DE1671765A1 - Batterie - Google Patents

Description

DIPL.-ING.RWEICKMANN, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipl.-Ing. H. Weickmann DIPL.-PHYS. Dr.K.Fincke Patentanwälte I D / 1 /DD

8 MÜNCHEN 27, möhlst&asse 22, rufnummer «3921/22

General Dynamics Corporation, One Rockefeller Plaza, New York,

N.Y., USA

Batterie

Die Erfindung geht aus von einer Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle, die eine Zinkanode und eine inerte, poröse Sauerstoffkathode aufweist, mit einer ein sauerstoffhaltiges Gas der Kathode zuführendenVorrichtung, mit einer einen flüssigen Elektrolyten durch die elektrochemische Zelle umwälzenden Vorrichtung und mit einer die Reaktionsprodukte aus dem Slektrolytstrom außerhalb der elektrochemischen Zelle abtrennenden Vorrichtung, wobei die Abtrennvorrichtung die Reaktionsin einem solchen Zustand speichert, daß diese, wenn sie

to während der Aufladung der Batterie in die elektrochemische ZeI-

Ie zurückgetragen werden, in der elektrochemischen Zelle die Zinkte

"^ anode referieren, gemäß Patent ................ (deutsche

£ Patentanmeldung G 39 882 VIb/21b).

solche Batterie soll gemäß der vorliegenden Zusatzerf i-ndung in der aus nachstehender Beschreibung hervorgehenden weiter ausgebildet werden. Es zeigen:

*··■-■- -'BAD ORIGINAL ² "

Fig. i eine elektrochemische Zelle mit auseinandergezogenen Teilen;

Fig. 5 die dazugehörige Kathode, ebenfalls mit auseinander-• gezogenen Teilen;

Fig. 6 einen Schnitt durch die ais ammengefügte Kathode» der

Xi

vor allem die Rippen und die Ausbildung der Füllkammer veranschaulicht;

Fig. 7 eine Detailansicht zu Fig. 5« in der die Sauerstoffzufuhr zur Füllkammer deutlich gezeigt ist, und

Fig. 8 eine Skizze des Strömungsverlaufes für ein Batteriesystem gemäß der Erfindung.

In denFig. k - S ist ein Batteriesystem gezeigt* das einen Stapel 102 aus mehreren elektrochemischen Zellen loH aufweist. Die Zellen haben im wesentlichen Rechtecksform und werden * von einer Platte und einem nicht gezeigten Druckrahmen zu einem Stapel zusammengehalten» Jede elektrochemische Zelle umfaßt eine Stützplatte für die Anode, auf welcher eine Zinkanode angebracht ist, einen Rahmen zur Zu- und Ableitung eines Elektrolyten und ein zusammengesetztes integrales Kathodengefüge.

In Fig. h ist eine elektrochemische Zelle 10*+ veranschaulicht,

109883/0258

die an einem Ende eines Zellstapels 102 angeordnet sein möge.

Die Zelle 1O¹* weist eine relativ schwere Abschlußplatte 106 auf, welche die Zinkanode 108 trägt, die auf ihr elektrolytisch niedergeschlagen ist. Das andere Ende der elektrochemischen Zelle ΙΟ¹+ wird von dem zusammengesetzten integralen Kathodengefüge 110 gebildet. Ein rechteckiger Rahmen 112 für die Zu- und Ableitung des Elektrolyten ist zwischen Anode und Kathode eingefügt. In dem Rahmen 112 sind Kanäle für die Strömung des Elektrolyten vorgesehen. Zwei Dichtungskörper ll^t, weiner auf jeder Seite des Rahmens 112» sorgen für eine flüssigkeits- | feste Abdichtung der elektrochemischenZelle IQ¹*. ■

Das Kathodengefüge 110 ist in Fig. 5 mit auseinandergezogenen Teilen veranschaulicht. Wie ersichtlich, weist es eine rechteckige, flache, poröse Platte 116 auf» die aus einem inerten Material besteht, sowie eine dünne Rückplatte 118» ebenfalls aus einem inerten Material» etwa aus Weichstahl· Die poröse Platte 116 wird zweckmäßigerweise durch Pressen und Sintern eines geeigneten Metallpulvers» beispielsweise von Niokelkohlenoxidpulver, hergestellt, das eine große Oberfläche pro * Gewichtseinheit hat. Die Mitte der Rückplatte 118 ist derart verformt, daß eine etwa rechteckige Füllkammer 120 entstanden 1st, deren Abmessungen geringfügig kleiner sind als diejenigen der prösen Platte 116. Zudem sind an der Rückplatte 118 noch mehrere senkrechte Rippen 122 ausgebildet. Die Rückplatte und die poröse Platte 116 sind auf geeignete Weise derart

109883/0258

^BAD

zusammengefügt, daß zwischen ihnen eine geschlossene Kammer mit gasfester Abdichtung entsteht. Hierzu kann beispielsweise die dünne Rückplatte mit der porösen Platte längs deren Umfang verschweißt werden. Die Rippen 122 werden ebenfalls mit der ihnen zugekehrten Fläche der porösen Platte 116 verschweißt, so daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen der gesamten Oberfläche der porösen Platte 116 und der Rückdplatte 118 zustandekommt und außerdem ein Ausbeulen durch den Gasdruck in der Füllkammer 120 vermieden wird. Die Rippenkonstruktion ψ und der Bereich, der die Füllkammer 120 bildet, sind am besten aus Fig. 6 ersichtlich.

Das sauerstoffhaltige Gas wird in die Füllkammer 120 durch einen Einlaßkanal an der oberen rechten Ecke (Fig. 5) des zusammengesetzten Kathodengefüges zugeführt. Wie am besteh aus Fig. 7 ersichtlich, ist hierzu eine kurze Röhre 12*+ in einer hierfür vorgesehenen Rinne der Rückplatte 118 angeschweißt und zwar in einer solchen Lage, daß das untere Ende der Röhre bis in die Füllkammer 120 reicht. Das obere Ende der Röhre 12^ ragt nach oben bis in ein Loch 126 hinein, das nächst der ■ oberen rechten Ecke in der Rückplatte vorgesehen ist. Wie aus Fig. h ersichtlich, ist dieses Loch 126 in dem zusammengesetzten Zellstapel 102 mit entsprechenden Ecklöchern 128, 130 und 132 in dier Abschlußplatte 106, dem Rahmen 112 und den Dxchtungskörpern II¹+ gefluchtet. Diese gefluchteten Löcher bilden in dem zusammengeklammerten Zellstapel 102 die Zuführung, ■ ' durqh die in die Füllkammern 120 ;jeder einzelnen elektrochemi-

109883/0258

sehen Zelle 102 das sauerstoffhaltige Gas eingeleitet wird. Bei dieser Anordnung strömt das gesamte sauerstoffhaltige Gas, das in die Füllkammern 120 geschickt wird, durch die porösen Platten 116 und reagiert entweder als ein Teil der Zellfunktion oder wird mit der zirkulierenden Elektrolytströmung wieder aus der elektrochaischen Zelle abgeführt.

Die Rückplatten 118, die die eine Seite der'Füllkammer 120 in dem Kathodengefüge bilden, haben auch noch eine andere Funktion; sie tragen nämlich die Zinkanode 108 für die nächste, " angrenzende elektrochemische Zelle. Die Rückplatten Il8 mit ihrer Doppelfunktion verbinden also die benachbarten Zellen in elektrischer Reihenschaltung, indem sie einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Kathode der einen Zelle und der zu* der anschließenden Zelle fegehörenden Anode, die auf der Rückplatte selbst elektrolytisch abgeschieden ist, herstellen.

Der Rahmen 112 für die Zu- und Ableitung des Elektrolyten besteht aus einem Material, das von dem kaustischen Elektrolyten j nicht angegriffen wird, etwa aus Polyäthylen oder Polypropylen.

Er weist einen horizontalen Schlitz 13¹+ in seiner' oberen Strebe und einen ebensolchen I36 in seiner unteren Strebe auf. Der untere Schlitz I36 ist über mehrere Abzugnuten I38 mit dem rechteckigen Raum 1*+0 innerhalb des Rahmens verbunden, der als Slektrolytkanal für Abzugsnuten 1^2 mit dem Raum ikö dient. Auch der obere Schlitz 13¹+ steht über Abzugsnuten ikz mit dem Raum lHo in Verbindung. An den unterenSchlitz I36 ist

109883/0258

- 6 ■-

Bad

eine Zuleitung lkh für denElektrolyten angeschlossen; sie kann beispielsweise durch die Unterseite des Rahmens 112 geführt sein. In ähnlicher V/eise ist eine Ableitung 1^6 für den Elektrolyten durch die Oberseitä«e des Rahmens 112 an den oberen Schlitz 13¹+ angeschlossen. Wie aus Fig. h ersichtlich, wird während des Betriebs jede einzelne elektrochemische Zelle 10¹+ ständig mit kaustischem Elektrolyten versorgt, der durch die Zuleitung ikh eintritt, durch den Schlitz 136 und die Abzugsnuten 138 in das Innere strömt und von dort durch die Abzugsnuten l*+2, denSchlitz 13¹+ und die Ableitung 1^6 geführt.wird.

Vorzugsweise wird eine parallele Strömung des Elektrolyten durch jede elektrochemische Zelle lOU des Zellstapels 102 geschaffen. Demgemäß zweigen alle Zuleitungen ikk von einer gemein samen Leitung 148, sähe Fig. 8, ab und alle Ableitungen 1^6 münden in eine gemeinsame Leitung l50. Um die SelbstenfLadung der in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen auf ein erträgliches niedriges Maß herabzusetzen, sind die Zuleitungen und Ableitungen I¹+¹+ und l*+6 lang genug gemacht, um den elektrisehen Weg zwischen benachbarten Zellen durch das Elektolysystern möglichst zu verlängern. Wenn der Strömungswiderstand für den Elektrolyten durch den Zellstapel 102 verkleinert werden soll, können für jede elektrochemische Zelle ΙΟ¹+ mehr als eine Zu- und Ableitung vorgesehen werden.

In der Strömungsskizze der Fig. 8 ist ein aus 15 Zellen bestehender Zellstapel 102 gezeigt, der Luft als sauerstoffhaltiges Gas und eine.wässerige Lösung von Kalilauge als

10 9 8 83/0258

Elektrolygt verwendet» Ein Luftkompressor 152 schickt Luft aus der Atmosphäre in jede elektrochemische Zelle 10*4 unter einem ausreichenden Druckt so daß die Luft in Blasen durch die porösen Platten und in den Elektrolytkanal jeder Zelle dringt.

Die Elektrolytströmung, die den Zellstapel durch die Leitung 150 verläßt, geht durch einen Radiator 15¹+« der dem Elektrolyten einen Großteil der Wärme entzieht, die in dem Zellstapel 102 als Teil der elektrochemischen Reaktion erzeugt -wurde. Danach passiert die Elektrolytströmung eine Abtrennvorrichtung 156, in der der Stickstoff und der in der Reaktion nicht verbrauchte | Sauerstoff der Luft aus dem flüssigen Elektrolyten abgeschieden wird. Die abgetrenntenGase -werden in die Umgebung entlüftet, der Elektrolyt wird in einen Sammelbehälter 158 geleitet.

Eine Umwälzpumpe l60 zieht den Elektrolyten aus dem Sammelbehälter 158 ab und bringt ihn erneut in den Kreislauf durch den Zellstapel über die Leitung l*+8. Der Pumpenauslaß 162 verzweigt sich in die Leitung 1^8» die zum Zellstapel führt, und in die engere Leitung 16¹+, die etwa 5 Volumenprozent der die Pumpe verlassenden Strömung zu einer Scheide- und Speichervorrichtung l66 für das Zinkoxid führt. Geeignete Mittel mögen vorgesehen sein, um das Zinkoxid, das zum Teil in der Form eines Zinkhydroxydkomplexes vorliegen kann, aus dem Elektrolyten abzuscheiden und zurückzuhalten. Der Elektrolyt, der von dem größten Teil des mitgeführten Zinkoxids entblößt ist, wird zu dem Sammelbehälter 158 zurückgeleitet. Diese fortlaufende Abscheidung des · Zinkoxids aus einem Teil des Elektrolytstromes hält die'Konzen-

109683/0258

tration der ZinkoxidreaktionsprOdukte in dem erneut dem Zellstapel zugeführten Elektrolyten auf einem derart niedrigen"" Niveau, daß der Elektrolyt weiterhin die in jeder Zelle ständig ■ erzeugten Reaktionsprodukte in zureichendem Maß entfernen kann. • Selbstverständlich kann es je nach dem Gesamtvolumen des ver- * •wendeten Elektrolyten der Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten durch die Zellen und denBetriebsbedingungen des Zellstapels 102 wünschenswert sein, ejren größeren oder kleineren Prozentsatz des Elektrolytstromes der Abscheidung von Reaktions- ~ produkten zu unterwerfen.

Beim-Aufladen kehrt sich, wie bei jedem Sammler oder Akkumulator, die Strömungsrichtung gegenüber der Entladephase um. Zur Aufladung wird für jede in Reihe geschaltete Zelle eine Spannung von etwa 2 Volt verwendet. Während des Aufladevorgangs wird der Elektrolyt etwa mit der gleichen Geschwindigkeit wei beim Entladen durch den Zellstapel in Umlauf gebracht. Die elektrochemische Reaktion während des Äufladens bewirkt,

^ daß das an der Abschlußplatte ΙΟβ und den Rückplatten 118 sich abscheidende Zinkoxid den Zinkoxidgehalt des Elektrolytstromes aufbraucht. Dadurch» daß etwa der gleiche Anteil des Elektrolytstroms wie vorher durch die Scheide- und Speichervorrichtung l66 geschickt wird, kann der entblößte Elektrolyt ■ zusätzliches Zinkoxid aufnehmen, so daß ständig genügend Zink-

. ' oxyid in dem Elektrolyten für die Zellen zur Verfugung steht, um die Regeneration der Zintaanoden mit der erstrebten Geschwindigkeit ablaufen zu lassen» Selbstverständlcih ist es. während

109883/0258 - 9 -

_r BAD ORlQJNAL

des Ladevorganges nicht notwendig, den Luftkompressor in Betrieb zu nehmen, weil keine Sauerstoffzufuhr gebraucht wird. Im Gegenteil wird während des Aufladens der Zellen Sauerstoff an der Oberfläche der porösen Elektrode entwickelt. Dieser Sauerstoff wird von dem Elektrolytstrom aus dem Zellstapel herausgeführt und in der Äbtrennvorrichtung 156 aus dem flüssigen Elektrolyten ausgeschieden.

Beispiel

Sin Batteriesystem 100 ist aus 60 einzelnen elektrochemischen Zink/ Sauerstoff-Zellen ΙΟ¹+ zusammengesetzt, die in Reihenschaltung zu vier getrennte Zellstapel mit je l5**Zellen zusammengefaßt sind. Diese vier getrennten Zellstapel 102 sind parallel geschaltet»

Jede einzelne Zink/Sauerstoff-Zelle ist etwa 16 Zoll (ko cm) breit und 8 Zoll (20 cm) hoch und hat eine gesamte Dicke von wenig über lA Zoll (ό,ΊΊηηι). Das zusammengesetzte Kathodengefüge 110 jeder Zelle hat eine poröse Platte 116 aus gesintertem ' Nickelkohlenoxidpulver mit den Abmessungen!5-3A x 7-3 x 0,0U Zoll (kO χ 20 χ 0k06 cm). Diese porsöe Platte ist längs ihres Randes mit einer dünnen Rückplatte 118 aus 0,005 Zoll (0,13 mm) dickem Weichstahl verschweißt. Die Rückplatte ist zu einer Füllkammer 120 von etwa 0,02 Zoll Weite (0,5 mm) verformt, siehe Fig. 6. An der oberen rechten Ecke ist eine kurze-Röhre 12¹+ mit einem .Innendurchmesser von 0,03 Zoll (O,7'6 mm) aufgeschweißt, die als Einlaß für die Füllkammer 120 dient.

10 9 8 83/0258

- ίο -

BAD

~^mek< >:*■

Der Rahmen 112 zur Zu- und Ableitung des Elektrolyten ist aus Polypropylen im Spritzgußverfahren hergestellt und hat eine Dicke von etwa l/h Zoll (6,k mm). Er ist mit"Schlitzen 13¹+ und 136 und Abzugnuten I38 und 1^2 versehen, die eine Verbindung zu demlnnenraum l*tO des Rahmens herstellen. Jeder Rahmen 112 ist mit vier Zuleitungen ikk und vier Ableitungen 1^6 mit einem Durchmesser von 3/I6 Zoll C+,8 mm) ausgerüstet. Jede Zu- und Ableitung hat eine Länge von etwa 15 Zoll (38 cm), zwischen dem Eintritt in den Rahmen 12 und der Stelle, wo sie in die gemeinsame Elektrolytleitung mündet.

Auf die freie Seite der Rückplatte II8 ist metallisches Zink elektrolytisch abgeschieden; es bedeckt eine Fläche, die annähernd gleich der Fläche der porösen Platte II6 ist. Die Elektroplattierung wird so durchgeführt, daß eine Ablagerung von etwa 0,135 Unzen Zink pro Quadratzoll (0,55 g/cm²) der Rückplattenfläche zustandekommt. Eine 20 gewichtsprozentige Lösung von Kalilauge wird von einer Pumpe I60 ständig durch die vier Zellstaple 102 umgewählztj die Strömungsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,*+& Kubikfuß pro Sekunde (13«6 dnrVs) wenn die gesamte Batterie von 60 Zellen hydraulisch parallelgeschaltet ist.

Während des Entladevorgangs wird den Füllkammern 120 von dem Luftkompressor 152 Luft unter einem Druck von etwa 15 psig (1,05 kg/cm ) und mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,17'Kubikfuß pro Sekunde C+18 dnrVs) für die gesamte Batterie zugeführtm. Die Temperatur in den einzelnen Zellstapeln wird beim Entladen auf etwa 70⁰C gehalten durch Entzug der Wäme

109883/02S8

_ _λ1 „

aus dem Elektrolytstrom in dem Radiator 15*+. In Verbindung mit fern Speichertank für das Zinkoxid ist ein selbstreinigendes Filter vorgesehen, um die gewünschte Abscheidung und Speicherung zu bewirken. Etwa 0,02 Kubikfuß pro Sekunde (0,57 dm^/s-) des Elektrolyten werden während des Betriebs der Batterie durch die Scheide- und Speichervorrichtung 166 geschickt. Die Temperatur außeaisilb des Zinkoxid-Speichertanks ist annähernd gleich der Umgebungstemperatur. Die Temperatur des Sammelbehälters 158 für den Elektrolyten entspricht etwa der Zeiltemperatür, nämlich etwa 70°©. -ä A

Während des Entladens der Batterie beträgt die Spannung der Zellen im umbelasteten Zustand (offene Elemmenspannung) etwa I₁U Volt. Bei einer Belastung von etwa 25 m-A/em sinkt die Spanliung auf etwa 1,2 Volt; bei einer Belastung von 100 mA/cm beträgt sie noch etwa 1 Volt·

Die elektrochemischen Zellen werden zweckmäßigerweise nicht über eine Reaktion von etwa 90 % des metallischen Zinks hinaus entladen. Die aus 60 Zellen bestehende Batterie erzeugt etwa 25 Kilowattstunden elektrischer Energie pro Ladezyklus, wobei sie für eine Leistungsabgabe von etwa 5 Kilowatt ausgelegt ist» Die Batterie hat eine Energiediehte von mehr als 30 Wattstunden/ Pfund und behält ihre Energiedichte auch nachöfterem Laden und Entladen bei. .■

Zum Aufladen wird die Batterie an eine Spannungsquelle von 30 Volt mit einer ausreichenden Leistung, um einen Strom von atwa

109883/0258

- 12 -

5ö mA/cm durch, ate Zellen fließen zu lassen, angeschlossen. ,Während des Ladevorganges wird der Umlauf des Elektrolyten mit ■etwa 0Λ8 Kubikfuß pro Sekunde (13,6 dnrVsO^: unterhalten» Vorzugsweise wird beim Laden ein dem Gleichstrom überlagerter Weeh.se! strom verwendet... Das Laden wird fortgesetzt* bis die Zinkanoden

zu einer Ablagerung; von 0,135 Unzen pro Quadratz^H (0,55 g/em ) ' regeneriert sind« -

Das Batteriesystem eignet sieh als Energiequelle für Antriebszwecke, wenn Energie untertags während einer längeren Zeit ent— nommen wird und die Batterie während der nächtlichen Ruhepausen aufgeladen werden kann, um am Nächsten Tag wieder betriebsbereit zu sein.

- Patentansprüche - .

109883/0258

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Batterie mit "wenigstens einer elektrochemischen. Zelle» die eine Zinkanode und eine inerte, poröse Sauerstoffkathode aufweist, mit einer sin sauerstoffhaltiges Gas der Kathode zuführenden Vorrichtung, mit einer einen flüssigen Elektrolyten durch die elektrochemische Zelle umwälzendenVorrichtung und mit einer die Reaktionsprodukte aus dem Elektrolyten außerhalb der elektrochemischen Zelle abtrennenden· Vorrichtung nach Patent ... ........... (Patentanmeldung G 39 882 VIb/21b) unter Verwendung | von mehreren Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkathode aus einer porösen inerten Platte (116) und einer dünnen inertenRückplatte (118? zusammengefügt ist und daß eine der beiden Platten, vorzugsweise die Hückplatte (1187 derart deformiert ist, daß sie %zusammen mit der anderen Platte eine Füll-' kammer (120) einschließt*, durch welche das sauerstoffhaltige Gas der Kathode zugeführt wird. ' " .

   2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückplatte und die poröse Platte derart miteinander verbunden sind, daß einerseits die dazwischen liegende Füllkammer gasfest abgedichtet und andererseits ein guter elektrischer Kontakt zwischen beiden Platten hergestellt ist.

   3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die deformierte Fläche an der Rückplatte (118) im geringfügig kleiner ist als die pröse Platte und daß die poröse Platte längs ihrem Rand mit der Rückplatte dichtend verbunden ist.

   109883/0258

   BAD ORIGINAL

   k. Batterie nach Anspruch 3« dadurch gekennzeichnet* daß an der Rückplatte im Bereich der Füllkammer vorstehende Rippen (122) derart ausgebildet sind» daß sie einen guten elektrischen Kontakt mit der porösen Platte herstellen, und die strukturelle Festigkeit des Kathodengefuges verbessern.

   5. Batterie nach Anspruch b oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des aus den Zellen austretendenElektrolyten durch die abtrennende Vorrichtung (166) geschickt wird, wo die Reaktionsprodukte ausgeschieden werden, worauf dieser Anteil des Elektrolyten zusammen mit dem unbehandelten Elektrolyten in die Zellen zurückgeleitet wird. ,

   109863/0258

   BAD