DE102009010596A1

DE102009010596A1 - Tubuläre Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Energie

Info

Publication number: DE102009010596A1
Application number: DE102009010596A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Rennebeck; Bernd Dr. Hildenbrand
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: DE102009010596B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine tubuläre Vorrichtung zur Wandlung chemischer in elektrische Energie, welche eine erste Elektrode (1) sowie eine zweite Elektrode (2) aufweist, wobei die erste und die zweite Elektrode (1, 2) jeweils die Form einer im Querschnitt offenen oder geschlossenen Röhre aufweisen und die zweite Elektrode (2) die erste Elektrode (1) umgibt und wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (1, 2) eine Trennschicht (3) eingefügt ist, welche in Druckverbindung mit beiden Elektroden (1, 2) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine tubuläre Vorrichtung zur Wandlung chemischer in elektrische Energie. Derartige Energieumwandlungen finden beispielsweise in Batterien oder Brennstoffzellen statt. Neben der abgegebenen elektrischen Energie kann auch die in dem Umwandlungsprozess entstehende Wärmeenergie (Abwärme) genutzt werden.
Wie dies bekannt ist, umfassen galvanische Zellen wie beispielsweise Batterien zwei voneinander getrennte Elektroden, welche jeweils von einem gasförmigen oder flüssigen Elektrolyten umgeben sind und über eine Ionenbrücke miteinander in Verbindung stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wandlung chemischer in elektrische Energie anzugeben, welche die Einsatzmöglichkeiten derartiger Vorrichtungen verbessern sollen.
Hierzu wird eine tubuläre Vorrichtung zur Wandlung chemischer in elektrische Energie, angegeben, welche folgendes aufweist: eine erste Elektrode sowie eine zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils die Form einer im Querschnitt offenen oder geschlossenen Röhre aufweisen und die zweite Elektrode die erste Elektrode umgibt und wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode eine Trennschicht eingefügt ist, welche in Druckverbindung mit beiden Elektroden steht. Bei dieser Trennschicht kann es sich um einen bloßen Separator handeln, wie beispielsweise im Fall einer Lithium-Ionen-Batterie, oder um eine protonenleitende Trennschicht wie beispielsweise im Fall einer Redoxbatterie.
Wenn im Rahmen der Erfindung von ”protonenleitend” die Rede ist, soll allgemeiner auch eine Ionenleitung von diesem Ausdruck erfasst sein.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Druckverbindung, die ein besonders dichtes Anliegen der Trennschicht wird die elektrische Leitfähigkeit der Vorrichtung verbessert und zudem ein stoßdämpfender Effekt erzielt. Die Druckverbindung kann dabei, je nach Art der en Trennschicht, auf verschiedene Arten verwirklicht werden, auf die im Weiteren noch eingegangen werden wird. Vorzugsweise kann die Druckverbindung ohne Kleben oder Schweißen der Trennschicht auf eine der Elektroden verwirklicht werden. Aufgrund der Ausbildung der ersten bzw. inneren Elektrode als Röhre kann ein gasförmiger oder flüssiger Elektrolyt im Inneren dieser Elektrode vorhanden sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei der tubulären Vorrichtung im Inneren der ersten Elektrode ein Stabilisierungsstab eingesetzt sein, welcher eine innere Oberfläche der ersten Elektrode zumindest punktuell berührt. Dieser Stabilisierungsstab dient der Festigkeit der Gesamtkonstruktion. Zudem kann er der inneren oder ersten Elektrode ausreichend mechanische Stabilität verleihen, um einen hohen Druck bzw. eine hohe Spannung der Trennschicht standzuhalten. Der Stabilisierungsstab erzeugt somit eine mechanische Spannung in der inneren Elektrode.
Der Stabilisierungsstab ist in Bezug auf seinen Aufbau elektrisch leitend und offenporig, um einen Durchtritt des flüssigen oder gasförmigen Elektrolyten zu ermöglichen.
Was die Form des Stabilisierungsstabes betrifft, so kann er beispielsweise im Querschnitt die Form eines Polygons oder eines Kreises aufweisen. Als Materialien für den Stabilisierungsstab können beispielsweise Graphit oder karbonisiertes oder berußtes Diatomeen eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen tubulären Vorrichtung liegt die Trennschicht als Pulver vor, das zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gepresst ist. Handelt es sich bei der Trennschicht um eine protonenleitende Trennschicht, so ist bei dieser Ausführungsform die Ionenbrücke zwischen den beiden Elektroden pulverförmig. Die pulverförmige Ausbildung der Trennschicht hat den Vorteil, dass sie bei der Herstellung leicht zwischen die röhrenförmigen Elektroden einbringbar ist. Beispielsweise kann das Pulver nach einem Schritt des Ineinandersetzens der röhrenförmigen Elektroden über einen Schlitz im Umfang der zweiten oder äußeren Elektrode eingefüllt werden.
Die Trennschicht kann beispielsweise Zeolithe enthalten. Wie dies bekannt ist, handelt es sich bei Zeolithen um kristalline Alumosilikate, von denen zahlreiche Modifikationen existieren. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Trennschicht zum einen als Ionenbrücke zwischen den Elektroden dienen kann, zum anderen aber dabei behilflich sein kann, die Vorrichtung auf eine optimale Betriebstemperatur zu bringen. Eine derartige optimale Betriebstemperatur liegt bei Batterien im Allgemeinen zwischen 20°C und 50°C. In diesem Temperaturbereich ist die Batterie am leistungsfähigsten. Erfindungsgemäß wird die Fähigkeit der Zeolithe, bei Befeuchtung Wärme freizusetzen, zur Erreichung der Betriebstemperatur eingesetzt. Selbstverständlich können auch andere Materialien bevorzugt für die Trennschicht eingesetzt werden, mit denen sich derselbe Effekt erzielen lässt. Beispielsweise sind keramische Glasurpulver für die Zwecke der Erfindung geeignet.
Den Zeolithen können mindestens eine der folgenden Substanzen zugefügt sein: Ceroxide, Lanthanoxide, V₂O₅, TiO₂, WO₃, Materialien der 8. Nebengruppe. Hierdurch wird unter anderem ein Katalysatoreffekt erzielt. Es hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass kein zusätzlicher Katalysator notwendig ist, wenn die Trennschicht als keramisches Molekularsieb z. B. in Li-Ionenbatterien eingesetzt wird. Auf diese Weise können diese Batterien besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Darüber hinaus können die Zeolithe als Molekularsieb vorliegen. Hierbei handelt es sich um solche Zeolithformen, die ein starkes Adsorptionsvermögen aufweisen. Durch den engen Kontakt der Zeolithe mit den Oberflächen der ersten und der zweiten Elektrode wird somit die Protonenanlagerung an den Elektroden begünstigt.
Bei Drücken im Bereich des Atmosphärendrucks trennt das Pulver, welches insbesondere Partikel mit Durchmessern im Mikrometer- und/oder Nanometerbereich enthält, die Flüssigelektrolyten sicher. Bei höheren Drücken, wie sie insbesondere z. B. bei Redoxbatterien herrschen, wird das Pulver stärker angedrückt und gegebenenfalls durch Hautbildung immobilisiert. Auf diese Weise können sowohl flüssige als auch gasförmige Elektrolyten sicher getrennt werden.
Ergänzend oder alternativ zu einer pulverförmigen Trennschicht kann diese auch als Folie, Vlies, Gewirk oder Gestrick oder allgemein als flächiges Fasergebilde ausgeformt sein, welches zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode gespannt ist. Die mechanische Spannung, mit der die Folie (bzw. das Vlies, Gewirk oder Gestrick) an den Elektroden anliegt, bewirkt ähnlich wie die Pressung des Pulvers in der zuvor beschriebenen Ausführungsform eine gute kraftschlüssige Verbindung und ermöglicht somit eine optimierte Leitfähigkeit der Gesamtanordnung. Darüber hinaus wird auch in einer solchen Ausführungsform die Funktion der Stoßdämpfung bzw. des Schutzes vor Zerbrechen durch die Trennschicht erfüllt.
Das Vlies, Gewirk oder Gestrick kann aus Fasern oder Hohlfasern ausgebildet sein. Die Fasern können einen Durchmesser im Millimeterbereich oder darunter besitzen. Es kann sich auch um Fasern handeln, deren äußerer Durchmesser einige Mikrometer oder Nanometer beträgt (Mikro- bzw. Nanofasern).
Indem die Folie bzw. das Vlies, Gestrick oder Gewirk, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gespannt wird, kann eine niederohmige Leitung zwischen den Elektroden und der Folie verwirklicht werden. Die Folie wird somit unmittelbar zur Anlage an der äußeren Oberfläche der ersten, inneren Elektrode sowie an der inneren Oberfläche der zweiten, äußeren Elektrode gebracht. Somit ist ein besserer Kontakt und damit eine verbesserte Leitfähigkeit gegenüber Batterien gewährleistet, bei denen die Trennschicht nur lose zwischen zwei Elektroden geschichtet ist.
Neben den Materialien, die bereits vorstehend in Zusammenhang mit einer pulverförmigen Trennschicht benannt wurden und die auch als Basis für eine solche Trennschicht in Form eines Vlieses, Gestricks, Gewirks, einer Folie und dergleichen sein können, bzw. alternativ zu diesen Materialien, kann die Trennschicht auch geeignete Polymere enthalten, um die Protonenleitung (oder auch Ionenleitung) zu gewährleisten. Als Beispiele für derartige Polymere können Nafion, Polyester, Polyehteretherketone (PEEK), Biopolymere genannt werden.
Eine Möglichkeit, die gewünschte Spannung bzw. Straffung einer als Folie oder Vlies ausgebildeten Trennschicht zu erhalten, liegt darin, die Folie in einen Schlitz oder eine Öffnung in der ersten oder der zweiten Elektrode einzuführen. Als Hilfsmittel hierfür kann beispielsweise ein dünner Spannfaden eingesetzt werden. Zunächst wird die als Folie, Vlies oder Gewirk ausgebildete Trennschicht flächig auf eine Oberfläche einer der im wesentlichen röhrenförmigen Elektroden gelegt, so dass sie an dieser Oberfläche anliegt. Dabei kann es sich entweder um die äußere Oberfläche der inneren Elektrode oder um die innere Oberfläche der äußeren Elektrode handeln. Die genannte Elektrode weist einen länglichen Schlitz oder eine längliche Öffnung auf, die beim Aufbringen der Folie von dieser bedeckt wird. Anschließend wird der Spannfaden auf der Folie so positioniert, dass er sich oberhalb bzw. unterhalb des Schlitzes befindet. Der Faden wird dann an beiden Enden gespannt und durch den Schlitz gezogen, wobei die Folie mitgeführt wird. Hierdurch wird die Folie straff an der Oberfläche angelegt.
Alternativ zu der beschriebenen Spannung der Trennschicht mittels eines Spannfadens ist es auch möglich, die Trennschicht als eine Beschichtung auf der ersten oder der zweiten Elektrode aufzubringen. Hierzu können alle bekannten Beschichtungstechniken eingesetzt werden, die im Zusammenhang mit den verwendeten Materialien geeignet sind. Insbesondere kann eine Beschichtung durch Spritzen, thermisches Spritzen, Glasieren, Pulverbeschichten und ähnlichen Verfahren erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass im Zusammenhang mit den angewendeten Beschichtungsverfahren gewährleistet sein muss, dass die Oberfläche der Beschichtung für die Ionen eines für die Energieumwandlung eingesetzten Elektrolyten durchlässig beleibt. Dies kann z. B. durch Begrenzen der bei den Beschichtungsverfahren eingesetzten Arbeitstemperaturen nach oben verwirklicht werden.
Was die Elektroden der erfindungsgemäßen tubulären Vorrichtung betrifft, so kann gemäß einer Ausführungsform mindestens eine der ersten und zweiten Elektroden Graphit, Ruß und/oder karbonisiertes Diatomeen enthalten. Generell kann es sich bei den Elektroden um ein kohlenstoffhaltiges Material handeln. Dies ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt eines geringen Gewichts günstig. Als mögliche Beispiele eines solchen kohlenstoffhaltigen Materials können Graphit oder Ruß genannt werden. Diese sind als Bestandteile für die Elektroden deshalb gut geeignet, weil sie eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Im Fall der Verwendung von Ruß als Bestandteil der Elektroden wird die Elektrode durch Berußen eines Basismaterials hergestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um offenzellige Minerale handeln. Um den Durchfluss von Flüssigelektrolyten zu ermöglichen, ist das Elektrodenmaterial so auszuwählen, dass die nötige Porosität der Wände gewährleistet wird.
Diatomeen, auch Kieselalgen genannt, ist nach Entfernen seiner organischen Bestandteile, z. B. auf chemischem Wege, in Form sogenannter ”Diatomeenschalen” als Basismaterial für die Elektroden einsetzbar. Bei den Diatomeenschalen handelt es sich um Siliziumdioxidschalen, die aufgrund ihrer Offenporigkeit für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Um die für die Elektrodenfunktion notwendige Leitfähigkeit zu gewährleisten, wird das Diatomeen bzw. die Diatiomeenschale einem Karbonisierungsprozess unterzogen.
Die erfindungsgemäße tubuläre Vorrichtung kann beispielsweise als Batterie, insbesondere als Sekundärbatterie wie z. B. eine Redoxbatterie oder eine Litihiumionenbatterie ausgebildet sein. In diesem Fall enthält die Vorrichtung zwei verschiedene Elektrolyte in flüssiger oder gasförmiger Form, welche mit der inneren Elektrode bzw. der äußeren Elektrode in Kontakt stehen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Batterie als wiederauffüllbare Batterie ausgebildet. Hierzu befindet sich an mindestens einem Ende jeder tubulären Vorrichtung eine verschließbare Öffnung, welche ein Nachfüllen von Elektrolyten ermöglicht. Es ist möglich, die Batterie so zu gestalten, dass einer der Elektrolyten oder beide Elektrolyten abgeleitet und unverbrauchtes neues Elektrolytmaterial zugeführt werden kann.
Eine weitere Anwendungsform der erfindungsgemäßen tubulären Vorrichtung stellt eine Brennstoffzelle dar.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen derselben hervor, welche nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird.
In den Zeichnungen zeigen:
1a und 1b schematische Ansichten von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen tubulären Vorrichtung im Querschnitt;
2 einen Querschnitt durch eine Röhrchenanordnung, welche eine Druckverbindung zwischen den Elektrodenröhrchen verdeutlicht;
3a bis 3i Möglichkeiten der Ausbildung einer inneren Elektrode und einer äußeren Elektrode;
4 ein Beispiel einer wiederbetankbaren Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In den verschiedenen Figuren sind analoge Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1a und 1b ist schematisch eine tubuläre Vorrichtung zur Wandlung von chemischer in elektrische Energie gemäß einer ersten bzw. einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie bereits erwähnt, kann neben der Nutzung der elektrischen Energie auch eine Nutzung der im Rahmen der chemischen Reaktionen entstehende Abwärme genutzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit auch als ein Wärmetauscher eingesetzt werden.
In der in 1a gezeigten Ausführungsform ist eine erste oder innere Elektrode mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Die innere Elektrode 1 ist als ein längliches Röhrchen ausgebildet, das in seinem Inneren hohl ist. Aus dem Röhrchen der Elektrode 1 ist eine längliche Öffnung oder ein Schlitz 1a ausgespart, welcher sich entlang der Länge der inneren Elektrode 1 und somit in der gezeigten Darstellung im Wesentlichen senkrecht zur Bildebene erstreckt.
Eine zweite oder äußere Elektrode 2 umgibt die innere Elektrode 1 von außen. Auch die äußere Elektrode 2 ist in Form eines länglichen Röhrchens ausgebildet, das sich mit seiner Längsachse im Wesentlichen senkrecht zur Bildebene erstreckt. Wie dies in 1b zu erkennen ist, kann auch das äußere Röhrchen eine längliche Öffnung oder einen Schlitz 2a aufweisen.
Der Schlitz 1a kann, ebenso wie der Schlitz 2a, dazu verwendet werden, eine flächenförmige Trennschicht 3 teilweise in das Innere der inneren Elektrode 1 (oder aus der äußeren Elektrode 2 heraus) treten zu lassen. Mit dem Ausdruck ”flächenförmige” Trennschicht können im Rahmen der Erfindung sowohl Trennschichten in Form von Folien, Gestricken, Geweben, Gewirken, Vliesen sowie allgemein textilen (d. h. aus Fasern aufgebauten) Flächengebilde gemeint sein. Die Fasern können Mikro- oder Nanofasern, insbesondere Hohlfasern sein.
Die Elektroden 1, 2 sind aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt oder mit einem solchen beschichtet. Als Elektrodenmaterial kommen beispielsweise kohlenstoffhaltige Stoffe in Frage, wie z. B. Graphit oder Ruß, wobei letzterer im Allgemeinen in Form einer Beschichtung eines nicht elektrisch leitenden Basismaterials eingesetzt wird. Zusätzlich können in für die Vorrichtung verwendeten Elektrolyten nanoskalige Siliziumpartikel und/oder Graphitpartikel enthalten sein, welche in Anlagerung an die Elektroden zu einer Vergrößerung der Elektrodenoberfläche beitragen. Neben mineralischen Leitern können auch organische Leiter eingesetzt werden, solange sie den chemischen und thermischen Bedingungen in der Batterie standhalten können. Die Wände der Elektroden 1, 2 sind spongiös ausgebildet, um den Durchtritt von Ionen aus einem Elektrolyten zu ermöglichen. Es ist selbstverständlich möglich, die Elektroden als Schichtelektroden zu verwirklichen.
Bei der Trennschicht 3 kann es sich entweder um eine protonen- oder ionenleitende Trennschicht oder um einen einfachen Separator handeln, je nachdem, welche Art von Batterie durch die erfindungsgemäße tubuläre Vorrichtung verwirklicht wird. So die Trennschicht als Leiter für Protonen bzw. Ionen wirken, bei anderen Batteriearten jedoch als reiner Separator, welcher Kathode und Anode trennt. Neben den genannten Funktionen wirkt die Trennschicht auch als Puffer, welcher mechanische Erschütterungen abfängt und die Vorrichtung vor Beschädigung schützt.
Aus Gründen der Deutlichkeit der Darstellung ist die Trennschicht 3 in den Figuren von der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 beabstandet dargestellt. Tatsächlich ist es jedoch wichtig, dass ein enger Kontakt zwischen den Elektroden 1, 2 und der Trennschicht 3 besteht. Die Trennschicht 3 soll mit anderen Worten straff an den beiden Elektroden anliegen. Um dies zu verwirklichen ist bei den in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen der Erfindung die flächenförmige Trennschicht in den Spalt 1a der inneren Elektrode 1 eingeführt. Dabei unterscheiden sich die Ausführungsformen der 1a und 1b dadurch, dass die Trennschicht 3 im ersten Fall geschlossen, d. h. schlauchförmig, ausgebildet ist, während die Trennschicht 3 im zweiten Fall als offene Fläche eingesetzt wird. Durch das Einführen in den Schlitz 1a kann eine Straffung der Trennschicht über der inneren Elektrode 1 erreicht werden. Hierzu sollte der Schlitz 1a bezüglich seiner Breitenabmessung, d. h. seiner Abmessung in der Bildebene von 1a, so dimensioniert sein, dass durch den Schlitz 1a eine Klemmwirkung auf die Trennschicht ausgeübt wird, so dass diese straff gespannt gehalten wird.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung der Schlitz 1a in den 1a und 1b vergrößert gezeichnet wurde, so dass die Klemmwirkung aus diesen Figuren nicht ersichtlich ist. Tatsächlich liegen die Teile der Trennschicht 3 am Schlitz 1a eng aneinandergedrückt.
Auch die äußere Elektrode 2 liegt eng an der Trennschicht an. Ein Klemmschluss zwischen den beiden Elektroden 1, 2 kann z. B. durch geeignete Elektrodenformen und -durchmesser erreicht werden. Insbesondere sollte der Innendurchmesser der äußeren Elektrode 2 nur geringfügig größer sein als der Außendurchmesser der inneren Elektrode 1, so dass ein fester Einschluss der Trennschicht erfolgt. Dieser Aufbau ist unabhängig davon, ob die Trennschicht wie in der gezeigten Ausführungsform als Flächengebilde ausgeformt ist, oder ob sie in Form eines Pulvers zwischen die Elektroden gesetzt ist.
Was die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen betrifft, so wird nach Bereitstellung der inneren Elektrode 1 die flächen- oder schlauchförmige Trennschicht 3 auf die äußere Oberfläche der Elektrode 1 gesetzt. Sodann wird die Trennschicht 3 über dieser Oberfläche gespannt, indem ein Teil der Trennschicht 3 über den Schlitz 1a ins Innere der inneren Elektrode 1 eingezogen wird. Hierzu kann beispielsweise ein feines Stäbchen oder ein Spannfaden verwendet werden. Anschließend wird das Röhrchen der äußeren Elektrode 2 entlang der Längsachse (senkrecht zur Bildebene) über die innere Elektrode und die darauf gespannte Trennschicht 3 geschoben.
Alternativ dazu kann die Trennschicht 3 auch durch den Schlitz 2a in der äußeren Elektrode 2 geführt werden. Hierzu wird vor dem Anlegen der Trennschicht 3 an die äußere Oberfläche der inneren Elektrode 1 das Stäbchen oder der Spannfaden längsseitig an der inneren Elektrode 1 angelegt, anschließend die Trennschicht 3 aufgebracht und nachfolgend die äußere Elektrode 2 auf die beschriebene Weise übergezogen. Danach wird der Spannfaden durch den Schlitz 2a nach außen gezogen und somit zwischen den Elektroden 1, 2 gespannt. Gegebenenfalls kann auf dieses Spannen verzichtet werden, wenn auf andere Weise ein guter kraftschlüssiger Kontakt der beiden Elektroden 1, 2 mit der Trennschicht 3 zustande kommt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die innere Elektrode 1 von der äußeren Elektrode 2 unter einer Klemmspannung gehalten wird. Insbesondere ist diese Ausführungsform einsetzbar, wenn die beiden Elektroden eine gewisse Elastizität bzw. Biegbarkeit aufweisen.
Bei den Ausführungsformen der Erfindung lastet durch die erfindungsgemäße Druckverbindung zwischen den Elektroden 1, 2 und der Trennschicht 1 ein nach innen gerichteter Druck auf der inneren Elektrode 1. Um diesen Druck auszugleichen und die innere Elektrode 1 (und somit die gesamte Vorrichtung) zu stabilisieren, kann im Inneren der inneren Elektrode 1 ein Stabilisierungsstab 4 vorhanden sein. Dieser kann in verschiedenen Querschnittsformen ausgebildet sein, wobei der Querschnitt in 1a ein Dreieck und in 1b ein Viereck darstellt. Insbesondere kann es sich aus Symmetriegründen um ein gleichseitiges Dreieck bzw. ein Quadrat handeln. Jedoch sind auch andere, insbesondere regelmäßige, Polygonformen für den Querschnitt Stabilisierungsstab 4 möglich. Der Stabilisierungsstab 4 ist aus Stabilitätsgründen vorzugsweise massiv ausgebildet, weist jedoch für den Durchtritt von Elektrolyten eine poröse Struktur auf. Die Ecken des Polygons des Stabilisierungsstabes 4 dienen dem im Wesentlichen punktförmigen Kontakt mit der inneren Oberfläche der inneren Elektrode 1.
Was das für den Stabilisierungsstab 4 geeignete Material betrifft, so kann es sich dabei beispielsweise um einen Graphitstab, einen Graphitschaumstab oder einen Schwammstab aus elektrisch leitendem Kunststoff handeln. Ist die Rauhigkeit der Oberfläche des Stabilisierungsstabes 4 groß genug, so kann er auch als Rundstab ausgebildet sein.
Als mechanischer Schutz gegen Beschädigungen kann ein Überzug 5 über dem Äußeren der Vorrichtung vorhanden sein. Bei dem Überzug kann es sich beispielsweise um einen Schlauch aus dehnbarem Kunststoffmaterial handeln, welches Stöße oder Belastungen von außen dämpfen kann. Als geeignet haben sich in diesem Zusammenhang elektrisch isolierende Polyesterüberzüge in Form von ”Streckgittern”, somit von netzartigen Strukturen erwiesen. Die Ausbildung des Überzugs 5 als eine netzartige Schlauchstruktur bzw. als Schlauchnetz bietet den Vorteil, dass Umgebungsluft an die äußere Oberfläche der äußeren Elektrode 2 treten kann. Auf diese Weise ist es möglich, die beschriebene Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Luftsauerstoff als Elektrolyten zu betreiben. Auf diese Möglichkeit wird nachstehend noch detaillierter eingegangen werden.
Wie bereits erwähnt, sind in den 1a und 1b die Abstände zwischen den Elektroden 1, 2 und der Trennschicht 3 zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt. Um die diesbezüglichen Abstandsverhältnisse zu veranschaulichen, ist in 2 eine Querschnittsansicht der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2, die in engem Klemmschluss an der Trennschicht 3 anliegen, so dass ein Anpressdruck zwischen benachbarten Schichten der genannten Bauteile entsteht. Somit wird eine gute elektrische Leitfähigkeit gewährleistet.
In der gezeigten Darstellung wird die innere Elektrode 1 von der äußeren Elektrode 2 eng umgriffen, so dass von außen gesehen, ein durchgehendes Hohlprofil vorliegt, dessen Längsachse sich senkrecht zur Bildebene erstreckt. Die Verbindung zwischen den Elektroden und der Trennschicht kann durch folgende Faktoren zustande kommen: Formschluss im Endbereich der äußeren Elektrode 2 (im Bereich des Schlitzes 2a), Reibung in den Kontaktbereichen sowie Federkraft der äußeren Elektrode 2.
In den 3a bis 3i sind verschiedene Alternativen für die Form der Elektroden 1, 2 im Querschnitt gezeigt. Es ist ersichtlich, dass sich die Form der Elektroden 1, 2 nicht auf einen kreisförmigen Querschnitt (gegebenenfalls mit einem Schlitz in der inneren und/oder der äußeren Elektrode) beschränkt, sondern dass sich vielmehr auch andere Querschnittsformen als geeignet erwiesen haben. Insbesondere können die Elektroden 1, 2 einen Polygonquerschnitt aufweisen, z. B. ein Sechseck oder ein Quadrat mit oder ohne abgerundete Ecken.
Nunmehr mit Bezug auf 4 wird eine Anwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung wird hier als Batterie betrieben. Es ist jedoch auch möglich, die bei der Umwandlung der chemischen Energie entstehende Wärmeleistung zu nutzen. In diesem Fall kann die Vorrichtung auch als Wärmetauscher eingesetzt werden.
Neben den bereits beschriebenen Bauteilen innere Elektrode 1, Trennschicht 3 und äußere Elektrode 2 welche in engem Kontaktschluss aneinandergefügt sind, sind in der Figur weitere Bauteile gezeigt, die einen Betrieb als Batterie, hier insbesondere als wiederbetankbare Batterie ermöglichen.
Ein erster flüssiger oder gasförmiger Elektrolyt wird in einem Vorratsbehälter 6 zwischengelagert. Wie dies durch das Bezugszeichen 6a angedeutet ist, kann der Elektrolyt zur Verbesserung des Wirkungsgrades sogenannte ”Elektrodenpartikel” 6a enthalten. Hierbei handelt es sich um Teilchen mit einem Durchmesser im Mikrometer- oder insbesondere im Nanometerbereich, welche sich im Betrieb an die Elektroden (hier die innere Elektrode 1) anlagern und somit die wirksame Elektrodenoberfläche vergrößern. Die Elektrodenpartikel 6a sind vorzugsweise stoffgleich wie die Oberfläche derjenigen Elektrode ausgeführt, mit welcher der betreffende Elektrolyt in Kontakt kommt. Als ein Beispiel für solche Elektrodenpartikel 6a kann Graphitstaub genannt werden.
Über eine Pumpe 7 oder ein anderes Fördermittel wird der im Vorratsbehälter 6 befindliche gasförmige oder flüssige Elektrolyt in das Innere des Röhrchens der ersten Elektrode 1 gefördert. Um den Durchtritt zu ermöglichen, sind die ansonsten geschlossenen längsseitigen Enden der ersten Elektrode 1 mit einer Öffnung 1b versehen, welche verschließbar sein kann. Hierzu kann beispielsweise eine Klappe eingesetzt werden.
Über die Öffnung 1b steht das Innere der ersten Elektrode 1 mit einer Leitung für den ersten Elektrolyten in Verbindung. Auf diese Weise kann nach Verbrauch des im Inneren der ersten Elektrode 1 befindlichen Elekrolyten unverbrauchter Elektrolyt nachgefüllt werden.
Gleichzeitig mit dem Nachfüllvorgang ist der verbrauchte Elektrolyt aus dem Inneren der ersten Elektrode 1 auszubringen. Hierzu befindet sich an dem der ersten Öffnung 1b gegenüberliegenden Ende des Röhrchens der ersten Elektrode 1 eine weitere Öffnung 1c, die vorzugsweise ebenfalls durch eine Klappe, einen Schieber oder dergleichen verschließbar ist. Mit dieser Öffnung ist eine Leitung, z. B. ein Schlauch, in Verbindung bringbar, welcher hier in einen Behälter 8 mündet, in dem der verbrauchte Elektrolyt zwischengelagert wird. Ein Ventil 9 oder eine andere Absperreinrichtung kann vorgesehen sein, um den Behälter 9 wahlweise an eine Leitung zum Ausbringen aus dem Tank zu verbinden.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform kann als zweiter Elektrolyt Sauerstoff aus der Umgebungsluft eingesetzt werden. In diesem Fall braucht kein Gehäuse für die Vorrichtung vorgesehen zu werden, denn Luft kann direkt an die äußere Oberfläche der zweiten oder äußeren Elektrode 2 gelangen. Obwohl in dieser Figur nicht gezeigt, kann insbesondere bei isolierter Verwendung der Vorrichtung, also ohne den Einsatz eines Gehäuses, der bereits erwähnte Schutzüberzug 5 in Form eines vorzugsweise elastischen Gitterschlauches über das Röhrchen der äußeren Elektrode 2 gezogen werden.
Um den Sauerstoffzutritt (hier durch den Hohlpfeil links im Bild dargestellt) an die äußere Elektrode 2 zu verbessern, kann ein Ventilatormittel 10 oder eine ähnliche Vorrichtung zur Luftumwälzung vorhanden sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so auch als Wärmetauscher eingesetzt werden. Es ist anzumerken, dass durch Verschließen der Öffnungen 1b, 1c die Vorrichtung von den Zuleitungen und den Behältern 6, 8 entkoppelt werden kann. Ein Anschluss kann dann selektiv bei Notwendigwerden einer Nachbefüllung mit unverbrauchtem Elektrolyt durchgeführt werden.
Die elektrischen Anschlüsse zur Stromleitung sind in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen. Es ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, wie die Anschlüsse an die Elektroden 1, 2 zu setzen sind.
Wie bereits erwähnt, kann die Erfindung als Batterie, insbesondere als Sekundärbatterie eingesetzt werden. Dabei können die Elektrolyten beide im gasförmigen, beide im flüssigen oder einer im gasförmigen und einer im flüssigen Zustand eingesetzt werden. Insbesondere sind eine Lithiumionenbatterie sowie eine Redoxbatterie zu nennen. Nachstehend sollen zwei nicht beschränkende Beispiele in Bezug auf die Ausführung solcher Batterie gegeben werden:
1. Redoxbatterie

Elektrodenmaterial: Graphit, Ruß, Reinsilizium
Stärke der Elektroden: 8 nm bis 3 mm
Stärke der Trennschicht: 8 nm bis 3 mm
Material der Trennschicht: Ionen- bzw. Protonenleiter
Elektrolyt im Inneren der ersten Elektrode: Vanadiumsäure oder Eisenoxid, Proteine
Elektrolyt, welcher die äußere Elektrode umspült: Sauerstoff aus Luft

2. Lithiumionenbatterie

Elektrodenmaterial: Elektrodenmaterial: Graphit, Ruß, Reinsilizium
Stärke der Elektroden: 8 nm bis 3 mm
Stärke der Trennschicht: 8 nm bis 3 mm
Material der Trennschicht: Ionen- bzw. Protonenleiter, Diatomeen, Zeolith
Elektrolyt im Inneren der ersten Elektrode: Lithium in Verbindung mit einem Polymer oder Methylenchlorid
Elektrolyt, welcher die äußere Elektrode umspült: Lithiumcarbid in Verbindung mit einem Polymer, Methylenchlorid

Claims

Tubuläre Vorrichtung zur Wandlung chemischer in elektrische Energie, aufweisend: eine erste Elektrode (1) sowie eine zweite Elektrode (2), wobei die erste und die zweite Elektrode (1, 2) jeweils die Form einer im Querschnitt offenen oder geschlossenen Röhre aufweisen und die zweite Elektrode (2) die erste Elektrode (1) umgibt und wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (1, 2) ein Trennschicht (3) eingefügt ist, welche in Druckverbindung mit beiden Elektroden (1, 2) steht.
Tubuläre Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der ersten Elektrode (1) ein Stabilisierungsstab (4) eingesetzt ist, welcher eine innere Oberfläche der ersten Elektrode (1) zumindest punktuell berührt.
Tubuläre Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsstab (4) im Querschnitt die Form eines Polygons oder eines Kreises aufweist.
Tubuläre Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (4) als Pulver vorliegt, das zwischen die erste Elektrode (1) und die zweite Elektrode (2) gepresst ist.
Tubuläre Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (4) Zeolithe enthält.
Tubuläre Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Zeolithen mindestens einer der folgenden Substanzen zugefügt ist: Ceroxide, Lanthanoxide, V₂O₅, TiO₂, WO₃, Elemente der 8. Nebengruppe.
Tubuläre Vorrichtung nach einem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeolithe als Molekularsieb vorliegen.
Tubuläre Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (4) als Folie, Vlies, Gewirk oder Gestrick ausgebildet ist, welches zwischen die erste Elektrode (1) und die zweite Elektrode (2) gespannt ist.
Tubuläre Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (4) ein Polymer enthält.
Tubuläre Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (4) als eine Beschichtung auf der ersten oder der zweiten Elektrode (1, 2) aufgebracht ist.
Tubuläre Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ersten und zweiten Elektroden (1, 2), Graphit, Ruß und/oder karbonisiertes Diatomeen enthält.
Batterie, aufweisend mindestens eine tubuläre Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Elektrolyte in flüssiger oder gasförmiger Form enthält.
Batterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Ende jeder tubulären Vorrichtung eine verschließbare Öffnung (1b, 1c) ausgebildet ist, welche ein Nachfüllen von Elektrolyten ermöglicht.