DE1671933B2 - Brennstoffbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie mit in Elektrolyten emulgieren, gasfömigen oder flüssigen Reaktionsmiiteln, mit mindestens zwei aus dünnen Folien gebildeten Elektroden mit poröser oder Netzstruktur, deren Maschen- oder Porenabmessungen in der Größenordnung von Zentelmillimetern liegen, derart, daß sich Flüssigkeitsbahnen ergeben, welche von einem ersten Rand zum gegenüberliegenden zweiten Rand parallel zur Elektrodenmittelebene verlaufen, mit mindestens einem Separator und mit Rahmen, die die Elektroden und Separatoren halten und Zu- und Abführungslcitungen für die Reaktionsmittel aufweisen. Unter Netzstruktur versteht man eine Oberflächenstruktur, wie die eines Metallgewebes, eines Gitters, einer Folie gewalzten Metalls oder einer in Einbuchtungen oder Ausbuchtungen gepreßten Folie.

Es ist weiterhin bekannt, derartige Zellen in einer Batterie von Elementarzellen zusammenzufassen, die durch wiederholte Stapelung von im allgemeinen dünnen plattenförmigen Teilen erhalten wird, die einerseits öffnungen aufweisen, die nach der Stapelung senkrecht zu den Platttn verlaufende Zufluß- und Abflußkanäle des Elektrolyten bilden, und andererseits Leitkanäle für den Durchgang eines Elektrolyten längs den Elektroden parallel zu deren Mittelebene besitzen.

Der Betrieb einer Brennstoffbatterie mit einem ein Reaktionsmittel in Emulsion enthaltenden Elektrolyten &> schließt die Bildung der Emulsion ein, die mit Hilfe einer Emulgiervorrichtung, von der es zahlreiche industrielle Arten für sehr verschiedene Verwendungen gibt, erreicht werden kann. Derartige Emulgiervorrichtungcn sind von der Batterie getrennt und weisen ein gewisses Volumen, ein gewisses Gewicht und einen gewissen Umfang auf, der sich zu denen der Batterie hinzufügt. Es kann auch ein nicht vernachlässigbarer Energieverlust auftreten. Außerdem kann im Fall von kompakten Brennstoffbatterien, die für einen genauen Betrieb eine gewisse Gleichheit der Verteilung und der Struktur der Emulsion zwischen allen gleichartigen Elektroden erfordern, die Bildung der Emulsion außerhalb der Batterie gefolgt von ihrer Einführung und ihrer Verteilung zwischen den verschiedenen gleichartigen Halbzellen mittels eines Kanalnetztes durch Entwicklung der Emulsion während ihres Fließens erfolgen, vor allem wenn die Emulsion nicht stabilisiert ist. Die Entwicklung der Emulsion kann dazu führen, daß die Halbzellen, die am weitesten von dem Ort der Bildung der Emulsion entfernt sind, eine Emulsion empfangen, deren Aufbau verschieden von dem der Emulsion ist, die durch die Halbzellen fließt, weiche am nächsten am Ort der Bildung der Emulsion liegen. Eine solche Streuung kann das elektrische und hydraulische Zusammenwirken einer großen Anzahl von Elementen verschieden oder schlecht machen aufgrund der zu starken Streuungen, die sich aus den einzelnen Merkmaien jeder Elektrode ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffbatterie der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine Emulsion am Eingang einer Zelle gebildet v/ird, ohne irgendeine außerhalb der Batterie liegende Emulgiervorrichtung zu verwenden, und durch die eine Emulsion erhalten wird, die konstante und wieder herstellbare Eigenschaften besitzt, wodurch es möglich ist, zumindest ein in Form einer Emulsion eingeführtes Reaktionsmittel zu verwenden, in dem jede Streuung zwischen allen gleichartigen Elektroden der Batterie vermieden wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der eingangs definierten Brennstoffbatterie durch die im Hauptanspruch genannten Maßnahmen gelöst.

Es hat sich herausgestellt, daß, wenn man, statt die Zuführungskanäle einer außerhalb gebildeten Emulsion in einen Elektrodenrand münden zu lassen, die Zuführungskanäle des Elektrolyten einerseits und die des unlöslichen gasförmigen oder flüssigen Reaktionsmittels andererseits einmünden läßt, wobei die Kanäle unterschiedlich oder kombiniert sein können, sich die Emulsion durch gleichzeitiges Einführen des Elektrolyten und des zu emulgierenden Reaktionsmittels in die poröse oder Netzstruktur spontan bildet. Daraus ergibl sich, daß die poröse oder Netzstruktur selbst die Verteilung der beiden Phasen bewirkt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie besteht darin, daß der gesamte Querschnitt der Zuführungskanäle des Elektrolyten und des Reaktionsmittels kleiner als det Durchflußquerschnitt der Emulsion in der Elektrode ist.

In diesem Fall ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten in den Kanälen sehr viel größer als die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Emulsionselektrode. Man kann so die Wirkung der Geschwindigkeii benutzen, um die Bildung der Emulsion zu begünstigen.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen dei erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie schematiscl· dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine auseinander genommene Einheit der erfindungsgemäßen Batterie,

F i g. 2,3,4 und 5 in Draufsicht zwei Rahmenarten dei Batterie gemäß F i g. 1 und

Fig.6 die das Umfließen des Elektrolyten und de: Reaktionsmittels gewährleistenden Mittel.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Brennstoffbatte rie dargestellt, die aus folgenden Teilen besteht: Dei

Elektrode 1, die hydraulisch zwei aufeinanderfolgende Zellen trennt, dem Rahmen 2 und dem Separator 3, die zwei Halbzellen einer Etementarbatteri·; trennt. Die Elektrode 1 ist aus einem mittleren Teil 4, der aus einer gepreßten Folie besteht, und einem Randteil 5 gebildet, das zwischen zwei isolierende Rahmen 2 aus Plastikmaterial gepreßt ist, deren Stärke so groß ist, daß der mittlere Teil 4 sich in Kontakt mit den anliegenden Separatoren 3 befindet

Die isolierenden Rahmen 2, die ebenen Teile 5 der Elektrode 1 und die Ränder der Separatoren 3 weisen an ihren Rändern (beispielsweise an dem oberen Rand) eine Reihe von öffnungen 6 und 7 auf, deren Zusammenwirken nach der Stapelung parallele Kanäle festlegt. Die durch die öffnungen 6 gebildeten ungeradzahligen Kanäle werden von dem eines der Reaktionsmittel enthaltenden Elektrolyten gespeist. Die durch die Öffnungen 6 gebildeten geradzahligen Kanäle werden durch den Elektrolyten allein gespeist, während die Kanäle 7 durch das zweite Reakiionsmittel gespeist werden. Die isolierenden Rahmen 2, die jede Elektrode 1 von der anliegenden Scheidewand 3 trennen, d. h. die Einrahmung eines Elektrolytraumes festlegen, weisen außerdem eine Reihe schmaler Spalte 8 auf, die jede mittlere Aussparung mit jeder zweiten öffnung der Reihe der vorhergehend beschriebenen Öffnungen verbindet. Die beiden Rahmen 2, die die Einrahmung der beiden Elektrolyträume einer Zelle beiderseits eines Separators 3 festlegen, haben ihre Spalten derart angeordnet, daß die eines Rahmens mit dem Netz der öffnungen verbunden sind, durch die der einen der Reaktionsmittel enthaltende Elektrolyt hindurchgeht, während die Spalte des anderen Rahmens mit dem Netz der öffnungen verbunden sind, durch das der Elektrolyt allein hindurchgeht. Die isolierenden Rahmen 2, die rechts von einer Elektrode angeordnet sind, weisen weiterhin eine Reihe dünner Spalte 9 auf, die jeden Kanal 7 mit einem Spalt 8 verbinden.

Der zu betrachtende Rand ist der Einspeisungsrand. Auf dem gegenüberliegenden Rand (hier der untere Rand) weisen die Komponenten des dargestellten Beispieles Öffnungen und Spalte in identischer oder symmetrischer Art gegenüber denen, die auf dem ersten Rand eingebracht wurden, auf. Es ist für gewisse Anwendungsname jedoch möglich, auf dem zweiten Rand, der den Abflußrand bildet, soviel Spalte in jeden Rahmen 2 einzubringen, wie es öffnungen in der Reihe gibt. In anderen Ausführungsformen können die in dem Abflußrand vorgesehenen öffnungen untereinander teilweise oder vollständig verbunden sein.

Die Kombination der Zellen wird durch wiederholte Stapelung einer großen Anzahl von Elementarreihen von in ihrer Zuordnungsreihenfolge genommenen Komponenten 1, 2, 3 gebildet. Diese wiederholte Stapelung wird durch nicht dargestellte Bolzen zusammengepreßt, die durch Löcher 10 zwischen zwei Endplatten 11 und 12 hindurchgehen, an denen ein Zuflußrohrstutzen 13 und ein nicht dargestellter Abflußrohrstutzen für einen der Elektrolyten und ein erstes Reaktionsmittel, ein Zuflußrohrstutzen 14 und ein nicht dargestellter Abflußrohrstutzen für den anderen Elektrolyten und ein Zuflußrohrstutzen 15 für das zweite Reaktionsmittel befestigt sind. Jeder Rohrstutzen 13 und 14 ist durch nicht dargestellte Verteilungskanäle, die Teil der Endplatten 11 oder 12 sind oder zu diesen gehören, mit einem Ende der jeweils nach der Stapelung durch das Zusammenwirken der geradzahligen oder iiingeradzahligen öffnungen 6 gebildeten Kanäle verbunden. Ebenso ist der Rohrstutzen 15 mit durch die öffnungen 7 gebildeten Kanälen verbunden.

In F i g. 2 und 3 ist jeweils ein Randteil 5 der Elektrode und ein Rahmen 2 (rechts neben der Elektrode angeordnet) zum Einmünden des Elektrolyten und des zu emulgierenden Reaktionsmittels in den von der porösen oder Netzstruktur der Elektrode ausgefüllten Raum dargestellt. Diese Rahmen 2 sind größer als die Randteile 5 und ermöglichen es, gleichzeitig den mittleren Teil 4 und den Randteil 5 der Elektroden zusammenzudrücken.

Die Kanäle 7 münden durch die Spalte 9 in die Spalte 8 und ermöglichen so die Mischung des Elektrolyten mit dem zu emulgierenden Gas oder der Flüssigkeit vor dem Eintritt in die Elektrode. Durch diesen Aufbau wird eine ausgezeichnete Verteilung des Reaktionsmittels in dem Elektrolyten erreicht.

In F i g. 4 und F i g. 5 ist jeweils ein Randteil 5 und ein Rahmen 2 dargestellt. Zwischen den öffnungen 7 gelegene öffnungen 16 ermöglichen die Einspeisung des zu emulgierenden Gases oder der Flüssigkeit in die andere Elektrode jeder Elementarbatterie der Anordnung.

In Fig.6 ist der Fluß des Elektrolyten für eine Brennstoffbatterie nach Fig. 1 dargestellt. In einen Elektrolyten, der den Rohrstutzen 17 der Batterie verläßt, wird bei 18 ein Reaktionsmittel eingeführt, das durch Schwerkraft aus einem Behälter 19 abfließt. Daraufhin läuft der Elektrolyt zur Batterie zurück wo er nach dem Durchgang durch eine Pumpe 20 über den Stutzen 13 eintritt. Ein anderer die Batterie über einen Stutzen 21 verlassender Elektrolyt wird durch eine Pumpe 22 befördert und kehrt zur Batterie durch den Zuführungsstutzen 14 zurück. Ein Reservoir 23 speist den Stutzen 15 mit einem Reaktionsmittel, das im Inneren der Batterie wie vorhergehend beschrieben emulgiert werden soll. Das Umfließen des Elektrolyten und des Reaktionsmittels gewährleistende Mittel können in verschiedenen Arten vorgesehen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbatterie mit in Elektrolyten emulgierten, gasförmigen oder flüssigen Reaktionsmitteln, mit mindestens zwei aus dünnen Folien gebildeten Elektroden mit poröser oder Netzstruktur, deren Maschen- oder Porenabmessungen in der Größenordnung von Zehntelmillimitern liegen, derart, daß sich Flüssigkeitsbahnen ergeben, welche von einem ersten Rand zum gegenüberliegenden zweiten Rand parallel zur Elektrodenmittelebene verlaufen, mit mindestens einem Separator und mit Rahmen, die die Elektroden und Separatoren halten und Zu- und Abführungs'eitungen für die Reaktionsmittel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bereich des ersten Randes die Zuführungsleitungen für wenigstens einen Elektrolyten (14) und das zugehörige Reaktionsmittel (13, 15) in je ein Kanalsystem (6, 7) über den ersten Rand verteilt aufteilen und daß unmittelbar vor dem Einmünden in die jeweilige Elektrode (1) ein diesen Elektrolyt führender Kanal (6) und ein das zugehörige Reaktionsmittel führender Kanal (7) ineinander münden.

2. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Querschnitt der Zuführungskanäle (6, 7) des Elektrolyten und des Reaktionsmittels kleiner als der Durchflußquerschnitt der Emulsion in der Elektrode ist.