in het ver-deelstuk gaan aan het hoge spanningseinde van de batterij keren 15 vanuit het verdeelstuk terug in de kanalen en dus in de tunnels aan het lage spanningseinde van de batterij· De beveiligingsstroom gaat naar buiten bij de tunneluitgang. De spanning bij elk tunnel-kanaalknooppunt benadert, wanneer de juiste stroom aan de tunnels wordt gelegd, die van de in serie verbonden cel bij dat kanaal.

20 Het spanningsverschil tussen de cel en de tunnel door het kanaal is dus klein tot nul, en de shuntstroom is dienovereenkomstig klein tot nul. De beveiligingsstromen beperken dus de shuntstromen in de hele inrichting tot een minimum.'.gedurende het ontladen, laden en de open keten bij aanlegging door de gedeelde elektrolyt van de 25 , tunnels.

Voorbeelden III - XV

Twaalf Ni-Cd-batterijen worden in serie verbonden en een netwerk van weerstanden, welke weerstanden poten en kanalen vertegenwoordigen, wordt geplaatst tussen en naar buiten vanaf de cel-30 verbindingen. Deze weerstanden zijn verbonden door andere weerstan den, die de tunnels en verdeelstuksegmenten vertegenwoordigen. Een stel omstandigheden en batterij spanningen en weerstandswaarden is weergegeven in fig.5.

Wanneer spanning en stroom worden geleverd aan de punten A 35 en B van fig.5, verdelen de spanning en de stroom zich in afhanke- / 8006445 v - 23 - lijkheid van de spanning van de serie cellen en de weerstandswaar-den van de verdeelstuksegmenten R / de kanalen boven de tunnels Rc, de tunnels en de poten tussen de cellen en het tunnelverbindings-punt R^ (bnder gebruikmaking van dezelfde symbolen als toegepast 5 bij de bespreking van de fig.l en 2).

Indien dit stelsel zou worden beveiligd door een verdeelstuk-stroom (en de tunnels niet aanwezig zouden zijn), zou de stroom, nodig voor het vernietigen van het spanningsverschil over de kanalen, worden bepaald door de weerstand van de verdeelstuksegmenten.

10 In dit geval is de spanning van de cellen ongeveer 16,8 V en is de verdeelstukweerstand 122 Ohm (12 x 10,2). De stroom is dan ongeveer 137 mA.

Het niet beveiligde geval is weergegeven in fig.6. De span-ningsval over elke weerstand is zoals weergegeven (de stromen in 15 elke weerstand kunnen worden berekend met de wet van Ohm uit de in fig.5 weergegeven waarden van de weerstanden).

In de fig.7 - 14 worden verschillende stromen aangelegd over A-B van fig.5, en wordt de spanning over elke weerstand gemeten.

De spanningsval en de stromen voor de poten voor elke cel zijn uit-20 gezet tegen het celnummer in fig.15.

Wanneer de aan de tunnelknooppunten (A-B) gelegde stroom wordt vergroot, nemen de pootspanningen en -stromen af. Bij stromen in het gebied van 26 - 28 mA worden de pootstromen en dus de shunt-stromen van de celgroep verminderd tot een klein gedeelte van de 25 niet beveiligde waarden.

De shuntstromen worden verminderd tot nabij nulwaarden in 'dit geval voor ongeveer 1/5 van de stroom, nodig voor het geval van het beveiligde verdeelstuk. De energie voor hét beveiligen is dienovereenkomstig lager.

30 Berekening van het wattage voor het onbeveiligde geval van fig.6 en de wattages voor de beveiligde gevallen van de fig.ll en 12 b.v. toont aan, dat de energie, verbruikt in de beveiligde gevallen van een shuntstroom nabij nul zeer dicht bij de energie ligt die verloren zou zijn gegaan in het niet beveiligde geval.

35 Het stelsel onder laadtoestand is weergegeven in fig.16. Een 8006445 - 24 - stroom van 49,8 mA laadt de cellenreeks, waarbij 26 mA aan de tun-nelknooppunten wordt gelegd.

De hoeveelheid energie, nodig voor het verminderen van de shuntstroom in het tunnelgeval wordt geregeld door het aantal cel-5 len in de reeks, door de grootte van de kanaal- en tunnelweerstan- den en in mindere mate door de verdeelstuksegmentweerstand. In overeenstemming met andere stelselontwerpbeperkingen worden de waarden van deze parameters aangepast voor hèt tot een minimum beperken van energie-invoeren.

10 Het weerstandsnetwerk voor een ander stelsel is weergegeven in fig.17. De veranderlijken, die gelijk zijn aan die van fig.l, zijn voorzien van dezelfde verwijzingen, welke veranderlijken de volgende zijn: R. = elektrolytweerstand binnen de cellen, 0 15 R = kanaalweerstand, c R = verdeelstukweerstand, m

Ry = tunnelweerstand, R^ = pootweerstand, t = tunnelinvoerstroom nodig voor het tot een minimum beperken van 20 shuntstromen, t = tunnelstroom, n ln => pootstroom, j = kanaalshuntstroom, n k = verdeelstukshuntstroom, n 25 i = celstroom, n

Vq = open keten-celspanning, I = totale eindstroom.

De elektrische keten 200 van fig.17 wordt hierna gebruikt voor het ontwikkelen van een analyse voor de elektrochemische inrich-30 tingen, resp. weergegeven in de fig.18, 19 en 20.

Verwijzende naar fig.18 is een veelcellige batterij-inrichting 100 met tweeledige elektrolyt (anölyt en katholyt) afgebeeld, waarbij beveiligingsstromen worden ingevoerd naar toelopende tunnels 101a, 101b, 101c en lOld via elektroden 102a, 103a, 102b, 103b, 102c, 103c 35 en 102d, 103d. Elektrochemische inrichtingen 100, 100' en 100" van 8006445 - 25 - de fig.18, 19 en 20, zijn gebruikelijke batterij-inrichtingen, weergegeven als voorbeeld ten behoeve van het beschrijven van de uitvinding. Andere inrichtingen, waarbij de uitvinding wordt toegepast, zijn natuurlijk voorzien, maar kortheidshalve afgebeeld noch be-5 schreven.

De beveiligingsstroom in fig.18 wordt bij voorkeur in de toelopende tunnels 101a, 101b, 101c en lOld gevoerd bij het verbindingspunt van de tunnel 101a met de eerste en laatste kanalen 104a en 104aa, van de tunnel 101b met de eerste en laatste kanalen 104b 10 en 104bb, van de tunnel 101c met de eerste en laatste kanalen 104c en 104cc en van de tunnel lOld met de eerste en laatste kanalen 104d en 104dd van het verdeelstuk- en kanaalnetwerk, afgebeeld in fig.18.

De elektrochemische inrichting 100 omvat in het algemeen 15 een aantal cellen 110 (waarin gewoonlijk een anolyt en een katho- lyt worden gecirculeerd door de betreffende celvakken lila en 111c). De cellen 110 zijn althans ten dele elektrisch in serie verbonden en staan voor wat betreft de fluïdumstroming parallel in verbinding via een aantal gebruikelijke kanalen 104, welke kanalen worden ge-20 voed chaor de betreffende verdeelstukken 106a, 106b, 106c en 106d.

Hoewel de verdeelstukken van de fig.18, 19 en 20 zijn weergegeven met een voeding in een middengedeelte daarvan, is het duidelijk, dat zij zonder meer aan één van de of beide einden zouden kunnen worden gevoed in overeenstemming met het beoogde construc-25 tiedoeleinde.

Indien toepasbaar zijn gelijke elementen voorzien van hetzelfde verwijzingscijfer en dezelfde letteraanduiding in de fig.18, 19 en 20.

In het geval van de bekende en onderhavige leren met betrek-30 king tot de gang van een beveiligingsstroom in de tunnels, gaat de stroom door de elektrolyt of elektrolyten in de kanalen 104 boven de tunnels 101a en 101b en onder de tunnels 101c en lOld, nog bij de verdeelstukken. In het geval dat de tunnels een elektrolyt of .elektrolyten bevat of bevatten (fig.18 en 20), gaat de beveiligings-35 stroom ook door de tunnels.

8006445 . - 26 -

De tunnels lOlaa, lOlbb, lOlcc en lOldd van fig.19 lopen weerstandverschaffend toe en bevatten geen elektrolyt of elektrolyten, zoals weergegeven voor de fig.18 en 20. In de inrichting 101’ van fig.19 vormen de tunnels lOlaa, lOlbb, lOlcc en lOldd geen deel 5 van hét elektrolytstelsel, waarbij zij een aantal massieve weer- . standselementen of -segmenten 105 kunnen bevatten, welke elementen als een van de volgende zijn bepaald: een zoutbrug, een elektronische geleider of weerstand, een ionenwisselingsmembraan of een poreuze stop met ionische geleiders, enz.

10 De enige voorwaarde voor de onderhavige tunnels is, dat de tunnels een ionische of elektronische geleider zijn. De segmenten 105 zijn verdeeld langs de tunnels lOlaa, lOlbb , lOlcc en lOldd zoals tussen de kanalen 104, en hebben een toenemende weerstand wanneer zij een middengedeelte van hun betreffende tunnel naderen.

15 Wanneer de inrichting elektrolyt bevat in de tunnels, zoals de betreffende inrichtingen 101 en 101” in de fig.18 en 20, is de geleiding ionisch door het gehele tunnel-kanaal-verdeelstukstelsel. Wanheer de inrichting massieve wèerstandselementen 105 heeft in de tunnels lOlaa, lOlbb, lOlcc en lOldd, zoals tussen de kanalen 104, 20 afgebeeld in fig.19, is een redoxreactie nodig bij bepaalde of alle tunnel-kanaalsnijpunten teneinde om te zetten in of vanuit ionische en elektronische geleiding. Een dergelijk ontwerp kan zeer gewenst zijn in een redoxbatterijstelsel. Met de elektronische geleiderele-menten 105 is het tevens betrekkelijk gemakkelijk stroom toe te 25 voegen of te onttrekken op tussenliggende plaatsen in het tunnel- stelsel. Dergelijke tussenliggende toevoegingen of onttrekkingen zijn in ionisch geleidende tunnels moeilijker.

Het vergroten van de weerstand langs de tunnels naar hun middengedeelten in de betreffende inrichtingen 100, 100' en 100", 30 afgebeeld in de fig.18, 19 en 20, is ten behoeve van het verminderen of opheffen van shuntstromen met een minimum aan invoerenergie. Elk der inrichtingen 100, 100’ en 100” kan resp. worden vertegenwoordigd door de analoge weerstandsketen 200, weergegeven in fig.17, waarbij de analytische analysen voor deze representatieve inrichtingen on-35 der verwijzing daarnaar plaats vinden.

- 27 -

In het geval van inrichtingen 100 en 100’ (alleen toelopende tunnels] van de fig.10 en 19, is elke cel 110 gemodelleerd als een ideale spanningsbron V , gelijk aan zijn OCV-potentiaal, in serie met het stroomweerstandsprodukt. De weerstanden van elk tunnelseg-5 ment, zoals tussen de kanalen (b.v. de elementen 105 in fig.19) zijn gekozen of bepaald als de elementen, die een spanningsval verschaffen, die gelijk is aan de spanning van de cel direct daaronder. De kleine beveiligingsstroom, die in de tunnels wordt geleid via de elektroden, kan worden geleverd door een uitwendige bron 10 of van de eindcellen 110 van de elektrochemische inrichting zelf.

Deze beveiligingsstroom vernietigt doeltreffend de shuntspanningen voor elke cel 110. Wanneer de tunnelstroom t wordt doorgeleid, veroorzaakt deze per definitie het gelij.kzijn van de celspanningen aan de spanningsval door de weerstand RTn (fig.17), zodat: 15 t RT = V + IRe (22) n Tn o

Wanneer aan deze toestand is voldaan, wordt de spanning op de ka-naalpoten 109 (fig.18, 19 en 20) tussen de tunnels 101 en de cellen 110 vernietigd, en zijn er geen stromen in de poten 109.

De elektrische weerstandsnetwerkanalogie is dan equivalent 20 aan fig.17.

De stroom- en spanningswetten van Kirchoff, gelegd aan de tunnellus boven de n cel, vereisen dat:

Indien V + IR. = t R_ = t .R_ . (23) o e n Tn n-1 Tn-1 k - k = j (24) n-1 π n 25 t . - t = j (25) n-1 η n k .R - j R + j -R - t .R_ =0 (26) n-1 m n c dn-l c n-1 Tn-1 waarin 0 kn = verdeelstukstroom in het n verdeelstuksegment, t = stroom in de tunnel, n 30 j = stroom in het kanaal

en R , R en RT de bijbehorende weerstanden zijn van de cel, het e m l n . J

verdeelstuk en een tunnel.

O

Het met één vergroten van de index maakt de n +1 lus kR -j , R +jR - t RT =0 (27) n m Jn+1 c Jn c n Tn 35 Door het aftrekken van (27) en (26), worden de k-uitdrukkingen ge lijk aan j en worden de t-uitdrukkingen opgeheven uit (24) en (23).

8006445 ' - 28 - -JR - 2j R + 1 .R + j R = 0 (28)

Jn m Jn c Jn+1 c Jn-1 c

(28) delen door R

Jn+1 " C^n + J'n-1 = ° C29)

waarin R

5 C =. 2 + ^ c

Lineaire vergelijkingen met constant coëfficiëntverschil (29) hebben lage machtoplossingen van de vorm jn = D λ’ η (30) 10 waarin y kan worden gevonden door het substitueren van de aange nomen oplossing van (30) in (29) ολ,π_1 ΖΤΛ’2 - ελ’ + ι_7 = o (31)

Voor niet nietige oplossingen, D ^ O, A' f 0, wordt dus de tussen haakjes staande uitdrukking gelijk aan 0 15 /—I- /V = C/2 _+ v (|) - 1 (32)

Van het geval van de verdeelstukbeveiliging is de algemeenste oplossing van (29) een lineaire combinatie van beide oplossingen van (32).

20 jn = Dx A -n + 02 λ'“Π (33)

De stroom in het eerste kanaal j^ = J' is van eenzelfde grootte .maar tegengestelde richting ten opzichte van de stroom in het laatste kanaal j^ = -J’.

jx = J’ = D1 λ ’ + D2A ’ :1 (34)

25 · jN = -J’ = 'N + Ώ2λ ’-N

met de oplossingen . -J'U ♦ λ -V1) (35)

1 yu - λ '-N

J’ λ ’( λ ' + λ ·Ν) 30 D = -Ϊ2~ λ’Ν - λ’ - Ν

Uit (34) en (35) ,· = -L— £ ^ 'N-n+1 - Α ’η J (36) π /Vn-A’ 35 Uit (24), aannemende (36): 8006445 - 29 - k - κ ♦ έ j . κ - (S7, Π 0 ρ=1 Ρ 0 ίλ’Ν - * ’) ( λ ' - 1)

Substitutie van (23), (36) en (37) in (26):

V + IRe - k R

5 J ’ = ---- (38) R + R ( - 1) ( λ’™"1 + λ ') [η (-. Μ ( λ’ - λ’)

De stroom in de eerste tunnel t^ wordt gegeven door (25) 11 ' ‘o ' Jl t39) 10 Volgende tunnelstromen 12 ’ ‘l ‘ J2 " 4o ‘ tJl * J2> 1401 *3 ' *2 ‘ ’ *0 " U1 * J2 * V 1411 gebaseerd op (17). De algemene vergelijking voor de tunnelstromen

iS N

15 ‘n ‘o - f Jn (42)

Uit de vergelijking (37) is echter de vergelijking (42) ook gelijk aan de vergelijking (43) of (44).

t = t + k - k (43) noon - 20 Γ λ. VN + 1 - >v’N_n- >'n t t - J’ -J^TT λ -3- (44) de stroom in de tunnel bij het midden van de groep, n = N/2, wordt gegeven door (45): λ ’ -( λ ’N/2-l)2 25 W* *k [7I^Tj'k° M5) en door het herschrijven van de vergelijking (45) wordt (46) gevormd : *0 4 k0 " *N/2 * kN/2 [46) 30 Wanneer zonder verlies van algemeenheid het aantal cellen N als een even aantal kan worden aangenomen.

Wanneer echter V + IR , o e k„ —- (47) m 35 wordt de vergelijking (45) gereduceerd tot (48) onder gebruikmaking 8006445 - 30 - van ds vergelijkingen (38) en (39).

tN/2 = to (40} en wordt dan de vergelijking (46) de vergelijking (49): kN/2 ' Ko (49! 5 Wanneer t^/2 =0» tQ = 0 en omgekeerd.

Deze waarde van kQ in de vergelijking (47) is die, welke wordt gebruikt in het stelsel zonder beveiliging van tunnel en ver-deelstuk. Het is een betrekkelijk hoge stroom in vergelijking met 10 t , die later wordt ontwikkeld.(vergelijking (50) of (51)).

Wanneer kQ = 0, wordt de t -stroom gegeven door (50) uit de vergelijking (46).

to = tN/2 + KN/2 C5Cn

Wanneer de weerstand van de middentunnel zeer groot is of 15 oneindig, is de waarde van t^^ zeer klein of nul. Dan wordt (28) uit de vergelijking (37) V Γί vN/2 - n2 to = kN/2 = J’ -y-rj λ,Ν _ C51]

Deze stroom is de minimale waarde voor het vernietigen van de 20 shuntstroom.

Wanneer de weerstand van de middentunnel een eindige waarde heeft, geldt de vergelijking (50) en is tQ met de waarde van t^2 groter.

In dit geval zijn de weerstanden van alle tunnels minder, 25 en is de gradiënt van de weerstanden niet even steil.

In hét Amerikaanse octrooischrift 4.197.169 zijn de volgende vergelijkingen afgeleid voor het geval zonder tunnels.

, n N/2 k = k + J ^4- l/>., ~1J (52) N/2 o /)~1 ƒ _ ^ 30 en

V +IR -k R

J = -5-g_.£ !ü-—- (53) R +R +(R +R. ) ( m e c L + ^ en _ 35 /V /3/2 ^}J fl/22 - 1 (54) 8006445 - 31 -

Waarln R ♦ R

/3=2*/-^ (55)

c L

waarln R + R. gelijk is aan de R , het klassieke, hiervoor vermei-

CL C

5 de geval.

Wanneer R veel kleiner is dan R , en R. klein is in verge-e m L & lijking met R , is C, gedefinieerd na de vergelijking (29) ongeveer c gelijk aan gedefinieerd in (55), zodat van (32) * } (44), en benadert de k^^ v0037 het geval van de toelopende tunnels (51) 10 die van het klassieke geval van shuntstroom (kQ = 0) vergelijking (52).

De energie voor de beveiliging is een functie van k^^· De energie voor het beveiligen met toelopende tunnels is dus minimaal wanneer tp^ = ^ en wanneer Rc groot is. De energievvoor het bevei-15 ligen benadert die, welke in het klassieke geval van shuntstromen wordt verstrooid omdat de waarde van R^ klein is (indien t^^ een waarde heeft, wordt de energie voor de beveiliging dienovereenkomstig vergroot).

De waarde voor een tunnelweerstand wordt gegeven door:

20 V + IR V + IR

_ o e o e fro, RT t- ---ÏÏ-. (56) η n t - < j 0 n=l n

Wanneer k = 0 en t.. - 0, o N/2 j’ λ' +{ λ’Η/2-ΐ)2 25 o " V2 ' /),-1 L N _)[, is (56) gelijk uit (44) en (37)

V + IR

□ _ _e e_ f C7 ) T V, l\,N-n * ., η - ,,Ν/2] n J - Ύ V + h -2 a’ 30’ en uit 06) L / - λ· j

Rln = r 1 if λ’ T[U’'J~n+;),n-2,VN/2j' R +R ^·Γ1)(,λ'Ν^,λ') (/V-l)[ (^Ν-λ>) .m C jl -» (58)

Indien tM/n en RT waarden hebben en k = ü, geldt de ver-N/2 T «1 O

35 N/2 8006445 - 32 - gelijking (50).

to = tN/2 + KN/2 (50)

Dan uit de vergelijkingen (43) en (46) tn = tN/2 + kN/2 ~ kn (59) 5 Onder toepassing van de vergelijking (22) wordt de vergelijking

(59) V + IR

‘n ‘ -fr-2 * kM/2 ' kn t60) 'u/2

Wanneer dit wordt gesubstitueerd in vergelijking (56) en de reduc-10 tie wordt gevolgd wordt de vergelijking (61) gevormd.

rt Tn ,p (/V-D(> ,N~M')1 Γ w 1Γ(^,Ν"η^,η-2 α -Lm c >,N- λ ίλ’Ν-/Υ) Jrtn/2 (61)

De waarde van R wordt bepaald door de geometrie van het stelsel 15 met de bijbehorende weerstanden en niet door de spanning of stromen van de cellen in het stel. In dit geval kunnen de shuntstromen van een in serie verbonden stelsel met gedeelde elektrolyt worden geregeld, verminderd of opgeheven door het aanbrengen van de juiste t -20 stroom in het toelopende tunnelnetwerk met een aangepast ontworpen geometrie. De spanningseis is (VQ+IRe) (N-l). De stroomeis wordt gegeven door de vergelijking (50) of de vergelijking (51) j- De energiebehoeften zijn het produkt van de spannings- en stroomwaarden.

De energiebehoeften zijn minder dan die voor het geval van V0+IRe 25 de verdeelstukbeveiliging (d.w.z. k = —-- ), en naderen in het grensgeval de energie, die zou zijn verstrooid door shuntstromen in het niet beveiligde geval.

De omgekeerde stroomdoelmatigheden werden uit de voorgaande analyse berekend en opgenomen in de onderstaande tabel A. De 30 Coulomb-doelmatigheid werd aangenomen op 100%, d.w.z. geen zelfont leding. De pompenergieën werden niet berekend en zijn een functie van het ontwerp van het verdeelstuk en de cel. De hoofddrukdalingen zijn in het verdeelstuk en in de rechte hoekbochten in de kanalen, v De voor de onderhavige berekeningen aangenomen waarden waren: 35 V = 1,8 o 8006445 - 33 -

Aantal cellen 26 en 52.

Celhartafstand 2,36 mm.

Elektrolytweerstand 15 Ghm cm

Verdeelstukdiameter 0,05 en 0,95 cm.

5 Verdeelstuksegmentweerstand 4,973 en 18,55 Ohm.

Kanaalweerstand 500, 1500, 3000 en 6000 Ohm.

2

Groepstromen 10 - 30 mA/cm .

2 2 Celgebied 600 cm en 1000 cm .

8006445 - - 34 - Γ-ν "□ ιη

Μ ococncnmcNirNr^CM

•Η ÜOO

ε ιΗ ιΗ ο; m « CD in CM CD C0 1% 1^ ϋ ο) ·η r-tocncncDcocncncn c 0 m c > π > □ 0 ο -ρ η ο un +j a u E - 03 ca co +j

H 0) CO

ε σιΟΝίηοιοι^,οο iö CO * * * * 1 * *

HO ' CD ΙΠ *J- ' rH I's ι-Η ΓΝ CO

Ό-ΡΌ OCDCnCnaDCDCDCD

ω ω *

Η ·Η O

0 i—I

ω -π ii

TJ CD

tl > O

0 0

> JD

CO

CD

ivunco. OCDCOCD^ □ □ '«·><>·«> o\° ao«cDuncQCDcoi\rv

o; oocncncncocDcncD

CO tJ

H CD

<0 Ό M

sz η ω o^cocococNcoLn

cHClQ 0 ·Η OCN

0-H C H ÜO'rHCDCMCO'J-'^-Cn jo-μ c-HOC mocncocoi'scocncn

0 0 O 0 i—I

l·- Ξ -IJ > ή 0 un 0 ε -Q en o u cnincnrv.cDon'3· Ό CN ***»«**% £ £ ld üa^rv.’si'rs.cDincMa

O ÜCD QC OOCOcoi^CDIXCDCD

o · * in ti ε o ii

P -C

tn o ti o

in 0 -P

ω ε co +j jz ω cc rv. 0 o -z cd ε -η ·α

Ε « 0 en cm iM

□ ^-Ηιη-η mmcoocicooco “Ο 01-1 CO*·*·***·**

0 ·Η * LH Η Η [SJ <ί Η CD

*οω acocor^coNscnco u > ω ω ιι > η ο jz c I -Ρ 0

. -Ρ 0 XJ

0 -C -C 0 tl ϋ γ—I '~ 0-HC -ρ ο ο ο ο ο ο a η Ό 0 ihcn c η η η η η η η c ε > 0 ε ο \ \ \ \ \ \ \ •Γ-ja ωα\ οοοσοαο •η ο η η \ c η μ η η η ο cm jC Ρ ·Η 0 < 0 ο -ρ 0 -ρ ε -Ο 0 ID Ο Ο) 0

ι—I

-Ρ C ' 0 "Ο ο ο Ρ 0CN ιη ιη

Ό ·Η ε ι—I CM

0 η ϋ 3 0 iZ ω 8 0 0 6 4 4 5 - 35 -

Uit de voorgaande tabel is te zien, dat met betrekking tot de beveiligingsstroom- en omkeerstroomdoelmatigheden, deze toenemen met het gebruik van toelopende tunnels, met grotere stroomdichtheden, met in diameter kleinere verdeelstukken, met langere kanalen 5 met een klein dwarsdoorsnedegebied en met grotere celelektrodegebie- den. Deze factoren moeten echter worden vereffend met andere ont-werpoverwegingen bij het construeren van een werkzaam commercieel stelsel.

In een andere uitvoeringsvorm is tevens het aanbrengen voor-10 zien van toelopende verdeelstukken, alsmede toelopende tunnels, zo als afgebeeld in fig.20. De verdeelstukken 106aa, 106bb, 106cc en 106dd zijn weergegeven met een toeloping, die een afnemende weerstand verschaft naar hun betreffende middengedeelten.

De weerstanden van de tunnels 101a, 101b, 101c en lOld nemen 15 toe naar hun betreffende middengedeelten, zoals hiervoor. De span- ningsval door elk verdeelstuksegment 120 is een constante W, waar- } bij de spanningsval door elk tunnelsegment 105 gelijk is aan die van de bijbehorende cel 110, die zich daaronder bevindt:

(V + IR ) = t RT o e η T

20 Π

Met deze ontwerpvoorwaarden is er geen spanningsverschil tussen de cellen en de tunnel-kanaalverbindingspunten. Wanneer de spanning is vernietigd, is er geen elektrische stroom van de cellen 110 in de poten 109, die voeren naar de tunnel/kanaalverbindingspunten, 25 d.w.z. dat er geen shuntstromen zijn vanuit de cellen. De cellen zijn werkzaam alsof zij afzonderlijke cellen zijn in serie zonder een gemeenschappelijke elektrolyt. De voor dit ontwerp verbruikte energie is. minder dan die van andere ontwerpen voor het vernietigen van shuntstromen, zoals in de volgende analyse wordt uiteengezet onder gebruikmaking van het elektrisch analoge ketenmodel van fig.21.

OU

Ten behoeve van deze volgende analyse wordt de volgende nomenclatuur gebruikt: VQ = open keten-spanning van een cel I = laad- of ontlaadstroom van de eerste cel R = weerstand van een cel 35 e 8 0 0 6 4 4 5 - 36 - N = aantal cellen in serie N(V +IR ) = spanning van de serie cellen zonder gemeenschappelijke/ 0 · 6 gedeelde elektrolyt i = stroom van een cel in de serie cellen n 5 V +i R = spanning van die cel o n e R = weerstand van het kanaal tussen de cel en het tunnelver- bindingspunt R = weerstand van het kanaal tussen het verbindingspunt van c de tunnel en het verdeelstuk 10 R = weerstand van een verdeelstuksegment tussen het kanaal n mn en het kanaal n+1 k = de stroom gaande door de weerstand R (verdeelstuksegment 0 θ π tussen de n en (n+1) kanalen) R - weerstand van een tunnelsegment tussen kanaal n en n+1 15 Π

t B de stroom gaande door de weerstand RT

Tn j = de stroom gaande door de kanaalweerstand Rc W = spanningsval door een verdeelstuksegment V +IR = spanningsval door een tunnelsegment o e 20 tQ = invoerstroom op het verbindingspunt van de eerste tunnel en het eerste kanaal k = invoerstroom op het verbindingspunt van het verdeelstuk o en het eerste kanaal k^ = uitgangsstroom op het verbindingspunt van het verdeelstuk 25 en het laatste kanaal.

De mathematische analyse van de uitvoeringsvorm van fig.3 is als volgt: k..,„ .R = k ,„R = W (62) N/2 1 mN/2_1 N/2 mN/2 30 t . .R- = tM/,RT = V + IR (63) N/2 1 TN/2-l N/2 TN/2 0 8

Zonder verlies van algemeenheid wordt aangenomen, dat het aantal cellen N even is, waarbij met het even zijn van N in het midden jN/2 * "JN/2+l CB4) 35 Zonder verlies van algemeenheid wordt aangenomen, dat het aantal 8006445 - 37 - cellen N even is in deze analyse.

Dan is aan de hand van de wetten van Kirchoff jN/2-lRc+KN/2-lRmN/2_1"JN/2Rc‘tN/2-lRTN/2_1 = 0 5 jN/2RcKN/2RmN/2":iN/2+lRc"tN/2RTN/2 = °

Uit (64) en (66) 2j...„RC = tM ,„RT -K., ,„R (67) N/2 N/2 TN/2 N/2 mN/2 1 Γ ' 10 %2Rc [1/2 V2RTN/2-KN/2RmN/2 ' ^ [vIR.-W J (6β) W*» -1/2 [Vo*IRe-Wl [69) uit (68) en (65) _ JM/, _R =t..,„ _R_ -KM/_ .R +1/2 V +IR -W (70)

i5 JN/2-l c N/2-1 N/2-1 L 0 e J

= V + IR -W+l/2 |V +IR -wl 0 Γ e Ί L 0 e J

= 3/2 Vo+IRe-wJ (70a) door de wetten van Kirchoff ^/2-2Rc_tN/2-2RTN/2_2+kN/2-2RT _2"JN/2-1Rc * 0 t715 20 wijzigen van (71) en substitueren van (70a) jN/2-2Rc=tN/2-2RTN/2_2"RN/2-2RTN/2_2+'jN/2-lRc C725 =V + IR - W + 3/2 fv +IR -W|

q O r S L0eJ

25 JN/2-2~2Re [Vo+IRe~WJ i73]

In het algemeen zijn b.v. (68), (69), (70), (70a), (73) van de vorm ^ [V ”V«]

De stroom in het verdeelstuksegment Kn is de som van de voorgaande j plus Kq

N

k =k + Σ (~·|— ) (V +IR -W) (75) no t 2R o e n = l c 35 =k + (V +IR -W) o 2R o e c 8006445 - 38 *

□θ stroom in het middelste verdeelstuksegment is de som van alle voorgaande plus kQ

N=N/2 fM , KN/2'ko + -hif-^ <V0*IRe-«) t76) n=l c 5 2 =k + (V + IR - W) o 8R o e c

De stroom in het eerste verdeelstuksegment is gelijk aan de stroom j (plus k ) van het eerste kanaal *· 0 iM-i 10 j =k -k = (V +IR -W) W=k R j bij k =0 (77) 1 1 o 2R oe lm, o c 1 knR = (V + IR - W) R = W (7Θ) 1 m.. 2R o e 1 c 1 (N-l)R (V +IR ) mn o e 15 W = 2R +(N-l)R C79] c m 8R W 1

Rm = (N-l) (V +IR -W) (80) 1 o e wanneer k =0 volgt uit de vergelijking (76) 0 |\|2 20 k = -sg- (V +IR -W) N/2 8R o e c en uit de vergelijking (62) kM/„R = W N/2 mN/2 2 kM/,R = (V + IR - W)R = W (81) 25 N/2 mN/2 8Rc ° 8 mN/2

n2r (v +ir ) : mN/2 ° S

W = -- (82) 8R + N2R ° mN/2

30 Sn 8R W

R = -=-5- mN/2 N (V +IR -W) o e

De verhouding van de weerstanden R en R is, wanneer k =0 mN/2 mi °

R

35 mN/2 4(N-l) rno, ~R~ '~T~ (83)

m^ N

8006445 - 39 -

In het algemeen W

Rm k , ,4n(N-n) fl( ;Tr, ^84^ η n . k ·<—r=- CV +IR -W) o SR o e c blJ Ko = ° R C4n] (N-n) CV +IR ] m o e W = 8R +(4nHN-n]R tB4a5 g m n □e verhouding van de stromen in de verdeelstuksegmenten kan worden verkregen uit de vergelijkingen C76) en C77] 1° n2 . ·==- CV +IR -W)*k kM/2 , 8Rc ° 6 kl -¾.1.1 (V +IR -W)*k 2R o e o c wanneer k =0 o 15 kN/2 N2 -Tf-TUri) (a6>

De op het knooppunt j , t^, 1^ ingevoerde stroom is tQ s jj + Ij + t indien 1^ = 0 CB7] 20 *ο ' 81 * s dus *1 = tQ " Jx (993 t2 = to [Jl

25 t3 = *0 " Ü1 + J2 + V

N

t=t -J,j=t-k-k C 90 ] n o e-Jn o n o n=l *ο + ko = *m + Km = lN + kN/2 indien Ko = ° (91] 3Q to = kN/2 + tN/2 [92] 2 ‘0'r [ï/ IRe -w) * Vs (93! c t is het kleinst wanneer t., = 0 o N/2 35 8006445 -40-.

N2-4nlN-n) (V +IR -W) tn--8R" β· indien W Ko ’ 0 <94) c

Voor het bijzondere geval van een verdeelstukinvoerstroom 5 £ *0 * ko " kN/2 * *N/2 lndien Gchter ‘n/2- ‘o*0 (95) ko kN/2 ‘9B) uit (76) is dan echter 2 k = k + -5S- (V +IR -W) dan o o. 8R o e 10 -=- (V + IR - W) = 0 (97) 8R o e c V + IR = W dan uit (2) (98) o e k . R = W = V + IR (99) 15 N/2 mN/2 o e

V +IR V +IR

R = 0 ?· = °-......- (100)

mN/2 KN/2 Ko V +IR

ko = fT-- U01] 20 ^72

Dit is soortgelijk aan de vorm van het geval van de verdeelstukbe-veiliging. De invoerstroom bij het verdeelstuk is dus groter dan de tunnelinvoerstroom.

Uit (91) 25 *n = KN/2_Kn+tN/2 Cl02) t = (N2-4n (N-n)) iV^IRg-W) [103]

Π 8R

c t heeft de kleinste waarde wanneer t^2 = 0. De (93) en zijn equivalent wanneer n = 0.

t R = V + IR (104) η T o e n

V +IR

rt = ? (105) η n

8 0 0 6 4 4 S

. ' - 41 -

V +IR

= —=----- (106) (Ι\Γ-4η (IN-n)) (V +IR -W) ___2_2_ + t BR N/2 c 5 Wanneer t^^ = O, zijn de invoerstroom en de beveiligingsenergie het Kleinst.

(V +IR )(BR ) R = -^-2-2-2- (107) η (N-4n(N-n)) (V +IR -W) o e 10 Substitutie voor W uit (84) BR +4n(N-n)Rm r = —2-LL (108) n N -4n(N-n)

Samenvattend is wanneer K = 0, tp^ = ^ toestand van ^e minste 15 energie voor de beveiliging.

6R +4 (N-n)R c n m RT -51 η N -4n(N-n)

8R W

R - a nn m 4n(N-n)(V +IR -W) 20 n o e

R

mN/2 = 4(N-l) R M2

N

4n(N-n)R (V +IR ) -c moe 25 w _ _n_ BR +4n(N-n)R c m n N2 t = ·£— (V +IR -W) o BR o e c 30 = (v +IR -W) n BR o e c N2-4n(N-n) (V +IR ) _o e . n 8R +4n(N-n)R Π 7 c m n

Een netwerk van Nicd batterijen met een afmeting van 10 D

O ^ cellen, Keramische weerstanden, die verdeelstuKsegmenten vertegenwoordigen R , Kanalen Rc, poten en regelbare weerstanden (poten- 8006445 i - 42 - tiometers), die tunnels vertegenwoordigen R , werd geconstrueerd voor het nabootsen van een batterijstelsel met een serie cellen en een gemeenschappelijke elektrolyt. De verdeelstuksegmenten werden gekozen uit een stel weerstanden van 100 Ohm. De kanaal- en poot-5 weerstanden werden gekozen uit:een stel weerstanden van 1500 en 10

Ohm Czie volgende tabel BK De regelbare weerstanden werden afgesteld op de waarden in tabel Ba, hetgeen een spanningsval van 0 tot gevolg had door de pootweerstanden R^.

In tabel Ba zijn de gemeten waarden vermeld van de spannings-10 vallen over de weerstanden, en de berekende stromen wanneer een laadstroom van 200 mA met een spanning van 14,20 V wordt gelegd aan de aansluitingen van het stelsel. Deze aangelegde stroom werd verdeeld. Een gedeelte ging naar het eerste tunnel-kanaal en poot-knooppunt (-12,8 mA, de som van Rc en R^.^1, en de rest ging naar 15 het laden van de batterij reeks. Elke batterij ontving een gelijke ladingstroom omdat de spanningsvallen (en dienovereenkomstig de stroom] door de pootweerstanden R^ 1-11 nul was.

Zoals is te zien in tabel B nemen de weerstandswaarden van RT toe naar het midden van de reeks en dan van 141 tot 251 af te-n 20 rug naar 143 Ohm.'

De waarden van Rt zouden een andere gradiënt van weerstan-N/2 den tot gevolg hebben voor RT (vergelijkingen (58) en (61)), en 1 n andere tunnelinvoerstromen. Dit voorbeeld toont echter aan, dat bij de juiste waarden van de weerstand voor de kanalen, het verdeel-25 stuk of de tunnels, de shuntstromen kunnen worden geregeld, vermin derd of opgeheven met een aangepaste tunnelinvoerstroom.

Zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.197.169 kunnen met een k -invoerstroom in het verdeelstuk de shuntstromen o worden verminderd of opgeheven. In het hiervoor besproken stelsel 30 zonder toelopende tunnels, is de weerstand van een verdeelstukseg- ment tussen de cellen gelijk aan 100 Ohm. De kQ stroom zou onder de voorgaande omstandigheden in tabel Ba gelijk zijn aan 14,2 mA.

8006445 .-43-

Tabel B

Toelopende tunnelweerstandswaarden

Weerstand Ohm Weerstand Ohm R, 1 10 R 1 102 L m 2 10 2 101 3 10,1 3 .101 4 10,1 4 102 5 9,9 5 102 6 10,1 6 102 7 ' 10,1 7 102 8 . 10,1 8 101 9 9,9 9 101 10 9,9 10 101 11 9,9 R 1 1501 RT 1 141

c T

2 1504 2 177 3 1510 3 215 4 1510 4 240 5 1507 5 251 6 1510 6 250 7 1501 7 240 8 1503 8 214 9 1504 9 178 10 1510 10 143 11 1501 . 8006445 - 44 -Tabel Ba

Shuntstroomnetwerk met toelopende tunnels Stelsellaadstroom 200 mA Tunnelinoverstroom 12,B mA

5 Stelselspanning 14,20 - 14,19 V

Weerstand Spannings- Stroom Weerstand Spannings- Stroom val over val over weerstand- weerstand R, 1 0 0 R 1 0,28 2,79 L m 10 2 0 0 2 0,49 4,83 300 3 0,63 6,22 4 0 0 4 0,70 6,90 500 5 0,76 7,48 600 6 0,76 7,47 15 700 7 0,72 7,10 80 0 8 0,64 6,32 90 0 .9 0,48 4,80 10 0 0 10 0,28 2,77 11 0 0 20 R 1 4,20 2,79 R 1 1,42 10,06

c I

2 3,06 2,03 2 1,42 8,03 3 2,13 1,41 3 1,41 6,57 4 1,34 0,89 4 1,42 5,91 25 5 0,65 0,44 5 1,42 5,64 600 6 1,41 5,66 7 -0,65 -0,44 7 1,42 5,92 8 -1,35 -0,90 8 1,43 6,66 9 -2,14 -1,42 9 1,42 7,96 30 10 -3,07 -2,03 10 1,42 9,92 11 -4,21 -2,81

Na het beschrijven van de uitvinding wordt datgene, waarvoor bescherming wordt gevraagd, omschreven door de volgende conclusies.

8006445

Claims (12)

1. Elektrochemische inrichting, gekenmerkt door althans een gemeenschappelijk verdeelstuk, verder door een aantal cellen, welke cellen voor een fluïdumstroming door bijbehorende kanalen in verbinding staan met het gemeenschappelijke verdeelstuk, door een gemeen- 5 schappelijke elektrolyt voor de cellen,welke elektrolyt is aange bracht in het gemeenschappelijke verdeelstuk en de kanalen en een elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan verschaft rond de cellen, waardoor ongewenste shuntstromen kunnen ontstaan, door althans een tunnel, die elk der bijbehorende kanalen snijdt en ver- 10 bindt, welke tunnel is voorzien van een bepaalde elektrische weer stand zoals tussen de bijbehorende kanalen, welke weerstand toeneemt naar een middengedeelte van de tunnel voor het in hoofdzaak opheffen van een spanningsverschil tussen elk der cellen en hun bijbehorende tunnel- en kanaalsnijpunten wanneer een beveiligings- 15 stroom in de tunnel wordt geleid voor het verschaffen van een doel treffend verminderen, van de shuntstromen, en door middelen voor het in de tunnel leiden van een beveiligingsstroom.

2. Elektrochemische inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het gemeenschappelijke verdeelstuk een bepaalde elektri- 20 sche weerstand heeft daarlangs, welke weerstand naar een middenge deelte afneemt.

3. Elektrochemische inrichting volgens conclusies 1 en 2, met hét kenmerk, dat de tunnel de gemeenschappelijke elektrolyt bevat en toeloopt naar een middengedeelte voor het verschaffen van de 25 toeneming in weerstand in de tunnel.

4. Elektrochemische inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tunnel een niet-elektrolytisch, weerstandssegment bevat, dat tussen elk bijbehorend kanaal is aangebracht.

5. Elektrochemische inrichting volgens een der voorgaande con clusies, met het kenmerk, dat de cellen althans ten dele elektrisch in serie zijn verbonden. 8006445 - 46 -

6. Elektrochemische inrichting* gekenmerkt door een aantal, althans ten dele in serie verbonden cellen, verder door afzonderlijke inlaatkanalen, verbonden met althans twee van de in serie verbonden cellen, door een gemeenschappelijk verdeelstuk, verbonden met de 5 afzonderlijke inlaatkanalen, door elektrolyttunnels, die de afzon derlijke inlaatkanalen met elkaar verbinden, door een elektrolyt, die wordt toegevoerd aan althans twee van de cellen als een gedeelde elektrolyt vanuit het gemeenschappelijke verdeelstuk via de afzonderlijke inlaatkanalen, waardoor een elektrische elektrolytisch 10 geleidende omloopbaan wordt geschapen rond deze cellen en door de gedeelde elektrolyt, waardoor ongewenste shuntstromen kunnen ontstaan, en door middelen voor het aanleggen van een beveiligings-stroom door althans een deel van de elektrolyttunnels en dus door de gedeelde elektrolyt, welke beveiligingsstroom een grootte heeft, 15 die de shuntstromen althans doeltreffend vermindert.

7. Inrichting volgens conclusie 6, gekenmerkt door afzonderlijke uitlaatkanalen, verbonden met althans twee van de in serie ver- bonden cellen, verder door een gemeenschappelijk verdeelstuk, verbonden met de afzonderlijke uitlaatkanalen, door elektrolyttunnels, 20 die de afzonderlijke uitlaatkanalen met elkaar verbinden, en door middelen voor het aanleggen van een beveiligingsstroom door althans een deel van de elektrolyttunnels, die de afzonderlijke uitlaatkanalen met elkaar verbinden, welke beveiligingsstroom een grootte heeft, die de shuntstromen doelmatig althans vermindert.

8. Elektrochemische inrichting, gekenmerkt door een aantal, al thans ten dele in serie verbonden cellen, verder door afzonderlijke uitlaatkanalen, verbonden met althans twee van de in serie verbonden cellen, door een gemeenschappelijk verdeelstuk, verbonden met de afzonderlijke uitlaatkanalen, door elektrolyttunnels, die de af-30 zonderlijke uitlaatkanalen met elkaar verbinden, door een elektro lyt, die wordt verwijderd uit althans twee van de cellen als een gedeelde elektrolyt vanuit het gemeenschappelijke verdeelstuk via de afzonderlijke uitlaatkanalen, waardoor een elektrische elektroly-tisch geleidende omloopbaan wordt geschapen rond deze cellen en 35 door de gedeelde elektrolyt, waardoor ongewenste shuntstromen kun- 8006445 \ - 47 - nen ontstaan, en door middelen voor het aanleggen van een beveili-gingsstroom door althans een deel van de elektrolyttunnels en dus door de gedeelde elektrolyt, welke beveiligingsstroom een grootte heeft, die de shuntstromen doelmatig althans vermindert.

9. Werkwijze voor het tot een minimum beperken van shuntstro men in een elektrochemische inrichting, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van een aantal, althans ten dele in serie verbonden cellen, en van een elektrolyt, die wordt toegevoerd aan althans twee van de cellen als een gedeelde elektrolyt vanuit een ge-10 meenschappelijk verdeelstuk via afzonderlijke inlaatkanalen, waar door een elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan wordt geschapen rond deze cellen en door de gedeelde elektrolyt, welke baan gewoonlijk ongewenste shuntstromen tot gevolg heeft, waarbij elektrolyttunnels worden verschaft, die de afzonderlijke inlaatkanalen 15 verbinden, en een beveiligingsstroom wordt aangelegd door de elek trolyttunnels en dus door de gedeelde elektrolyt, welke beveili-gingsstraom een grootte heeft, die de shuntstromen doelmatig althans vermindert.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de in-20 richting tevens afzonderlijke uitlaatkanalen bevat en een gemeen schappelijk verdeelstuk, door welk verdeelstuk de elektrolyt wordt verwijderd uit de cellen, waarbij elektrolyttunnels worden verschaft die de afzonderlijke uitlaatkanalen verbinden, en een beveiligingsstroom wordt aangelegd door deze elektrolyttunnels.

11. Werkwijze voor het tot een minimum beperken van shuntstromen in een elektrochemische inrichting, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van een aantal, althans ten dele in serie verbonden cellen, én van een elektrolyt, die uit althans twee van de cellen wordt verwijderd als een gedeelde elektrolyt uit een gemeen-30 schappelijk verdeelstuk via afzonderlijke uitlaatkanalen, waardoor een elektrische elektrolytisch geleidende omloopbaan wordt geschapen rond deze cellen en door de gedeelde elektrolyt, waardoor ongewenste shuntstromen kunnen ontstaan, waarbij elektrolyttunnels worden verschaft die de afzonderlijke uitlaatkanalen verbinden, en 35 een beveiligingsstroom wordt aangelegd door de elektrolyttunnels en 8006445 , . - 48 - dus door de gedeelde elektrolyt, welke beveiligingsstroom een grootte heeft, die de shuntstromen doelmatig althans vermindert.

12. Elektrochemische inrichting in hoofdzaak zoals hiervoor beschreven aan de hand van de tekening. 8006445