DE1942331B2 - Verfahren zum Laden einer galvanischen Batterie mit mehreren Zellen, die eine positive Sauerstoffelektrode und eine wiederaufladbare negative Elektrode enthalten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden einer galvanischen Batterie mit mehreren Zellen, die eine positive Sauerstoffelektrode, eine wiederaufladbare negative Elektrode und eine zwischen diesen beiden angeordnete, zum Aufladen dienende, elektrolytdurchlässige Gegenelektrode enthalten, wobei die positive Sauerstoffelektrode während des Ladevorgangs nicht wirksam ist.

Galvanische Batterien mit eine positiven Sauers.toffelektrode gehören zum Stand der Technik. Das bekannteste Beispiel für eine solche Anordnung ist die Zink-Luftbatterie, mit der sich die Erfindung insbesondere befaßt. Unter dem Begriff »Sauerstoffelektrode« wird eine Elektrode verstanden, deren aktiver Bestandteil Sauerstoff ist, obgleich das der Elektrode zugeleitete Gas nicht reiner Sauerstoff sein muß. sondern beispielsweise auch Luft sein kann. Somit soll der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff Gas so verstanden werden, daß jedes geeignete sauerstoffenthahende Gas umfaßt ist.

Um die gattungsgemäße Brennstoffzelle aufzuladen, wird ein Elektrolyt durch die galvanische Batterie geleitet, wobei die Elektroden und Akkumulatorplatten mit einer Gleichstromquelle verbunden sind. Da während dieses Vorgangs die Sauerstoffelektrode beschädigt werden kann, hat man vorgeschlagen, in der {;alvanischen Batterie Gegenelektroden vorzusehen, die während des Ladens an Stelle der Sauerstoffelcktrode verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform müssen Schritte unternommen werden, um sicherzusi eilen, daß die Sauerstoffelektroden während des Ladens nicht verwendet werden, und es ist bereits vorgeschlagen worden, in der Batterie eine Umschalleinrichtunj; vorzusehen, die sicherstellt, daß die Sauerstoffclektroden während des Entladens wirksam sind, daß jedoch während des Ladens die Gegenelektroden und nicht die Sauerstoffelektroden wirksam sind. Der Nachteil einer Umschalteinrichtung besteht darin, daß sie teuer ist und erheblich zum Gewicht der Batterie beiträgt. So hat eine Batterie in einer typischen Ausführungsform bei einem Encrgiegchalt von 150 Mega Joule 600 Einzelzellen, für die jeweils eine Umschalteinrichtung erforderlich wäre. Da diese Umschalteinrichtungcn in den bekannten Ausführungsformen mindestens 200 j; wiegen, würde sich ein zusätzliches Gesamtgewicht von 120 kg ergeben.

Ausgehend von dieser Problematik hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine galvanische Batterie zu entwickeln, die ohne Einsatz einer Umschalteinrichtung aufgeladen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gegenelektrode elektrisch ständig mit der Sauerstoffelektrode verbunden bleibt uad in den Raum zwischen diesen beiden Elektroden ein de« Elektrolyten verdrängendes Gas eingeleitet wird.

Durch die Einleitung des unter Druck stehenden Gases wird die Sauerstoffelektrode während des Ladens gegenüber der Gegenelektrode isoliert

Vorzugsweise ist das eingeleitete Gas das während des Entladens den Sauerstoffelektroden zugeleitete

Der Erfindungsgegenstand ist auf galvanischen Batterien anwendbar, bei denen der Elektrolyt umgewälzt wird oder nicht umgewälzt wird. Selbst bei einem verstärkten Kreislauf ergibt sich durch den Erfindungsgegenstand eine erhebliche Gewichtsersparnis.

Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind

F i g. 1 bis 3 jeweils schematische Darstellungen von Teilen dreier Ausführungsbeispiele der Erfindung,

F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Gesamtsystems,

F i g. 5 eine auseinandergezogene Perspektiv-Darstellung, in dei eine Zelle eines anderen Elementes gezeigt ist und

F i g. 6 bis 8 jeweils Schnitte an den Linien 6-6, 7-7 und 8-8 in Fig. 5, jedoch mit zusammengefügten Teilen.

Gemäß F i g. 1 weisen die einzelnen Zellen des Brennstoffelementes eine negative Elektrode 11, beispielsweise eine Zink-Elektrode, und eine Sauerstoffelektrode 12 auf, wobei die Elektroden die Zelle in eine erste Kammer 13 mit einem Lufieinlaß 14 und einem Luftauslaß 15 und in eine zweite Kammer teilen, die durch eine nichtleitende poröse Membrane 18 in eine größere und in eine kleinere Kammer 16 und 17 unterteilt ist, wobei die Kammer 16 einen Elektrolyteneinlaß 21 und einen Elektrolytenauslaß 22 aufweist. Innerhalb der Kammer 16 befindet sich eine Gegenelektrode 23, die ständig mit der Sauerstoffelektrode 12 elektrisch verbunden ist.

Die Membrane 18 hat kleinere Poren als die Sauersloffelektrode 12, und während des Entladens fließ' der Elektrolyt durch die Kammer 16 und flutet außerdem die Kammer 17, während gleichzeitig Luft zur Kammer 13 zugeleitet wird. Zwischen den Elektroden Il und 12 wird dann in bekannter Weise eine elektromotorische Kraft erzeugt. Wichtig ist, daß keine oder so gut wie keine Luft durch die Elektrode 12 in die Kammer 17 fließt, und aus diesem Grunde ist die Elektrode 12 vor zugsweise in einer diffusionsbestriebencn Ausführung vorgesehen, bei der die Luft über die Oberfläche der Elektrode 12 fließt.

Wenn das Element aufgeladen werden soll, werden die Elektroden 11 und 12 mit einer Gleichstromquelle verbunden, und der Elektrolyt, der nun Partikeln aus Zinkoxid enthält, die während des Entladevorgangs entfernt werden, wird erneut durch die Kammer 16 umgewälzt. Der Druck in der Kammer 13 wird jedoch erheblich erhöht, so daß Luft durch die Elektrode 12 in die Kammer 17 fließt und in wirkungsvoller Weise die Elektrode 12 von der Gegenelektrode 23 isoliert. Auf

IO

.ic

Weise nimmt, obgleich keine Umschalteinrich· Ig verwendet wird, die Sauerstoffelektrode 12 nicht dem Aufladungsvorgang teil und wird deshalb nicht schädigt Es versteht sich natürlich, daß anstatt den nick in der Kammer 13 zu erhohen, Luft oder ein «leres Gas nach Bedarf direkt in die Kammer 17 einleitet werden kann, wobei dann eine geeignete Ventusrüstung eingebaut ist. Eine geregelte Ableitung η der Kammer 17 kann vorgesehen sein, wenn das forderlich ist

Dps in F i g· 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist dem ρ i ο j gezeigten ähnlich, und gleiche Teile sind mit •n gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. In F i g. 2 eir zusätzlicher Elektrolytenauslaß 22a vorgesehen, r durch ein Ventil 30 abgesperrt ist, wenn der Druck der Kammer 13 während des Ladens erhöht wird, las Ventil 30 ist so konstruiert, daß es bei normalem (ruck in der Kammer 13 während des Entladevorgangs geöffnet ist, so daß Luft, die die Sauerstoffelek-Frode passiert, durch den Auslaß 22a .Mir Atmosphäre κ Ober den Elektrolytenspeicher fließen kann, dabei aber natürlich nicht zur Kammer 17. In einem <\usführungsbeispiel unter Verwendung der in I 1 g. 2 gezeigten Anordnung beträgt die Porengröße in oiii, Sauerstoffelektrode 10 Mikron im Durchschnitt ^fur die großen : Poren und 5 Mikron im Durchschnitt fur die kleinen Poren wobei es sich bei dem Elek'rodenmatenal um Nickt¹ handelt, das mit Palladium beschichtet ist. Der Druck während der Entladung betragt dabei O42kp/cm², wird aber während des Ladens auf 0,7 kp/cm² erhöht.

' In dem in Fig. 3 gezeigten Ausfuhrungsbeispie¹ besteht das Brennstoffelement aus einer Anzahl ein/einer Zellen, von denen eine gezeigt ist. Die Zelle weist eine Sauerstoffelektrode 31 auf. der Luft durch einen Einlaß 3; 32 zugeleitet wird, die durch einen Auslaß 33 wieder abgeleitet wird. Abstandshaltende Rahmenteile 34 und 35 tragen die Sauerstoffelektrode und ferner eine Zink-Akkumulatorplatle 37 im Abstand zur Elektrode Zwischen der Elektrode 31 und der Zink-Akkumulatorplatte 37 befindet sich ein Elektrolytenraum, der in zwei Kammern 38 und 39 durch eine Gegenelektrode in der Form eines Gitters 41 aus nichtrostendem Stahl unterteilt ist. Dieses Gitter ist /wischen den Rahmenteilen 34 und 35 eingeschlossen. Der Einlaß 42 und der Auslaß 43 für den Elektrolyt ;n öffnen beide ·η die Kammer 39, und die Kammer 38 hat einen Lufteinlaß 44 und einen Luftauslaß 45.

Beim Entladen der Zelle wird der Lufteinlaß 44 /ur Atmosphäre belüftet, und der Elektrolyt füllt beide Kammern 38 und 39 des Elektrolytenraums. Der Sauerstoffclektrode wird Luft zugeleitet, und Verbindungen werden zur Sauerstoffelektrode und /ur Zink-Akkumulatorplatte hergestellt, wobei die Zelle in bekannter Weise arbeitet. Die Zelle wird dadurch neu aufgeladen. daß durch sie ein Elektrolyt durchgeleitet wird, der Zinkoxid enthält, während eine Spannung /wischen der Gegenelektrode 41 und der Akkumulatorplatte auf rechterhalten wird. Während dieses Vorgangs wird Luft durch die Kammer 38 geleitet, um die Sauerstoffelektrode zu isolieren, wobei der Elektrolytenfluß nun auf die Kammer 39 begrenzt ist. Die durch die Kammer 38 fließende Luft wird so eingeregelt, daß etwa ein Bläschen pro Sekunde aus dem Auslaß 45 austritt Es versteht sich natürlich, daß die Rahmenteil 34 und 35 leitend bzw. nichtleitend sind.

In Fie 4 ist die Zelle 51 mit ihren verschiedenen Einlassen und Atlassen in der gleichen Weise wie in F i g. 3 numeriert k-unachst auf die Lufwuleuung eingehend, saugt eine Luftpumpe 52 Luft von der Atmosphäre durch einen Filter 53 und durch einen Bsrieselungsverflüssiger 54 an und leitet die Luft zu den Einlassen und 32 unter der Regelung jeweils zweier Ventile 54 und 56. Ein weiteres Ventil 57 kann für eine Verbindung des Einlasses 44 mit den Auslässen 33 bzw. 45 sorgen, die mit der Atmosphäre verbunden sind. Die Ventile sind in der Stellung gezeigt, die sie während der Entladung einnehmen. Die Ventile 56 und 57 sind />Jso offen, das Ventil 55 ist geschlossen. Die Pumpe 52 leitet Luft durch das Ventil 56 zum Einlaß 32, wobei die Luft durch den Auslaß 33 austritt Das Ventil 57 verbindet den Einlaß 44 mit der Atmosphäre, um damit sicherzustellen, daß der gesamte Elektrolytenrauni mit Elektrolyt gefüllt ist. Während des Ladens wird das Ventil 56 geschlossen, so daß dem Einlaß 32 keine Luft zugeleitet wird. Das Ventil 57 wird ebenfalls geschlossen, und das Ventil 55 wird geöffnet, so daß Luft dem Einlaß 44 zugeleitet wird, wie das erforderlich ist um die Luftelektrode zu isolieren.

Der Elektrolyt wird dem Einlaß 42 durch eine Elektrolytenpumpe 61 zugeleitet Ui.d zur Pumpe 61 entweder durch ein Ventil 62 oder duren einen Luftabscheider 63 zurückgeleitet, der mit einem weiteren Ventil 64 in Reihe geschaltet ist. Ein Teil des Ausflusses von der Pu;.npe 61 kann durch ein Ventil 65, einen Zinkoxidabscheider 66 und ein Ventil 67 in Nebenstrom umgeleitet werden. Der Abscheider 66 leitet Zinkoxid zu einem Speicherbehälter 68, und ein weiterer Nebenstrom für die Pumpe 61 kann durch ein Ventil 69, den Behälter 68 und ein Ventil 70 geschlossen werden. Während der Entladung fördert die Pumpe 61 Elektrolyt zur Zelle 51. wobei der Elektrolyt durch das Ventil 62 zurückfließt. Gleichzeitig wird Zinkoxid durch den Abscheider 66 geleitet, der für einen Zulauf zum Behälter 68 sorgt. Während des Ladens wird das Ventil 62 geschlossen, so daß der Rücklauf zur Pumpe 61 durch den Abscheider 63 und das Ventil 64 erfolgt, wobei der Abscheider 63 dazu dient, Luft abzuscheiden, die im Elektrolyten enthalten sein kann, und zwar wegen der Luftzuleitung /um Teil 38 des Elektrolytenraums. Während dieser Phase werden die Ventile 65 und 67 beide geschlossen, so daß die Pumpe keinen Elektrolyt zum Abscheider 66 leitet, die Ventile 69 und 70 -verden jedoch geöffnet, so daß die Pumpe Zinkoxid vom Behälter 68 ableitet, um die Zinkplatte neu zu beschichten.

In einer Variante wird die Erfindung in Verbindung mit einem Element benutzt, bei dem der Elektrolyt nicht umgewälzt wird, sondern in der einzelnen Zelle verbleibt, wobei ein geeigneter Speicher zum Lagern des Elektrolyten vorgesehen ist. der während des Ladens vom Luftdiuck verdrängt wird.

Gemäß dem in F i g. 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Brennstoffelement wiederum aus einer Anzahl einzelner Zellen, von denen eine gezeigt ist. Die jeweilige Zelle weist eine vernickelte Flußstahlstüt/platr 101 auf. die.auf einer Seite mit Zink beschichtet ist. um die Zinkelektrode zu bilden, ferner eine Gegenelektrode 102, einen Abstandsrahmen 103 eine poröse Nickelsauerstoffelektrode 104 und eine weitere vernickelte Flußstahlstützplatte 105, die das an dere Ende der Zelle schließt. Wenn angenommen wird daß die dargestellte Zelle eine Zwischenzelle ist, bilde die andere Seite der Platte 105 einen Teil der nächstei Zelle, ebenso wie die andere Seite der Platte 101. Dii Teile werden von einem Rahmen 106 zusammen mi Abstandsteilen 107 getragen, die O-Ringe enthalter

-

um an den erforderlichen Stellen für eine wirkungsvolle Abdichtung zu sorgen. Der Rahmen 106 enthält einen Elektrolyteneinlaß 108 (F i g. 8) und einen Elektrolytenauslaß (nicht dargestellt). Während des Entladens wird der jeweiligen Sauerstoffelektrode durch Diffusionsringe 111 (Fig.6) Luft zugeleitet, und während des Ladens leiten entsprechende Diffusionsringe 112 (F i g. 7) Luft in den Raum 113, der zwischen der Gegenelektrode 102 und der Sauerstoffelektrode 104 gebildet ist. Die diesem Raum zugeleitete Luft passiert die Gegenelektrode 102 und gelangt in Bläschenform in den Elektrolyten, wobei das Vorhandensein von Bläschen in dem Elektrolyten, der die Zelle verläßt, anzeigt, daß die Sauerstoffelektrode in der erforderlichen Weise isoliert ist.

Es versteht sich natürlich, daß die in F i g. 4 gezeigte Anordnung ohne weiteres für die anderen beschriebenen Anordnungen umgestellt werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Laden einer galvanischen Batterie mit mehreren Zellen, die eine positive Sauer- s Stoffelektrode, eine wiederaufladbare negative Elektrode und eine zwischen diesen beiden angeordnete, zum Aufladen dienende, elektrolytdurchlässige Gegenelektrode enthalten, wobei die positive Sauerstoffelektrode während des Ladevorganges nicht wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (23) elektrisch ständig mit der Sauerstoffelektrode (12) verbunden bleibt und in den Raum zwischen diesen beiden Elektroden (12, 23) ein den Elektrolyten verdrängendes Gas eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das eingeleitete Gas das während des Entladens den Sauerstoffelektroden zugeleitete Gas ist.