FI78197C - ELEKTROKEMISK GENERATOR. SIIRRETTY PAEIVAEMAEAERAE-FOERSKJUTET DATUM PL 14 ç 17.10.85. - Google Patents

Description

781 97 Sähkökemiallinen generaattori Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen sähkökemiallinen generaattori. Keksintö liittyy näin ollen sähkökemiallisiin generaattoreihin, kuten galvaanisiin paristoihin ja akkuihin sekä polttokennoihin, erikoisesti sellaisiin, joissa käytetään hyväksi huomattavan voimakasta sentrifuugiroottorin avulla aikaansaatua kiihtyvyys-kenttää laitteen toiminnan tehostamiseksi sekä sähkökemiallisten reaktioiden hallitsemiseksi.

Viime vuosisadalla keksitty Ni/Zn-akku on ollut jatkuvan kehitystoiminnan kohteena, koska sillä on yli kaksinkertainen energiatiheys lyijyakkuun verrattuna, ja sen raaka-aineet ovat myrkyttömämpiä, suhteellisen halpoja, ja niitä on runsaasti saatavilla. Tähän asti ratkaisematon Ni/Zn-akun epäkohta on ollut sen riittämätön toimintaikä, eli tehollisten lataus-purkausjaksojen vähäinen lukumäärä. Nikkelielektrodi voidaan palautuvasta ladata ja purkaa tuhansia kertoja, mutta kaikista parannusyrityksistä huolimatta sinkkielektrodi on rajoittanut tämän akun toimintakyvyn n. 200 jaksoon, mikä esim. sähköauton virtalähteelle on täysin riittämätön. Syy tähän epäkohtaan on sinkin runsas liukoisuus elektrolyyttiin (KOH-vesiliuos), jolloin se ladattaessa saostuu epätasaisesti sekä muodostaa neulamaisia dendriittikiteitä, jotka kasvavat kohti nikkelielektrodia, synnyttäen lopulta kennoon sisäisen oikosulun.

Ainoa tunnettu Ni/Zn-akkurakenne, joka on saatu toimimaan yli 1000 lataus-purkausjaksoa, on US-patenttijulkaisun 3 923 550 mukaisesti rakennettu "Vibrocel"-akku. Tässä akussa separaattorina on harva muoviverkko. Kaikki sinkkielekt-rodit pidetään mekaanisesti nopeassa, edestakaisessa pystysuorassa liikkeessä. Näin aikaansaadaan turbulenttinen elektrolyytin liike sinkkipinnan välittömässä läheisyydessä, ja sinkki latautuu kompaktina kerroksena.

2 78197

Edellä mainitun ratkaisun epäkohtia ovat huomattavaa mekaanista lujuutta vaativat rakenteet jokaisessa erillisessä kennossa, ravistuskoneiston aiheuttama painonlisä ja energiahukka, yksittäisten kennojen painavat virranottopultit, joiden päissä olevilla muttereilla kennot on kytketty liikkuvien kytkentäkaapelien avulla sarjaan, sekä jokaisen kennon elektrolyyttimäärän yksilöllinen valvontatarve. Tämän akuston ominaisuuksiin kuuluu lisäksi suuri itsepurkaus, joten täyteen ladattu akusto purkautuu tyhjäksi lyhyessä ajassa.

Tähän mennessä ei ole menestyksellisesti voitu rakentaa bi-polaarista rakennetta olevia Mi/Zn-akkuja.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen sähkökemiallinen generaattori, jonka rakenne on periaatteessa seuraavanlainen.

Generaattori käsittää ohuista, bipolaarisistä, tasorenkaan muotoisista, sekä sisä- että ulkokehällään eristävillä tii-visterenkailla varustetuista elektrodeista tiukasti yhteen puristetun kennoston, joka lieriömäisenä yksikkönä on saatettavissa pyörimään keskiakselinsa ympäri suurella pyörimisnopeudella. Elektrolyyttiä syötetään kuhunkin tii-visterenkaiden rajaamaan kennoon tämän sisäkehällä olevista aukoista, samalla kun elektrolyyttiä ainakin akustoa purettaessa poistetaan kunkin kennon ulkokehällä olevien aukkojen kautta mieluimmin jaksottaisina pulsseina. Akustoa ladattaessa poistovirtaus tapahtuu vaihtoehtoisesti kunkin kennon sisäkehällä olevien ylivirtaus- ja kaasunpoistoputkien kautta pyöritysakselia ympäröivään putkimaiseen tilaan. Elektro-ditasojen suuntainen voimakas keskipakokenttä synnyttää reaktion tapahtuessa pakotetun pyörremäisen konvektion elektrodien pinnalla, tuoden ladattaessa riittävästi sinkki-ioneja homogeenisen, kompaktin sinkkisaostuman aikaansaamiseksi, sekä purettaessa poistaa reaktiotulokset niin tehokkaasti, että passivoitumista ei suurillakaan virrantiheyk 3 78197 sillä tapahdu. Akuston latausta ja purkausta varten tarvittavat virtakiskot johdetaan bipolaaristen elektrodien muodostaman kennopinkan päätylevyistä onton pyöritysakselin kautta tähän akseliin kiinnitettyihin, toisistaan eristettyihin liukurenkaisiin ja niistä edelleen akuston virtana-poihin.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaisella sähkökemialliselle generaattorille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukainen generaattori tekee mahdolliseksi elektrolyyttiin runsaasti liukenevien anodimateriaalien, kuten sinkin, tehokkaan hyväksikäytön erilaisissa akkujärjestelmissä.

Keksinnön mukaisen generaattorin avulla saadaan ennen kaikkea aikaan oleellisia parannuksia aikaisempiin Ni/Zn-akku-tyyppeihin. Huomattava painon ja tilavuuden säästö perustuu siihen, että bipolaaristen kennojen välisiä sarjakytkentä-osia ei tarvita. Myöskään separaattoreita ei tarvita, vaan ainoastaan muovisia tukirakenteita pitämään elektrodeja vakioetäisyydellä toisistaan. Elektrolyytin määrä, sen kon-sentraatio, lämpötila ja muut ominaisuudet pysyvät automaattisesti saunana jokaisessa kennossa. Rakenteisiin ei kohdistu suuria rasituksia, joten suuri osa rakenneosista voi olla muovia. Itsepurkaus voidaan rajoittaa lähes mielivaltaisen pieneksi. Sinkkielektrodi ei enää ole akun lataus-purkaus jaksojen määrää rajoittava tekijä, joten se on tässä suhteessa tasaveroinen nikkelielektrodin kanssa.

Edellä mainitut keksinnön avulla saavutettavat sekä muut edut käyvät tarkemmin selville oheisten, Ni/Zn-akkuun sovellettua suoritusmuotoa esittävien piirustusten ja niihin liittyvän yksityiskohtaisen selvityksen avulla.

Kuvio 1 esittää kaavamaisena pystyleikkauksena yhtä keksinnön mukaista Ni/Zn-akkua.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista laitetta kohdasta 2-2 tehtynä vaakasuorana leikkauksena.

, 78197 4

Kuvio 3 on yksityiskohtaisempi periaatekuva kuvion 1 yläosassa näkyvästä elektrolyytin syöttöroottorista.

Kuvio 4 on osapiirros kuviossa 1 näkyvän kennopinkan alla olevasta elektrolyytin poistoventtiiliyhdistelmästä sen ollessa avattuna.

Kuvion 1 mukaisesti akku käsittää sylintermäisen muovisäili-δη 1, jonka kanteen on kiinnitetty moottori 2. Kytkimen 3 välityksellä moottori 2 pyörittää putkimaista akselia 4/ joka on kiinnitetty säiliön 1 kanteen laakerilla 5 sekä säiliön välipohjaan 6 laakerilla 7. Akseliin 4 on kohdissa 8 ja 9 kiinnitetty akkukennoston sisältävä, muovista tehty, sentri-fuugiroottorina toimiva sylinteri 10. Tämä sylinteri 10 on täytetty tasorenkaan muotoisilla bipolaarisillä elektrodeilla 11, 12, joissa negatiivinen puoli 11 on n. 0,2 mm paksua ruostumatonta terästä, ja positiivinen puoli 12 n. 1 mm paksua sintrattua elektrodilevyä (Ni + Ni(OH>2), joka on kiinnitetty levyyn 11 pistehitsaamalla. Kuhunkin tällaiseen bi-polaariseen elektrodiin on liimattu tai epoksivaluna tehty sen kanssa kiinteän kokonaisuuden muodostavat koaksiaaliset eristysrenkaat 13 ja 14, joiden paksuus on 3 - 5 mm. Sentri-fuugisylinteri 10 on täytetty tällaisilla elektrodiyksiköil-lä siten, että alimmaisena on negatiivisena päätylevynä ruostumaton terälevy 15, josta virtakisko 16 johtaa onton akselin 4 kautta liukurenkaaseen 17. Tähän liukurenkaaseen 17 puristuvat kontaktipalat 18 on edelleen kytketty akun negatiiviseen napaan. Positiivinen virtakisko 19 on kiinnitetty ylimmän kennon päätylevyyn 20 ja johdettu akselin 4 kautta liukurenkaan 21 ja kontaktipalojen 22 välityksellä akun positiiviseen napaan. Sarjakytkennän muodostavat, bipolaa-risten elektrodien väliset kennot on tiivistetty oikosulkujen ja elektrolyyttivuotojen estämiseksi O-renkailla 23 ja 24.

Välipohjan 6 alla oleva tila jakautuu rengasmaiseen elektro-lyyttitilaan 25 ja keskellä olevaan sylinterimäiseen ventti il iyhdi s telmän säätötilaan 26. Elektrolyyttitila 25 on ja- 5 78197 ettu rengasmaisilla väliseinillä 27 osastoihin sinkkioksidin ja muiden kiinteiden hiukkasten saostamiseksi, ennen kuin elektrolyytti pumpulla P uudelleen pumpataan kennoihin. Tilaan 28 on edullista sijoittaa sopivaa suodatinmateriaalia, kuten erittäin ohuesta ruostumattomasta teräslangasta tehtyä tiivistä verkkoa.

Pumppu P nostaa elektrolyytin putkea 29 pitkin sentrifuugi-roottorin päällä olevaan suodatinsentrifuugiin 30, jossa siitä poistetaan mahdollisesti vielä olevat kiinteät hiukkaset. Väliseinän 31 yläpuolella olevassa tilassa kiertoliikettä vastaan taivutettu, virtaviivaisesti muotoiltu, kanteen kiinnitetty putki 32 siirtää elektrolyytin pato-paineen avulla jakeluroottoriin 33, joka ulkokehältään lähtevien putkien 34 kautta annostelee saman määrän elektrolyyttiä jokaiseen kennoon. Tämän jakeluroottorin 33 periaate on tarkemmin esitetty kuviossa 3. Tällaisen rakenteen avulla vältetään kennojen välinen oikosulku elektrolyytin kautta. Kuvion 2 mukaisesti tässä esimerkkitapauksessa jokaiseen kennoon johtaa kaksi täyttöputkea 34, minkä lisäksi jokaisen kennon sisäkehällä on kaksi ylivuoto- ja kaasunpoisto-putkea 35 sekä ulkokehällä kaksi poistoputkea 36. Nämä pois-toputket sulkee roottorin pohjalla oleva tiivisteillä 37 varustettu venttiililevy 38 ohjaustappi-jousiyhdistelmien 39 avulla. Venttiililevy 38 on kiinnitetty akseliin 40, jolla pystysuunnassa on noin 1 cm:n liikkumavara. Saadessaan vir-taimpulssin säädettävän (ei-esitetyn) elektroniikkapiirin avulla sähkömagneetti 41 nykäisee akselin 40 päässä olevan laipan ja laakeriasetelma 42 avulla venttiililevyn 38 alaspäin, jolloin kaikki poistoputket 36 avautuvat samanaikaisesti. Säätämällä sähkömagneetin 41 ohjauspiiriä kennojen tyhjennyspulssien kestoaika ja niiden väliaika voidaan tarkasti ohjelmoida. Tällainen pulssimainen elektrolyytin virtaus kennojen läpi estää purettaessa reaktiotulosten sakkau-tumisen kennojen ulkokehälle, ja ladattaessa homogenisoi sinkkikerroksen kasvua.

Vähintään 100 g:n keskipakokenttä kennoston ulkokehällä on todettu tarpeelliseksi, jolloin sisäkehällä se on 30...50 g.

6 78197 Tällainen keskipakokenttä saa aikaan varsin rajun elektro-lyytinvirtauspulssin tyhjennysventtiilien avautuessa. Vent-tiililevyn avauspulssien kestoaika saa olla vain suuruusluokkaa 0,1 sekuntia, jotta kennoihin ei synny haitallista elektrolyyttivajausta. Pulssien väliaika on edullisesti 1...100 sekuntia aina akun lataus- ja purkausvirran suuruuden mukaan. Hyvän toiminnan takaamiseksi on edullista, että ladattaessa kennon läpi virtaavien sinkki-ionien määrä on n. kymmenkertainen verrattuna reaktiossa saostuneeseen määrään. Tällaiset toistuvat rajut elektrolyytin virtauspulssit oleellisesti estävät ladattaessa muodostuvan sinkkikerrosen paksuusmuutoksia (shape change).

Kennoista poistuva elektrolyytti valuu ylivuotoputkien 35 kautta keskiputken seinämää pitkin aukoista 43, 44 ja 45 välipohjalle 6 ja sieltä yhdessä putkista 36 tulleen elektrolyytin kanssa aukon 46 kautta takaisin elektrolyyttisäiliöön 25. Tämä elektrolyyttisäiliö 25 voi edullisesti olla varsinaisesta akusta erillinen, vaihdettava tankki. Kun pumppu P ja moottori 2 pysäytetään, myös suodatinsentrifuugissa 30 oleva elektrolyytti valuu aukkojen 47 kautta elektrolyyttisäiliöön. Vain kennot jäävät täyteen elektrolyyttiä, ja akku säilyttää välittömän käyttövalmiuden.

Varsinaisen elektrolyyttisäiliön 25 tai vastaavan erillisen tankin lisäksi on eduksi, että akkuun liittyy kaksi pienempää (ei-esitettyä) lisätankkia. Toinen näistä sisältää tislattua vettä, lisäaineena mahdollisesti jotain tunnettua sinkin korroosiota estävää ainetta (esim. H3BO3), ja toinen KOH-elektrolyyttiä, jossa ei ole sinkki-ioneja, seuraavista syistä: 1) Jos täyteen ladattu akku halutaan pitää toimintakuntoisena pitkä aika käytännöllisesti katsoen ilman itsepurkausta, menetellään seuraavasti: - Pumppu P pysäytetään, - kennot tyhjennetään elektrolyytistä avaamalla poistoventtiilit.

7 7 819 7 - pyöritysmoottori 2 pysäytetään ja annetaan kaiken elektrolyytin valua säiliöön 25, - pyöritysmoottori 2 käynnistetään uudelleen, - poistoventtiilit suljetaan, - pumpataan jakeluroottoriin 33 erillisestä (ei-esitetystä) putkesta tislattua vettä, kunnes kennot ovat täynnä, ja - pyöritysmoottori pysäytetään.

Akku on nyt passiivisessa tilassa, ja se voidaan aktivoida hetkessä käynnistämällä pyöritysmoottori 2 ja elektrolyytti-pumppu P. Kun kennoissa ollut vesi on virrannut takaisin io-ninvaihtosuodattimella varustettuun vesitankkiin, sinne johtava kaksitieventtiili asettuu normaalia elektrolyyttikier-toa vastaavaan asentoon.

2) Sinkki latautuu suuremmalla hyötysuhteella kuin nikkeli-elektrodi. Tämän johdosta sinkkikerros lataus-purkausjaksottelussa kasvaa yhä paksummaksi. Tämän vuoksi pumppu P voidaan määräkäyttötuntien jälkeen ladattaessa kytkeä pumppaamaan elektrolyyttiä säiliöstä, jossa on sinkitöntä KOH-elektrolyyttiä, ja myös poistoelektrolyytti ohjataan huuhte-lusinkin poistavan suodattimen läpi tähän säiliöön. Nyt latautuu vain nikkelielektrodi, ja sinkkielektrodilla syntyy vetyä. Tämä vety poistuu akusta onton pyöritysputken 4 ja kytkimen 3 kautta. Seuraavan purkauksen aikana ylimääräinen sinkkikerros tulee käytetyksi, ja akku toimii jälleen häiriöttä .

Keksinnön puitteissa voidaan nikkeli- ja sinkkielektrodien erilainen latautumiskyky kompensoida sellaisella latausjär-jestelmällä, jossa jokaisen latauksen yhteydessä automaattisesti tasapainoitetaan saostuva sinkkimäärä nikkelielektro-dien varaustilaa vastaavaksi. Tämän ratkaisun mukaan laitteistoon lisätään latauksen säätöautomatiikka, joka pysäyttää elektrolyyttipumpun ja poistoventtiilien avauspulssipii-rin toiminnan, kun n. 20% nikkelielektrodien täyden latauksen määrästä on jäljellä. Tällöin kennoissa olevan pienen elektrolyyttimäärän sisältämä sinkki saostuu lyhyessä ajassa, ja loppulatauksen aikana vain nikkelielektrodi latautuu.

e 78197 .

Tätä menetelmää käytettäessä lisätankki, joka sisältää sinkki-ionivapaata (KOH-)elektrolyyttiä, tulee tarpeettomaksi .

Moottorin 2 ja pumpun P virtalähteenä on edullista käyttää esim. pientä Ni/Cd-akkua, joka on kytketty keksinnön mukaisen sähkökemiallisen generaattorin kanssa rinnan latauspii-rin välityksellä.

Edellä on kuvattu esimerkki keksinnön sovellutuksesta Ni/Zn-akkuun. On selvää, että keksintö seuraavien patenttivaatimusten puitteissa on sovellettavissa kaikkiin sähkökemiallisiin järjestelmiin, joissa on nestemäinen elektrolyytti, ja erikoisen edullisesti sellaisiin, joissa negatiivisena elektrodina on tähän elektrolyyttiin liukeneva metalli.

Claims (3)

9 78197

1. Sähkökemiallinen generaattori, joka käsittää suljetun säiliön (1), - säiliön (1) yhteyteen sovitetun elektrolyyttitilan (25), - säiliöön (1) moottorilla (2) pyöritettävästi sovitetun sentrifuugiroottorin (10), jossa on akseli (4) ja tämän suuntaisesti välimatkan päässä toisistaan olevia ohuita, tasorenkaan muotoisia bipolaarisia elektrodeja (11, 12), jotka on yhdistetty kennostoksi siten, että aina kahden vierekkäisen elektrodiparin (11, 12) väliin jää ainakin likimain säteittäistasomainen virtauskanava, jossa elektrolyytti on sovitettu virtaamaan, jolloin kennoston ulkokehä on varustettu eristävää ainetta olevalla tiivistevaipalla (13), ja - pumppulaitteen (P) elektrolyytin pumppaamiseksi elektrolyyttitilasta (25) kuhunkin virtauskanavaan, tunnettu siitä, että roottorin (10) akseli (4) on ainakin likimain pystysuora, - pumppulaite (P) on sovitettu pumppaamaan elektrolyytti roottorin (10) ulkopuolitse (29) tämän yläosaan, josta se on roottoriin (10) kuuluvan syöttöputkiston (32, 34) kautta ainakin osittain painovoiman vaikutuksesta syötettävissä eri virtauskanaviin näiden sisäreunasta, ja - kennoston sisäkehä on varustettu eristävää ainetta olevalla hylsymäisellä tiivisterenkaalla (14), jonka seinämän läpi elektrolyytti on syötettävissä eri virtaus-kanaviin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen generaattori, tunnettu siitä, että elektrolyyttitila (25) on sovitettu säiliön (1) pohjaosaan. 10 781 97

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen generaattori, tunnettu siitä, että eristävää ainetta oleva hylsymäinen tiivisterengas on kokoonpantu päällekkäin sovitetuista koaksi-aalisista eristerenkaista (14) ja näiden väliin sovitetuista O-renkaista (24). IX 78197