DE2100695A1 - Energieumsetzeinheit - Google Patents

Description

-^-" Patentanwälte "*«—.■

Dipl. Ing. F. A.

8 MQnchen 2/, HShlstr. 22

GULi¹ EHERGY & EFVIROHMENTAL SYSTEMS, IliC. |

10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, Oalif., V.St.A.

Energieumsetzeinhei t

Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen und insbesondere auf eine Energiewandlereinheit, die eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen mit elektrochemischen Zink-Sauerstoff-Paaren verwendet.

Verschiedene elektrochemische Zellen sind bereits entwickelt worden. Diese elektrochemischen Zellen verwenden metallisches Zink als Anode für die Erzeugung von elektrischer leistung. Ein derartiges wiederaufladbares Energiewandlersystem ist zum Beispiel in der US-Patentschrift 3 359 136 angegeben. Bei diesem Energiewandlersystem wird ein wässriger alkalischer Elektrolyt verwendet und ausserdem wird Sauerstoff durch Zu-

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führung eines Sauerstoff enthaltenden Gases an ein poröses Elektrodengebilde abgegeben. Ein weiteres Beispiel iat die Zink-Silberoxyd-Speicherbatterie, bei der Sauerstoff durch die Silberoxyd-Kathoden geliefert wird, die mit einem wässrigen Kaliumhydroxyd-Elektrolyten in Kontakt sind. Andere Oxyde, wie Uickeloxyd oder Nickelhydroxyd zum Beispiel, können ebenfalls als Sauerstoffquelle in einer elektrochemischen Zelle verwendet werden, die Zink und einen wässrigen alkalischen Elektrolyten oder irgend einen anderen geeigneten flüssigen Elektrolyten verwendet.

Als Reaktionsprodukt eines elektrochemischen Zink-Sauerstoff-Paares bei der Erzeugung von elektrischer Leistung ist das Zinkoxyd anzusehen, das in der elektrochemischen Zelle an der Zinkanode gebildet wird. Das Zinkoxyd ist, obwohl es in einem alkalischen Elektrolyten relativ gut löslich ist, von den Oberflächen der Zinkelektrode nicht ohne weiteres zu beseitigen. Vielmehr bilden sich auf den Elektroden Zinkoxyd-Reaktionsprodukte aus, was zu einer Zinkpassivierung führt. Es besteht somit der Wunsch nach elektrochemischen Zellensystemen, die sich in diesem Zusammenhang durch eine verbesserte Betriebsweise auszeichnen.

In Energiewandlersystemen bzw. Energieumsetzsystemen mit einer Vielzahl von gesonderten elektrochemischen Zellen und einem Elektrolyten-Ümwälzsystem sind die gesonderten Zellen normalerweise über ein von einer Hauptpumpe herführendes Rohrleitungssystem hinsichtlich der Flüssigkeitsströmung parallel angeordnet. Werden die gesonderten Zellen elektrisch in Reihe geschaltet, so führen sie unterschiedliche Potentiale, und ausserdem ist mit dem Stromdurchgang ein Leistungsverlust verbunden. Obwohl eine zunehmende Länge der Leitungen von den einzelnen Zellen zu der Rohrleitung hin einen derartigen Stromübergang vermindert, führt dies zu einem zunehmenden Druckabfall und zu einer erhöhten erforderlichen Pumpleistung.

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Mithin besteht der Wunsch nach anderen Lösungen.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, eine ein elektrochemisches Zink-Sauerstoff-Paar und einen flüssigen Elektrolyten verwendende verbesserte elektrochemische Zelle zu schaffen. Diese neu zu schaffende elektrochemische Zelle soll Teil eines Energieumsetzsystems sein, das mit einer Vielzahl derartiger elektrochemischer Zellen auf wirksame Weise elektrische Leistung über eine verhältnismässig lange Zeitspanne zu erzeugen im Stande sein soll. Die.ses Energieumsetzsystem soll dabei einen umlaufenden Elektrolyten in einer Weise verwenden, dass Stromübergangsverluste zwischen einzelnen Zellen vermindert sind.

G-elöat wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Pig. 1 zeigt schematisch in einem Flussdiagramm ein eine Vielzahl von elektrischen Zelleneinheiten enthaltendes Energieumsetzsystem für die Erzeugung von elektrischer Leistung.

Pig. 2 zeigt in zum Teil auseinandergezogener Perspektiv- J darstellung eine Vielzahl der in Pig. 1 angedeuteten elektrochemischen Zelleneinheiten.

Pig. 3 zeigt eine vergrösserte Draufsicht der in Pig. 2 dargestellten elektrochemischen Zellen bei abgenommener Abdeckung.

Pig. 4 zeigt eine Schnittansicht längs der in Pig. 3 eingetragenen Linien 4-4.

Pig. 5 zeigt eine Schnittansicht längs der in Pig. 3 einge-

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tragenen Linie 5-5·

Pig, £ zeigt eine Teil3Chnittansicht der in Pig. 5 eingetragenen Linie 6-6.

"Das is I'ig. 1 scfcematisch dargestellte Energieumsetzsystem verwendet ein Elektrolyten-Ümwälzaystem für die Beseitigung der Sinkoxyd-Reaktionsprodukte aus einer Vielzahl von einzelnen elektrochemischen Zelleneinheiten 11. Bei dem dargestellten System sind zwei Zelleneinheiten 11 dargestellt, die jeweils zumindest eine Zinkelektrode 13 und eine Sauerstoff abgebende Elektrode 15 enthalten. Jede der Zelleneinheiten 11 wird bei etwa atmosphärischem Druck betrieben, * da die Elektrolytenauslässe 17 der jeweiligen Zelle mit einem Elektrolytenvorratsbehälter 19 verbunden sind, in welchem atmosphärischer Druck herrscht. Es hat sich gezeigt, dass eine ausgezeichnete Leistungserzeugung über eine lange Betriebsdauer erzielt wird, indem eine Umwälzung oder Bewegung des flüssigen Elektrolyten an den Oberflächen der Zinkelektroden 13 mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit aufrecht erhalten wird. Es wird nicht als wirtschaftlich angesehen, die erforderliche grosse Menge des flüssigen Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter 19 durch jede Zelleneinheit 11 zu pumpen, um die als wünschenswert angesehenen Innen-Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen. Vielmehr hat es sich herausgestellt, dass mit einer Hochdruckpumpe 21, die den Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter 19 ansaugt, auf wirtschaftliche Weise die erwünschten inneren Umwälzgeschwindigkeiten erzielt werden können, wenn diese Pumpe in Verbindung mit einer Vielzahl von Strahlpumpen 23 oder dergleichen, verwendet wird, von denen jeweils eine einer elektrochemischen Zelleneinheit zugehörig ist.

Bei dem in lig. 1 schematisch dargestellten Energieumsetzeystem sind nur zwei Zelleneinheiten 11 dargestellt, um die

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Wirkungsweise des Systems zu veranschaulichen. Es sei jedoch, bemerkt, dass irgendeine erwünschte Anzahl von Zelleneinheiten verwendet werden kann. Bezüglich des hier benutzten Ausdrucks "Energieumsetzaystem" sei bemerkt, dass damit generell ein System definiert sein soll, bei dem das erfindungsgemässe Konzept anwendbar ist. Das vorstehend bezeichnete System verwendete Zinkelektroden, Sauerstoff abgebende Elektroden und einen flüssigen alkalischen Elektrolyten. Bei der in Pig. 1 dargestellten Ausführungsform liegen die Sauerstoff abgebenden Elektroden 15 in Form von porösen Gebilden vor. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie Saueratoff oder Luft, wird durch Leitungen 25 an die porösen Gebilde abgegeben. Ein derartiges System kann ala hybride Batterie-Brenstoffzelle betrachtet werden. Sind | im übrigen in dem System Vorkärungen getroffen, um die Zinkelektroden 13 nach erfolgter Entladung wieder mit Zink zu überziehen, so kann die betreffende Brennstoffzelle als regenerative Brennstoffzelle bezeichnet werden. Obwohl die als Ausführungsform dargestellte Brennstoffzelle an sich nicht wieder aufgeladen werden soll, könnten, sofern erwünscht, Vorkehrungen gemäss der Lehre der US-Patentschrift 3 359 136 getroffen werden, um die Zinkelektroden nach erfolgter Entladung wieder mit Zink zu überziehen. Wird auf der andere Seite der Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion durch die Verwendung von Nickeloxydelektroden oder dergleichen geliefert, so kann das System allgemeiner als Batterie bezeichnet werden, und zwar A

Um ■

entweder als Primärbatterie oder als Sekundärbatterie./welche Art von Batterie es sich im einzelnen handelt, hängt davon ab, ob Vorkehrungen für eine Wiederaufladung der betreffenden Batterie getroffen sind oder nicht.

Wie im folgenden noch näher ersichtlich werden wird, wird das erfindungsgemäaee Konzept im Hinblick auf die Anwendbarkeit auf irgendein Energieumaetzsyatem betrachtet, das ein elektrochemisches Zink-Saueratoff-Paar und einen flüssigen Elektrolyten verwendet. Zum Zweoke der vereinfachten Terminologie und mit Rücksicht darauf, daBS das dargestellte System

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an sich nicht für eine Wiederaufladung ausgelegt ist, werden die Zinkelektroden nachstehend zuweilen auch als Anoden bezeichnet, und die Sauerstoff abgebenden Elektroden werden zuweilen als Kathoden bezeichnet.

Die beiden dargestellten Zelleneinheiten 11 sind hydraulisch bezüglich des Elektrolyten-Umwälzsystems parallelgeschaltet. Der flüssige alkalische Elektrolyt, bei dem es sich zum Bei-. spiel um eine wässrige Kalium-Hydroxydlösung handeln kann, wird in dem Vorratsbehälter 19 gespeichert. Die Hochdruckpumpe 21, bei der es sich um eine Zahnradpumpe handeln kann, saugt den Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter 19 an bzw. nimmt ihn auf und gibt ihn durch die Leitung 27 ab. Diese Leitung führt zu einer Rohrleitung 29 hin, welche eine Vielzahl von Leitungen 31 enthält. Diese Leitungen 31 führen zu den einzelnen Zelleneinheiten 11 hin. Der die elektrochemischen Zellen verlassende ^lektrolytenstrom führt die jeweils erzeugten und suspendierten Zinkoxyd-Reaktionsprodukte mit sich. Da eine praktische Grenze bezüglich des Elektrolyten-Volumens vorhanden ist, das auf wirtschaftliche Weise von einem bestimmten System aufgenommen werden kann - wodurch die physikalische Kapazität des Elektrolyten für die Mitführung von suspendierten Feststoffen begrenzt ist - wird ein Teil des die Pumpe 21 verlassenden Elektrolytenstroms von dem Hauptstrom abgezweigt. Der aus der Leitung 27 abgezweigte Teil wird durch eine Abscheide- und Aufnahmeeinrichtung 33 geleitet. Wie an anderer Stelle bereits näher ausgeführt ist (siehe US-Patentschrift 3 359 136,) werden die suspendierten Zinkoxyd-Reaktionsprodukte mechanisch aus dem flüssigen Elektrolyten in einer Form abgeschieden, dass sie für die Wiederaufladung der Zinkelektroden verfügbar sind. Der Elektrolyt wird dabei durch eine Leitung 35 zu der Ansaugseite der Hochdruckpumpe 21 zurückgeleitet. Die abgeschiedenen Reaktionsprodukte können .in geeigneter Weise in oder unter der mechanischen Abscheideanlage gespeichert werden, wie in einem herausnehmbaren Kanister.

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Ie Abhängigkeit του car. ^liz:;^ ils . ν-.ν :?.-■ €:/ετ3Ά Ts?wenöet v/iräj IiEd in Abhängigkeit /c:- ^?:e s'v/axvatan leaner des ständigen G-e'brsuchs des oystsiK kanu dij i-;--:,-peratur aes umlaufenden öswc umgewälzten Elektrolzr^ssetrosis auf einen Wert anateigen, der höher liegt, als dar gewünschte Wert» Demgamäss ist eine Abkühlei'firiciitung oder ein Verdampfer 37 in Verbindung mit einem Hilfslüfter 39 vorgeseh-an. Eie durch, die Abkühleinrichtung 37 hindurchtretende Strömung wird durch ein Nebenschluaa-Regelventil 41 derart reguliert, daaa die Abkühleinrichtung nur im Bedarfafall verwendet wird. Daa Regelventil 41 kann thermoatatiech oder auf aonat irgendeine geeignete Weiae geateuert werden. In entaprechender Weiae kann der i

Lüfter 39 nur im Bedarfafall betätigt werden, wie durch Einbeziehung einea Plüssigkeitadruckventila oder dergleichen.

Der von der Hochdruckpumpe 21 herkommende Elektrolyten-Hauptatrom tritt in die Rohrleitung 29 ein, in der er aich in eine Vielzahl von geaonderten Strömen aufteilt, welche durch die Leitungen 31 zu den einzelnen Zelleneinheiten 11 hin gelangen. Die Hochdruckleitungen 31 weiaen einen relativ kleinen Durchmeaser auf; aie enden an den Düaen von Strahlpuimp:en 23» die der jeweiligen Zelleneinheit zugehörig aind.

Wie in Fig. 1 achematiach dargeatellt, ist jede Strahlpumpe 23 * mit ihrem Abführaualaaa mit einer Stelle auf einer Seite der ™ elektrochemiachen Zelle in Plüaaigkeitaverbindung. Zu dieaer Stelle wird ein nennenawerter Umwälzstrom abgegeben, der durch die Zelle hindurchtritt und zu der gegenüberliegenden ' Zellenaeite hin gelangt. Torzugsweiae ist die Strahlpumpe 23 so angeordnet, dass sie den Elektrolyten nach unten in einen Behälter an einer Stelle neben der Bodenwandung abgibt. Der Einlass der Strahlpumpe 23 befindet sich neben der Deckwand des Behälters. Durch diesen Einlass wird der Elektrolyt aus dem Behälter in die Mischkammer der Strahlpumpe eingeführt und mit dem Hochdruck-Flüssigkeitsstrom vermischt. Das gelbe

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Volumen dfis in die jeweilige Zelleneinheit 11 durch, die Hochdruok-Zuführleitung 31 eintretenden Elektrolyten verlässt die betreffende Zelle durch deren Auslassleitung 17. Diese Auslassleitung 17 führt zu dem Vorratsbehälter 19 hin.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird gasförmiger Sauerstoff zu den Kathoden 15 in den Zelleneinheiten hingeleitet. Der Sauerstoff wird von einer geeigneten Quelle 43 abgegeben; er kann als Hochdruckgas oder in flüssiger Form in einem Tieftemperatur-Behälter gespeichert werden. In jedem Fall gelangt der Sauerstoff normalerweise durch ein Absperrventil 45 und einen Druckregler 47 hindurch und dann zu den einzelnen Verzweigungsleitungen 25 hin, die zu den einzelnen Zelleneinheiten 11 hinführen. Der Druckregler 47 ist so eingestellt, dass der Sauerstoffdruck auf einen Wert eingestellt ist, der gerade gross genug ist, um den Sauerstoff durch die Oberfläche der porösen Kathoden 15 hindurchdiffundieren zu lassen. Normalerweise sollte der Sauerstoffstrom im wesentlichen Null sein, wenn aus den Zelleneinheiten kein Strom entnommen wird. Die Sauerstoffströmung beginnt und setzt sich fort, wenn Sauerstoff von der Oberfläche der porösen Elektroden^gebilde abgeführt wird, wie dies der Fall ist, wenn die elektrochemische Reaktion fortschreitet.

Der Anlauf des Energieumsetzsystems ist im allgemeinen relativ einfach. Das System ist betriebsbereit, wenn das Sauerstoff-Absperrventil 45 geöffnet ist, um Sauerstoff an die Kathoden 15 mit richtigem Druck abzugeben. Im allgemeinen folgt sodann der Anlauf der KLektrolyten-Umwälz-Hochdruckpumpe 21, und zwar insofern, als die Pumpe 21 von einem Motor angetrieben werden kann, der elektrisch so geschaltet ist, dass er seine Energie vom Ausgang der Zelleneinheiten aufnimmt. Es kann wünschenswert sein, den Motor für die Pumpe 21 von einer Hilfsleistungsquelle her anzulassen und auf die erzeugte Leistung überzugehen, sobald die Spannung auf einen geeigneten

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Wert angestiegen ist. Solange die Sauerstoffabgabe anhält und metallisches Zink an den Anoden 13 noch vorhanden ist, sollte das System die Abgabe von geforderter elektrischer ■ Energie fortsetzen.

Wie bereits erwähnt, ist die dargestellte Ausführungsform nicht dazu ausgelegt, wieder aufgeladen zu werden. Die beabsichtigte Wiederaufladung eines Systems wird weiter unten noch näher erläutert werden. Die Herstellung der Zellenein-

erfoigt in

heiten 11/ jedoch, kurz gesagt, der Art, dass die galvanisch überzogenen Zinkanoden so ausgelegt sind, dass sie durch frische bzw. neue Zinkanoden zu ersetzen sind. Zum |

Zeitpunkt des Ersetzens der Zinkanoden wird, sofern erforderlich, die Sauerstoffquelle aufgefrischt, und die abgeschiedenen Zinkoxyd-Reaktionsprodukte werden normalerweise aus dem herausnehmbaren Speicherkanister unterhalb der Abscheideeinrichtung herausgeführt. Es ist beabsichtigt, über eine gewisse zentrale Einrichtung zu verfügen, in der die zurückgewonnenen Zinkoxyd-Reaktbnsprodukte zum Galvanisieren von Anodenträgerschichten mit metallischen Zinkdeckschichten verwendet werden.

In Fig. 2 bis 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Konstruktion für die Zelleneinheiten 11 dargestellt. In einem ab- bzw. aufgeteilten Gehäuse 51 ist dabei eine j Vielzahl von eingeschlossenen Bereichen 53 vorgesehen, deren ™ jeder eine zusammengesetzte elektrochemische Zelle enthält. Es dürfte einzusehen sein, dass die Gesamtzahl von Zellen, die in einem Gehäuse 51 untergebracht sind, theoretisch nur durch die baulichen Eigenschaften des Energieumsetzsystems begrenzt ist. Innerhalb jedes einzelnen abgeschlossenen Bereichs 53 sind die Elektroden parallelgeschaltet, wodurch eine Ausgangsspannung von etwa 1,4- bis 1,5 Volt erzielt wird. Die einzelnen Zelleneinheiten 11 sind hingegen elektrisch miteinander in Reihe geschaltet, wobei eine hinreichend grosse Anzahl von Zelleneinheiten 11 vorgesehen sein kann, so dass

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die Anordnung eine vorgesehene Ausgangsapannung mit nahezu jedem angemessenen Y/ert liefert.

Das Gehäuse 51 besteht aus einem geeigneten elektrischen Isoliermaterial, das gegenüber dem Elektrolyten chemisch beständig ist. Ein bevorzugtes Material ist Polysulfon. Es können jedoch auch andere thermoplastische Materialien und/oder Gummimaterialien verwendet werden, wie dies auf dem Gebiet der Batterien an sich bekannt ist. Grundsätzlich besteht das Gehäuse 51 aus einem unteren Gehäuseteil 55 und einem obere^ Kappenteil 57. Da jeder einzelne abgeschlossene Bereich 53 für die einzelnen Zelleneinheiten 11 praktisch den jeweils übrigen Bereichen 53 entspricht, wird im folgenden lediglich ein derartiger abgeschlossener Bereich 53 mit seiner zugehörigen Zelleneinheit betrachtet werden.

Jeder einzelne abgeschlossene Bereich 53 weist eine Vorderwand 59» eine Rückwand 61, zwei Seitenwände 63» 65 und eine Bodenwand 67 auf. Die Oberseite des Bereichs 53 ist von dem Kappenteil 57 verschlossen. Von dem Gehäuse getragene (nicht dargestellte) Klinken wirken mit (nicht dargestellten) Halteplatten zusammen, die von dem Kappenteil 57 getragen werden. Durch diese Verbindungselemente wird der Kappenteil in flüssigkeitsdichter Beziehung zu dem unteren Gehäuse festgeklemmt. Längs des Umfangs der Verbindung zwischen dem unteren Gehäuse und dem Kappenteil ist eine geeignete Abdichtung vorgesehen.

Bei der dargestellten Ausfuhrungsform ist in dem mittleren Teil der Bodenwand 67 ein Durchgang 69 gebildet, der in Längsrichtung verläuft und Sauerstoff oder Luft zu den Kathoden der jeweiligen elektrochemischen Zelleneinheit 11 hinleitet. Wie besonders deutlich aus Fig. 4 hervorgeht, sind die einzelnen Kathoden 15 jeweils aus zwei flachen porösen Nickelplatten 71 gebildet, die aus gesinterten Nickelpartikeln

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hergestellt sind, was an sich, bekannt ist. Zwischen jedem Paar von porösen Platten 71 ist ein Abatandsrahmen 73 vorgesehen, der im wesentlichen in Form einer Umfangsabdichtung vorliegt, die sich um den Umfang der Platten herum erstreckt und eine hohle mittlere Kammer für den Sauerstoff bildet. An der Unterseite der jeweiligen Kathode 15 ist ein kleines Einlassformstück 75 vorgesehen, das in geeigneter Weise mit einer Rohrleitung 77 verbunden ist. Die Rohrleitung 77 enthält einen herabhängenden hohlen Stöpsel 79» der in eine Aufnahme 81 eingesetzt ist, die in der Bodenwand 67 des jeweiligen abgeschlossenen Bereichs gebildet ist und zu dem Sauerstoffabgabedurchgang 69 hinführt. ä

Die einzelnen Kathoden 15 in dem jeweiligen abgeschlossenen Bereich 53 sind durch einen Stromabnehmer 83 elektrisch miteinander parallelgeschaltet. D.er Stromabnehmer 83 ist dabei an einer Kante der jeweiligen Kathode angebracht. Er enthält eine aufrecht stehende Stütze 85, die sich durch ein in dem Kappenteil 57 befindliches Loch hindurch erstreckt. An der betreffenden Stelle wird, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird, eine elektrische Verbindung hergestellt. Bei der angegebenen Anordnung sind ferner mit den unteren Bereichen der einzelnen Kathoden Abstandselemente 87 in geeigneter Weise verbundenjUnd zwar längs der gegenüber liegenden Seitenkanten. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass zwischen den Elektroden % ein gleichmässiger Abstand beibehalten wird.

Der Kappenteil bzw. die Kappe 57 enthält zwei Löcher je abgeschlossenen Bereich 53· Durch diese Löcher verlaufen der positive bzw. negative Stromanschluss. Die Stütze bzw. das Stützteil 85 läuft durch ein Loch hindurch. Ein Stromabnehmer 89» der mit den Zinkanoden 13 verbunden ist, enthält einen hochstehenden Anschluss oder eine hochstehende Stttze 91» die durch ein benachbartes Loch in der Kappe 57 hindurchragt. Geeignete Verbindungsglieder sind über die Stützen 85 und 91

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benachbarter Zelleneinheiten gesetzt. Auf diese Weise sind benachbarte Zelleneinheiten 11 elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Anoden der einen Zelleneinheit mit den Kathoden der nächsten Zelleneinheit elektrisch verbunden sind.

Der Stromabnehmer 89 ist mit Befestigugsgliedern versehen, die mit den Seitenkanten jeder der fünf Zinkelektroden 13 verbunden sind, die in dem jeweiligen abgeschlossenen Bereich enthalten sind. Bei der dargestellten Zelleneinheit 11 sind drei doppelseitige Zinkelektroden 13 und zwei einseitige Elektroden 13' Seite an Seite nebeneinander angeordnet. Die drei mittleren bzw. zentralen Elektroden 13 enthalten je- * weils eine flache dünne Trägerplatte aus Weicheisen, die auf beiden Oberflächen mit einem metallischen Zinküberzug galvanisch überzogen ist. Die beiden aussen liegenden oder neben den betrachteten Elektroden 13 liegenden einseitigen Elektroden 13' bestehen aus entsprechenden Trägerschichten aus dünnem Weicheisen, das jedoch nur auf einer Oberfläche mit Zink galvanisch überzogen ist. Bei dieser Oberfläche handelt es sich dabei um diejenige Oberfläche, die nach innen zu der benachbarten Sauerstoffelektrode 15 hinzeigt. Obwohl die Zinkelektroden 13 und 13' in Figuren 3 und 4 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind, dürfte einzusehen sein, dass sie in die Spalten neben den Kathoden hinabhängen und von den Oberflächen der betreffenden Kathoden gleichmässig beabstandet sind, so dass durch den vorhandenen Zwischenraum der Elektrolyt hindurchströmen kann.

Die Elemente der jeweiligen Strahlpumpe 23 sind in der Seitenwand 63 des jeweiligen abgeschlossenen Bereichs 53 gebildet. Die betreffende Seitenwand dient ferner dazu, den jeweiligen abgeschlossenen Bereich von dem nächsten benachbarten abgeschlossenen Bereich in einer eine Vielzahl derartiger Bereiche umfassenden Reihe zu trennen. Wie besonders deutlich aus Fig. ersichtlich ist, enthält die Strahlpumpe 23 einen Halsteil 95»

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der einen nahezu kreisförmigen Querschnitt aufweist und der über seine Anfangslänge einen nahezu konstanten Durchmesser aufweist. Diesa? Halsteil 95 dient als Mischkammer für die Strahlpumpe 23. An dem unteren Ende ist der Halsteil 95 mit einem Misch- bzw. Verteilerabschnitt 97 verbunden, der sich allmählich nach aussen erweitert und bis zu einer Stelle, die ein kurzes Stück von dem bodenseitigen Ende abliegt, einen ovalen Querschnitt erhält. An dieser Stelle erweitert sich der Verteilerabschnitt 97 radial nach aussen auf die volle Breite der Seitenwand 63· Durch eine Vielzahl von Flügeln 99 wird gewährleistet, dass der flüssige Elektrolyt gleichmässig über den jeweiligen abgeschlossenen Bereich verteilt wird.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist an der Unterseite der Seitenwand 63 eine Öffnung 100 vorgesehen, durch die der zugepumpte Elektrolyt in die Unterseite des jeweils abgeschlossenen Bereichs 53 eintritt. Die Bodenwand des jeweiligen abgeschlossenen Bereichs ist mit einer Vertiefung 101 von gekrümmter Form versehen. Diese Vertiefung leitet die Elektrolytenströmung durch die Zelle. Ferner ist in der Bodenwand 67 im Bereich der Vertiefung 101 eine Vielzahl von hochstehenden Rippen vorgesehen. Diese Rippen 103 verlaufen längs der Vertiefung, wie Fig. 3 und 6 erkennen lassen; sie unterstützen die Erzielung einer gleichmässigen Strömungsverteilung durch den jeweils abgeschlossenen Bereich. ,

Die von der Hochdruckpumpe 21 her kommende Einlassleitung 31 ist durch eine Aufnahme 105 geführt, die in der Vorderwand 59 eingebettet ist. Ferner ist die Einlassleitung 31 nach oben zu einem Durchgang 107 hin geleitet, der als Teil der Seitenwand 63 geformt ist. Der Durchgang 107 ist mit einem U-förmigen Rohr 109 verbunden, das in einer Düse 111 endet. Diese Düse 111 ist etwa in der Mitte des Eintritts 113 zu dem Halsteil 95 angeordnet, wie dies besonder deutlich Fig. 5 erkennen lässt. Durch die Lage der Düse 111 wird somit ein eine hohe Geschwindigkeit besitzender Elektrolytenstrahl in die Mischkammer der Strahlpumpe 23 eingeführt.

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Der durch den Verteiler- bzw. Mischabachnitt 97 der Strahlpumpe 23 strömende Elektrolyt wird gleichmässig durch die Öffnung 100 geleitet, die durch die Vertiefung 101 gebildet ist, und relativ gleichmässig Über den betreffenden abgeschlossenen Bereich 53 verteilt. Der Elektrolyt strömt dabei in den Zwischenräumen zwischen den Anoden und den Kathoden nach oben zu dem Bereich hin, der durch die hohle Unterseite der Kappe 57 gebildet ist. Dabei muss der Elektrolyt in der Menge, die durch die Düse 111 gepumpt ist, aus dem abgeschlossenen Bereich 53 austreten. Ein Auslassdurchgang 115 ist dazu in der jeweiligen Seitenwand 63 geformt. Ein Ansatz bzw. eine Verlängerung 116 an dem einlass-seitigen Ende des Durchganga leitet den Elektrolyten etwas weiter von dem Eintritt 113 zu der Mischkammer hin. Der Auslassdurchgang 115 führt zu einei Aus lassaufnahme 117 hin, die in der Vorderwand 59 des Gehäuses 55 neben der -^inlas sauf nähme 105 vorgesehen ist. Die jeweilige Auslaasaufnahme 117 ist mit einer der Leitungen 17 verbunden, die zu dem Elektrolyten Vorratsbehälter 19 zurückführen.

Während des Betriebs wird aufgrund der Abgabe des Hochdruck-Elektrolyt enstroms durch die öffnung an dem Ende der jeweiligen Düse 111 ein mit hoher Geschwindigkeit auftretender Flüssigkeitsstrahl in den Halsteil 95 der Strahlpumpe 23 eingeleitet. Der von der Düse 111 abgegebene Flüssigkeitsstrahl zieht Flüssigkeit aus dem oberen Teil des abgeschlossenen Bereichs durch die Eintrittsöffnung 113 hindurch und erzeugt eine innige Durchmischung mit dem in diesem Bereich bereits vorhandenen ^lektrolyten. Damit dient der betreffende Bereich als Mischkammer. Die betreffende Durchmischung bewirkt eine Energieübertragung von dem mit hohem Druck und geringem Volumen auftretenden und durch die Einlassöffnung 107 hindurchtretenden Einlasstrom auf den in dem betreffenden abgeschlossenen Bereich bereits vorhandenen Elektrolyten, dessen Druck etwa atmosphärischem Druck entspricht. Der Verteiler- bzw. Mischbereich 97 setzt die relativ hohe Geschwindigkeit des Elektro-

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lytenstroms aus dem Halsteil in eine Druckenergie um, welche einen breiteren Flüssigkeitsstrom über die gesamte Breite des betreffenden abgeschlossenen Bereichs mit einer nennenswerten Strömungsgeschwindigkeit erzeugt. Demgemäss bilden die Strahlpumpe 23 und ihre zugehörigen Einlass- und Auslassöffnungen einen Umlaufweg für die Elektrolytenströmung durch den jeweiligen gesonderten abgeteilten Bereich 53. Die innerhalb der jeweiligen Zelleneinheit auftretende Strömungsmenge ist dabei wesentlich grosser als die Menge bzw. das Volumen des an die jeweilige Düse 111 abgegebenen, einen hohen Druck aufweisenden flüssigen Elektrolyten.

In einem abgeschlossenen Zellenbereich 53» bei dem der Bereich, in dem die Elektroden untergebracht sind, die Abmessungen ca. 102 mm zu ca. 204 mm zu ca 40,6 mm (entsprechend 4 Zoll zu 8 Zoll zu 1,6 Zoll) aufweist, wird eine Umlaufströmungsgeschwindigkeit unter Einbeziehung des abgeschlossenen Bereichs von zumindest etwa 15 l/min (entsprechend 4 Gallonen pro Minute) als vom elektrochemischen Standpunkt annehmbar angesehen. Vorzugsweise wird jedoch mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen etwa 30 und etwa 38 l/min (entsprechend 8 bis 10 Gallonen pro Minute) gearbeitet. Die in dieser Grössenordnung liegenden Umwälz- bzw. Umlaufgeschwindigkeiten in dem jeweiligen abgeschlossenen Bereich können dadurch erzielt werden, dass eine Hochdruck-Einlassflüssigkeits-Strömungsmenge von etwa f 10 bis 15$ der betreffenden Flüssigkeitsmenge bereitgestellt wird. Dabei ist selbstverständlich eine Anzahl von Variablen vorhanden, welche die Leistung einer Strahlpumpe beeinflussen'. Viele dieser Variablen sind dabei unabhängig voneinander, so dass es nicht zweckmässig erscheint, Grenzwerte für die einzelnen Variablen anzugeben. Es muss jedoch eine nennenswerte Druckspitze für die Flüssigkeitsabgabe an der Düse vorhanden sein. Im allgemeinen sollte der Druck an der Düse zumindest etwa 2,72 at (entsprechend 40 psi) über dem Druck der abzugebenden Flüssigkeit liegen.

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Für die Bildung einer brauchbaren Strahlpumpe körten als Leitwerte die folgenden Parameter als geeignete Parameter in Betracht gezogen werden. Bei einer Strahlpumpe 23, bei der der Halsteil 95 einen Durchmesser von etwa 4,2 mm (entsprechend etwa 3/8 Zoll) aufweist und bei der das Ende des Verteilerbzw. Mischabschnitt 97 ein Rechteck mit den Abmessungen von etwa 10 mm zu 41 mm (entsprechend 0,4 Zoll zu 3,6 Zoll) bildet, kann die Länge des Halsteils etwa dem Vier- bis Sechsfachen des Durchmessers des Halsteils betragen^und der Verteilerbzw. Diffusionswinkel kann etwa 10° betragen. Das Verhältnis des Düsenbereichs zu dem Halsteilbereich kann bei etwa 0,015 bis 0,025 liegen. Der Krümmungsradius des Eintritts 113 * zu dem Halsteil 95 der Strahlpumpe 23 sollte darüber hinaus etwa 1/4 bis 1/2 des Halsteildurchmessers betragen, um Einlassverluste herabzusetzen. Das Verhältnis des Bereichs des Misch- bzw. Diffusion seinlasses (der Halsteilberjeich 95) zu dem Misch- bzw. Diffusionsauslass ist dabei für die Erzielung eines wirksamen Betriebs weit wichtiger. Dieses Verhältnis sollte zwischen etwa 2,5 zu 1 und etwa 3 zu 1 liegen.

Wie bereits erwähnt, hilft die Form der in der Bodenwand 67 des jeweiligen abgeschlossenen Bereichs vorgesehenen Vertiefung 101, die den Verteiler- bzw. Diffusionsabschnitt 97 verlassende Flüssigkeitsströmung auf sämtliche vertikal verlaufenden Elektrolyjtendurchgänge zwischen den Elektroden zu verteilen. Die Rippen 103 gewährleisten ferner eine gleichmässige Verteilung über die Zelleneinheit 11. Der umlaufende Elektrolytenstrom bewegt sich damit in dem jeweiligen abgeschlossenen Bereich vertikal nach oben, übt eine effektive Scheuerwirkung an den Oberflächen der Zinkanoden 13 aus und führt die jeweils gebildeten Zinkoxyd-Reaktionsprodukte ab.

Eine derartige Zelleneinheit wurde im Dauerbetrieb bei einer

Ampere P

Spannung von 1 V und einer /-Zahl von 0,5 A/cm Elektrodenoberfläche geprüft, wobei mit einer Hochdruck-Elektrolyteneinlass-Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,5 g/m für die Erzeu-

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gung einer Umlaufströmung in dem jeweils abgeschlossenen Bereich 53 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 4 g/m gearbeitet wurde. Dabei zeigte die Prüfung, dass während eines etwa einstündigen Betriebs nahezu kein Abfall der Ausgangsleistung auftrat. Die in der zuvor beschriebenen Weise betriebene Zelleneinheit ist als Zelleneinheit anzusehen, die sich in ausgezeichneter Weise für die Erzeugung von elektrischer Leistung in verschiedenen Anwendungsfällen eignet, und zwar insbesondere für die Speisung von Landfahrzeugen.

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Claims (1)

1. Patentans prüche

   Π ,) Energieumsetzeinheit mit einer Vielzahl von abgeschlossenen Bereichen, deren jeder zumindest eine elektrochemische Zelle enthält, die eine Zinkelektrode und eine sauerstoff abgebende Elektrode aufweist, mit einem Vorratsbehälter für einen flüssigen Elektrolyten und r.iit einer Pumpe, deren Einlaßseite in Flüssigkeitverbindung mit dem Vorratsbehälter steht und die zum Umwälzen des flüssigen Elektroly._jten durch die abgeschlossenen Bereiche dient, dadurch gekennzeichnet, daß mit den abgeschlossenen Bereichen (53) Strahlpumpen (23) verbunden sind, dai3 diese Strahlpumpen (23) jeweils eine DMse und eine ilischka::m;er und einen dazu in Reihe liegenden Verteiler enthalten und das Elektrolyten-Einlaßeinrichtunaen vorgesehen sind, die die. Ausla'-seite der genannten einen Pumpe derart mit der Düse der jeweiligen Strahlpumpe (23) verbinden, daß der Elektrolyt in nie jeweilige Strahlpumpe (23) -""^ eino^-i ' Όlunen eintritt und -vine Uti''MTzunq ^ivies ilelctrolytenvoluinenr· em den Zin^elektroden innerhalb des jeweiligen c.bgesciilossenon "ereichs (53) bewirkt, C^s wesentlich groPer X2t als •:Vin bes timf :t:-j Volnraen.

   2_e Lnerai^umsetzeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die * ischlcammer und der Verteiler als Teil einer ersten "fand des jeveils abgeschlossenen Bereichs (53) gebildet sind, di\Z eine Lei tpxndichtung al:s Teil einer zweiten -fand gt-bildet ist, dif- i >■■ vesentlichen senkrecht zu der ersten 'Jana verl'iu.Ft-, J-a*:"· oiese Leiteinrichtung den von dem Vevteiler abgcgebeucr; ",''.ektrol-ten an den Zin!:elektroden vorbei ¹^u einer dritten "•/and des abgeschlossenen Bereichs (53) hinleitet, die ebenfalls im wesentlichen senkrecht zu der or:;ten

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   verläuft, und daß ein Zugang in die Mischkammer in der dritten ^Tvand neben dem Bereich der vorgesehenen Düse gebildet ist.

   3. Eneraieumsetzeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Zinkelektroden (13) und sauerstoffabgebenden Elektroden (15) innerhalb des jeweiligen abgeschlossenen Bereichs (53) vorgesehen ist und daß die Zinkelektroden (13) in Form einer Gruppe von im wesentlichen flachen, parallelen Zinkplatten vorliegen, die im wesentlichen parallel zu der genannten | ersten v7and angeordnet sind.

   4. Energieumsetzeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Platten (13) vertikal angeordnet sind.

   5. Energieumsetzeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Düse so angeordnet ist, daß sie einen Elektrolytenstrahl vertikal nach unten zu der genannten zweiten Wand abgibt, die an der Bodenseite des betreffenden abgeschlossenen Bereichs (53) liegt.

   6. Energieumsetzeinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkelektroden (13) flache Trägerplatten mit zu beiden Seiten darauf aufgebrachtem metallischen Zink enthalten und daß die sauerstoffabgebenden Elektroden (15) zwei im wesentlichen flache poröse Platten und Einrichtungen enthalten, die einen Zwischenraum zwischen diesen Platten bilden, durch den ein sauerstoffenthaltendes Gas an die betreffenden porösen Platten abgebbar ist.

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   7. Energieumsetzeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine abnehmbare Kappenanordnung (57) vorgesehen ist, die sämtliche abgeschlossenen Bereiche (53) zu verschließen gestattet, und daß die Zinkelektroden (13) elektrisch miteinander verbunden und in den abgeschlossenen Bereichen (53) durch Befestigungsglieder von der abnehmbaren Kappenanordnung (57) getragen sind.

   8. Energieumsetzeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochdruckpumpe einen flüssigen Elektrolyten an die Strahlpumpen (23) mit einem Druck von zumindest etwa 2,8 at über dem Druck des flüssigen Elektrolyten abzugeben vermag, der innerhalb des jeweiligen abgeschlossenen Bereichs (53) vorhanden ist.

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