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Elektrischer Akkumulator.
Bei der Ladung und Entladung von Akkumulatoren finden die chemischen Reaktionen an den Berührungsflächen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten statt. Die Säure, die sich zwischen den Elektroden befindet, wird daher in der Berührungsschicht mit den Elektroden während der Entladung rasch verarmt, und die für die chemische Reaktion der Entladung nötige Säure wird von den mehr entfernten Schichten, die reicher an Säure sind, durch die langsame Diffusion der Beriihrungsschicht mit den Elektroden zugeführt.
Da die Diffusion diese Zufuhr der Säure nur langsam bewirkt, so fällt bei den bisher verwendeten Akkumulatoren während des Entladungsvorganges, während dessen die Energie der Batterie nach Möglichkeit ausgenutzt werden sollte, die elektromotorische Kraft zu rasch und dadurch sind auch die Amperestunden- und Wattstnndenkapazitäten, die aus einem Akkumulator herausgenommen werden, kleiner, als sie es sein könnten, wenn man diese Verarmung der Säure an den Berührungsflächen der Elektroden verhindert. Der Abfall an elektromotorischer Kraft ist um so grösser, je höher die benutzte Stromdichte ist. Aus diesem Grunde erholt sich auch die Zelle nach einer Entladung, wenn der Elektrolyt genügend Zeit hat, wieder an die Elektrodenfläche und in das Innere des aktiven Materials zu gelangen.
Diesem Übelstande kann nur dadurch abgeholfen werden, dass man eine wirksame Strömung des Elektrolyten während des Ladens und des Entladens zwischen den Elektroden herbeiführt, zum Zwecke, an den Elektrodenflächen und im Innern des aktiven Materials eine höhere Konzentration des Elektrolyten als sonst während der Entladung zu erzielen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Akkumulator, welcher das vorstehende Problem der wirksamen automatischen Strömung des Elektrolyten zwischen den Elektroden durch Erweckung und Verwertung der in der Zelle selbst während des Ladens und Entladens entstehenden und auf den Elektrolyten wirkenden Kräfte, insbesondere durch Erweekung und Verwertung des elektroosmotischen und des hydrostatischen Druckes in Verbindung mit der Anwendung poröser Diaphragmen von ganz ausserordentlich grosser Durchlässigkeit bzw. Durchflussgeschwindigkeit löst.
Das Wesen der Erfindung ist darin gelegen, derartige Drücke in solchem Ausmasse durch besondere
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mischung des Elektrolyten während des Ladungs-und Entladungsvorganges zwischen den Elektroden herbeiführen. Hiedurch wird verhindert, dass die Konzentration des Elektrolyten an der Berührungfläche mit den Elektroden während des Entladens rasch verarmt. Ebenso wird durch die erfindung-
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an den erwähnten Stellen zu rasch zunimmt.
Erfindungsgemäss wird die erwünschte Strömung nun dadurch herbeigeführt, dass die zwischen len Elektroden befindlichen Separatoren in ungleichen Abständen mit bezug auf die benachbarten Elektroden u. zw. so angeordnet sind, dass zu beiden Seiten der Separatoren ungleiche Flüssigkeitsräume für den Elektrolyten entstehen, wobei die Separatoren aus porösen (nicht perforierten !) Diaphragmen von ausserordentlich grosser Durchflussgeschwindigkeit bestehen, so dass die in Betracht kommenden kleinen hydrostatischen und elektroosmotischen Drucke genügen, um eine wirksame Zirkulation durch das Dia- phragma zwischen den Elektroden stattfinden zu lassen.
Da die Anzahl der Moleküle Schwefelsäure, die während der Entladung aus der Lösung an beiden Elektroden verschwinden, dieselbe ist, so wird die Lösung an der Seite des Separators, wo weniger Säure vorhanden ist, durch die Entladungsreaktion schneller verdünnt, als an der andern Seite des Separators, wodurch ein hydrostatischer Überdruck
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der Säure von einer Separatorseite zur andern durch den Separator entsteht. Bei Bleiakkumulatoren muss mehr Flüssigkeit an der positiven Seite des Diaphragmas als an der negativen Seite vorhanden sein, da die Volts an der positiven Elektrode rascher mit der Verringerung der Konzentration fallen.
Infolge des sehr geringen Abstandes des Separators von den Elektroden und den kleinen Flüssigkeitsmengen zwischen den Elektroden werden die Differenzen in den Konzentrationen der Flüssigkeit zu beiden Seiten des Diaphragmas während des Ladens und Entladens grösser ; die so entstehenden hydrostatischen und elektroosmotischen Drucke, wenn auch immer noch klein, bringen hiebei eine strömende Bewegung der elektrolytisehen Flüssigkeit von der einen Seite des Diaphragmas nach der andern zustande, die den Änderungen der Konzentration an den Berührungsflächen entgegenwirkt, vorausgesetzt, dass das Dia-
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Das Diaphragma selbst darf weder von den Elektrolyten noch von den in der Batterie entwickelten Gasen angegriffen werden.
Zum Zwecke der besseren Fixierung der für die Erfindung wesentlichen verschiedenen und, wie bereits oben erwähnt oft sehr geringen Abstände der Elektrodendiaphragmen untereinander werden erfindungsgemäss kreuzweise oder rahmenartig angeordnete Versteifungen aus nicht zusammendrückbarem Material vorgesehen, welche die Elektroden in mindestens zwei verschiedenen Richtungen ab-
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die Versteifungen zu beiden Seiten des Diaphragmas verschieden weit vorstehen, um zwischen den Elektroden und dem dazwischen befindlichen Diaphragma verschieden grosse Räume für den Elektrolyten zu fixieren. Damit die Gase frei aufsteigen und entweichen können, sind die kreuzweisen oder rahmenartigen Versteifungen der Diaphragmen zum Teil mit Unterbrechungen oder Vertiefungen versehen.
Besonders vorteilhaft zur Erlangung grosser Durchflussgeschwindigkeit erweist sich die Verwendung von porösen Ebonitdiaphragmen, bei welchen man imstande ist, die Porosität und den Durch-
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auf die Verwendung von Ebonitdiaphragmen allein beschränkt. Die porösen Ebonitdiaphragmen weisen nicht nur den Vorteil auf, dass ihnen jede beliebige Gestalt bei beliebiger und gleichmässiger Porosität und beliebiger Durchflussgeschwindigkeit gegeben werden kann, sondern sie geben auch äusserst kleine elektrische Widerstände, was von grosser Bedeutung ist, und sie haben eine sehr hohe Lebensdauer.
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von oben nach unten dicker oder von abnehmender Porosität sind, um die Durchflussgeschwindigkeit in den verschiedenen Höhenlagen der Zelle gleichmässig zu machen.
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Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 der Fig.
2 : Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie 11-1 der Fig. 2 ; Fig. 12 und 13 je einen Schnitt entsprechend Fig. 11 von zwei abgeänderten Ausführungsformen des Separators ; Fig. 14 eine abgeänderte Ausführung der unteren Rahmenleiste der Fig. 2, die dem Separator erlaubt, unter die Elektroden hinauszuragen, wenn die Separatoren und die Elektroden auf quer zu den Elektroden verlaufenden Stäben ruhen, welche in die Aussparungen der unteren Rahmenleiste passen ;
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zum Anliegen an die Elektrodenplatte bestimmten, vom Rahmen getrennten Diaphragma, wobei der Rahmen-nicht aus Ebonit zu bestehen braucht ; Fig. 16 eine weitere Ausführungsform ähnlieh der Fig. 13 ; Fig. 17 eine Abänderung der Anordnung nach Fig. 15, wobei ebenfalls der Rahmen und das Diaphragma getrennte Teile bilden ;
Fig. 18-einen Zusammenbau der Elektroden mit Ebonitseparatoren, wobei die Separatoren einen Rahmen ähnlich den Fig. 2 und 11 und eine grössere Anzahl von senkrechten Zwischenleisten haben und das Diaphragma und der Rahmen ein Stück bilden. Diese Fig. 18 zeigt den Fall, bei dem die Entfernung des Separators von der positiven Elektrode grösser ist, als von der negativen Elek- trode und bei dem die Elektroden durch die besondere Ausbildung des Rahmens innerhalb der Separatoren eingeschlossen sind.
In Fig. 1 bis 18 ist, der Rahmen und b das poröse Diaphragma innerhalb des Rahmens. Fig. 1 zeigt einen Rahmen, der noch zwei senkrechte Verstärkungsrippen hat. Fig. 2 zeigt einen Rahmen, der
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kann auf ihrer ganzen Länge eine Elektrode berühren, während sie die entgegengesetzte Elektrode durch eine Anzahl von kleinen, vorspringenden Flächen oder Rippen od. dgl. berührt, die in jeder Form gemacht werden können. Die Rippen können auch beide Elektroden mit einer Anzahl von solchen vorspringenden Flächen berühren, um so freie Räume für die Säure an jeder Elektrode zu schaffen und den Gasen freien Austritt zu ermöglichen. Die Vorsprünge können durch Unterbrechungen oder Vertiefungen der
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den Elektroden zu verteilen.
Das poröse Diaphragma ist in Fig. 1 bis 18 als flaches Diaphragma dargestellt, es ist aber klar, dass man es auch in anderer Form, beispielsweise wellenförmig, herstellen kann.
Um die Durchflussgeschwindigkeit der porösen Diaphragmen an den verschiedenen Höhen des Diaphragmas gleichmässiger zu machen, können die porösen Diaphragmen in der Richtung von oben nach unten entweder dicker oder von kleinerer Porosität gemacht werden, oder es kann die Abnahme der Porosität durch kiinstliche Mittel herbeigeführt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Akkumulator mit zwischen den Elektroden befindlichen Separatoren, dadurch gekennzeichnet, dass poröse Diaphragmen von grosser Perkulationsgeschwindigkeit in ungleichen Ab-
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