DE1071173B

DE1071173B - Vorrichtung zur Regelung des Elektrolytspiegels in Elektrodenkammern von Akkumulatoren oder Batterien

Info

Publication number: DE1071173B
Application number: DENDAT1071173D
Authority: DE
Inventors: Great Neck N. Y. Frank Solomon (V. St. A.)
Original assignee: Yardney International Corp
Current assignee: Yardney International Corp
Priority date: 1955-12-27
Publication date: 1959-12-17
Also published as: BE553734A; FR1169589A; US2932681A

Description

»Μ

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES /MfäßSS. PATENTAMT

KL.21b 4/Θ2"

INTERNAT. KL. H Ol ΠΙ AUSLEGESCHRIFT 1071173

HOIM

2lit

Y 215 IVa/21b

ANMELDETAG: 11. JANUAR 1957

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 17. DEZEMBER 1959

Bei Akkumulatoren, insbesondere Säureakkumulatoren, ist es bekannt, aus einer außerhalb des Akkumulatorengehäuses befindlichen Vorratskammer, z. B. einer Flasche, Elektrolytflüssigkcit oder Wasser mittels eines Hebers oder einer Pumpe von Zeit zu Zeit gegebenenfalls automatisch nachzufüllen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Elektrolytspiegels in Elektrodenkammern von Akkumulatoren oder Batterien derjenigen bekannten Art, bei welcher die Elektroden der einen Polarität in Taschen od. dgl. halbdurchlässiger Scheider angeordnet sind, deren nach oben offene Mündungen über den Elektrolytspiegel in der Elcktrodenkammer vorragen. Bei diesen Akkumulatoren, z. B. Silber-Zink-Akkumulatoren und -Batterien, wird beim Laden an den negativen Elektroden Wasser frei und an den positiven Elektroden Wasser aufgebraucht, so daß ein immer größer werdender Unterschied im Spiegel des Elektrolyten auftritt, der zu einer Umpolung des Akkumulators durch ungenügende Benetzung der positiven Elektroden gegen Ende des Ladevorganges führen kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils und zur Regelung des Elektrolytspiegcls in derartigen Akkumulatoren oder Batterien ist erfindungsgemäß eine der Elektrodenkammer benachbarte, mit einem aufblasbaren Beutel versehene und teilweise mit Elektrolyt gefüllte Regelkammer vorgesehen, aus der nach Aufblasen des Beutels der Elektrolyt verdrängt und über die offenen Mündungen der Scheider in die Elektrodenkammer gefördert wird, von wo er während des Ladevorganges und bei erschlafftem Beutel in die Regclkammer zurückfließen kann. Die Regelkammer ist zweckmäßig seitlich der Elcktrodenkammer und zu ihr parallel angeordnet und zwischen beiden Kammern eine das Elektrodenpaket in der Elektrodcnkammer schützende Trennwand mit Durchlässen für Elektrolyt vorgesehen, die nach dem Aufblasen des Beutels verschlossen sind.

Es sind zwar bereits Akkumulatoren bekannt, deren Gehäuse durch eine als Schild wirkende Trennwand in zwei Kammern unterteilt sind, von denen die eine die Elektroden, die andere den Elektrolyten und einen aufblasbaren Beutel enthält. Es handelt sich jedoch hierbei um Akkumulatoren, bei welchen der in einer besonderen Kammer befindliche Elektrolyt durch Zerreißen einer Membran in die Elektrodcnkammer in dem Augenblick und nur ein einziges Mal eingelassen wird, wenn der trockene Akkumulator arbeitsfähig gemacht werden soll. Weder ist daher ein Zurückfließen des Elektrolyten noch eine Regulierung des Elektrolytspiegels möglich oder auch nur beabsichtigt.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an einem Ausführungsbcispiel. Es zeigt

Vorrichtung zur Regelung

des Elektrolytspiegels

in Elektrodenkammern von Akkumulatoren

oder Batterien

Anmelder:

Yardney International Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. P. Haertel, Patentanwalt,
Duisburg, Zieglerstr. 32

Frank Solomon, Great Neck, N. Y. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Akkumulator gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1.

Das dargestellte rechtwinklige Akkumulatorgehäuee a5 hat Seitenwände 10, 11, 12, 13, einen· Boden 14 und einen Deckel 15. Das Gehäuse besteht aus geeignetem nichtleitendem Material. In dem Gehäuse ist eine Anzahl rechteckiger Elektrodenplatten 18, 20 untergebracht. Die Platten 18 sind positive Elektroden und bestehen z. B. aus Silberoxyd. Die Platten 20 sind negative Elektroden und bestehen z. B. aus Zink. Mit den Elektrodenplatten sind Leiter 16 bzw. 17 verbunden. Die Leiter 16 enden in einem gemeinsamen positiven Battcriepol 16', die Leiter 17 in einem gemeinsamen negativen Pol 17'. Die Pole 16' und 17' sind im Deckel 15 des Gehäuses befestigt. Eine Entlüftungskammer 23 mit Entlüftungsventil 21 ist in der Deckelplatte 15 des Gehäuses vorgesehen. Das Entlüftungsventil 21 enthält einen federbeeinflußten Ventilkörper 22, welcher den Gasauslaß aus der Entlüftungskammer 23 zuläßt, aber den Gaseintritt in die Kammer von außen her sperrt.

Jede der positiven Elektroden 18 ist in eine Hülle 19 aus halbdurchlässigem Folienmterial gewickelt. Diese Umhüllung isoliert mechanisch jede positive Elektrode von der benachbarten negativen Elektrode. Da die Hüllen 19 halbdurchlässig sind und vom Elektrolyt E durchtränkt werden, kann dieser die umhüllten Elektroden benetzen.

Die als Scheider wirkenden Hüllen 19 ragen ein kurzes Stück über die Elektroden nach, oben vor und verhindern das Absetzen von Zinkkristallen auf ihnen, wodurch die Elektrodenplatten kurzgeschlossen werden könnten.

909 689/156

Das Schcidermatcrial ist rollenförmig gewickelt und die Rolle in U-Form gebogen, so daß jeder Schenkel des U eine positive .Elektrode 18 aufnehmen kann. Im oberen Rand jeder Elcktroderahiille sind Ausschnitte 37 vorgesehen. Ein gewellter, nichtleitender Abstandsstrcifcn 33 ist in der Mündung der Elekirodcnhüllcn 19 angeordnet und reicht mindestens bis zur oberen Hüllcnkantc. Dieser Streifen bildet Nuten l)zw. Kanäle, durch welche freie Elcktrolytfhissigkeit nach Passieren der Ausschnitte 37 in den von den l-lüllcnl9 umschlossenen jeweiligen Raum oberhalb der positiven Elektroden eintreten kann, wie durch Pfeile F_a angedeutet ist. Die negativen Elektroden 20 sind jeweils zwischen den positiven Elektroden 18 angeordnet und von ihnen durch die Hüllen 19 geschieden.

Das gesamte Elektroclcnpakct mit den Scheidern 19 sieht zwischen den Wänden 10, 11 des Gehäuses unter Druck. Dieser Druck entsteht durch Quellen der Scheider 19 in der Elcktrolytflüssigkcit.

Die Wände 10 und 11 des Gehäuses sind mit inneren Nuten 30, 30' versehen, in welche eine Trennwand 25 eingesetzt ist. Diese Trennwand reicht vom Boden 14 des Gehäuses bis zum oberen Rand der Scheiderhüllen 19 und hat von der Gehäusewand 13 einen Abstand T, so daß eine verhältnismäßig schmale, aber tiefe Kammer B gebildet wird. Auf der anderen Seite grenzt die Zwischenwand 25 das Akkumulatorgehäuse mit den Elektroden und Scheidern in den Wänden 10, 11, 12 ab. Die Zwischenwand 25 ist schwach V- oder U-förmig gebogen, so daß sie die Scheider 19 nicht berührt.

Γη der Kammer B ist eine Blase oder ein Beutel 26 angeordnet, welcher in Fig. t in schlaffem Zustand in gestrichelten Linien 26 eingezeichnet ist. Der Beutel endet in einem Hals 27, der durch einen Ring 28 geführt ist. Ein Rohr 35 mit Vcntilgriff 34 und Ventil 36 zur Zuführung von komprimiertem Gas aus einer nicht dargestellten Quelle S ist an den Hals des Beutels 26 angeschlossen.

Im allgemeinen enthüllt die Kammer B eine nur geringe Menge Elektrolytflüssigkeit, welche bei schlaffem Beutel 26 höchstens die Höhe H in Fig. 1 hat.

Zum Laden des Akkumulators bzw. der Batterie wird eine Ladestromqucllc 41 in Reihe mit einem Schalter 42 mit den Polen 16' und 17' verbunden. Während die Batterie geladen wird, steigt der Spiegel der Elcktrolytfliissigkcit in der Kammer B allmählich von der Marke/·/ bis zur Marke H' in Fig. 1 an, da die Elcktrolytflüssigkcit aus den von den Hüllen 19 der positiven Elektroden 18 umschlossenen Räumen in den Teil der Kammer A gelangt, in welchem die negativen Elektroden 20 dem freien Elektrolyten £ ausgesetzt sind. Der freie Elektrolyt im Gehäuse A dringt um die Kanton der Trennwand 25 in den Nuten 30, 30' und dadurch gebildete enge Kanäle P in die Kammer B ein. Es können natürlich auch am unteren Rand der Trennwand 25, also zwischen ihr und dem Gehäuseboden 14, Durchlässe für den Elektrolyten zum Eintritt in die Kammer B vorgesehen sein.

Wenn der Elektrolyt den Spiegel H' erreicht hat, was den fast vollständigen Abfluß der Elektrolytflüssigkeit von den oberhalb der positiven Elektroden in ihren Umhüllungen 19 befindlichen Räumen anzeigt, wird der Ladestrom von der JD-C-Ladestromquclle 41 durch öffnen des Schalters 42 ausgeschaltet und das Ventil 36 zum Einlassen von Gas in den schlaffen Beutel 26 geöffnet.

Der Punkt in dem Ladezyklus, an dem der Elektrolyt in der Kammer B den kritischen Spiegel H' erreicht hat, kann an einem wesentlichen Steigen der von einem an die Pole 16', 17' angelegten Voltmeter 40 angezeigten Spannung festgestellt werden. Ein anderes Anzeichen für die erforderliche Unterbrechung des Ladestromes und das Aufblasen des Beutels 26 zum Zurückdrücken des Elektrolyten aus Kammer B in Kammer A ist Gasentwicklung aus dem Entlüftungsventil 21, 22 in dem Gehäuscdcckel 15.

Wenn Gas durch Ventil 36 in den Beutel 26 in

ίο Pf eil richtung F eingelassen wird, wird der Beutel aufgeblasen, so daß dieser die Zwischenwand 25 am Boden und an den Seiten abdichtet. Der Elektrolyt strömt dabei über die Oberkante der Zwischenwand 25 in !Richtung der PfCiIeF₁ in den Gehäuseteil A zurück.

Der Elektrolyt steigt in dem Gehauseteil A und strömt dann über die Oberkante der Scheider 19 in die von ihnen gebildeten Taschen für die positiven Elektroden, wie durch Pfeile F„ angedeutet ist. Die gewellten Abstandsstreifen 33 in der oberen Mündung

ao jedes Scheiders 19 halten diese offen, so daß der Elektrolyt frei in die Kanäle G fließen kann. Wenn die gewellten Abstandsstreifen 33 nicht vorhanden wären, wurden sich die über die Elektroden 18 nach oben vorstehenden Teile der Scheider 19 schließen und den Zutritt des Elektrolyten zu den Elektroden verhindern bzw. sehr erschweren. Die Ausschnitte 37 in der Oberkante der Scheider 19 stellen sicher, daß der Elektrolyt ringsum zu allen Teilen der Elektroden fließt.
Der aufblasbare Beutel 26 bildet somit ein wirksames Mittel zur Förderung der jeweils erforderlichen Menge an Elektrolyt aus Kammer B in Kammer Λ. Nachdem der freie Elektrolyt von der Kammer ß in die Kammer A verdrängt worden ist, kann der Beutel 26 in den in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten schlaffen Zustand zurückkehren. Wenn der Beutel 26 durch Saugwirkung zusammenfällt, entsteht ein Druckabfall, der Gasblasen von den Scheidern abzieht. Das Abziehen von Gas aus Kammer A durch Erzeugung von Unterdruck in dieser Kammer hat günstige Wirkungen auf die Arbeitsweise der Batterie. Die Entfernung von Gas oder Gasblasen, die durch Unterdruck in Kammern A und B entweichen, vergrößert die dem Elektrolyten ausgesetzten Elektrodcnflächen und verringert den inneren Widerstand der Akkumulatorzellcn. Der Wirkungsgrad der elektrochemischen Reaktion zwischen Elektroden und Elektrolyt wird dadurch gesteigert.

Nach Zurückführen der Elektrolytflüssigkeit in die die positiven Elektroden umhüllenden Scheider kann das Laden der Batterie fortgesetzt werden.

Die Zurückführung des während des Ladens aus den Elektrodenhüllen 19 austretenden Elektrolyten durch den aufblasbaren Beutel 26 ist möglichst schon vorzunehmen, bevor eine sehr, große Menge des Elcktrolyten aus den Kiektrodcnhullcn abgezogen ist, um eine maximale Ladung der Batterie während des Ladezyklus zu erzielen. Es hat sich gezeigt, daß die elektrische Speicherkapazität von Batterien auf 200 bis 300% gesteigert werden kann, wenn erfindungs-

gemäß verfahren wird, der Elektrolyt also zirkuliert. Die Mittel, um das Zirkulieren des Elektrolyten zu ermöglichen, sind verhältnismäßig einfach und erfordern keine bewegten Teile. Der Beutel 26 kann gegebenenfalls mit dem Mund aufgeblasen werden, wenn

^5 man keine mechanischen Druckquellen, bzw. Pumpen verwenden will. Da die Erfindung insbesondere für Batterien bestimmt ist, bei denen die Elektroden und ihre Scheider unter Druck stehen, ist der aufblasbare Beutel in einer besonderen Kammer mit Zwischenwand 25 vorgesehen, die die Ausdehnung des Beutels

begrenzt und das unter Druck stehende Elektrodenpaket mit den zwischenliegendcn Scheidern zumal bei der dargestellten gebogenen besonderen Form nicht berührt.

Die Zwischenwand 25 und die Abstandsstreifen 33 bestehen zweckmäßig aus nichtleitendem Material, z. B. aus thermoplastischen Kunststoffen. Als geeignete Materialien kommen beispielsweise Phenolharze in Betracht, welche von alkalischen Elektrolyten, die •für Akkumulatoren der dargestellten Art meist benutzt werden, nicht angreifbar sind. Der Beutel 26 besteh^ aus flexiblem Material, z. B. aus Polyäthylen, welches ebenfalls von alkalischen Elektrolyten, z. B. aus einer konzentrierten wässerigen Lösung von Kaliumhydroxyd, nicht angegriffen wird.

In Batterien der angegebenen besonderen Art ist der Raum zur Unterbringung anderer Vorrichtungen zur Zirkulierung des Elektrolyten viel zu beschränkt. Die Erfindung erfordert für die dargestellte und beschriebene Vorrichtung einen nur sehr schmalen Raum und ist für Batterien jeder Höhe und Breite anwendbar. Die Zwischenwand 25 wirkt dabei wie ein Ventil, welches den Durchfluß des Elektrolyten in der einen Richtung, nämlich von Kammer A zur Kammer B, an den Seiten und am Boden zuläßt. Wenn der Beutel 26 aufgeblasen wird, sperrt er die Durchgänge P, so daß der Elektrolyt aus Kammer B nur über den oberen Rand der Zwischenwand 25 in Richtung der Pfeile F₁ in die Kammer A zurückfließen kann.

Die Abmessungen der Kammer B zu den Abmessungen der Elektrodenkammer A sind in Fig. i und 2 nur schematisch dargestellt. In der Praxis ist die Kammer B für den aufblasbaren Beutel äußerst lang und schmal im Verhältnis zur Elektrodenkammer A, damit sie geeignet ist, eine verhältnismäßig geringe Menge von Elektrolytflüssigkeit möglichst vollständig vom Kammerboden zum oberen Rand der Elektrodenhüllen 19 zu verdrängen bzw. zu fördern. Beispielsweise kann in einer Batterie mit einer Kammer A von 150·30-7,5 die Kammer B folgende Abmessungen haben: 150-1,2-7,5 cm, wobei die Höhe des Elektrolytspiegels in der Kammer B bei schlaffem Beutel nur 15 cm zu betragen braucht.

Das Innere des Beutels 26 dient als ausdehnbare Regelkammer, die durch eine bewegliche Wand (Beutelwand) von der Kammer A und Kammer B getrennt ist, wobei beide Kammern zusammen eine gemeinsame Kammer für die negativen Elektrodenplatten 20 bilden. Die Zwischenwand 25, welche die Kammer B von der Kammer A trennt, ist nur ein starrer Schild, um Kontakt des Beutels 26 mit dem Elektrodenpaket zu verhindern.

Am Ende des Ladevorganges, wenn die Elcktrolytflüssigkeit in der negativen Kammer den höchsten Stand erreicht, kann der Beutel 26 so wenig aufgeblasen bleiben, daß er gerade noch die direkte Verbindung zwischen Kammer B und Kammer A sperrt, wie oben beschrieben ist. Wenn der Flüssigkeitsstand in Kammer A bei Entladung fällt, kann ihr zusätzliehe Flüssigkeit von Kammer B durch weiteres Aufblasen des Beutels zugeführt werden.

Claims

PatentANSPBocHE:

1. Vorrichtung zur Regelung des Elektrolytspiegcls in Elektrodenkammern von Akkumulatoren oder Batterien, in denen Elektroden der einen Polarität in Taschen halbdurchlässiger, Scheider angeordnet sind, deren nach oben offene Mündungen über den Flüssigkeitsspiegel in der Elektrodenkammer vorragen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektrodenkammer (A) benachbarte, mit einem ausblasbaren Beutel (26) versehene und teilweise mit Elektrolyt gefüllte Regelkammer (B) angeordnet ist, aus der nach Aufblasen des Beutels der Elektrolyt verdrängt und über die offenen Mündungen der Scheider (19) in die Elektrodenkammcr gefördert wird, von wo er während des Ladevorganges und bei erschlafftem Beutel in die Kammer (B) zurückfließen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkammer (B) seitlich von der Elektrodenkammer (^i) und parallel zu dieser angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Elektrodenkammer (A) und Regelkammer (B) eine das Elektrodenpaket (18, 19, 20) in der Kammer (A) schützende Trennwand (25) mit Durchlässen für Elektrolyt vorgesehen ist, die nach Aufblasen des Beutels verschlossen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den vorstehenden Mündungen der die Elektroden (18) einhüllenden Scheider (19) gewellte Abstandshalter (33) angeordnet sind, welche die Mündungen offenhalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen dei Scheider (19) Ausschnitte (37) enthalten, die jeweils in der Zone der von den gewellten Abstandshaltern (33) gebildeten senkrechten Kanäle angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheider (19) U-förmig ausgebildet sind und in den beiden Schenkeln die positiven Elektroden (18) enthalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 529 511;

französische Patentschrift Nr. 58 563 (Zusatz zu Nr. 926 470).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen