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DE2706016B2 - Elektrochemische Batterie - Google Patents

Elektrochemische Batterie

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DE2706016B2
DE2706016B2 DE2706016A DE2706016A DE2706016B2 DE 2706016 B2 DE2706016 B2 DE 2706016B2 DE 2706016 A DE2706016 A DE 2706016A DE 2706016 A DE2706016 A DE 2706016A DE 2706016 B2 DE2706016 B2 DE 2706016B2
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electrochemical battery
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cells
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Dieter Ing.(Grad.) Hasenauer
Jean Dr. Ruch
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Accumulatorenwerk Hoppecke Carl Zoellner and Sohn KG
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Description

Die l'lrfiiulung betrifft eine elektrochemische Batterie zur Urzeugung von hohen I .ei Hingen hei hohen Stromdichten, aus einer Mehrzahl von Metall-Luft-ZeUen, jeweils bestehend aus einer verbrauchbaren stabförmigen Elektrode aus zumindest zum Teil kompaktem Metall, deren Stirnfläche alleinige Arbeitsfläehe ist und abgedichtet in einen Elektrolytraum hineinragt, sowie aus einer im kleinstraöglichen durch nachstellbare Lagerung einer der Elektroden gleichbleibend gehaltenen Abstand parallel zur Arbeitsfläche angeordneten Luftelektrode, und aus Stromabnahmen gemäß Patent 2607519.4-45. Unter den Begriff »Luftelektrode« fallen selbstverständlich auch Sauerstoffelektroden oder H2O2-EIektroden. Der Begriff »Luftelektrode« ist nur der Einfachheit halber gewählt, soll jedoch keine Einschränkung beinhalten.
υ Im genannten Patent 2607519.4-45 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von hohen Leistungen bei hohen Stromdichten in einer Metall-Luft-Zelle offenbart. Es ist jedoch kein elektrochemisches Aggregat aus einer Mehrzahl von Zellen beschrieben. Demge-
-'Ii maß bezweckt die vorliegende Erfindung die Verbesserung und weitere Ausbildung des eingangs beschriebenen Gegenstandes, wobei die Aufgabe zugrundeliegt, eine elektrochemische Batterie aus mehreren Zellen, insbesondere ein Metall-Luft-Zellenaggregat
-'"> vorzuschlagen, welches konstruktiv einfach ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zellen parallel zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet sind und die Anordnung der Elektroden einer Zelle umgekehrt zu der Anordnung der
«ι Elektroden der benachbarten Zelle ist. Durch den abwechselnden Aufbau der Metall-Elektroden und der Luftelektrodcn werden durch die Reihenschaltung aufgeworfene konstruktive Probleme in einfacher Weise vermieden. Es werden kürzeste Stromwege ge-
i'i schaffen.
Es ist vorteilhaft, die elektrochemische Batterie mit einem Elektrolyt-Vorratsbehältcr auszurüsten, aus welchem mittels einer oder mehrerer Elektrolytpumpen der Elektrolyt durch die einzelnen Zcllen-Elck-
i» trolyträumc pumpbar ist. Hiermit wird elektrolytseitig eine Parallelschaltung der Zellen geschaffen, die kurze Transportwege und optimale Anströmung der jeweiligen Reaktionsorte ermöglicht. Durch eine Optimierung der Elcktroiytkanalqucrschnittc in den einzelnen
ti Zellen können mögliche Verluste durch Kurzsschußströme im Elektrolyten klein gehalten werden.
Es ist ferner vorteilhaft, an der elektrochemischen Batterie einen Lüfter vorzusehen, durch welchen die Versorgung der Luitelektrodcn mit Sauerstoff (Luft)
ι» unter leichtem Überdruck erfolgen kann. Hierdurch wird nicht nur die einwandfreie Zuführung von Sauerstoff zu den Elektroden, sondern auch eine Gasspülung zur Abführung von inerten Gasantcilen erzielt. Zum Anfahren der elektrochemischen Batterie
ΊΊ kann eine wieder aufladbarc Hilfsbatterie vorgesehen werden, durch welche die Elektrolytpumpc und der Lüfter kurzzeitig angetrieben werden. Nach dem Aufbau der Battcricspannung wird die Versorgung der Pumpen und Lüfter umgeschaltet und von der Batterie
hi selbst übernommen. Die Hilfsbatterie kann dann wieder aufgeladen werden. Das Abfahren des Aggregates kann durch einfaches Stillsetzen der Pumpen und der Lüfter geschehen. Der Elektrolyt fließt dann in den Elcktrolyttank zurück und die Aggregatspannimg
Ι.Ί bricht zusammen.
Die der !Erfindung zugrundeliegenden Zellen stellen hochleistungsfähige, hochenergetische Sp-icher dar, die mechanisch durch ilen lirsat/ der Metallelek-
trade wiederaufladbar sind. Durch die einfache Konstruktion der vorgeschlagenen elektrochemischen Batterie, insbesondere der parallelen Anordnung der Zellen zueinander, ist ein einfaches Auswechseln der Teile möglich. Eine besonders originelle Art der Wiederaufladung ist dann empfehlenswert, wenn das Aggregat derart aufgebaut ist, daß es in mehrere parallelgeschaltete Teilaggegrate verschiedener Lebensdauer unterteilt ist, beispielsweise in fünf Teilaggregate von je 20,40,60, 80 und 100% Energieinhalt. Es würde dann bei einer Benutzung zunächst das Element ausfallen,idas ursprünglich nur 20% Kapazität besaß. Bei diesem Teilausfall blieben 80% der Energie weiter zur Verfugung. Durch die große Überlastbarkeit der Zellen kann es beispielsweise bei einer Spannungsverminderung von 20% zu einem Leistungsanstieg von 60% unter den üblichen Betriebsbedingungen der Zellen kommen. Die Überlastbarkeit schafft also einen gewissen Ausgleich für die verminderte Kapazität his zu der Gelegenheit, da das ausgefallene Teilaggregat durch ein neues ersetzt wird, um zum ursprünglichen Energieinhalt zurückzukommen. Diese Betriebsweise hat den Vorteil, daß ein Aggregat insgesamt nie zum Ausfall kommt, der zu einer Lahmlegung des Verbrauchers führt.
Mit der Parallelschaltung können die hohen Stromdichten der Zellen voll ausgenutzt werden. Die erzeugte Energie sollte dann mittels eines Konverters auf die gewünschte Spannung hochtransformiert werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der eine elektrochemische Batterie gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist. Es zeigt
Fig. I eine Perspektivansicht eines Gesamtaggregats,
Fig. 2 den grundsätzlichen Aufbau jeder einzelnen Zelle des Aggregates der Fig. 1, in modifizierter Schcmazcichjung und in anderem Maßstab.
Die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte elektrochemische Batterie 1 weist einen Trägerkörper 2 aus Acrylharz-Kunststoff auf, welcher mit einer der Zahl der Zellen entsprechenden Anzahl von zylindrischen Bohrungen 3 versehen ist. Die zylindrischen Bohrungen 3 stellen Führungen für jeweils eine stabförmige Aluminiumelektrode (negativ) 4, dar, welche durch eine nicht dargestellte Vorschubeinrichtung möglichst nahe an einer Luftclcktrodc 5 (positiv) unter Belassung eines Elektrolytrfcumes angeordnet ist. Die Nachführung der Aluminiumclcktrodcn 4 kann beispielsweise durch Druckluft erfolgen, was in der Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet ist. Es kann auch eine Druckfeder zwischen der Al-Elektrode 3 und der Zcllcn-Rdckwand angeordnet sein.
Der korrekte Elektrodenabstand zwischen Aluminiumelektrode 4 und Luftclcktrodc 5 wird durch einen im Elcktrolytraum befindlichen Abstandshalter gewährleistet. Dabei wird die verbrauchbare Aluminiumelektrode 4 gegen ein grobes Mctallnetz gedrückt. Dieses MetaÜnct/. ist gegenüber der Liiftelektrodc 5 isoliert angebracht und kann auch zur Stromablcitung genutzt werden.
Die Luftelektroden 5 siiul jeweils außen mit separaten Trägern und Haltern auf den Trägerkörper 2 aufgesetzt und stehen in nicht dargestellter Weise mit einem Lüfter 11 in Vlirb: idung, der Luft zu ilen Elck-I rode η 5 transported, /wischen den Trägerplatten 6
ΓΊ
der Luftelektroden 5 und der Außenfläche des Trägerkörpers 2 wird an jeder Zelle ein Elektrplytraum 7 freigelassen, welcher durch eine Stirnfläche 8 der Aluminiumelektrode 4 begrenzt ist. Jeder Elektrolytraum 7 ist - wie in der Zeichnung strichpunktiert angedeutet ist- mit einem Elektrolytbehälter 9 verbunden, dessen Pumpe 10 die Zu- und Abführung des Elektrolyten in den Elektrolytraum 7 jeweils hinein und hinaus durchführt.
Die einzelnen Zellen, gemäß Fig. 1 der Zeichnung, 12 an der Zahl, sind elektrisch in Reihe geschaltet. Dies wird erleichtert durch den abwechselnden Aufbau der Aluminiumelektroden 4 und Luftelektroden S derart, daß die Anordnung der Elektroden einer wahllos herausgegriffenen Zelle umgekehrt zu der der daneben angeordneten Zelle ist. Die Gesamtspannung kann an Polen 14, 16 abgegriffen werden.
Der Aufbau der einzelnen Zellen ist der nachfolgeden Beschreibung der Fig. 2 der Zeichnung entnehmbar, wobei ein anderer zeichnerisrher Maßstab gewählt ist. Insbesondere sind die ir. der Fig. 1 der Zeichnung schematisiert dargestellten Aluminiumelektroden 4 wesentlich länger als die in Fig. 2 der Zeichnung verwendeten und stellt dementsprechend der in Fig. 2 gezeichnete Trägerkörper nur einen allseits begrenzten Ausschnitt des Trägerkörpers 2 der Fig. 1 dar.
Die als Zylinder ausgeführte Aluminiumelektrode 4 ragt mit ihrer Stirnfläche 8, die allein die aktive Fläche darstellt, in den Elektrolytraum 7 hinein und wird von dem Elektrolyten umspült, der durch Kanäle 16 aus dem Elektrolytbehälter 9 zugeführt wird. Die Mantelfläche der Aluminiumelektrode 4 wird vollkommen von einer Dichtung 17 abgedeckt und kann damit nicht von dem Elektrolyten angegriffen werden. Wichtig ist dabei, daß die umlaufende Dichtung 17 genau mit der aktiven Stirnfläche 8 der Aluminiumelektrode 4 abschließt. Die Dichtung besteht zum Beispiel aus einem Elastomer und wird in einer entsprechenden Ausnehmung des Trägerkörpers 2 befestigt. Die Aluminiumelektrode 4 wird bei dieser Zellenausführung an ihrer Rückseite durch eine andrückende Metallfeder, die auch der Nachführung der Elcktorde dient, kontaktiert (nicht dargestellt). Zwischen der Luftelektrodc 5 und dei verbrauchbaren Aluminiumelektrode 4 befindet sich der Elektrolytraum 7 (siehe Pfeil), wobei ein dazwischengelegtes Kontaktblech 18 der Stromabführung dient. Hinter der Luftclektrode 5 sind eine Dichtung 19 und ein Stütznetz 20 angeordnet, die von der Trägerplatte 6 gehalten werden. Durch die Abdichtung wird gewährleistet, daß kein Elektrolyt nach außen oder in den Sauerstoff-Gasraum gelangt. Das Kontaktblcch 18 wird durch einen Verbinder 21 fortgeführt, der die Reihenschaltung ζμγ nächsten Zelle in der Balierie gemäß Fig. 1 erstellt.
Zum Anfahren der Batterie 1 ist eine wicderaufladbarc Hilfsbatterie 13 vorgesehen, die gegenüber dem Elcktrolytbel· älter 9 am Trägerkörper 2 befestigt ist.
Die Sauerstoffzufuhr zur Luftcicktrodc 5 erfolgt mittels eines auf der gleichen Seite hel'es'igten Lüfters 11. dessin Verbindung zu den ein/einen Tragerplatten 6 nicht dargestellt ist.
lemcr ist an der riatterie eine Kühleinrichtung i2 vorgesehen, von dem aus ein Kühlmedium - in anderen Ausfiihningsformcn ein Temperiermediiim Hohlräumen 22 im Trägerkörper 2 zufiihrbar ist.
Nachfolgend sind zwei Beispiele einer erfindungsgemäßen Battcricausführung zahlenmäßig besehrieben:
1 kW/ 40 kWh
10 kW / 400 kWh
24 Volt / 41,66 Λ
48 Volt / 208 Λ
Spannung pro Zelle
tiei / - 0,35 A/cm - 1,2 Volt 1,2 Volt
Anzahl der Zellen 20 40
Fläche pro Elektrode 120 cm2 600 cm2
verbrauchbare Länge Al 2,18 cm 2,18 cm
Durchmesser einer Al-El. 12,36 cm 27,6 cm
Zellenfläche 206 cm2 880 cm2
Aggregatfläche 4,120 cm2 35,200 cm2 Effektive Länge einer
Al-El. 3,68 cm 3,68 cm
Volumen einer Al-El. 441,6 cm' 2208 cm'
Gewicht einer Al-El. 1,2 kg 6 kg
kW /
kWh
10 kW / 400 kWh
Volt /
41,66 A
48 Volt / 208 A
Gesamt Al-Gewicht
Tiefe des Aggregats
Volumen des Aggregats
Differenz Zellenflächc-Hlektrodenfläche
Gesamtverpackungsfläche 1720 cm2
Volumen der Verpackung 8,9 I
Gewicht der Verpackung 11 kg
Gewicht der Lauge
Gewicht des Sauerstoffs
Gewicht der Sauerstoffelektroden
kg
5,18 cm
21340 cm'
cm2
cm2
kg
kg
uiiipv
Gewicht der Verbinder
1,2 kg
kg
240 kg 5,18 cm 181280cm'
280 cm'
11 200 cm' 58 1
70 kg 380 kg 130 kg
12 kg 10 kg
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche;
1. Elektrochemische Batterie zur Erzeugung von hohen Leistungen bei hohen Stromdichten, aus einer Mehrzahl von Metall-Luft-Zellen, jeweils bestehend aus einer verbrauchbaren stabförmigen Elektrode aus zumindest zum Teil kompaktem Metall, deren Stirnfläche alleinige Arbeitsfläche ist und abgedichtet in einen Elektrolytraum hineinragt, sowie aus einer im kieinstmöglichen durch nachstellbare Lagerung einer der Elektroden gleichbleibend gehaltenen Abstand parallel zur Arbeitsfläche angeordneten Luftelektroden, und aus Stromabnahmen gemäß Patent 2 607 519, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen parallel zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet sind und die Anordnung der Elektroden (4, 5) einer Zelle umgekehrt zu der Anordnung der Elektrovien der benachbarten Zelle ist.
2. Elektrochemische Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Elektrolyt-Vorratsbehälter (9), aus welchem mittels einer oder mehrerer Elektrolytpumpen (10) der Elektrolyt durch die einzelnen Zellen-Elektrolyträume (7) pumpbar ist.
3. Elektrochemische Batterie nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lüfter (11) vorgesehen ist, durch welchen die Versorgung der Luftelektroden (5) mit Sauerstoff unter leichtem Überdruck erfolgt.
4. Elektrochemische Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anfahren eine auf ladbare Hilfsbatterie (13) vorgesehen ist.
5. Elektrochemische Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Zellen in einem Trägerkörper (2) aus Acrylharz-Kunststoff angeordnet sind, in welchem Hohlräume (22) zur Zirkulation eines Tempcricrungsmittels und Bohrungen zur Zu- und Abführung des Elektrolyten zu den Elelctrolyträumcn (7) sowie Bohrungen für die Sauerstoffversorgung der Luft-Elektroden (5) ausgebildet sind.
6. Elektrochemische Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trägerkörper (2) zueinander parallele zylindrische Bohrungen (3) mit Abstand zueinander in einer oder mehreren Ebenen für die nachführbare Anordnung der Metall-Elektroden (4) ausgebildet sind.
7. Elektrochemische Batterie nach Anspruch 5 und 6, gekennzeichnet durch außen liegende Zellenverbinder (21).
7. Elektrochemische Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere p&rallcl geschaltete Teilaggrcgate verschiedener Lebensdauer, vorzugsweise durch fünf Teilaggrcgate von je 20, 40, 60, 80 und 100% Energieeinheit.
9. Elektrochemische Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilaggrcgate jeweils aus mehreren Zellen bestehen.
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