STOPPER WITH GAS RECOMBINATION DEVICE

Abstract: 1. Closure stopper for batteries containing aqueous electrolytes, which stopper has a device for the catalytic recombination of the gases generated during operation of the battery, characterised in that a water-adsorbing molecular sieve or another material of high specific thermal capacity applied to a carrier and selected from the group of substances comprising salt hydrates, oils and crystalline, cross-linked synthetic resins from the range comprising expoxy resins, polyurethane resins or polyester resins is arranged on an outer surface of the stopper in thermally conducting combination with the catalyst material.

Description: Verschlussstopfen mit Rekombinator Die Erfindung betrifft einen Verschlussstopfen für Akkumulatoren mit wässrigem Elektrolyten, der eine Vorrichtung zur katalytischen Rekombination der im Betrieb des Akkumulators entstehenden Gase besitzt. Beim Einsatz von Rekombinatoren auf Akkumulatorenzellen und Batterien treten häuig thermische Probleme auf, da die Knallgasrekombination ein stark exothermer Vorgang ist und dementsprechend hohe Wärmebeträge an die Umgebung abgeführt werden müssen. Eine extreme Belastung der Rekombinatoren tritt während der Ladephase auf, die meist bis in die volle Gasung ausgedehnt wird. Der gesamte Ladestrom wird dann nur noch zur Elektrolyse des Wassers verbraucht und das Knallgasangebot zur Umsetzung am Rekombinationskatalysator ist entsprechend hoch. Bei ausreichender Dimensionierung sollte ein Rekombinator in der Lage sein, diese Elektrolysegase ohne Oberhitzung zu rekombinieren. Die Grösse der Wärmeaustauschflächen und damit die äusseren Abmessungen des Rekombinators wären damit auf die Ladegasung abgestimmt. Ein solcher Rekombinator erweist sich als unzweckmässig für Betriebsphasen mit geringerem Gasanfall, z.B. Entladung, weil er für diese überdimensioniert ist. Andererseits würde sich der Rekombinator bei der Ladung überhitzen, wäre er mit seinen Abmessungen lediglich den Entladegasen angepasst. Es ist u.a. bereits versucht worden, die Wärmeabfuhr aus dem Re kombinator dadurch wirksamer zu gestalten, dass der Katalysatorträger in grossflächigem Kontakt mit einem metallischen, also gut wärmeleitenden Deckel des Stopfengehäuses steht und dadurch mit diesem thermisch gekoppelt ist. Ein solcher Verschlussstopfen ist aus der DE-OS 2 442 465 bekannt. Die Rekombinationswärme wird hierbei überwiegend durch Konvektion und Strahlung an dieumgebungsluft abgegeben. Da die grösste Belastung des Rekombinators mit dem Ende der Ladung und gegebenenfalls einer Oberladung, die nur eine kurze Betriebsphase ist, zusammenfällt, ist ein grosser Wärmeausstoss auf eine ver hältnismässig. kleine Zeitspanne beschränkt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabgabe aus der Gasrekombination über einen grösseren Zeitraum zu verteilen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mit der Katalysatoranordnung ein Material gekoppelt ist, welches eine hohe spezifische Wärmekapazität besitzt. Auf diese Weise ist es möglich, einer Überhitzung des Rekombinators entweder durch Weitergabe der Wärme an einen Speicher oder durch Aufzehrung in Verbindung mit einem wärmeverbrauchenden Vorgang vorzubeugen. Als geeignete Wärmespeicher kommen Stoffe infrage, die eine hohe spezifische Wärme besitzen oder bei denen durch Wärmezufuhr Phasenumwandlungen stattfinden können. Als Beispiele seien H2O, Salzhydrate wie Na2SO4 x 10 H20, Ule und Kunstharze genannt. Bei den letztgenannten handelt es sich insbesondere um Produkte aus der Reihe der Epoxidharze, der Polyurethanharze und der Polyesterharze mit zumindest teilkristallinen Netzstrukturen. Ihre Verwendung als Speichermaterial in Latentwärmespeichern ist z.B. Gegenstand der DE-OS 2 523 273. Während der Ladephase nehmen alle diese Stoffe Wärme unter geringer Temperaturerhöhung auf und geben sie während der Entladung langsam an die Umgebung ab. Ein Speicher der genannten Art wäre somit in der Lage, den Rekombinator thermisch zu entlasten. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die wärmeproduzierende Gasrekombination mit einer wärmeverzehrenden chemischen Reaktion, einer Verdampfung oder einer Desorption zu koppeln. Dadurch wird eine Absenkung der Wärme erzielt-und ein u.U. schädlicher Wärmestau verhindert. Die Stoffe, welche einer solchen endothermen Umwandlung unterzogen werden sollen, sind dabei zweckmässig auf einem Träger fixiert. Der Träger selbst sollte ein gutes Adsorptionsvermögen gegenüber dem aufzunehmenden Stoff, beispielsweise Wasser, besitzen. Dadurch ist es möglich, die Rekombinationswärme besonders wirksam abzubauen, indem sie zur Abtrennung des Wassers vom Träger sowohl die notwendige Desorptionsenergie als auch die Verdampfungsenergie liefern muss. Immerhin darf die Desorptionsenergie etwa mit der Hälfte der Verdampfungsenergie angesetzt werden. Als Trägermaterialien mit den angegebenen Voraussetzungen sind erfindungsgemäss Molekularsiebe in hohem Masse geeignet. Als Molekularsiebe bezeichnet man Zeolithe, welche sich gegenüber Gasen und Flüssigkeiten durch hohe Adsorptionsfähigkeit auszeichnen. In dem erfindungsgemässen Zusammenhang ist nun wichtig, dass die Adsorption mit Wärmeentwicklung und die Desorption mit Wärmeaufnahme verbunden ist. Als Schüttungen oder Gerüststrukturen lassen sich Molekularsiebe in beliebige Formen bringen und den gegebenen Einbauverhältnissen in einer Vorrichtung leicht anpassen. Stellt man daher zwischen dem Rekombinator, gegebenenfalls mit dem Katalysatorträger selbst als unmittelbarem Entstehungsort der Rekombinationswärme, und dem Molekularsieb eine wärmeleitende Verbindung her, kann bei kurzzeitigen Wärmespitzen der hohe Wärmefluss.in das Molekularsieb übergehen und dort zur Desorption und Ver dampfung von Wasser verbraucht werden, welches das Molekularsieb zuvor als Luftfeuchtigkeit aufgenommen hat. Aus der Sicht des Rekombinators bzw. Katalysatorträgers stellt das Molekularsieb also ein wärmesenkendes Mittel dar. Für das Molekularsieb ist die Desorption des Wassers mit Hilfe der Rekombinationswärme gleichbedeutend mit einer Trocknung. Ist das Molekularsieb trocken, ist seine Aktivität wieder voll hergestellt, d.h. es kann erneut mit Feuchtigkeit beladen werden. Diese entzieht es während Ruhezeiten oder während der Entladung der vorbeiströmenden Luft. Eine nennenswerte Temperaturerhöhung bleibt wegen des in der Zeiteinheit geringen Umsatzes aus. Durch die Beladung mit Feuchtigkeit, ein unter Abgabe von Adsorptionswärme freiwillig verlaufender Vorgang, findet eine Selbstregenerierung des Molekularsiebes zum wärmezehrenden Mittel statt, da es am Ende erneut in der Lage ist, dem heiss werdenden Katalysatorträger die zur Entfernung des Wassers notwendige Desorptionsenergie in Form von Wärme zu entziehen. Die mit der Desorption identische Trocknung ist kein momentan ablaufender Vorgang, sondern mit gewisser zeitlicher Trägheit behaftet. Dies hat zur Folge, dass sich der Wärmeabfluss aus dem Rekombinator während der Spitzenbelastung mehr oder weniger zeitlich verschleppt und somit bis in die anschliessende Entlade- oder Ruhepause hinein ausgedehnt wird, in welcher der Rekombinator nahezu unbelastet ist. Am Ende der Trocknung ist das Molekularsieb voll aktiv und zu neuer Wasseraufnahme bereit. Dieser Zustand ist vergleichbar mit dem eines blanken unedlen Metalls, das sich ausserhalb einer Schutzgasatmosphäre von selbst mit einer Deckschicht zu überziehen trachtet. Die Figuren 1 - 3 zeigen Verschlussstopfen mit Rekombinationsvorrichtungen, die erfindungsgemäss mit Molekularsieben versehen sind. Beispielsweise kann nach den Figuren 1 und 2 der aus der DE-OS 2 442 465 bekannte Stopfen mit quaderförmigem Kunststoffgehäuse 1 verwendet werden. Durch den Trichter 2 werden die durch den Stutzen 3 und das Gaslabyrinth aufsteigenden Elektrolytgase gleichmässig über den Katalysator 5 verteilt. Dieser ist zum Zweck einer wirksamen Wärmeableitung grossflächig mit dem Metalldeckel 6 aus nichtrostendem Stahl verbunden. Gemäss Figur 1 kann nun das Molekularsieb als Schüttung 7 in blockförmigen Käfigen 8 aus beispielsweise einem feinmaschigen Nickeldrahtgewebe untergebracht sein, welche fest auf dem Deckel 6 stehen. Die Zwischenräume zwischen den Blöcken müssen so bemessen sein, dass eine gute Durchlüftung gewährleistet ist. Figur 2 zeigt eine andere Anordnung, bei welcher der Käfig 8 für das Molekularsieb tafelförmig ausgebildet und mittels Distanzhalter 9 aus Metall auf dem Deckel, planparallel zu seiner Oberfläche, positioniert ist. Bei einer zylindrischen Ausführung des Rekombinatorstopfens gemäss Figur 3 kann es vorteilhaft sein, den Mantel 10 des Zylinders aus rostfreiem Stahlblech, auf dessen Innenseite der Katalysator 5 angeordnet ist, aussen mit einem ringförmigen Käfig 8 für die Molekularsiebschüttung 7 zu umgeben, wobei wiederum Distanzhalter 9 für eine Luftkonvektion in dem schmalen Ringspalt 11 sorgen. Bei nur geringer Dicke der Molekularsiebschüttung kann der Käfig 8 dem Zylindermantel auch direkt anliegen und der Ringspalt 11 entfallen. Mit dem erfindungsgemässen Einsatz wärmespeichernder oder wärmezehrender Mittel in einem Verschlussstopfen mit Rekombinator wird eine über die Betriebsphasen des Akkumulators gleichmässiger verteilte Wärmeabführung ohne Oberhitzungsgefahr und darüber hinaus eine sinnvolle Dimensionierung des Stopfens möglich gemacht, die zwischen den bisherigen extremen Erfordernissen für eine maximale und eine minimale Gasung liegt.

Claims: Patentansprüche 1. Verschlussstopfen für Akkumulatoren mit wässrigem Elektrolyten, der eine Vorrichtung zur katalytischen Rekombination der im Betrieb des Akkumulators entstehenden Gase besitzt, dadurch ge kennzeichnet, dass mit der Katalysatoranordnung ein Material ge koppelt ist, welches eine hohe spezifische Wärmekapazität be sitzt. 2. Verschlussstopfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material auf einem Träger fixiert ist. 3. Verschlussstopfen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Molekularsieb ist. 4. Verschlussstopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Material ein Stoff aus der Gruppe H20, Salzhydrate, Ule oder ein kristallines, vernetztes Kunstharz aus der Reihe der Epoxidharze, der Polyurethanharze oder der Polyesterharze ist. 5. Verschlussstopfen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Katalysatoranordnung (5) mit dem metallischen Deckel (6) thermisch gekoppelt ist und dass ein Molekularsieb material (7) in Form einer in einem metallischen Käfig (8) an geordneten Schüttung mit dem Deckel (6) in wärmeleitender Ver bindung steht.

Inventors: LEDJEFF, KONSTANTIN, DR.
Applicants: VARTA BATTERIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: H01M10
IPC codes: H01M10