DE2060585B2 - Galvanische Zelle mit Elektroden, die wenigstens einseitig einer Fluidströmung ausgesetzt sind - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle mit Elektroden, die wenigstens einseitig einer Fluidströmung, insbesondere einer Elektrolyt- und/oder Reaktionsgasströmung ausgesetzt sind, die von einem gemeinsamen Verteilerkanal durch die Einzelströmungen festlegenden parallel und in gleichen Abständen angeordneten Leitelementen zu einem Sammelkanal verläuft, wobei beide Kanäle im wesentlichen quer zu den Leitelementen ungeordnet sind.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine aus derartigen Einzelzellen in Schichtbauweise aufgebaute Zeiiengruppe.

Bei den durch die Kammern geführten Fluidströmungen handelt es sich dabei um die Elektrolytströmung, die auch zur Abführung überschüssiger Wärme und/oder zur Konstanthaltung der Elektrolyt-Konzentration dient, und/oder um die strömenden Reaktionsgase für den elektrochemischen Umsatz.

Derartige galvanische Zellen sind beispielsweise Brennstoffzellen, bestimmte Metall-Luft-Zellen und andere Zellen und Speicher, bei denen der Elektrolyt zu den vorstehend angegebenen Zwecken in einen Kreislauf zirkuliert und/oder deren Reaktionsmedien von außen zugeführt werden. Diese Zellen werden meistens in Filterpressenbauart zu Batterieeinheiten zusammengestellt.

Aus der britischen Patentschrift 997 437 ist eine Verteilereinrichtung für eine Anordnung in einer galvanischen Batterie bekannt, die einen gemeinsamen Verteilerkanal und einen gemeinsamen Sammel-

kanal uufwctai, wobei zwischen diesen zueinander parallel angeordneten Kanülen Lcitelemente senkrech: zu diesen Kanälen angebracht sind, die die Aufgabe haben, den Elektrolyten auf die einzelner·, den Leiteicmenten zugeordneten Elektroden zu verteilen.

Ein Hauptproblem bei solchen Bauerien und Zellen ist die Erzielung einer gleichmäßigen Strömungsverteil ang über cl°n Querschnitt der Zelle und damit insbesondere über einer aktiven ElektrodenOäche, weiche z. B. eine Seitenfläche ate Kammer bildet.

Die Nachteile der bisherigen. Austührungsformen von Verteilungseinrichtungen in solchen galvanischen Zellen, bei denen das Strömungsmedium an einer Seite, z. B auch Ecke, der Kammer in diese ein- und an der gegenüberliegenden Seite bzw. auch Ecke der Kammer aus dieser austritt, sind vor allem folgende

Ungleiche Temperaturverteilung über der Elektrodenfläche, erhebliche Konzentrationsur.terschiede im Elektrolyten, Austrocknungsgefakr an der Eintrittsstelle und Wasseranreicherung an der A ustrittsstelle beim Hindurchströmen eines Reaktionsgases, letzteres insbesondere bei galvanischen Zellen, bei denen der Elektrolyt in einem Träger (Matrix) festgehalten wird.

Etwas bessere Strömungsverhältnisse lassen sich erreichen, wenn das Medium nicht nur an einer, sondern an zwei Stellen ein- bzw. austritt, also beispielsweise an zwei benachbarten Ecken der Kammer zum Einströmen und an den beiden anderen Ecken der Kammer zum Ausströmen gebracht wird. Ein solches doppeltes Ein- bzw. Ausströmen ist jedoch nur dann befriedigend, wenn gleichzeitig gewährleistet wird, daß — was unter Umständen schwierig zu erreichen ist — die Strömungswiderstände an den Ein- bzw. Auslaßschlitzen untereinander gleich sind, weil sich sonst ganz erhebliche unerwünschte Asymmetrien im Strömungsbild ergeben; außerdem ist eine solche Ausführung insofern nachteilig, als zum Ein- bzw. Ausströmen jeweils zwei Kanäle erforderlich sind, die einen Raum einnehmen, der vorteilhaft für andere Zwecke verwendet werden könnte.

Es ist ferner auch schon vorgeschlagen worden, eine bessere Strömungsverteilung dadurch zu erreichen, daß das Medium zentral an einer Kantenseite der Kammer oder auch von einer Seite her parallel zu einer solchen Ksntenseite eingeführt und entsprechend an der anderen Kantenseite abgeführt wird, wobei entlang der der Zuführung zugeordneten Kantenseite ein Verteilerkanal gebildet wird, der durch kurze, strahlenförmig angeordnete Leitwände mit dem übrigen Rauminhalt der Zelle verbunden ist.

Bei einer weiteren, sehr ähnlichen Verteilereinrichtung, aber für einzelne Zellenkammern, hat man vorgeschlagen, die Kammern des Verteilerelementes zwischen einem auf der Zuleitungsseite angeordneten Verteilerkanal und einem auf der Ableitungsseite angeordneten Sammelkanal durch einzelne Leitelemente in Form von Stäben in gleich breite parallele Strömungskanäle zu unterteilen. Hierdurch wird zwar eine bessere Sfömungsführung des Mediums erzielt, doch ist eine wesentliche Verbesserung der Strömungsverteilung am Eintritt bzw. der Sammlung am Austritt nicht zu erzielen. Da durch die Eintrittsstelle des Verteilerkanab die gesamte Menge des zur Versorgung der Zellen benötigten Mediums strömt, herrscht dort die größte Geschwindigkeit im Verteilungssysteni, wahrend am gegenüberliegenden Ende, an dem die gesamte dort ankommende Menge zwangsläufig umgelenkt wird, der größte Druck (Staudruck) erzeugt wird. Da* Strömungsmedium neigt infolgedessen dazu, insgesamt durch den dem Ende des Vcrteilerkanals benachbarten letzten Kanal zu fließen. Da jedoch der Kanal einen relativ kleinen Querschnitt hat, setzt er der Strömung einen Wideistand entgegen, so daß auch das Medium in

ίο die davorliegenden Kanäle einströmt. An dem der Einströmöffnung benachbarten Anfang des Verteilerkanals bewirkt gleichzeitig die hohe Geschwindigkeit infolge des geringen statischen Druckes an den in Strömungsrichtung ersten Einzelkanälen eine Injektorwirkung, die zu einer unerwünschten Zirkulatioiisströmung führt. Dieses gilt jedenfalls für Strömungen mit relativ hohen Geschwindigkeiten. Für Strömungen mit kleinen Geschwindigkeiten, d. h. bei kleinen Mengenströmen, ergibt sich andererseits eine annähernd parabolische Gcschwindigkeitsverteüung längs des Verteilerkanals, ■■ obei die größte Geschwindigkeit in dem in Stronirichtung letzten Einzelkanal, die kleinste Geschwindigkeit in einem mittleren Einzelkanal auftritt. Wegen der auftretenden Injektorwirkung, die an den dem Eintritt des Strömuiigsmediums benachbarten Einzelkanälen auftritt, werden somit auch in diesem Falle innerhalb des Elementes Strömungsumläufe erzeugt, die den ordnungsgemäßen Durchfluß durch das Element stören.

Gleiches ergibt sich auch sinngemäß dann, wenn die Zuleitung bzw. Ableitung nicht in Richtung des Verteilerkanals bzw. des Sammelkanals, sondern senkrecht hierzu erfolgt, da in diesem Falle eine Injektorwirkung auf die vom Einlaß entfernteren Einzelkanäle ausgeübt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es vor allem, die vorstehend erläuterten Nachteile de^r bisher bekannten Führung von Strömungsmedien in galvanischen Zellen unter Erzielung eines optimalen Strömungsbildes zu beseitigen.

Ausgehend von einer galvanischen Zelle der eingangs angeführten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verteilerkanal einen sich mit der Entfernung von der Zuführung kontinuierlich verringernden Querschnitt aufweist, daß der Sammelkanal einen sich in Richtung der Abführung kontinuierlich erweiternden Querschnitt besitzt und daß Zuführung und Abführung in der Kammer einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich erreichen, daß längs des Verteilerkanals ein nahezu konstanter statischer Druck herrscht, wodurch gemäb der Bernoullischen Gleichung

P = P -J- P

und ferner

sich auch die gleichen Geschwindigkeiten ν in den Kanälen einstellen.

Gemäß ein;r besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird aus derartigen Einzelzellcn

in Schichtbauweise eine galvanische Zcllengruppe aufgebaut, die sich dadurch auszeichnet, daß die mit den Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen verbundenen Zu- und Ableitungskanäle auf einander gegenüberlie-

»enden Seiten der Kammern angeordnet sind und außerhalb der wirksamen Elcktrodcnflächcn im wesentlichen parallel zur Längsachse der Zcllcngruppe verlaufen.

Vorzugsweise besitzen dabei die Zu- und Ablcitungskanäle einen dem Querschnittsverlauf der Verteiler- und Sammelkanäle in den Kammern entsprechenden Querschnittsverlaul.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in dieser zeigt

F i g. I bis 3 drei verschiedene Ausführungsbeispiele einer Fluidströmungsführung über eine Verteilungseinrichtung in schernatischcr Darstellung und

Fig. 4 einen in größcrem Maßstab dargestellten Teilschnitt nach Linie X-X der F i g. 2 für den Fall einer aus mehreren galvanischen Zellen paketartig aufgebauten Zellengruppe.

In den F i g. 1 bis 3 sind drei verschiedene Ausführur.gsbeispiele von erfindungsgemäßen Verteilungseinrichtungen 11 schematisch dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Das die galvanische Zelle bzw. die mit der Verteilungseinrichtung versehene Kammer 25 durchströmende Fluid kann der auch zur Abführung überschüssiger Wärme und/oder zur Konstanthaltung der Elektrolyt-Konzentration dienende Elektrolyt und/oder wenigstens ein Reaktionsgas für den elektrochemischen Umsatz sein. Das Fluid bzw. Strömungsmedium tritt aus einem Kanal 23, welcher den Rahmen 19 quer zur Schichtung der Zelle durchsetzt, über eine Öffnung 24 in die die Verteilungseinrichtung Il aufweisende Kammer 25 ein. Die Kammer 25 ist durch die aus Stäben 26 bestehende Verteilungseinrichtung 11 in eine Anzahl von Einzelkanälen 27 unterteil!, die parallel zueinander und parallel zu den Seitenwänden 28 und 29 der Kammer 25 verlaufen.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, enden die Stäbe 26 vor den einander gegenüberliegenden Kammerwänden 30 und 31 derart, daß auf der Seite der Eintrittsöffnung 24 ein sich von dieser Eintrittsöffnung nach der gegenüberliegenden Seite keilförmig verjüngender Verteilerkanal 32 entlang der Kammerwand 30 und auf der gegenüberliegenden Seite entlang der Kammerwand 31 ein Sammelkanal 33 gebildet wird, der sich in Richtung der Austrittsöffnung 34 und dem sich an diese Austrittsöffnung anschließenden, den Rahmen 19 quer durchsetzenden Austrittskanal 35 keilförmig erweitert.

Vorzugsweise ist der VerteHerkanal außerhalb der aktiven Fläche der an den Stäben 26 anliegenden Elektrode angeordnet Dadurch >vird bei Verwendung eines Reaktionsgases verhindert, daß sich dasselbe beim Eintritt in den Verteiierkanal mit Wasserdampf aus dem Elektrolyten in der Matrix (z. B. aus Asbest) sättigt. Eine solche Sättigung hätte zur Folge, daß die Konzentration des Elektrolyten, z. B. KOH, unzulässig ansteigen oder gegebenenfalls sogar ein Austrocknen der Matrix erfolgen könnte.

Es ist ersichtlich, daß sich die Menge des durch die Eintrittsöffnung 24 einströmenden Strömungsmediums gleichmäßig auf die Einzelkanäle 27 verteilt und in entsprechender Weise im Sammelkanal 33 wieder zusammengeführt wird. Der Querschnitt des Verteilerkanals 32 verjüngt sich entsprechend der auf Grund der Ableitung in die Einzclkanälc 27 abnehmenden Menge, während der Querschnitt des Sammclkanals 33 sich entsprechend der in Strömungsrichtiing zunehmenden Menge des Strömungs-

ö mediums vergrößert.

Das Auslührungsbcispicl nach Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. ι dadurch, daß die Kammerwände 30 und 31 nicht senkrecht zu den Kammerwänden 28 und 29 verlaufen, sondern einen

J₀ solchen Winkel hierzu bilden, daß die gewünschte Konizität von Verteilerkanal 32 und Sammelkanal 33 auch bei einer Stabanordnung erhalten wird, bei der die Enden der einzelnen Stäbe 26 jeweils in einer zu den Kammerwänden 28 und 29 senkrechten

i-j Ebene enden.

Gleichzeitig zeigt F i g. 2, wie neben den den Rahmen 19 quer durchsetzenden Zu- und Ableitungen 23, 35 weitere Zu- und Ableitungen 23 a, 35 α für eine andere Kammer mit einer Verteilungseinrich-

ao tung für das Strömungsmedium vorgesehen sein können, und zwar derart, daß die Zu- und Ableitungen beider Kammern sich gegenseitig nicht stören. Eine entsprechende Anordnung von Zu- und Ableitungen kann jedoch auch gegebenenfalls bei einer Ausführung nach F i g. 1 bei spiegelbildlicher Anordnung der beiden Verteilungseinrichtungen vorgesehen sein.

Die Ausführungsform nach F i g. 3 unterscheidet sich von der Ausführung nach F i g. 1 lediglich dadurch, daß der Zuleitungskanal 23 mit der Eintrittsöffnung 24 und in entsprechender Weise der Auslaßkanal 35 mit der Auslaßöffnung 34 etwa in der Mitte der Kammerwand 28 bzw. 29 angeordnet ist. Damit auch in diesem Falle eine gleichmäßige VerteMung des Mediums auf die Einzelkanäle 27 stattfinden kann, wird das Strömungsmedium einerseits zunächst über einen Verbindungskanal 36, der vorzugsweise außerhalb der angrenzenden Elektrodenflache angeordnet ist, dem Verteilerkanal 32 bzw. andererseits aus dem Sammelkanal 33 über einen Verbindungskanal 37 der Auslaßöffnung 34 und dem Ableitungskanal zugeleitet. Im übrigen ergeben sich gleiche Verhältnisse wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 2.

Die Leitelemente oder Stäbe 26 können aus dem gleichen Material wie der die Kammer einfassende Rahmen 19 oder die an sie angrenzende Wand bestehen, z. B. mit dieser Wand als Spritzteil gefertigi oder auf dieselbe aufgeklebt oder in sonstiger Weise aufgebracht sein. Rahmen, Kammerwand und Leitelement bestehen hierbei aus einem nichtleitender Stoff, z. B. Kunststoff. Es ist jedoch auch, z. B. foe Metall-Luft-Zellen mit Ladeelektroden, möglich, du Leitelernente oder Stäbe aus dem Material der die Kanäle begrenzenden Elektroden 12 oder 16 ir F i g. 4 herzustellen, wobei auch in diesem Falle di< Leitelemente mit der Elektrode aus einem Stück be stehen oder an sie in geeigneter Weise angesetzt seil können. Bestehen die Leitelemente aus einem Stücl mit der Kammerwand 10 bzw. den angrenzende! Elektroden 12 bzw. 16, so können sie auch durcl Einzelkanäle bildende nutenförmige Ausnehmungei im Elektrodenmaterial gebildet sein. Des weitere; können die Einzelkanäle statt eines rechteckige Querschnitts einen beliebigen anderen, z. B. kreis förmigen, dreieckigen, trapezförmigen od. dgl. Quei schnitt aufweisen. Ferner ist es möglich, Zu- und Ab

leitungen an beliebig geeigneter Stelle anzuordnen, sofern nur eine erfindungsgemäß vorgesehene Verteilung des Strömungsmediums gewährleistet ist.

Fig. 4 zeigt als Beispiel eine in Schichtbauweise aus Einzelzellen aufgebaute galvanische Zcllengmppe. Der in der Zellengruppe erzeugte Strom kann in der schematisch angegebenen Weise durch einen Verbraucher 20 ausgenutzt werden, dessen eine Anschlußstelle über Leitungen 21 mit den positiven Elektroden und dessen andere Anschlußstelle über Leitungen 22 mit der negativen Elektrode 16 verbunden ist.

Der Teilschnittansicht ist zu entnehmen, daß der Ableitungskanal 35, in dem das Strömungsmedium in Richtung des Pfeiles F slrömt, konisch verläuft, d. h. einen Querschnittsverlauf besitzt, der dem vorstehend schon ausführlich erläuterten Querschnittsverlauf der Verteiler- und Sammelkanäle in den

Kammern 25 entspricht. Selbstverständlich weist bei einer derartigen Zellengruppe nicht nur der Ableitungskanal im Verlauf seiner axialen Länge einen sich ändernden Querschnittsverlauf auf, sondern in entsprechender Weise auch der zugehörige Zuleitungskanal. Durch diese Ausgestaltung wird bei einer Zellengruppc das gleiche optimale Strömungsverhalten erhalten, das vorstehend im Zusammenhang mit einer Einzelzelle erläutert wurde.

ίο Die Pfeile F1 in F i g. 4 symbolisieren die aus den einzelnen Kammern kommenden Fluidströmungen, die in dem gemeinsamen Ableitungskanal 35 zusammengefaßt werden.
Es ist selbstverständlich, daß die in F i g. 4 im Prinzip dargestellte Zellengruppe hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Einzelzellen wesentlich erweitert werden kann. Das Grundprinzip der Fluidströmungsführung bleibt dabei jedoch gleich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309586/201

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Galvanische Zeile mit Elektroden, die wenigstens einseitig einer Fluidströmun^- insbesondere einer Elektrolyt- und/oder Reaktionsgasströmung ausgesetzt sind, die von einem gemeinsamen Verteiierkanal durch die Einzelströmungen festlegenden parallel und in gleichen Abständen angeordneten Leitelementen zu einem m Sammelkanal verläuft, wobei beide Kanäle im wesentlichen quer zu den Leitelementen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkanal (32) einen sich mit der Entfernung von der Zuführung (23, 24) kcntinuierlich verringernden Querschnitt aufweist, daß der Sammelkanal (33) einen sich in Richtung der Abführung (34, 35) kontinuierlich erweiternden Querschnitt besitzt und daß Zuführung (23. 24) und Abführung (34, 35) in der Kammer (25) einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

2. Galvanische Zelle nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Zuführung (23, 24) und Abführung (34, 35) an diagonal gegenüberliegenden Ecken einer etwa rechteckigen oder parallelogrammartigen Kammer (25) angeordnet sind (Fig. 1,2).

3. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zu- und Abführung (23, 24; 34, 35) im mittleren Teil einander gegenüberliegender Wände einer et\,a rechteckigen oder parallelogrammartigen Kanv «er (25) angeordnet sind (F i g. 3).

4. Galvanische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmedium von der Zuführung (23, 24) bzw. zur Abführung (34, 35) zunächst je entlang dem äußersten Leitelement (26) bis zu einander diagonal gegenüberliegenden Ecken geleitet und der Verteilerkanal (32) bzw. der Sammelkanal (33) sich von bzw. zu diesen Ecken entlang den beiden zu den Leitelementen senkrechten bzw. nahezu senkrechten Wänden (28, 29) der Kammer (25) erstrecken (Fig. 3).

5. Galvanische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelzuführung (36, 37) entlang des jeweils äußersten Leitelements (26) außerhalb der angrenzenden Elektrodenfläche verläuft.

6. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallelogrammartiger Kammer (25) die unterteilenden Leitelemente (26) in einem Rechteck angeordnet sind (F i g. 2).

7. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (26) in Stabform in die flachen Kammern (25) eingesetzt sind.

8. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kanäle (27) für die Einzeiströme bildenden Leitelemente (26) durch eine der die Kanäle flächenmäßig begrenzenden Kammerwände bzw. Zellenschichten (10, 12. 16) und nutenförmigc Ausnehmungen in diesen Wänden gebildet werden.

9. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, duß dic-Leiteiemeniß (26) aus dein Material des die Zelle einfassenden Rahmenteil* (VJ, 10) bestehen, £ B-mit diesem ais Spritzteil gefertigt oder auf denselben aufgeklebt oder in sonstiger Weise aufgebracht sind.

10. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Veneilerkanal (32) außerhalb der Flüche der angrenzenden aktiven Elektrodenfläche angeordnet ist.

11 - Galvanische Zellengruppe mit in Sehichtbauweise angeordneten Einzelzellen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche. Jadurch gekennzeichnet, daß die mit den Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen (24; 34) verbundenen Zu- und Ableitungskanäle (23; 35) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kammern (25) angeordnet sind und außerhalb der wirksamen Elektrodenflächen im wesentlichen parallel zur Längsachse der Zellengruppe verlaufen.

12. Galvanische Zellengruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei getrennter Führung verschiedener Strömungsmedien die Zu- und Abieitungskanäle (23, 35 bzw. 23 a. 3Sa) zueinander versetzt, insbesondere diagonal über Kreuz angeordnet sind (F i g. 2).

13. Galvanische Zelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungskanäle (23, 35; 23 0, 35 a) einen dem Querschnittsverlauf der Verteiler- und Sammelkanäle (32, 33) in den Kammern (25) entsprechenden Querschnittsverlauf aufweisen.