DE3631740A1 - Zellenanordnung fuer akkumulatoren mit einem gemeinsamen umpumpsystem fuer den elektrolyten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellenanordnung für Akkumulato­ ren mit einer Mehrzahl von Zellen, die an ein gemeinsames Umpumpsystem angeschlossen sind, in dem portionsweise ab­ wechselnd Elektrolyt und eine nichtleitende Flüssigkeit in einer Eingangsleitung für die Zellen transportiert werden, wobei die nichtleitende Flüssigkeit ein geringeres spezifi­ sches Gewicht als der Elektrolyt aufweist, in jeder Zelle die Eingangsleitung oberhalb von in der Zelle enthaltenen Elektrodenende und eine Ausgangsleitung beide aus der Zel­ le herausgedrückte Flüssigkeiten wieder aufnimmt, insbeson­ dere gemäß Hauptpatent 35 32 696.

Das Hauptpatent offenbart ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Umpumpen von Elektrolyt in mehrere Akkumulator­ zellen, um damit einen gleichmäßigen Elektrolytzustand wäh­ rend des Betriebs des Akkumulators zu gewährleisten.

Zur Vermeidung des Aufwands für ein separates Umpumpen des Elektrolyten für jede Akkumulatorzelle soll der Elektrolyt für alle Zellen gemeinsam umgepumpt werden. Da sich die Zellen - je nach Schaltungsart - auf verschiedenem Potential befinden, kommt es ohne weitere Maßnahmen dabei zu Kurz­ schlußströmen, die den Akkumulator funktionsuntüchtig machen.

Gemäß dem Hauptpatent ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem der Elektrolyt in kleinen Portionen abwechselnd mit einer nichtleitenden Flüssigkeit umgepumpt wird, deren spe­ zifisches Gewicht geringer als das des Elektrolyten ist. Da­ bei gelangen beide Flüssigkeiten sowohl in die Zellen als auch in den Vorratsbehälter. Die nichtleitende Flüssigkeit würde die Funktion der Akkumulatorzellen stören, wenn nicht die nichtleitende Flüssigkeit ein geringeres spezifisches Gewicht aufwiese als der Elektrolyt. Dadurch kann gewährlei­ stet werden, daß in die Zellen eine automatische Trennung der beiden Flüssigkeiten einsetzt und die nichtleitende Flüssigkeit oberhalb der aktiven Elektroden schwimmt und da­ her mit den Elektroden nicht in Berührung kommt. Diese Tren­ nung der nichtleitenden Flüssigkeit von dem Elektrolyten in der Zelle Zelle so, daß mit den aktiven Elektroden nur der Elektrolyt in Berührung kommt, ist für dieses Verfahren we­ sentlich.

Die nichtleitende Flüssigkeit wird dabei vorzugsweise durch ein Öl gebildet, daß eine stärkere benetzende Eigenschaft hat als die Elektrolytflüssigkeit, so daß in den Leitungen das Öl praktisch vollständig die Leitungswandungen benetzt und die Elektrolytflüssigkeit abgeschlossene Blasen in dem Öl bildet. Bei dieser Konstellation kann das Öl und die Elektrolytflüssigkeit, beispielsweise Schwefelsäure, in ei­ nem gemeinsamen Rohrsystem gemeinsam abgeleitet werden. Da­ bei bilden sich die Elektrolytblasen in der Ölflüssigkeit aufgrund der sich einstellenden Grenzflächenspannungen au­ tomatisch aus, so daß die Portionierung der Elektrolytflüs­ sigkeit auf dem Rückweg von der Zelle in den Vorratsbehäl­ ter selbsttätig einsetzt.

Die Ausbildung der Elektrolyttropfen in der Ölflüssigkeit bietet den Vorteil, daß eine vollständige Unterbindung des Kurzschlußstromes - anders als bei Gasblasen in der Elektro­ lytflüssigkeit - möglich ist, weil die Elektrolytblasen vollständig voneinander isoliert sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Durchführung des Verfahrens gemäß dem Hauptpatent besonders geeignete Anordnung innerhalb einer Zelle zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und die Trennung der beiden Flüssigkeiten sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Zellenanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Zelle ei­ nen Zwischenboden aufweist, der unterhalb der Eingangslei­ tung geschlossen ist, in nach oben gerichtete Mantelwände eines zylindrischen Durchgangskanals übergeht und auf ei­ ner von der Eingangsleitung entfernten Stelle nach unten offen ist, wobei zwischen den Mantelwänden und dem Deckel des Zellengehäuses ein Zwischenraum vorhanden ist und in den Durchgangskanal ein Ausgangsrohr ragt, das oberhalb des Zwischenbodens endet.

Bei der erfindungsgemäßen Zellenanordnung wird der Säure­ pegel etwas oberhalb des Zwischenbodens ausgebildet. Das Flüssigkeitengemisch gelangt oberhalb des nach unten ge­ schlossenen Zwischenbodens in die Zelle und muß auf dem Zwischenboden schwimmend einen gewissen Weg zurücklegen, um den nach unten offenen Teil zu erreichen. Dabei wird die Trennung der beiden Flüssigkeiten sicher durchgeführt, so daß keine Öltröpfchen in den Bereich der Elektroden gelangen. Zum Austritt ragt die Ausgangsleitung in den Durchgangska­ nal. Durch die Ausgangsleitung wird dabei sowohl Elektrolyt als auch die nichtleitende Flüssigkeit herausgedrückt. Die nichtleitende Flüssigkeit gelangt in den Durchlaufkanal über den Zwischen­ raum zwischen den Mantelwänden des Durchgangskanals und dem Deckel des Zellengehäuses, so daß die Mantelwände als Über­ lauf fungieren. Dadurch ist es nicht erforderlich, in den Bodenbereich der Zelle eine Absaugleitung nur für den Elek­ trolyten zu führen und im oberen Bereich der Zelle eine Ab­ saugleitung nur für die nichtleitende Flüssigkeit enden zu lassen.

Die Erfindung bietet daher den wesentlichen Vorteil, daß konventionelle Akkumulatoren nachrüstbar sind, indem die Leitungsanordnung und ggf. auch die Mantelwände sowie der Zwischenboden als Teile eines Stopfens ausgebildet sind, der auf die Einfüllöffnung der betreffenden Zelle gesetzt wird.

Vorzugsweise geht der Zwischenboden im Bereich seiner Öff­ nung in eine auf die Oberkante der Elektroden ragende Ab­ trennwand über. Dadurch wird sichergestellt, daß sich für den Säurekreislauf kein Kurzschluß zwischen der Öffnung des Zwischenbodens und dem in den Durchgangskanal ragenden Ab­ saugrohr ausbildet, sondern daß die frisch eingefüllte Säure durch die Elektroden strömt und erst anschließend wie­ der abgesaugt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ragt das Ausgangsrohr mit seinem oberen Ende in eine Tropfenkammer, aus der eine Ausgangsleitung, die kurz über dem Boden der Tropfenkammer endet, herausführt. In dem Ausgangsrohr entsteht ein strang­ förmig strömendes Gemisch das in einem kurzen Ausgangsrohr noch nicht sicher die gewünschte Ausbildung der Elektrolyt­ blasen in einem Ölstrang gewährleistet. Durch die vor die Ausgangsleitung geschaltete Tropfenkammer beruhigen sich die Flüssigkeiten etwas, so daß sich größere Tropfen aus­ bilden, die in der Ausgangsleitung automatisch die gewünsch­ te Schichtung von nichtleitender Flüssigkeit und Elektrolyt bewirken.

Die Tropfenkammer ist dabei vorzugsweise als Stopfen für die Einfüllöffnung der Zelle ausgebildet, also ggf. in den die wesentlichen Teile der Anordnung haltenden Stopfen inte­ griert.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Elektrolyt- Umpumpsystems, bei dem in den Leitungen Elek­ trolyt und Öl geschichtet umgepumpt wird

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Zellenanordnung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 soll zunächst ein Ausführungs­ beispiel für ein Umpumpsystem erläutert werden.

In einem Vorratsbehälter 1 befindet sich eine den Elektro­ lyten bildende Säure 2. Auf ihr schwimmt eine Schicht aus Öl 2′, das den elektrischen Strom nicht leitet. Eine im Gegentakt arbeitende Doppelmembranpumpe 16 weist zwei An­ saugleitungen 17, 18 auf, von denen die Ansaugleitung 17 in den Bereich der Säure 2 und die andere Ansaugleitung 18 in den Bereich der Ölschicht 2′ des Vorratsbehälters 1 mündet. Die beiden Ausgangsleitungen 19, 20 der Doppelmembranpumpe 16 vereinigen sich zu der Zuführungsleitung 7, in der somit Säure 2 und Öl 2′ geschichtet transportiert werden. Da das Öl die Wandung der Zuführungsleitung 7 besser benetzt als die Säure, entstehen Säureblasen 21, die rundherum von Öl eingeschlossen sind und somit keine leitende Verbindung untereinander herstellen können. Die Zeichnung zeigt in ei­ ner vergrößerten Darstellung schematisch die Schichtung der Säureblasen 21 in einer Ölsäule innerhalb der Zuführungs­ leitung 7. Mit der Zuführungsleitung 7 sind für jede Akku­ mulatorzelle 3 Einlaßleitungen 22 verbunden. Das Säure-Öl- Gemisch aus der Zuführungsleitung 7 gelangt so in Akkumula­ torzellen 3 und trennt sich aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Gewichte, so daß die Säure 2 die Akkumulator­ zelle 3 von unten her füllt und nach oben mit einer Schicht 2′ abgeschlossen ist. Das Ende der Einlaßleitung 22 befindet sich innerhalb der Ölschicht, so daß die Trennung von Säure und Öl innerhalb der Ölschicht geschieht und die Säure 2 von Öltröpfchen freigehalten wird.

Mit der gemeinsamen Rücklaufleitung 10 sind für jede Akkumu­ latorzelle 13 Ausgangsleitungen 26 verbunden. Durch das ein­ gepumpte Öl-Säure-Gemisch wird aus der Akkumulatorzelle 3 Öl 2′ und Säure 2 in die gemeinsame Ausgangsleitung 10 durch die Ausgangsleitungen 26 herausgedrückt. Die gemeinsame Rücklaufleitung 10 endet im Vorratsbehälter 1 innerhalb der Schicht aus Öl 2′ mit mehreren Auslaßöffnungen 27.

Das Säure-Öl-Verhältnis innerhalb der Akkumulatorzellen 3 wird so eingestellt, daß die Akkumulatorplatten vollständig in Säure 2 eintauchen und das Öl 2′ deutlich oberhalb der Akkumulatorplatten schwimmt, um ein Verschmutzen der Akku­ mulatorplatten mit Öltröpfchen zu verhindern. Entsprechend dem gewünschten Füllungsverhältnis jeder Akkumulatorzelle 3 mit Säure 2 und Öl 2′ wird durch die Doppelmembranpumpe 16 Öl 2′ und Säure 2 in dem gewünschten Verhältnis, abgestimmt auf die Viskosität und Dichteunterschiede zwischen der Säure 2 und dem gewählten Öl 2′ in die Zuführungsleitung 7 ge­ drückt.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung innerhalb einer Akku­ mulatorzelle 3 sichert die gewünschte Funktion mit einem sehr einfachen Aufbau.

Die Akkumulatorzelle 3 besteht aus einem Gehäuse 28, das an seiner Oberseite mit einem Deckel 29 abgeschlossen ist. Der Deckel 29 weist eine übliche Einfüllöffnung 30 auf, die bei konventionellen Akkumulatoren zur Einfüllung von Elektrolyt­ säure 2 dient. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einfüllöffnung 30 mit einem Stopfen 31 verschlossen, der in die Einfüllöffnung 30 mit einem O-Ring 32 abgedichtet ein­ gesetzt ist. In das Gehäuse 28 der Akkumulatorzelle 3 sind abwechselnd positive und negative Elektroden 33 eingesetzt, die - wie üblich - zwischen ihren oberen Enden und dem Dek­ kel 29 einen gewissen Zwischenraum belassen. Durch den Stopfen 31 ist ein mit der Einlaßleitung 22 verbundenes Ein­ laßrohr 34 hindurchgeführt. Das Einlaßrohr endet mit einem geringen Abstand über einem Zwischenboden 35, der einen Durchtritt des über das Einlaßrohr 34 zugeführten Öl-Säure- Gemisches zu den Elektroden 33 zunächst verhindert. Der Zwischenboden ist mit Abstand oberhalb der oberen Enden der Elektroden 33 angeordnet und in dem Bereich unterhalb des Einlaßrohres 34 flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse 28 abge­ schlossen. Der Zwischenboden 35 geht unterhalb des Stopfens 31 in zylindrische, vertikal stehende Mantelwände 36 über, die einen Durchgangskanal 37 begrenzen. Auf der dem Einlaß­ rohr 34 gegenüberliegenden Seite des Durchlaßkanals ist der Zwischenboden 35 nach unten offen ausgebildet und geht in eine vertikale Abtrennwand 38 über, die bis auf die Oberkan­ te der Elektroden 33 ragt.

In den durch die Mantelwandungen 36 gebildeten Durchgangs­ kanal 37 ragt ein Ausgangsrohr 39, dessen unteres Ende etwas oberhalb des Zwischenbodens 35 endet. Das Ausgangsrohr 39 ist durch einen den Deckel 29 etwa fortsetzenden Boden 40 des Stopfens 31 hindurchgeführt und endet im oberen Bereich einer durch den Stopfen 31 und den Boden 40 begrenzten Tropfenkammer 41. In die Tropfenkammer ragt ein Anschluß­ stück 42, das mit der Ausgangsleitung 26 verbunden ist. Das Anschlußstück ist unten offen und endet etwas oberhalb des Bodens 40. Das obere Ende des Ausgangsrohres 39 kann in sich abgeschlossen sein oder gegen die Wandung des Stopfens 31 an­ liegen. Der Austritt von Flüssigkeit geschieht über in die Rohrwandung eingebrachte Öffnungen 43 am oberen Ende des Ausgangsrohres 39.

Sowohl das Ausgangsrohr 39 als auch das Anschlußstück 42 weisen kleine Entlüftungsöffnungen 44 auf, durch die ggf. entstandenes Gas aus dem Flüssigkeitskreislauf entweichen kann.

Die Mantelwände 36 enden mit ihrem oberen Rand mit Abstand von dem Deckel 29 und bilden somit einen Überlauf.

Die Funktion der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist wie folgt:

Über die Einlaßleitung 22 gelangt durch das Anschlußstück 34 die beschichtete Öl-Säure-Säule in den oberen Bereich der Akkumulatorzelle 3 oberhalb des Zwischenbodens 35. Die beiden Phasen des Gemisches kommen in diesem Bereich zur Ruhe und trennen sich in Öl 2′ und Säure 2. Durch die jen­ seits des Durchgangskanals 37 befindliche Öffnung im Zwi­ schenboden 35 gelangt die Säure in den Bereich der durch die Akkumulatorplatten gebildeten Elektroden 33. Dabei ver­ hindert die Abtrennwand 38 die Ausbildung einer Kurzschluß­ strömung für die Säure zum Ausgangsrohr 39. Durch die kon­ tinuierlich eingepumpte 2-Phasen-Flüssigkeit steigt sowohl der Säurepegel 45 als auch der Ölstand an. Das Öl 2′ ge­ langt über die obere Kante der Mantelwandungen 36 in den Durchgangskanal 37 und wird mit der in den Durchgangskanal 37 aufsteigenden Säure 2 in das Ausgangsrohr 39 gepreßt. Über die Öffnungen 43 gelangt das Öl 2′ und die Säure 2 in die Tropfenkammer 41, wo beide Flüssigkeiten für eine ge­ wisse Zeit zur Ruhe kommen und Tropfen ausbilden, die über das Anschlußstück 42 der Ausgangsleitung 26 in diese gelan­ gen und aufgrund der ausgebildeten Tropfen automatisch die gewünschte Schichtung von Öl und Säure bewirken.

Der Stopfen 31 kann zwanglos mit den Anschlußstücken 34 und 42 sowie mit dem Ausgangsrohr 39 als in die Einfüllöffnung 30 einsteckbare Einheit ausgebildet werden. In die Akkumula­ torzelle muß dann lediglich der Zwischenboden 35 mit den Mantelwänden 36 und der Abtrennwand 38 eingesetzt werden, um die Akkumulatorzelle 3 für das erfindungsgemäße Umpumpen einer geschichteten Öl-Säure-Säule auszubilden. Der an der Akkumulatorzelle 3 erforderliche Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher außerordentlich gering.

Claims (6)

1. Zellenanordnung für Akkumulatoren mit einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen (3), die an ein gemeinsames Umpumpsystem angeschlossen sind, in dem portionsweise abwechselnd Elek­ trolyt (2) und eine nichtleitende Flüssigkeit (2′) in ei­ ner Eingangsleitung (22) für die Zellen (3) transportiert werden, wobei die nichtleitende Flüssigkeit (2′) ein ge­ ringeres spezifisches Gewicht als der Elektrolyt (2) auf­ weist, in jeder Zelle die Eingangsleitung (22) oberhalb von in der Zelle (3) enthaltenen Elektroden (33) endet und eine Ausgangsleitung (26) beide aus der Zelle (3) herausgedrückte Flüssigkeiten (2, 2′) wieder aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (3) einen Zwischen­ boden (35) aufweist, der unterhalb der Eingangsleitung (22, 34) geschlossen ist, in nach oben gerichtete Mantel­ wände (36) eines zylindrischen Durchgangskanals (37) übergeht und auf einer von der Eingangsleitung (22, 34) entfernten Stelle nach unten offen ist, wobei zwischen den Mantelwänden (36) und dem Deckel (29) des Zellenge­ häuses (28) ein Zwischenraum vorhanden ist und in den Durchgangskanal (37) ein Ausgangsrohr (39) ragt, das ober­ halb des Zwischenbodens (35) endet.

2. Zellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenboden (35) im Bereich seiner Öffnung in eine auf die Oberkante der Elektroden (33) ragende Ab­ trennwand (38) übergeht.

3. Zellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangsrohr (39) mit seinem oberen Ende in eine Tropfenkammer (41) ragt, aus der eine Aus­ gangsleitung (26, 42), die kurz über dem Boden (40) der Tropfenkammer (41) endet, herausführt.

4. Zellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangsleitung (22, 34) und Ausgangs­ leitung (26, 42, 39) in einem eine Einfüllöffnung (30) der Akkumulatorzelle (3) verschließenden Stopfen (31) gehal­ ten sind.

5. Zellenanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tropfenkammer (41) in den Stopfen (31) integriert ist.

6. Zellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsrohr (39) im oberen Be­ reich der Tropfenkammer (41) Auslaßöffnungen (43) in der Mantelwandung des Rohres aufweist.