WO2013123929A1

WO2013123929A1 - Flüssigelektrolytbatterie mit durchmischungsvorrichtung

Info

Publication number: WO2013123929A1
Application number: PCT/DE2013/000093
Authority: WO
Inventors: Charles Robert SULLIVAN; Steffen Tschirch
Original assignee: Iq Power Licensing Ag
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, die vorzugsweise in Fahrzeugen oder auch Booten einsetzbar ist. Ein besonderes Problem bei Blei-Säure-Batterien sind Inhomogenitäten des Elektrolyten. Um diesen Mangel zu beheben, sind Batterien mit Durchmischungsvorrichtungen entwickelt worden. Es wird eine Flüssigelektrolytbatterie bereitgestellt, welche eine besonders effiziente Elektrolytdurchmischungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen aufweist: eine im Batteriekasten (1) senkrecht angeordnete Kanalplatte (4), eine im Batteriekasten (1) waagrecht angeordnete Ablaufplatte (5), wobei der über die Ablaufplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4) eine Dicke von 0,08 mm bis 0,8 mm aufweist.

Description

Flüssigelektrolytbatterie mit Durchmischungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, die vorzugsweise in Fahrzeugen oder auch in Booten einsetzbar ist. Auch wenn die Erfindung vorzugsweise in Bezug auf Blei-Säure-Batterien beschrieben wird, kann diese für jede Art Flüssigelektrolytbatterien angewendet werden. Nachfolgend wird der Begriff Elektrolyt somit für alle Arten von Flüssigelektrolyten verwendet.

Das Bestreben insbesondere der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der Energie zum Starten des Fahrzeugs auch Energie zum Betätigen zusätzlicher Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird. Ferner ist es wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebensdauer der Batterie möglichst auf einem konstanten hohen Niveau zu halten.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie zu erhöhen. Unter Leistung wird nachfolgend die Fähigkeit der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden.

Ein besonderes Problem bei Flüssigelektrolyt-Batterien ist die möglichst vollständige Nutzung der Elektrodenfläche. Ist in einem Bereich der Elektrodenoberfläche die Säurekonzentration zu hoch, führt das zu Korrosion der Elektroden und letztlich zur Zersetzung der Elektrodenplatten. Ist die Säurekonzentration zu niedrig, fehlen die für ein optimales Arbeiten der Batterie erforderlichen elektrochemi- sehen Eigenschaften. Aufgrund verschiedener, aus dem Stand der Technik bekannter Effekte ist innerhalb einer Batterie die Säuredichte ungleichmäßig. Um diesen Mangel zu beheben, sind Vorrichtungen zur Elektrolytdurchmischung entwickelt worden.

In dem Dokument DE U1 9114909 ist eine Akkumulatorenbatterie offenbart, bei der durch Einleiten von Gas aus einer Druckgasquelle eine Elektrolytumwälzung erzwungen wird. Dieses Umwälzverfahren eignet sich wegen des komplizierten Aufbaus der Umwälzvorrichtung nur beschränkt für Fahrzeugbatterien, zumal zusätzlich noch eine Druckgasquelle erforderlich ist.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Elektrolytdurchmischungsvorrichtun- gen bekannt, welche die wechselnde Beschleunigung des Fahrzeugs ausnutzen. Wenn ein Fahrzeug sich mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit bewegt, d.h. weder abgebremst noch beschleunigt wird, ist der Pegel des flüssigen Elektrolyten in der im Fahrzeug eingesetzten Batterie eben und horizontal ausgerichtet.. Bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang schwappt der Elektrolyt aufgrund der Massenträgheit hin und her. Die dabei entstehenden Elektrolytströmungen werden durch Barrieren und Kanäle so gelenkt, dass eine möglichst gute Durchmischung des Elektrolyten erreicht wird.

Dieses Prinzip ist u. a. in den Dokumenten US 4,963,444, US 5,096,787, US 5,032,476 und speziell in dem Dokument WO 99/19923 beschrieben, welches den nächstliegenden Stand der Technik bildet. Der Gegenstand des nächstliegenden Standes der Technik ist eine zwischen den Elektroden und der Batteriekastenwand angeordnete winkelförmige Durchmischungsvorrichtung mit einer senkrechten Kanalplatte und einer waagerechten Ablaufplatte.

Das Hauptproblem bei diesem Durchmischungsprinzip besteht darin, dass die Beschleunigung, die auf die Batterie wirkt, von der Fahrweise des Fahrzeugs abhängig ist. Wenn sich das Fahrzeug ständig mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit bewegen würde, wäre die Beschleunigung gleich Null, und es würde keine Durchmischung auftreten. Insofern ist die Durchmischungsvorrichtung so zu konstruieren und zu verbessern, dass bei Beschleunigungen in unter- schiedlichen und ständig wechselnden Stärken und Richtungen die Durchmischung möglichst effektiv ist, d. h., dass ein möglichst großes Säurevolumen umgewälzt wird. Dazu muss bewirkt werden, dass ein möglichst großer Anteil des Säurevolumens in den Durchmischungskreislauf einbezogen wird, d. h., es muss möglichst viel Elektrolyt bis zu der waagerechten Platte der Durchmischungsvorrichtung gelangen. Wenn ein vorbestimmtes Elektrolytvolumen bereits auf der waagerechten Platte angelangt ist, muss dafür gesorgt werden, dass dieses nicht wieder in den senkrechten Strömungskanal zurück fließt. Dieses Zurückfließen kann dann eintreten, wenn die Beschleunigung des Fahrzeugs sich geändert hat und somit das Elektrolytvolumen in die falsche Richtung, d. h. in Richtung des Strömungskanals gedrängt wird. Es könnte erwogen werden, mithilfe eines Ventils ein Zurücklaufen der Säure zu verhindern. Ventile sind jedoch störanfällig und für diesen Anwendungsfall daher weniger geeignet. Ein weiterer Nachteil derartiger Ventile sind höhere Herstellungskosten, denn es muss für jede einzelne Batteriezelle wenigstens ein Ventil vorgesehen werden.

Somit besteht ein technischer Widerspruch darin, dass ohne Verwendung eines Ventils, wie in der WO 99/19923 beschrieben, ein Teil des übergeschwappten Elektrolyten wieder in den Strömungskanal zurückläuft und somit nicht zur Durchmischung beiträgt. Der Einsatz eines Ventils bewirkt jedoch die Gefahr einer Fehlfunktion. Da die Batterie ein geschlossenes Bauelement ist, kann diese Fehlfunktion nachträglich nicht festgestellt werden.

Es wurden weiterhin Versuche unternommen, das Rückschwappen bzw. Zurückfließen der Säure durch eine erhöhte Überlaufkante, wie in Figur 8 der WO 99/19923 gezeigt, zu verhindern. Auch hier gibt es einen technischen Widerspruch: Wenn die Überlaufkante zu hoch ist, reicht die kinetische Energie des im senkrechten Strömungskanal aufsteigenden Elektrolyten nicht aus, um über die Überlaufkante zu schwappen. Wenn die Überlaufkante zu niedrig ist, schwappt einerseits mehr Elektrolyt darüber, andererseits läuft aber auch mehr Elektrolyt wieder zurück in den senkrechten Strömungskanal.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad der Durchmischungsvorrichtung zu verbessern. Diese Aufgabe wird mittels einer Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 gelöst.

Die Flüssigelektrolytbatterie weist einen Batteriekasten, ein Elektrodenpaket, einen flüssigen Elektrolyten und eine Durchmischungsvorrichtung auf.

Die Durchmischungsvorrichtung weist folgende Merkmale auf: eine im Batteriekasten senkrecht angeordnete Kanalplatte, die mit der Innenfläche der zugeordneten Seitenwand einen Strömungskanal ausbildet, eine im Batteriekasten waagrecht angeordnete Ablaufplatte, wobei die Kanalplatte 2 mm bis 7 mm über die Ablaufplatte herausragt und der über die Ablaufplatte ragende Abschnitt der Kanalplatte eine Dicke von 0,08 mm bis 0,8 mm aufweist.

Wenn die Batterie mit dem Fahrzeug in die vorbestimmte Richtung beschleunigt wird, wirkt aufgrund der Massenträgheit des Elektrolyten eine Kraft entgegen der Beschleunigungsrichtung auf diesen, so dass in dem von der Kanalplatte und der entsprechenden Batterieseitenwand gebildeten senkrechten Strömungskanal eine bestimmte Elektrolytmenge nach oben gedrückt wird und über die Oberkante der Kanalplatte auf die waagrechte Ablaufplatte schwappt bzw. fließt.

Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass der über die Ablaufplatte ragende Abschnitt der Kanalplatte weniger Elektrolyt in den senkrechten Strömungskanal zurückschwappen lässt, wenn dieser bei gleicher Höhe oben nicht flächenförmig, sondern sehr dünn oder schneidenartig ausgebildet ist. Es wird vermutet, dass die spezifischen Flüssigkeitseigenschaften des Elektrolyten, wie Viskosität, Oberflächenspannung oder Kohäsionskräfte, diesen Effekt bewirken. Das heißt, dass die spezielle Form des über die Ablaufplatte ragenden Abschnitts der Kanalplatte ein Trennen der im Elektrolyt vorhandenen Kohäsionskräfte bewirkt und somit ein Zurückschwappen des auf der Ablaufplatte vorhandenen Elektrolytvolumens zurück in den Strömungskanal teilweise verhindert. Dieser Abtrenn-Effekt ist besonders effektiv, wenn sich die Oberkante unterhalb des Elektrolytpegels befindet. In diesem Fall schwebt die ausgetretene schwere Säure, deren Volumen noch durch Kohäsionskräfte zusammengehalten wird, in der dünneren Säure und hat daher die Tendenz, weitgehend vollständig in den Strömungskanal zurückzufließen, was jedoch durch die dünne schneidenartige Oberkante unterbunden wird.

Nach Anspruch 2 weist der über die Ablaufplatte ragend Abschnitt der Kanalplatte eine Dicke von 0,08 mm bis 0,12 mm auf. Dadurch wird eine noch bessere Trennwirkung erreicht.

Nach Anspruch 3 ist der über die Ablaufplatte ragende Abschnitt der Kanalplatte in einem Winkel von 10 bis 15 Grad nach innen geneigt. Durch diesen Neigungswinkel wird das Überschwappen der schweren Säure ermöglicht, aber auch die Trennwirkung verbessert und somit ein Zurückschwappen der schweren Säure effektiver verhindert.

Nach Anspruch 4 läuft der über die Ablaufplatte ragende Abschnitt der Kanalplatte von der Außenseite her nach oben spitz zu. Durch die schneidenartige Kante wird eine noch bessere Trennwirkung erreicht.

Nach Anspruch 5 ist der über die Ablaufplatte ragende Abschnitt der Kanalplatte nach innen gekrümmt und läuft spitz zu. Durch die Krümmung wird eine noch bessere Trennwirkung erreicht. Jedoch sind die Fertigungskosten für das Spritzgusswerkzeug sehr hoch.

Nach Anspruch 6 ist der über die Ablaufplatte ragende Abschnitt der Kanalplatte an seiner Oberseite gezahnt. Diese Verzahnung zeigt ebenfalls eine gute Trennwirkung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1a zeigt eine Längsschnittansicht einer Blei-Säure-Batterie mit einer

Durchmischungsvorrichtung.

Fig. 1 b die Draufsicht der Blei-Säure-Batterie nach Fig. 1a. Fig. 2a zeigt eine erste Ausführungsform der Überlaufkante der in Figur 1a dargestellten Batterie in vergrößertem Maßstab.

Fig. 2b zeigt eine zweite Ausführungsform der Überlaufkante der in Figur 1a dargestellten Batterie in vergrößertem Maßstab.

Fig. 2c zeigt eine dritte Ausführungsform der Überlaufkante der in Figur 1 a dargestellten Batterie in vergrößertem Maßstab.

Fig. 2d zeigt eine vierte Ausfuhrungsform der Überlaufkante der in Figur 1 a dargestellten Batterie in vergrößertem Maßstab.

Fig. 2e zeigt eine fünfte Ausführungsform der Überlaufkante der in Figur 1a dargestellten Batterie in vergrößertem Maßstab.

Fig. 3 zeigt die in Figur 1a dargestellte Längsschnittansicht einer Blei- Säure-Batterie, jedoch mit einem höheren Säurepegel.

Fig. 4 zeigt die in Figur 1a dargestellte Längsschnittansicht einer Blei- Säure-Batterie, jedoch mit einem noch höheren Säurepegel.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Batteriekasten.

Die Fig. 1a zeigt die Längsschnittansicht einer Zelle einer Flüssigelektroiytbatterie und die Fig. 1b die dazugehörige Draufsicht. Eine Fahrzeugbatterie hat im Allgemeinen 6 Batteriezellen, die in einem Batteriekasten zusammengefasst sind, wie Fig. 5 zeigt. Da die Batteriezellen gleich aufgebaut sind, reicht es aus, die Wirkung der Erfindung an einer einzelnen Batteriezelle zu erläutern.

In dem Gehäuse 1 der Batteriezeile sind Elektrodenplatten 2 senkrecht stehend angeordnet. Als Flüssigelektrolyt 3 dient in diesem Ausführungsbeispiel Schwefelsäure. Es wird vorausgesetzt, dass die Batterie in einem Fahrzeug eingebaut ist, vorzugsweise so, dass die Elektrodenplatten 2 sich in Fahrtrichtung erstrecken, die in diesem Beispiel in der Bildebene von links nach rechts verläuft. Die Fig. 1a und 1 b zeigen auf der rechten Seite des Gehäuses 1 außerdem eine winkelförmige Durchmischungsvorrichtung mit einer senkrechten Platte 4 und einer und einer im Bereich des Pegelstandes parallel zu diesem sich waagrecht erstreckende Platte 5 . Zwischen dem Gehäuse 1 und der senkrechten Platte 4 ist ein Strömungskanal 6 ausgebildet. Der Abschnitt 4a der senkrechten Platte 4 ist stark verjüngt und weist im Vergleich zu den Platten 4 und 5 nur eine Dicke D von 0,08 mm bis 0, 8 mm auf.

Beim Abbremsen des Fahrzeugs, angedeutet durch den Pfeil, wirkt eine Beschleunigungskraft auf den Elektrolyt 3, so dass ein bestimmtes Volumen davon im Strömungskanal 6 aufwärts gedrückt wird, über den Abschnitt 4a auf die waagrechte Platte 5 in Richtung Batteriemitte und über die Kante 5a in den Batteriekasten läuft. Dadurch vermischt sich der vom Batterieboden aufsteigende, eine größere Dichte aufweisende Elektrolyt mit dem im oberen Abschnitt der Batterie vorhandenen Elektrolyt, der eine geringere Dichte aufweist, sodass sich nach einer vorbestimmten Zeit die Säuredichte in allen Volumenabschnitten der Batteriezelle näherungsweise angeglichen hat.

Die Fig. 2a zeigt eine vergrößerte Darstellung des Abschnitts 4a. Die beiden Pfeile deuten an, wie durch die Wirkung des nach oben verjüngten Abschnitts 4a der schwere Elektrolyt durchtrennt wird, sodass ein Volumen 7 davon auf der waagerechten Platte 5 verbleibt und nicht in den Strömungskanal 6 zurückläuft. Die am Abschnitt 4a oben ausgebildete Klinge ist nur 0,1 mm dick.

Die Fig. 2b zeigt eine zweite Ausführungsform des Abschnitts 4a in vergrößerter Darstellung. Die beiden Pfeile deuten auch hier an, wie durch die Wirkung des nach oben verjüngten Abschnitts 4a der schwere Elektrolyt durchtrennt wird, sodass ein Volumen 7 davon auf der waagerechten Platte 5 verbleibt und nicht in den Strömungskanal 6 zurückläuft. Die am Abschnitt 4a oben ausgebildete Klinge ist ebenfalls nur 0,1 mm dick.

Durch den nach innen geneigten Abschnitt 4a kann geringfügig mehr Elektrolytvolumen 7 zurückgehalten werden. Die Fig. 2c zeigt eine dritte Ausführungsform des Abschnitts 4a in vergrößerter Darstellung, die dem Wirkungsgrad der zweiten Ausführungsform vergleichbar ist. Diese schneidenartige Ausführungsform lässt sich technologisch leichter herstellen als die zweite Ausführungsform.

Die Fig. 2d zeigt vierte Ausführungsform des Abschnitts 4a in vergrößerter Darstellung, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist als die vorhergehenden Ausführungsformen. Jedoch lässt sich diese gekrümmte schneidenartige Form des Abschnitts 4a technologisch schwieriger herstellen.

Die Fig. 2e zeigt eine fünfte Ausführungsform des Abschnitts 4a in vergrößerter Darstellung. Die Zähne oder Zacken bewirken ein gutes Durchtrennen des schweren Elektrolyten.

Die Fig. 3 zeigt, dass der Effekt des Abtrennens des aufgestiegenen schweren Elektrolyten auch dann noch eintritt, wenn der Elektrolytpegel 3a über der waagerechten Platte 5 steht oder sogar, wie in Fig. 4 gezeigt, über dem Abschnitt 4a steht.

Claims

Ansprüche

1. Flüssigelektrolytbatterie, welche aufweist:

- ein Batteriegehäuse (1),

- ein Elektrodenpaket (2),

- einen Elektrolyt (3) mit einem Elektrolytpegel (3a) und

- eine Durchmischungsvorrichtung,

wobei

die Durchmischungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist:

- eine im Batteriekasten (1) senkrecht angeordnete Kanalplatte (4),

- eine im Batteriekasten (1) waagrecht angeordnete Ablaufplatte (5),

wobei

- die Kanalplatte (4) über die Ablaufplatte (5) ragt und der über die Ablaufplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4)

- eine Dicke (D) von 0,08 mm bis 0,8 mm aufweist.

2. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , wobei der über die Kanalplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4) eine Dicke von 0,08 mm bis 0,12 mm aufweist.

3. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , wobei der über die Kanalplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4) in einem Winkel von 10 bis 15 Grad nach innen geneigt ist.

4. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , wobei der über die Kanalplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4) von der Außenseite her nach oben spitz zuläuft.

5. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , wobei der über die Kanalplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4) von der Außenseite her nach oben spitz ausläuft und nach innen gekrümmt ist.

6. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , wobei der über die Kanalplatte (5) ragende Abschnitt (4a) der Kanalplatte (4) an seiner Oberseite gezahnt ist.