DE2458206A1 - Verfahren und vorrichtung zur zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen generatorelementen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zwangsumlaufspeisung von elektrochemischen generatorelementen

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DE2458206A1 DE19742458206 DE2458206A DE2458206A1 DE 2458206 A1 DE2458206 A1 DE 2458206A1 DE 19742458206 DE19742458206 DE 19742458206 DE 2458206 A DE2458206 A DE 2458206A DE 2458206 A1 DE2458206 A1 DE 2458206A1
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Description

PBO
E 9001 3» &ez> 1974
PIpV-Ing. Jürgen WE!NMiU-£R 0 / C Q 9 Π £
PATENTASSESSOR C. H Ό 0 L U Ό
SOSPI GmbH
8ΟΟΟ München SO
Zeppelinstr. 63
COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 (Frankreich)
VERFAHREN.UND VORRICHTUNG ZUR ZWANGSUMLAUFSPEISUNG VON ELEKTROCHEMISCHEN GENERATORELEMENTEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsumlaufspeisung von elektro-chemischen Generatorelementen.
Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.
Elektro-chemische Generatoren mit Zwangsumlauf sind bereits bekannt und zur Zeit Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, die auf umweltbelastungsfreie Fahrzeuge abzielen.
Unter diesen Generatoren bieten insbesondere die Luft-Zink-Systeme im Hinblick auf eine solche Anwendung ermutigende Aussichten.
509824/0714 *A
Is sei kurz daran erinnert, daß eine Elementarzelle eines solchen Generators einen katalytischen aktiven Teil umfaßt, in dem eine alkalische Lösung fließt, die suspendiertes Zinkpulver enthält; tritt ein solcher aktiver Teil mit Luft in Berührung, so wird das Zink oxydiert, woraus sich eine elektromotorische Kraft ergibt.
Zur Bildung eines elektro-chemischen Generators ist es also notwendig, elektrisch und flüssxgkextsmäßxg solche Elementarzellen oder Elemente untereinander zu verbinden.
Im allgemeinen werden die Elemente in Serie mit Hilfe von Pumpen mit der alkalischen Lösung versorgt und elektrisch in Reihe geschaltet.
Auf diese Weise werden Elementegruppen oder Moduln hergestellt, die jeweils eine begrenzte Anzahl von Elementen enthalten, und es ist natürlich möglich, solche Moduln untereinander zu verbinden, um einen Generator mit bestimmten elektrischen Nominalwerten zu schaffen.
Solche Gruppen müssen folglich mit einer vorbestimmten alkalischen Lösungsmenge versorgt werden, deren Wert inabesondere von den Abmessungen der Elemente und von den physikalischen Merkmalen der Lösung abhängt.
Darüber hinaus muß der mittlere Druck dieser Lösung innerhalb bestimmter Grenzen bleiben, die insbesondere durch den Druck der Umgebung, in diesem Fall der Atmosphäre, bedingt werden; auf jeden Fall muß der unmittelbare Druck unter dem Atmosphärendruck liegen, denn der Druckunterschied zwischen der Atmosphäre und der alkalischen Lösung muß so sein, daß die Luft in allen
509824/0714
Elementen mit dem katalytisch aktiven Teil, der in den Elementen vorhanden ist, in Berührung treten und so die elektro-chemischen Reaktionsvorgänge auslöse» kann.
Ferner ist es in solchen Generatoren notwendig, zu Beginn die Elemente rasch mit der Lösung anzufüllen und während des Betriebs darüber hinaus zu vermeiden, daß die Speisepumpen versehentlich anhalten und so eine Herabsetzung oder sogar-Unterbrechung der elektrischen Energieproduktion nach sich ziehen.
Mit der Erfindung ist es möglich, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden. Sie bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem eine Vielheit von elektro-chemischen Generatorelementen der Reihe nach mit einer Lösung mit einem vorbestimmten Durchsatz und einem konstanten mittleren Druck versorgt werden können, wobei lediglich ein minimaler Energieverbrauch auftritt und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet wird.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur seriellen Zwangsumlaufversorgung von mehreren elektro-chemischen Generatorelementen mit einem Medium gemäß einem vorbestimmten Durchsatz und unter einem vorbestimmten und konstanten mittleren Druck, wobei der Generator in einer Bauart ausgeführt ist, bei der die Elemente in Gruppen oder Moduln zusammengefaßt sind, von denen jeder dieselbe Anzahl von Elementen umfaßt, und wobei das Verfahren insbesondere darin besteht, zwischen jedem Modul und dem in Strömungsrichtung jeweils folgenden Modul mindestens eine so-
im/1 genannte Zwischenpumpe anzuordnen, mit der/in Strömungsrichtung
509824/0714
vorausgehenden Modul auftretende Druckverluste ausgeglichen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
- daß in Strömungsrichtung gesehen hinter allen Moduln mindestens eine Pumpe angeordnet wird,.die für den vorbestimmten Durchsatz einen Druck entwickeln kann, der gleich dem Unterschied zwischen einerseits dem vorbestimmten mittleren Druck und andererseits der Hälfte des Druckverlustes im stromaufwärtsliegenden Modul ist,
- daß in Strömungsrichtung gesehen vor allen Moduln mindestens eine Pumpe angeordnet wird, mit der für den vorbestimmten Durchsatz ein Druckverlust hergestellt werden kann, der gleich der Summe einerseits des vorbestimmten mittleren Drucks und andererseits der Hälfte des Druckverlustes im in Strömungsrichtung folgenden Modul ist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, in der dieses Verfahren angewendet wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Speisung von Elementen eines elektrochemischen Luft-Zink-Generators beschrieben; selbstverständlich gilt die Erfindung analog auch für mit anderen Lösungen und Metallpulvern arbeitende elektro-chemische Generatoren.
Die Beschreibung erfolgt an Hand der beiliegenden drei Figuren.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines aus Elementen gebildeten Moduls.
Fig. 2 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar.
Fig. 3 stellt die Kennlinien der erfindungsgemäß eingesetzten Pumpen dar.
50982A/0714
In Fig. 1 ist also ein Modul 1 zu sehen, der aus einer bestimmten Anzahl η von praktisch untereinander gleichen Elementen 2 besteht, die in Serie mit einer Kalilösung versorgt werden, die suspendiertes Zinkpulver enthält; diese Versorgung erfolgt durch Leitungen 3 und wird durch Pfeile F angedeutet.
Elemente dieser Bauart werden beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 22 62 170 vom 19. Dezember 1972 beschrieben.
Es sei daran erinnert, daß jedes der Elemente 2 ein negatives Kollektor-Gitter a, einen porösen Separator b, eine poröse katalytisch aktive Schicht c sowie ein positives Kollektor-Gitter d umfaßt, das in eine wasserabwexsende poröse Schicht e eingehüllt ist. Solche Elemente werden über ihre gesamte Länge hinweg von der Kalilösung und dem darin suspendierten Zink in der angegebenen Weise durchflossen, und die elektro-chemische Oxydation des Zinks durch die Außenluft erzeugt zwischen den Gittern a und d eine elektromotorxsehe Kraft. Die dargestellten Elemente sind mit Hilfe von Leitern 4 elektrisch in Reihe geschaltet und die durch einen solchen Modul erzeugte elektromotorxsehe Kraft wird an den äußeren Anschlußklemmen 5 abgenommen .
Die Anzahl der Elemente 2 in einem Modul ist aufgrund der in diesen Elementen durch die Lösungsstromung hervorgerufenen Druckverluste begrenzt.
Wenn mit 4p der Druckverlust in einem Element bezeichnet wird, so beträgt im Modul 1 der Druckverlust n£p, wobei η die Anzahl der Elemente des Moduls darstellt.
50982A/07U
Folglich ist der Druck in demjenigen Element des Moduls, das in Strömungsrichtung am weitesten entfernt liegt, geringer als in allen davorliegenden Elementen, und es ist notwendig, diesen Druck nicht unter bestimmte Grenzen abfallen zu lassen, damit
die Außenluft mit der katalytischen Schicht c noch in Berührung kommen und das Zink oxydieren kann. Es ist also verständlich,
daß der Wert für η durch diesen Sachverhalt begrenzt ist.
Es ist notwendig, daß der mittlere Druck Pm der Lösung in einem Modul innerhalb bestimmter Grenzen bleibt und gleichzeitig geringer ist als der Atmosphärendruck.
In Fig. 2 wird ein elektro-chemischer Generator dargestellt, der aus mehreren Moduln I1, 1„, 1_ ... 1 besteht, die
12 3 m
praktisch gleich sind und mit einer suspendiertes Zinkpulver enthaltenden Kalilösung 6 versorgt werden· eine solche Lösung befindet sich im Behälter 7.
Zwischen je 2 der Moduln ist eine Zwischenpumpe 8-, 8 , ... 8 vorgesehen, während in Strömungsrichtung gesehen hinter dem letzten Modul 1 eine Pumpe 9 und in Strömungsrichtung gesehen vor dem ersten Modul I1 eine Pumpe 10 angebracht ist.
Die Pumpen 8. , 8„ ... 8 weisen praktisch alle untereinander gleiche Kennlinien auf, während die Pumpen 9 und 10
unterschiedliche Kennlinien haben, wie es im folgenden genauer erläutert wird. Alle diese Pumpen können über eine gemeinsame
Welle oder getrennt angetrieben werden.
In Fig. 3 wird das Diagramm für den Druck ρ und den
Durchsatz D der eingesetzten Pumpen dargestellt. Dabei zeigt
609824/0714
die Kurve I die Kennlinie der Zwischenpumpen 8^, 8 ... 8mi-1 die Kurve II die Kennlinie der Pumpe 9 und die Kurve III die Kennlinie der Pumpe 10.
Wird mit Di der nominale Kalilösungs- und Zinkdurchsatz in den Elementen bezeichnet, so ist dieser Durchsatz natürlich in Abhängigkeit insbesondere von der Abmessung der Elemente und den physikalischen Eigenschaften der Lösung selbst vorbestimmt. Darüber hinaus ergibt sich, wie bereits gesagt, in jedem der Moduln ein Druckverlust nAp> und darüber hinaus ist es notwendig, daß zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Inneren eines jeden Moduls eine mittlere Druckdifferenz Pm herrscht, damit die Luft die aktive Schicht c jedes der Elemente erreichen kann; dabei wird der Atmospharendruck als Ausgangsdruck genommen und folglich der Wert O dafür angenommen.
Die Pumpen 8Ί, 8 , ... 8 sorgen jede für den Ausgleich des Druckverlustes n4p in jedem in Strömungsrichtung gesehen jeweils vorhergehenden Modul, und in Fig. 3 ist zu sehen, daß der Abstand A-Di gleich n^p ist.
Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß der Druck am Eingang eines Moduls -Po und am Ausgang -(Po + n/^p) beträgt.
Der mittlere Druck Pm in einem Modul beträgt also praktisch
pm= -(po + ^)-
Die Pumpe 9 muß die Lösung zum Außenmilieu, d.h. in den Behälter 7 transportieren und daher einen Druck Po + nAp liefern, was durch den Abstand B-Di in Fig. 3 symbolisiert wird, dieser Druck ist im übrigen gleich - ίPm +
1 .
509824 / 0 7 U
Die Rolle der Pumpe 10 ist die folgende :
Beim Einschalten sind die Moduln 1, ... 1 luftgefüllt,
Im
und es ist notwendig, die Pumpen 8.. ... 8 und 9 einzuschalten. Betrachtet man daher die Kurve III, so sieht man, daß die Pumpe 10 eine Anlaufleistung bis zum Punkt Dk erbringt, bei dem die übrigen Pumpen nacheinander in Betrieb genommen werden, in diesem Augenblick wird die Kennlinie ρ (D) der Pumpe 10 negativ, was für den nominalen Durchsatz Di durch den Punkt C dargestellt wird. Die Pumpe 10 ist so aufgebaut, daß der Abstand Di-C für den Durchsatz Di genau gleich dem Abstand A-B ist, d.h., -Po oder auch Pm + ηAP; folglich erzeugt sie in diesem Augenblick einen Druckverlust Po im gesamten Kreislauf und somit den für den Betrieb der Elemente notwendigen mittleren Druck Pm. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß im Abschnitt Dk-C der Kurve III die Pumpe 10 theoretisch keine Energie verbraucht, da sie einen Druckverlust herstellt.
Jedes zum falschen Zeitpunkt erfolgende Ausfallen irgendeiner Pumpe würde einen Durchsatzrückgang und das Einspringen der Pumpe 10 nach sich ziehen, durch die ein solcher Fehler unverzüglich behoben wird; dabei wird die Kennlinie der Pumpe dann positiv.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also bei einem konstanten Druckunterschied zwischen dem mittleren Druck und dem äußeren Milieu und unter gleichzeitigem Ausgleich der Druckverluste und Verhindern von Pumpenausfällen die Versorgung aller Elemente erreicht.
509824/0 714
Als Beispiel für eine Ausführungsform werden vier Moduln mit jeweils zwölf Elementen elektrisch und flüssigkeitsmäßig in Reihe geschaltet.
Der so gebildete Generator liefert eine Spannung von Volt und eine Leistung von 3 KW.
Die oben definierten Parameter sind dabei :
Po =40 Millibar = 10 Millibar = 120 Millibar
Pm = -100 Millibar Der nominale Lösungsdurchsatz ist dabei etwa 1 m pro Std.
6 09824/0714

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    SS SSl SSS SSS SB SSS SS—1—.SS SSS S3 SS
    1 - Verfahren zur seriellen ZwangsumlaufVersorgung von mehreren elektro-chemischen Generatorelementen mit einem Medium gemäß einem vorbestimmten Durchsatz und unter einem vorbestimmten und konstanten mittleren Druck, wobei der Generator in einer Bauart ausgeführt ist, bei der die Elemente in Gruppen oder Moduln zusammengefaßt sind, von denen jeder dieselbe Anzahl von Elementen umfaßt, und wobei das Verfahren insbesondere darin besteht, zwischen jedem Modul und dem in Strömungsrichtung jeweils folgenden Modul mindestens eine sogenannte Zwischenpumpe anzuordnen, mit der im in Strömungsrichtung vorausgehenden Modul auftretende Druckverluste ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet,
    - daß in Strömungsrichtung gesehen hinter allen Moduln (1, ... 1 ) mindestens eine Pumpe (9) angeordnet wird, die für den vorbestimmten Durchsatz (Di) einen Druck entwickeln kann, der gleich dem Unterschied zwischen einerseits dem vorbestimmten mittleren Druck (Pm) und andererseits der Hälfte ( fdes Druckverlustes im stromaufwärt siiegenden Modul (1 ) ist,
    - daß in Strömungsrichtung gesehen vor allen Moduln (1, ... 1 ) mindestens eine Pumpe (10) angeordnet wird, mit der für den vorbestimmten Durchsatz (Di) ein Druckverlust (Po) hergestellt werden kann, der gleich der Summe einerseits des vorbestimmten mittleren Drucks (Pm) und andererseits der Hälfte I 1 des Druckverlusts im in Strömunsgrichtung folgenden Modul (1,) ist.
    609824/0714
    2 - Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt
    - einen Behälter (7) mit dem Medium (6),
    - mindestens eine sogenannte Zwischenpumpe (8..), mit der der Druckverlust (n^p) in dem in Strömungsrichtung jeweils vorangehenden Modul (1.) ausgeglichen werden kann,
    - mindestens eine Pumpe (9), die in Strömungsrichtung gesehen hinter allen Moduln (I1 ... 1 ) liegt und mit der für den vorbestimmten Durchsatz (Di) eine Druckdifferenz entwickelt wird, die gleich dem Unterschied zwischen dem vorbestimmten mittleren Druck (Pm) einerseits und der Hälfte I I des Druckverlusts im jeweils vorangehenden Modul (1 ) andererseits ist,
    - mindestens eine Pumpe (10), die in Strömungsrichtung gesehen vor allen Moduln (1. ... 1 ) liegt und mit der für den vorbestimmten Durchsatz (Di) eine Druckdifferenz (Po) hergestellt wird, die gleich der Summe des vorbestimmten mittleren Drucks (Pm) einerseits und der Hälfte I j des Druckverlusts im jeweils in Strömungsrichtung gesehen nachgeordneten Modul (1..) andererseits ist.
    3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Medium (6) tun den Elektrolyten des elektro'-chemischen Generators mit einem suspendierten Metallpulver handelt.
    4 - Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metallpulver um Zinkpulver handelt.
    509824/0714
    5 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte mittlere Druck(Pm) einen Wert aufweist, der unter dem Atmosphärendruck liegt.
    6 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren der Pumpen (S1 ... 8 ,9, 10) über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
    7 - Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch geken nzeichnet, daß die Rotoren mit derselben Geschwindigkeit angetrieben werden und unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
    8 - Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden und praktisch gleiche Abmessungen aufweisen.
    9 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Pumpen (8, ... 8,9, 10) einem unabhängigen Antriebsmotor zugeordnet ist.
    JL Iu ·"■ JL
    10 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (6), das den letzten Modul (1 ) verläßt, in den Behälter (7) zurückgeführt wird.
    509824/07U
    11 - Elektro-chemischer Generator, der gemäß dem Verfahren laut Anspruch 1 mit einem Medium versorgt wird.
    12 - Elektro-chemischer Generator, der mindestens eine Versorgungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10 umfaßt.
    5 09824/0714
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