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Die Erfindung betrifft den Bereich elektrochemischer Energiewandler auf Basis der Natrium-Schwefel-Brennstoffzelle.
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Als elektrochemische Zelle wird die Anordnung einer positiven und negativen Elektrode mit dazwischen liegendem Elektrolyten bezeichnet.
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Technische Ausführungen der elektrochemischen Natrium-Schwefel-Zelle haben eine Betriebstemperatur zwischen 260°C und 350°C. Die negative Elektrode besteht aus flüssigem Natrium und die positive Elektrode aus flüssigem Schwefel und/oder Natriumsulfiden, je nach Ladezustand des Systems. Die flüssige positive und die flüssige negative Elektrode befinden sich in je einem dafür vorgesehenen Raum. Der Festelektrolyt ist als dünne Membran, welche die Trennwand zwischen dem Raum für die negative und dem Raum für die positive Elektrode bildet, ausgeführt. Der Elektrolyt der elektrochemischen Natrium-Schwefel-Zelle ist ein bei der Betriebstemperatur der Zelle Natriumionen leitender Festkörper, bevorzugt Natrium-beta-aluminat. Zur technischen Ausführung gehören weiterhin je ein festes Kontaktbauteil für die negative Elektrode und eines für die positive Elektrode aus metallischen, gegenüber den jeweiligen Elektrodenmaterialien korrosionsbeständigen Werkstoffen, die als Stand der Technik bekannt sind. Dazu zählen beispielsweise Chrom und Chrom-haltige Edelstähle. Gegenüber Natrium sind auch einfache Stahlsorten beständig.
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Die Materialien der positiven Elektrode, insbesondere flüssiger Schwefel, haben einen vergleichsweise hohen spezifischen Widerstand. Daraus resultierende Wirkungsgradverluste können verringert werden, wenn sich im Raum für die positive Elektrode ein in der Fachliteratur als Stromsammler bezeichnetes Leithilfsmittel, beispielsweise ein Kohlefaserfilz, befindet.
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Eine Natrium-Schwefel-Brennstoffzelle wird gebildet, wenn man den Raum für die negative Elektrode mit einem Zugang und den Raum für die positive Elektrode mit zwei Zugängen ausstattet. Im Energieentnahmebetrieb kann dem Raum für die negative Elektrode nun kontinuierlich Natrium zugeführt werden. Natriumatome werden dort zu Natriumionen oxidiert, welche durch die Festelektrolytmembran in den Raum für die positive Elektrode diffundieren. Der Raum für die positive Elektrode wird dabei durch den einen Zugang mit Schwefel, einem heterogenem Gemisch aus Schwefel und Natriumsulfiden oder einem homogenen Gemisch aus Natriumsulfiden gespeist. Diese Stoffe nehmen die Natriumionen auf und verlassen den Raum für die positive Elektrode durch den zweiten Zugang. Eine kontinuierliche Stromerzeugung ist möglich, so lange die Zufuhr der Energie liefernden Materialien anhält und die Reaktionsprodukte abgeführt werden. Im Energieaufnahmebetrieb laufen alle Vorgänge umgekehrt ab.
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Elektrochemische Energiewandler auf Basis der elektrochemischen Natrium-Schwefel-Zelle sind als Natrium-Schwefel-Hochtemperaturakkumulatoren kommerziell verfügbar. Der derzeit (2012) größte dieser Akkus ist die zylinderförmige Zelle T5 der Firma NGK Insulators. Sie hat eine Länge von ca. 500 mm, einen Durchmesser von ca. 90 mm und eine Nennleistung von ca. 200 W. Die Festelektrolytmembran hat eine Oberfläche von ca. 0,1 m2 Die Fertigung größerer Akkuzellen nach Art des Typs T5 war bislang ökonomisch nicht erfolgreich.
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Einer der Gründe dafür ist, dass am Kopf dieser Akkus mehrere Bauteile aus Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, namentlich die gleichzeitig als Mantel dienende Kontaktierung der positiven Elektrode, die keramische Deckelplatte und die Festelektrolytmembran aus Natrium-beta-aluminat gasdicht miteinander verbunden sein müssen. Nur so können Zellen dieser Bauart funktionieren. Es gibt jedoch kein elastisches Dichtungssystem, dass einen gasdichten Verschluss bei 270–350°C über längere Zeit gewährleisten würde. Die Verbindung ist daher unelastisch mit einer gläsernen Vergussmasse (Glaslot) ausgeführt. Die infolge wechselnder Temperaturen auftretenden mechanischen Spannungen können von dieser starren und spröden Verbindung aber nur bei Bauteilen in kleinen Dimensionen aufgenommen werden, ohne dass sich Risse bilden.
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Ein weiterer Grund für die geringe erreichte Maximalgröße ist das Design der Festelektrolytmembran in konventionellen Natrium-Schwefel-Zellen. Die Festelektrolytmembran ist dabei als einseitig verschlossene Röhre, die auf der anderen Seite frei tragend eingespannt ist, ausgeführt. Die bei hohem Wirkungsgrad erzielbare Leistung von Natrium-Schwefel-Zellen ist proportional zur Oberfläche und umgekehrt proportional zur Stärke der Festelektrolytmembran. Bei Vergrößerung des Festelektrolytbauteils zum Zwecke der Leistungssteigerung kann die Materialstärke deshalb nicht zusammen mit der Fläche vergrößert werden. Das konventionelle Design kommt damit sehr schnell an die Grenzen einer ausreichenden Stabilität.
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Auch bei dem in der
DE 10 2011 110 843 A1 angegebenen, mit flüssigem Natrium und flüssigem Schwefel aus externen Reservoirs versorgten Reaktor, der eine Natrium-Schwefel-Brennstoffzelle im o. g. Sinne ist, wird eine Festelektrolytmembran, die als Röhre ausgebildet und einseitig eingespannt ist, verwendet. Die Baugröße ist deshalb auch hier begrenzt.
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Einen elektrochemischen Reaktor, dessen Raum für die positive Elektrode eine Zu- und eine Ableitung besitzt, zeigt auch die japanische Anmeldung
JP 2002184456 A . Auch hier wird eine einseitig befestigte Röhre aus Natrium-beta-aluminat als Festelektrolytmembran verwendet. Aus den genannten Gründen ergibt sich auch hier eine Begrenzung der Baugröße.
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Speicherwerke in Dimensionen einiger hundert Megawatt erfordern, wenn sie mit derartig kleinen Energiewandlern aufgebaut werden, die Verwendung von Millionen dieser Aggregate. Zum Einen hat das einen unerwünscht großen Fertigungsaufwand zur Folge. Zum Anderen gibt es dadurch negative Auswirkungen auf die Betriebssicherheit, denn in der Riesenzahl der zu produzierenden und zu montierenden Energiewandler finden sich, bei Annahme der gleichen Fehlerrate wie in kleinen Anlagen, mehr fehlerhafte, Havarien, Ausfälle und Betriebsstörungen verursachende Baugruppen und Verbindungen.
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Gegenüber diesem Stand der Technik wird mit dieser Erfindung die Aufgabe gelöst, die o. g. Nachteile zu vermeiden und einen als elektrochemischen Energiewandler dienenden elektrochemischen Reaktor anzugeben, dessen elektrochemische Zellen in größerer Dimension gefertigt werden können. Mit einem Beispiel des erfindungsgemäßen Energiewandlers konnte so eine Leistung von 6 kW pro Zelle, also die 30-fache Leistung herkömmlicher Zellen, erreicht werden. Der Fertigungsaufwand eines Speicherwerks kann so deutlich gesenkt, die Betriebssicherheit verbessert werden.
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Ein erfindungsgemäßer Energiewandler ist eine spezielle Ausführung einer elektrischen Reihenschaltung von Natrium-Schwefel-Brennstoffzellen. Abgesehen von der ersten und letzten Zelle ist der Ausgang des Raums für die positive Elektrode einer Zelle dabei immer mit dem Eingang zum Raum für die positive Elektrode der nächsten Zelle verbunden.
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Im Energieabgabebetrieb wird Schwefel in den Raum für die positive Elektrode der ersten Zelle der Reihenschaltung gepumpt. Das flüssige Material durchströmt nun nachfolgend alle Zellen und wandelt sich dabei in flüssige Natriumsulfide um. Am Ausgang des Raums für die negative Elektrode der letzten Zelle wird das Reaktionsprodukt entnommen. Im Energieaufnahmebetrieb erfolgt der umgekehrte Vorgang.
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Der erfindungsgemäße Energiewandler zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die Festelektrolytmembranen eine größere Fläche als die in herkömmlichen Systemen Verwendeten haben, dass pro Zelle nur ein Minimum von Bauteilen verwendet ist. Des Weiteren können diese Bauteile kostengünstig hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, dass
- • n gleichartige Baugruppen übereinander gestapelt sind, wobei n für eine ganze Zahl zwischen 10 und 500 steht, und jede Baugruppe aus
- – einer aus Natrium-beta-Aluminat gefertigten Trägerplatte 1 in Form eines flachen Zylinders,
- – einer auf der oberen Stirnfläche der Trägerplatte 1 befestigten, Natriumionen leitenden Festelektrolytmembran 3,
- – einer darüber befindlichen, aus einem Metallblech gefertigten, kreisförmigen Bipolarplatte 2,
- – einem oberen Spannband 4 und
- – einem unteren Spannband 5,
besteht,
- • auf einer oder beiden Stirnflächen der Trägerplatte 1, innerhalb einer kreisförmigen Innenzone 1.1 von 50–98% des Radius der Stirnfläche sich Bereiche, die gegenüber der verbleibenden Randzone 1.2 um 0,02–4 cm abgesenkt sind, befinden und in der Randzone der unteren Stirnfläche eine oder mehrere Nuten 1.9 vom Rand zur Innenzone 1.1 verlaufen,
- • die Innenzone 1.1 der Trägerplatte 1 von Kanälen 1.3, welche parallel zur Achse der zylindrischen Trägerplatte 1 verlaufen, durchzogen ist,
- • die Kanäle 1.3 auf der oberen Stirnfläche der Trägerplatte 1 mit der Festelektrolytmembran 3 abgedeckt sind,
- • der Rand der Bipolarplatte 2 zu einem doppelten Stehfalz 2.1 gebördelt ist,
- • der sich unter die Kreisebene der Bipolarplatte 2 der Baugruppe n erstreckende Teil des doppelten Stehfalzes 2.1 mittels des oberen Spanbandes 4 radial auf die zur Baugruppe n gehörige Trägerplatte 1 gepresst ist,
- • der sich über die Kreisebene der Bipolarplatte 2 der Baugruppe n erhebende Teil des doppelten Stehfalzes 2.1 mittels des unteren Spannbandes 5 radial auf die zur Baugruppe n + 1 gehörige Trägerplatte 1 gepresst ist.
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Diese Konstruktionsweise hat den Vorteil, dass auch noch mehrere weitere Anforderungen an einen Energiewandler für große Speicherwerke in Übereinstimmung gebracht werden:
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• Ausreichende Spannung
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Die elektrische Reihenschaltung der Zellen sorgt für die Bereitstellung einer für konventionelle Wechselrichter ausreichende Spannung von 20–800 V.
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• Geringe ohmsche Verluste
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Im Energiewandler gibt es nur geringe, durch den Widerstand der elektrischen Leitungswege in und zwischen den Zellen bedingte Wirkungsgradverluste. Der Leitungsweg von der positiven Elektrode einer zur negativen Elektrode der nächsten Zelle besteht nur aus der Bipolarplatte 2, wobei der Strom nur eine Strecke von der Dicke des Materials zurücklegen muss. Der Leitungsweg innerhalb des Raums für die negative Elektrode besteht aus den parallel vom Strom durchflossenen Kanälen 1.3. Aus der nur wenige Zentimeter kurzen Länge dieser Leitungswege und der vergleichsweise großen Summe ihrer Querschnittsflächen ergibt sich auch hier nur ein sehr geringer elektrischer Widerstand.
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• Sicherheit bei Störfällen
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Die in Kontakt zu den Räumen für die positive und negative Elektrode stehenden Massen, insbesondere die der Trägerplatte sind vergleichsweise groß, die in den Räumen für die positive und negative Elektroden vorhandenen Mengen an Materialien, die bei unmittelbarer Reaktion viel Wärme erzeugen, eher klein. Bei einem Bruch der Festelektrolytmembran kommt es deshalb nicht zu einem extrem schnellen, unbeherrschbaren Temperaturanstieg.
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• Vermeidung von Glaskorrosion und Degradierung
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In konventionellen Natrium-Schwefel-Energiewandlern vorhandene Glaslotverbindungen sind korrosionsanfällig. Bei Kontakt mit metallischem Natrium wird dabei u. a. im Glaslot vorhandenes Silikat zu Silizium reduziert, welches sich im flüssigen Natrium löst. Das im Natrium gelöste Silizium hat einen degradierenden Einfluss auf die Festelektrolytmembran 3. Dieser Vorgang wird im erfindungsgemäßen Energiewandler völlig vermieden, denn dieser ist ohne Glaslotverbindungen konstruiert.
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Ausführungsbeispiele
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Beispiel 1
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Eine einzelne elektrochemische Zelle des Energiewandlers hat eine Leistung von 0,7 kW, also dem 3,5-fachen des größten, derzeit erhältlichen Energiewandlers auf Basis von Natrium und Schwefel.
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Der aus 120 elektrochemischen Zellen zusammengesetzte Energiewandler hat insgesamt eine Leistung von 84 kW.
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Die Bauteile und der zusammengesetzte Energiewandler sind in den 1 bis 6 dargestellt.
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Dabei zeigt:
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1 Aufsicht und Längsschnitte der Trägerplatte 1
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2 Aufsicht und Längsschnitte der Bipolarplatte 2
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3 Aufsicht der Festelektrolytmembran 3
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4 Längsschnitt des zusammengesetzten Energiewandlers entsprechend A-A' in 1
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5 Längsschnitt des zusammengesetzten Energiewandlers entsprechend B-B' in 1
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6 Aufsicht des Stromsammlers 7
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Sind Maße in den Figuren vorhanden, erfolgt die Maßangabe in Millimeter.
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Der Energiewandler besteht aus 119 identischen Baugruppen B1 bis B119, die auf das untere Kontaktblech 8 gestapelt sind.
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Jede Baugruppe besteht aus einer Trägerplatte 1 mit darauf befestigter Festelektrolytmembran 3, einer Bipolarplatte 2, einem unteren Spannband 5, einem oberen Spannband 4, einem kleinen Spannband 6 und einem Stromsammler 7.
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Den oberen Abschluss des Energiewandlers bildet eine weitere Baugruppe B120, die aus einer weiteren Trägerplatte 1, dem oberen Kontaktblech 9 und je einem weiteren unteren Spannband 5 und kleinen Spannband 6 besteht.
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Die Trägerplatte 1 ist in 1 dargestellt. Sie besteht aus Natrium-beta-aluminat und wird hergestellt, indem ein Grünkörper aus Natrium-beta-aluminat-Pulver und einem Bindemittel nach dem Stand der Technik gepresst und anschließend bei 1600°C gesintert wird.
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Die Trägerplatte 1 hat die Form eines flachen Zylinders von 1000 mm Durchmesser und 100 mm Höhe. Die Innenzone 1.1 der Trägerplatte 1 ist von Kanälen 1.3, die parallel zur Achse des Zylinders verlaufen, durchzogen. Für die Herstellung der Trägerplatte 1 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Kanäle 1.3 konisch zu gestalten, weil dann der Grünkörper einfacher aus der Pressform entnommen werden kann.
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Am Rand der Innenzone, an einer Stelle, die beim späteren Zusammenbau nicht von der Festelektrolytmembran 3 überdeckt wird, befindet sich der Durchlass 1.4 für die Materialien der positiven Elektrode (Schwefel und Natriumsulfide). Die untere Stirnseite der Trägerplatte 1 ist um den Durchlass 1.4 herum um 15 mm so eingesenkt, dass ein flacher Stutzen 1.5 mit einem Außendurchmesser von 40 mm gebildet ist.
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Die Innenzone 1.1 der oberen Stirnseite der Trägerplatte 1 ist gegenüber der Randzone 1.2 insgesamt 10 mm abgesenkt. Der die Festelektrolytmembran 3 tragende Auflagebereich 1.6 ist am Rand und über den Abstützpunkten 1.7 um weitere 5 mm, zwischen den Abstützpunkten 1.7 um weitere 5 mm abgesenkt.
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Im unteren Bereich des Zylindermantels der Trägerplatte 1 ist eine 1 mm dicke Isolierschicht 13 aus Aluminiumoxid aufgebracht. Sie verhindert, dass sich beim Energieaufnahmebetrieb des Energiewandlers unter dem in diesem Bereich aufgepressten doppelte Stehfalz 2.1 der Bipolarplatte 2 metallisches Natrium bildet.
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In die untere Stirnseite der Trägerplatte 1 ist eine Nut 1.9 eingelassen, die vom Rand bis zum abgesenkten Bereich zwischen den Abstützpunkten 1.7 führt. Sie ermöglicht den Transport von flüssigem Natrium vom Rand der Trägerplatte 1 bis zu diesem Bereich. In 3 ist die Festelektrolytmembran 3 dargestellt. Sie ist eine 5 mm dicke Platte aus gesintertem Natrium-beta-aluminat und hat eine Fläche von ca. 0,35 m2.
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Vor der Montage des Reaktors wird die Festelektrolytmembran
3 auf die Trägerplatte
1 gelegt. Ihr Rand wird ringsum mit der Trägerplatte
1 verschweißt. Das Verschweißen erfolgte analog zu dem in Patentanmeldung
DE 10 2009 051 336 A1 angegebenen Verfahren. Eine erhöhte Bruchfestigkeit wurde erreicht, wenn die Festelektrolytmembran
3 auch mit den oberen Abstützpunkten
1.7 verschweißt wurde.
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Die Bipolarplatte 2 ist in 2 dargestellt. Sie ist aus einem auf der Unterseite hartverchromten Stahlblech von 1 mm Stärke gefertigt. Die Bipolarplatte 2 hat die Form einer runden Scheibe, deren Ränder zu einem doppelten Stehfalz 2.1 gebördelt sind. Der doppelte Stehfalz 2.1 der Bipolarplatte 2 hat oberhalb der Kreisebene einen Durchmesser von 1002 mm und unterhalb der Kreisebene einen Durchmesser von 1000 mm, so dass die darüber und darunter befindlichen Trägerplatte 1 bündig umfasst werden, wobei im Falle der darüber befindlichen Trägerplatte 1 die Isolierschicht 13 mit eingeschlossen wird. In den doppelten Stehfalz 2.1 ist der Natriumanschlussstutzen 12 eingesetzt. Er mündet auf der Oberseite der Bipolarplatte 2.
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In der Nähe des Randes der Bipolarplatte 2 befindet sich die Öffnung 2.3, deren Rand zu einem einfachen Stehfalz 2.2 gebördelt sind. Der Bereich um die Öffnung 2.3 ist als Kompensator ausgebildet, um Spannungen, die durch Versetzungen der Bipolarplatte 2 gegenüber dem Stutzen 1.5 entstehen können, auszugleichen.
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Das untere Spannband 5 und das obere Spannband 4 sind einfache runde Reifen aus Wolfram mit rechteckigem Querschnitt. Im kalten, ungespannten Zustand haben sie einen Durchmesser von 1000 mm. Das kleine Spannband 6 ist ein aus Wolfram gefertigter Ring, der im kalten, ungespannten Zustand einen Innendurchmesser von 42 mm hat.
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Im zusammengebauten Energiewandler presst das kleine Spannband 6 den einfachen Stehfalz 2.2 der Öffnung 2.3 der Bipolarplatte 2 auf den Stutzen 1.5 der darüber befindlichen Trägerplatte 1. Der einfachen Stehfalz 2.2 und das kleine Spannband 6 werden dazu kalt über den Stutzen 1.5 gelegt. Eine feste Verbindung kommt beim Aufheizen der Anordnung auf die Betriebstemperatur zu Stande, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient des umschlossenen Materials der Trägerplatte 1 ungefähr doppelt so groß ist, wie der des kleinen Spannbandes 6.
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Der sich über die Kreisebene der Bipolarplatte 2 erhebende Teil des doppelten Stehfalzes 2.1 wird durch das untere Spannband 5 radial auf die Isolierschicht 13 der darüber befindliche Trägerplatte 1, der sich unter die Kreisebene der Bipolarplatte 2 erstreckende Teil des doppelten Stehfalzes 2.1 durch das obere Spannband 4 auf die darunter befindliche Trägerplatte 1 gepresst. Diese Verbindungen werden durch Aufschrumpfen des erhitzten unteren Spannbandes 5 bzw. oberen Spanbandes 4 hergestellt.
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Im zusammengesetzten Energiewandler wird der Raum für die negative Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle durch das untere Kontaktblech 8 sowie die Trägerplatte 1 und die Festelektrolytmembran 3 der Baugruppe B1 gebildet. Der Raum für die positive Elektrode befindet sich zwischen der Trägerplatte 1 und der Festelektrolytmembran 3 der Baugruppe B1. In ihm befindet sich der Stromsammler 7, eine 10 mm dicke Matte aus Kohlefasern, die in 6 dargestellt ist (die Pfeile geben die Strömungsrichtung der den Stromsammler 7 durchströmenden Flüssigkeiten an.
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Die Räume für die negativen Elektroden der nachfolgenden Zellen werden jeweils durch die Trägerplatte 1 und die Festelektrolytmembran 3 der selben sowie die Bipolarplatte 2 darunter befindlichen Baugruppe gebildet. Die zu den jeweiligen elektrochemischen Zellen gehörigen Räume für die positiven Elektroden befinden sich zwischen der Festelektrolytmembran 3 und der Bipolarplatte 2 der selben Baugruppe. In jedem Raum für die positive Elektrode befindet sich ein Stromsammler 7.
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Das untere Kontaktblech 8 ist der negative geladene Pol des Energiewandlers. Es trägt den Schwefelanschlussstutzen 10. Im Energieabgabebetrieb wird hier flüssiger Schwefel eingespeist. Die Flüssigkeit strömt anschließend durch den Durchlass 1.4 der Trägerplatte 1 der Baugruppe B1 und erreicht den durch die Festelektrolytmembran 3 und die Bipolarplatte 2 der Baugruppe B1 begrenzten Raum für die positive Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle. Der darin befindliche, für Flüssigkeiten durchlässige Stromsammler 7 wird von der Stirnseite 7.1 zur gegenüberliegenden Stirnseite 7.2 durchströmt, wie in 6 dargestellt. Nachdem die Flüssigkeit den Stromsammler 7 verlassen hat, erreicht sie die am Stutzen 1.5 der darüber befindlichen Trägerplatte 1 befestigte Öffnung 2.3 der Bipolarplatte 2 und verlässt hier die elektrochemische Zelle. Die Trägerplatten 1 und Bipolarplatten 2 sind abwechselnd um 180° gedreht in den Energiewandler eingebaut. Auf diese Weise entsteht ein nacheinander durch alle Zellen führender Strömungsweg für die flüssigen Materialien der positiven Elektroden (Schwefel und Natriumsulfide).
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Der Raum für die positive Elektrode der obersten Zelle wird vom oberen Kontaktblech 9 abgeschlossen, das den elektrisch positiv geladenen Pol des Energiewandlers verkörpert. Am oberen Kontaktblech 9 befindet sich auch der der Natriumsulfidanschlussstutzen 11, durch den beim Energieabgabebetrieb die Reaktionsprodukte den Energiewandler verlassen.
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Beim Energieaufnahmebetrieb ist die Strömungsrichtung umgekehrt. Natriumsulfide werden am Natriumsulfidanschlussstutzen 11 eingespeist und Schwefel verlässt den Energiewandler durch den Schwefelanschlussstutzen 10.
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Beispiel 2
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Beispiel 2 ist weitgehend baugleich zum Beispiel 1. Abweichend davon werden die Trägerplatte 1 und die Festelektrolytmembran 3 nicht verwendet. Die Funktionen dieser Bauteile sind in die statt dessen verwendete Membranplatte 15 integriert.
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7 zeigt die Membranplatte 15 in Aufsicht und zwei Schnitten.
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Auch die Membranplatte 15 besteht aus Natrium-beta-aluminat und hat die Form eines von Kanälen 15.3 durchzogenen, flachen Zylinders, bei dem die Innenzone 15.1 der oberen Stirnfläche gegenüber der Randzone 15.2 abgesenkt ist. Die Kanäle 15.3 sind an der oberen Stirnseite durch als Festelektrolytmembran dienende, dünnwandige Bereiche 15.4 der Membranplatte 15 verschlossen.
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In die Räume für die positiven Elektroden eines Energiewandlers nach diesem Beispiel sind an Stelle des Stromsammlers 7 Kohlefaserfilze eingesetzt, die an die gewölbten Formen der als Festelektrolytmembran dienenden Bereiche 15.4 der Membranplatte 15 angepasst sind.
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Im Falle eines Bruchs in einem der Bereiche 15.4 kommen Natrium und Schwefel zur unmittelbaren Reaktion mit großer Hitzeentwicklung. Diese Hitzeentwicklung und die dadurch bedingten unerwünschten Auswirkungen, wie z. B. Druckentwicklung, lassen sich begrenzen, wenn man die in den Kanälen 1.3 befindliche Menge an Natrium verkleinert. Dies erfolgt dadurch, dass in die Kanäle 1.3 aus Weicheisen gefertigte Verdrängerkörper 16 eingesetzt werden. Einer der Verdrängerkörper 16 ist beispielhaft in 7 gezeigt. Die Verdrängerkörper 16 sind der Form der Kanäle 1.3 angepasst, haben jedoch einen geringeren Durchmesser, so dass flüssiges Natrium durch die verbleibenden Spalte von und zur Unterseite der als Festelektrolytmembran dienenden Bereiche 15.4 der Membranplatte 15 transportiert werden kann.
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Beispiel 3
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Beispiel 3 ist weitgehend baugleich zum Beispiel 1. Abweichend davon befindet sich nicht der Stromsammler 7, sondern der modifizierte Stromsammler 14 im Raum zwischen der Festelektrolytmembran 3 und der Bipolarplatte 2.
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8 zeigt den modifizierten Stromsammler 14. Die Pfeile geben die Strömungsrichtungen an. Beim Stromsammler 14 erfolgt die Zufuhr der flüssigen Materialien der positiven Elektrode von Seite 14.1 und die Ableitung an der Seite 14.2. Die Aussparungen 14.3 im Stromsammler 14 bewirken, dass die Flüssigkeit im Filzmaterial nicht die gesamte Distanz von der Seite 14.1 bis zur Seite 14.2, sondern nur die in 8 gekennzeichnete Distanz d überwinden muss. Deshalb ist der Strömungswiderstand kleiner als bei Verwendung des Stromsammlers 7. Für die Förderung der flüssigen positiven Elektrode durch den gesamten Energiewandler wird somit weniger Druck benötigt.
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Beispiel 4
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Die 9 bis 12 stellen einen Energiewandler, bei dem die Festelektrolytmembranen eine Fläche von 1,5 m2 haben, dar. Dabei zeigt:
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9 die Trägerplatte 1
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10 die Bipolarplatte 2
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11 Längsschnitte einer zusammengefügten Baugruppe entlang der in 9 mit A-A' und B-B' gekennzeichneten Richtungen
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12 Vergrößerungen der Bereiche D1 und D2 aus 11.
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Der Energiewandler nach diesem Beispiel besitzt keinen Stromsammler. Ansonsten besteht er aus den gleichen Bauteilen wie ein Energiewandler nach Beispiel 1, die auch analog zu diesem Beispiel montiert sind.
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Die Bipolarplatte 2 ist genoppt, wobei sich die Noppen 0,5 mm unter und über die Ebene der Bipolarplatte 2 erheben und absenken. Der Abstand zwischen der Bipolarplatte 2 und der Festelektrolytmembran 3 beträgt 0,5 mm. Die Noppen stellen sicher, dass dieser Abstand auf der ganzen Fläche eingehalten wird. Wegen des geringen Abstands zwischen der Bipolarplatte 2 und der Festelektrolytmembran 3 gibt es auch bei dem vergleichsweise großen spezifischen elektrischen Widerstand der dazwischen befindlichen positiven Elektrode nur geringe widerstandsbedingte Verluste. Ein Stromsammler wird deshalb nicht benötigt.
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Der Rand der Festelektrolytmembran 3 ist durch eine Schweißnaht mit der Trägerplatte 1 fest und dicht verbunden. Die Festelektrolytmembran 3 wird beim Betrieb des Energiewandlers von der flüssigen positiven Elektrode gegen die oberen Abstützpunkte 1.7 gedrückt. Weil die Kanäle 1.3 und die dazwischen liegenden Abstützpunkte 1.7 einen Abstand von nur 25 mm zueinander haben, konnte die Stärke der Festelektrolytmembran 3 auf 2 mm reduziert werden. Zusammen mit der Fläche der Festelektrolytmembran 3 von 1,5 m2 wird dadurch pro Zelle eine elektrische Leistung von 6 kW erreicht. Der gesamte, 120 Zellen umfassende Energiewandler nach diesem Beispiel hat damit eine Leistung von bis zu 0,72 MW.
