DE4034938A1 - Bleiakkumulatorenbatterie, insbesondere zum anlassen von endothermischen kraftfahrzeugmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bleiakkumulatoren­ batterie, insbesondere zu ihrer Anordnung als Anlasserbatterie in einem Kraftfahrzeug.

Eines der Hauptprobleme, die sich beim Entwurf von Kraft­ fahrzeugbatterien stellen, besteht in deren Dichtigkeit gegenüber dem Austreten von Schwefelsäure, sei es in Form von Tropfen oder Ausdünstungen, oder in Form von Aerosol.

Überdies müssen die Maße und die Konstruktion der Batterien der steigenden Anzahl von Bedingungen gerecht werden, die sich aus den Anforderungen des Kraftfahrzeugdesigns ergeben.

Der Motorraum nämlich, in dem üblicherweise die Batterie angeordnet ist, wird in immer stärkerem Maße durch die Komplexität der dort befindlichen Einrichtungen und durch die aerodynamische Form des Motorgehäuses eingeschränkt, welche wiederum durch den Eindringungskoeffizienten bestimmt wird, der den geringstmöglichen Wert annehmen soll. Dies setzt den Abmessungen der Batterie Grenzen, insbesondere, was ihre Höhe anbelangt. Dadurch bedingt kommt der Säurespiegel dem Deckel der Batterie immer näher, was die Ausführung von Abzugs­ öffnungen schwieriger macht.

Derartige Öffnungen, auch sie mit Labyrinthdichtung versehen sind, neigen zu flüssigkeitsbedingten Verstopfungen, insbesondere unter der Einwirkung von Schüttelbewegungen und Beschleunigungen während der Fahrt des Fahrzeuges. Außerdem kann diese verstopfende Flüssigkeit durch die sich entwickelnden Gasdrucke nach außen gepreßt werden, insbesondere während der Fahrzeugbewegung, das heißt im Zustand der Nachladung bei konstanter Spannung vom Wechsel­ stromgenerator.

Da für die Betriebssicherheit einer modernen Batterie eine absolute Dichtigkeit gegenüber dem Austreten von auch nur geringsten Schwefelsäuremengen erforderlich ist, wurden verschiedene Lösungsvorschläge vorgebracht, die sich jedoch erheblich auf die Kosten der Batterie auswirken.

Im Fall von Batterien mit freier Säure besteht ein Lösungsvorschlag in einem Deckel mit Labyrinthdichtung, dessen bevorzugte Ausführung aus Teilen in Nebeneinanderstellung besteht. Diese Lösung ist kompliziert und kostenintensiv in ihrer Konstruktion und erfordert überdies zwei Warmschweiß­ stationen in den Montagestraßen der Batterie.

Eine fast vollkommene Lösung des Problemes besteht in einer Batterie, die nach dem Prinzip der Rekombination von Sauerstoff arbeitet, wie sie im amerikanischem Patent US-A- 38 62 861 beschrieben ist.

Dieses Prinzip umfaßt die Absorption der Säure in den von Filzen aus Mikroglasfasern gebildeten Abstandsstücken, die gegenüber der anodischen Umgebung und der Schwefelsäure resistent sind und daher eher kostenintensiv ausfallen. Hinzukommt, daß Gasrückhalteventile auf den Akkumulator­ elementen erforderlich werden, wodurch ein Eintreten von Sauerstoff aus der Atmosphäre verhindert wird. Die Behälter, die Über- und Unterdrucken standhalten müssen, müssen mit steiferen Wänden als üblich versehen sein.

Die Säuremenge muß so gering wie möglich sein, wobei Kanäle oder Durchgänge für die Diffusion des von der positiven zur negativen Platte abgegebenen Sauerstoffs gelassen werden müssen. Die thermische Kapazität des Komplexes ist jedoch geringer als die normaler Batterien mit freier Säure und macht die Batterie noch empfindlicher gegen die vom Motor ausgehende Wärmeentwicklung, umsomehr, als der von den Mikrofasern absorbierte Film sich aufgrund seiner großflächigen Verteilung leichter verflüchtig.

Im Hinblick auf die voranstehend ausgeführte Problematik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit Gasrekombination verfügbar zu machen, die insbesondere zur Anordnung in Kraftfahrzeugen geeignet ist und deren Konstruktionskosten weitaus unter deren herkömmlicher Batterien auf Rekombinationsprinzip liegen.

Der Ausgangspunkt der Erfindung liegt in der Untersuchung der Betriebsbedingungen, unter denen eine Anlasserbatterie arbeitet, die sich grundlegend von denjenigen unterscheiden, unter denen irgendwo festeingebaute Batterien mit Gasrekombination arbeiten müssen. Bei dieser letztgenannten Betriebsart befindet sich die Batterie ständig im Pufferbetrieb unter Nachladebedingungen, und zwar parallel zu dem Generator, dessen günstigste gewählte Spannung konstant gehalten wird. Es erfordert jedoch einen Rekombinations­ effizienz von ungefähr 100%, um zu vermeiden, daß im Betrieb ein Wasserverbrauch durch Elektrolyse auftritt und die Batterie austrocknet.

Beim Betrieb im Kraftfahrzeug selbst hingegen verringern sich die Wiederaufladezeiten gegenüber der Gesamtzeit sehr stark. Die geschätzte Wiederaufladezeit liegt bei 2-5% bei normalen Kraftwagen bis zu 20-40% der Gesamtzeit bei gewerblich genutzten Langstreckenfahrzeugen. Während der verbleibenden Zeit unterliegt die Batterie am offenem Stromkreis einem minimalen Ladungsverlust unter geringfügiger Gasentwicklung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit einer Bleiakkumulatorenbatterie gelöst, die eine Vielzahl von Zellen aufweist, von denen eine jede zumindest eine positive und zumindest eine negative Elektrode aufweist. Zwischen den Elektroden befindet sich ein poröses Abstandsstück aus absorbierendem Fasermaterial, welches mit elektrolytischer Säure getränkt ist. Das Besondere liegt hierbei darin, daß das Abstandsstück Poren eines Durchmessers im Bereich von 10 bis 50 Mikron aufweist. Die Elektrolytsäure ist mengenmäßig so gewählt, daß alle Poren im wesentlichen mit diesem Elektrolyt gefüllt sind.

Bei der Wiederaufladung der erfindungsgemäßen Batterie kann das entstandene Gas sich somit einen Weg über diese "Kanäle" oder Poren finden, um zu der negativen Elektrode hin zu diffundieren, wo es rekombiniert.

Dank dieser Merkmale arbeitet die erfindungsgemäße Batterie nach einem Prinzip der teilweisen Rekombination von Gas, bei dem jedoch die Säure im wesentlichen unbewegt bleibt, wodurch es möglich wird, kostengünstigere Einrichtungen zu verwenden als diejenigen, welche bei einem Hochleistungsrekombinations­ system erforderlich sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfindungs­ gemäßen Akkumulatorbatterie ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, welche lediglich ein nichteinschränkendes Beispiel darstellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterie; und

Fig. 2 eine teilweise entlang der Linie II-II aus Fig. 1 aufgeschnittene Ansicht.

Gemäß der Darstellung in der Zeichnung besteht eine Batterie 1 aus einem äußeres Gehäuse 2, welches einen Hohlraum 4 bildet, in dessen Inneren mehrere positive und negative Elektroden­ platten (6 bzw. 8) angeordnet sind.

Nach dem Prinzip von auslaufsicheren Batterien mit Sauerstoffrekombination befindet sich zwischen jedem Paar positiver und negativer Elektroden ein poröses Abstandsstück (10) aus absorbierendem Fasermaterial, welches mit Elektrolytsäure getränkt ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht ein jedes Abstandsstück aus einem Filz aus gegenüber der Betriebs­ umgebung resistenten Kunstfasern, deren Durchmesser üblicherweise über 10 Mikron beträgt und die Kanäle oder Poren eines gleichförmigen Durchmessers von allgemein zwischen 10 und 50 Mikron, vorzugsweise 10 und 30 Mikron, bilden. Diese Fasern lassen sich aus einem verhältnismäßig kostengünstigen Material eines Kunstharzes aus der Gruppe der Polyolefin-, Vinyl-, Polyester- und Terephthalharze herstellen.

Die Menge der in der Batterie vorhandenen Elektrolytsäure ist so bemessen, daß alle Poren des Abstandsstückes im wesentlichen vollständig mit Elektrolyt gefüllt sind. Die Elektrolytmenge liegt also über der für die vollständige Rekombination erforderliche Menge, bei der gemäß dem Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Batterie eine Rekombination in Perioden am offenen Stromkreis nicht erforderlich ist. Während des Wiederaufladens findet das entstehende Gas seinen Weg zur Diffusion am Bleigitter der negativen Elektrode und seine Rekombination erfolgt, wenn auch in geringem Umfang, beispielsweise zu 30-50%.

Bei Verwendung der voranstehend beschriebenen Abstandsstücke ist es vorteilhaft, während der Dauer und zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Akkumulators äußere Schutzmembranen 12 zu verwenden, beispielsweise aus Cellulosematerial, welche zwischen einem Abstandsstück und den Stirnflächen einer jeden Elektrode, vorzugsweise der negativen Elektrode, angeordnet sind. Derartige Membranen weisen Poren eines Durchmessers auf, der geringer ist als der Durchmesser der Poren des Abstands­ stückes und üblicherweise zwischen 2 und 10 Mikron beträgt.

Im Herstellungsverfahren der Batterie unter Verwendung von Elektrodenplatten, die in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt wurden, für die eine Stützvorrichtung der aktiven Materialien aus einem Gitter aus gereckter Bleilegierung (expanded metal) besteht, ist diese Anordnung bereits realisiert, da sie nach Aufbringung der Paste dadurch zustandekommt, daß die Platten mit zwei dünnen Cellulosefolien versehen werden. In diesem Fall wird die zuvor erwähnte Funktion von den Membranen hergestellt, für die ein Widerstand gegen Schwefelsäure vorgesehen ist.

Aufgrund der Merkmale der erfindungsgemäßen Batterie läßt sich der Aufbau der Batterie wirtschaftlicher gestalten, da, wie es aus der Zeichnung hervorgeht, Rückhalteventile nicht erforderlich sind, weil der Zutritt von atmosphärischem Sauerstoff durch die Flüssigkeit verhindert wird. Die Wände des Behälters lassen sich dünn ausführen, da sie keinen internen Über- und Unterdrucken standhalten müssen. Überdies läßt sich der Deckel einfach und wirtschaftlich ausführen, da er lediglich dem Austreten von Aerosol und nicht etwa von "Säurewellen" entgegenwirken muß.

Der Betrieb der Akkumulatorenbatterie bringt eine ausreichende Gasentwicklung bei den Ladungszyklen vom Motor aus mit sich. Im Fall der Verwendung von Gitterelektroden aus einer antimoniumfreien Legierung, wie beispielsweise PbCa oder PbCaSn, kann ein Zusatz in die Legierung für die Gitter eingebracht werden, der sich günstig auf eine gemäßigte Gasentwicklung auswirkt. Beispielsweise läßt sich bei der Gitterlegierung als Zusatz Silber in einem Mengenverhältnis von 0,005 bis 0,02 Gew.-% oder Kobalt im Verhältnis von 0,005 bis 0,03 Gew.-% verwenden. Darüberhinaus können Zusätze aus den Salzen von Silber, Kobalt, Antimonium und Nickel in das Elektrolyt (oder die aktiven Materialien) in einer Menge von zwischen 0,005 bis 0,03 Gew.-% eingebracht werden, um die Gasentwicklung zu verbessern, ohne dabei die Selbstentladung und den Wasserverbrauch deutlich zu erhöhen. Die Konzentrationen der Zusätze in dem Elektrolyt schwanken je nach Bauform der Elektroden und der Batterien und halten sich in dem voranstehend erwähnten Bereichsfeld. Die optimale Menge läßt sich anhand weniger experimenteller Versuche ermitteln, in denen der Wasserverbrauch unter Bezugnahme auf die in den Normen der International Electrotechnical Commission definierte Methodologie (95-2 Starter Battery Methods of Test und den zugehörigen Normen CEI) ausgewertet wird. Die Einbringung von Zusätzen darf nicht zu höheren Verbrauchen als die in den oben erwähnten internationalen Normen festgelegten Werte führen (vgl. § 5.8 der Normen).

Es versteht sich, daß bei dem Prinzip der Erfindung sich die Ausführungsformen und Ausführungsmerkmale gegenüber den beschriebenen und dargestellten in großem Maße variieren lassen, ohne hierbei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (6)

1. Bleiakkumulatorenbatterie mit Gasrekombination, insbesondere zur Verwendung als Anlasserbatterie für endothermische Kraftfahrzeugmotoren, bestehend aus einer Vielzahl von Zellen, von denen eine jede zumindest eine positive Elektrode (6) sowie zumindest eine negative Elektrode (8) aufweist, zwischen denen ein poröses Abstandsstück (10) aus absorbierendem Fasermaterial eingesetzt ist, das mit Elektrolytsäure getränkt ist; dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück (10) Poren eines Durchmessers von zwischen 10 und 50 Mikron aufweist und die Elektrolytsäure in ihrer Menge so bemessen ist, daß alle Poren im wesentlichen vollständig mit der Säure gefüllt sind.

2. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des Abstandsstückes einen gleichförmigen Durchmesser von 10 bis 30 Mikron aufweisen.

3. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von porösen Membranen aufweist, die jeweils zwischen ein Abstandsstück und die Stirnseite von zumindest der negativen Elektrode eingesetzt sind, wobei diese Membranen Poren eines gleichförmigen Durchmessers im Bereich von 2 bis 10 Mikron aufweisen.

4. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück aus Fasern eines Kunstharzes besteht, das aus der Gruppe mit Polyethylen-, Poly­ ester-, Terephthal- und Vinylharz ausgewählt wurde.

5. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus Elektroden einer antimoniumfreien Bleilegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung, aus denen die Elektroden besteht, Silber einer Menge von 0,05 bis 0,2 Gew.-% oder Kobalt einer Menge von 0,005 bis 0,03 Gew.-% enthält.

6. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Elektrode aus antimoniumfreier Bleilegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytsäure eine Menge eines Metallsalzes aus der Gruppe mit Silber, Kobalt, Antimonium, Nickel und deren Mischungen im Verhältnis von 0,005 bis 0,03 Gew.-% umfaßt.