DE2101569C3

DE2101569C3 - Galvanic element

Info

Publication number: DE2101569C3
Application number: DE19712101569
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 7057 Endersbach Kuckertz
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Deutsche Automobil GmbH
Filing date: 1971-01-14
Publication date: 1976-06-10

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element geschlossener Bauart, bei dem in den zwischen plattenförmigen Elektroden gebildeten und ein dünnes, grob-poröses Diaphragma enthaltenden Elektrodenraum unterschiedliche Gase entstehen, welche durch den den Elektrodenraum durchströmenden Elektrolyten abgeführt werden.The invention relates to a galvanic element of the closed type, in which in the between plate-shaped Electrodes formed and a thin, coarsely porous diaphragm containing electrode space different Gases arise which are carried away by the electrolyte flowing through the electrode space will.

Es ist bekannt, daß Diaphragmen bei galvanischen Elementen zur Trennung des Kathodenraumes und des Anodenraumes verwendet werden. Sie verhindern eine Vermischung der Gase, welche in den Elektrodenräumen entstehen und einen Übertritt von Feststoffen in den jeweils anderen Elektrodenraum. Entsprechende Reaktionsgase müssen aus Elektrolysezellen, Brennstoffzellen und allgemein aus Akkumulatoren abgeführt ⁶S werden, bei welchen die Reaktionsgase in die Elektrolyt- bzw. die Elektrodenräume eintreten können. Feststoffe können beim Betrieb von galvanischen Zellen inIt is known that diaphragms are used in galvanic elements to separate the cathode compartment and the anode compartment. They prevent the gases that arise in the electrode chambers from being mixed and the solids from passing into the other electrode chamber. Corresponding reaction gases must be discharged from electrolysis cells, fuel cells and generally from accumulators ⁶ S, in which the reaction gases can enter the electrolyte or electrode spaces. Solids can occur in the operation of galvanic cells

569 ₂ 569 ₂

die Elektrodenräume auch durch Erschütterung, Verbrauch von Elektrodenmaterial usw. gelangen. Ein Diaphragma verhindert dabei einen Kurzschluß innerhalb der Zelle, welcher durch einen elektrisch leitenden Festkörper entstehen kann.the electrode spaces can also be reached by vibration, consumption of electrode material, etc. A diaphragm prevents a short circuit within the cell, which is caused by an electrically conductive Solid bodies can arise.

Wenn die in den jeweiligen Elektrodenräumen entstehenden Gase in Form der im Elektrolyten vorhandenen Gasbläschen getrennt aus der Batterie herausgeführt werden sollen, so muß einerseits ein Diaphragma in der Zelle vorgesehen sein, und andererseits muß der Elektrolytstrom durch die Anoden- und die Kathodenräume getrennt aus der Batterie abgeführt werden.If the gases produced in the respective electrode chambers are in the form of those in the electrolyte If gas bubbles are to be led out of the battery separately, a diaphragm must be used on the one hand be provided in the cell, and on the other hand, the electrolyte flow through the anode and cathode compartments be discharged separately from the battery.

Es ist bekannt, für den Elektrolyten an einer bestimmten Stelle einen für den Anoden- und den Kathodenraum gemeinsamen Eintritt anzuordnen. Dabei werden die Austrktsöffnungen für den Elektrolyten aus den jeweiligen Elektrodenräumen dann in unterschiedlichen Ecken der Batterierahmenteile angeordnet, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß der Druckabfall zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung für die einzelnen Elektrodenräume möglichst gleich ist.It is known for the electrolyte at a specific Place a common entry for the anode and cathode compartments. Included the discharge openings for the electrolyte from the respective electrode spaces are then in different Arranged corners of the battery frame parts, but care should be taken that the pressure drop between the inlet and outlet opening for the individual electrode spaces is as identical as possible.

Nach einer anderen bekannten Anordnung sind für die einzelnen Elektrodenräume getrennte, und zwar üblicherweise einander diagonal gegenüberliegende Ein- und Austrittsöffnungen für den jeweiligen Elektrolytstrom vorgesehen.According to another known arrangement, the individual electrode spaces are separate, namely usually diagonally opposite inlet and outlet openings for the respective electrolyte flow intended.

Derartige bekannte Anordnungen in galvanischen Zellen mit dauernder hoher Belastung der Elektroden erweisen sich mit den üblicherweise benutzten Diaphragmen insofern als nachteilig, da diese Zellen einen verhältnismäßig hohen Innenwiderstand aufweisen. Insbesondere ist der Innenwiderstand dieser Zellen bei Stromdichten oberhalb von 100 mA pro cm² besonders störend, so daß damit nur eine technische unvollkommene Ausnutzung der betreffenden Zelle ermöglicht ist.Such known arrangements in galvanic cells with permanent high load on the electrodes prove to be disadvantageous with the diaphragms that are usually used, since these cells have a relatively high internal resistance. In particular, the internal resistance of these cells is ^{particularly troublesome at current densities above 100 mA per cm 2} , so that only a technically imperfect utilization of the cell in question is possible.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine galvanische Zelle der eingangs genannten Art so auszulegen, daß der innere Widerstand der Zelle auf einem besonders geringen Wert gehalten wird.The object of the invention is to design a galvanic cell of the type mentioned at the outset in such a way that that the internal resistance of the cell is kept at a particularly low value.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Diaphragma derartig dünn und grob-porös ausgebildet ist, daß der elektrische Innenwiderstand der Zelle durch das Diaphragma praktisch nicht erhöht wird und daß die Elektrolytströmung in den auf beiden Seiten an das Diaphragma angrenzenden Elektrodenräumen in bezug auf das Diaphragma in der Weise symmetrisch geführt ist, daß an beliebigen zum Diaphragma symmetrischen Punktepaaren in den angrenzenden Elektrodenräumen alle die Strömung in dieser Punkten beschriebenen Strömungsparameter jeweils gleich sind.To solve this problem, the invention provides that the diaphragm is so thin and coarse-porous is designed so that the internal electrical resistance of the cell is practically not increased by the diaphragm and that the electrolyte flow in the electrode spaces adjoining the diaphragm on both sides with respect to the diaphragm is guided symmetrically in such a way that at any to the diaphragm symmetrical pairs of points in the adjacent electrode spaces all control the flow in this Points described flow parameters are each the same.

Das galvanische Element der Erfindung ist dadurcr gekennzeichnet, daß der Elektrodenraum durch da; dünne, grob-poröse Diaphragma (1) in zwei Teil-Elek trolyträume (2, 3) getrennt ist, daß ein separater Elek trolytstrom für jeden dieser Teil-Elektrolyträume vor gesehen ist, daß jeder Teil-Elektrolytraum eine eigen« Zufluß- und Abflußöffnung für den jeweils zugehörigei Elektrolytstrom besitzt und daß die Strömung in dei beiden aneinandergrenzenden Elektrolyträumen zi beiden Seiten des Diaphragmas (1) im wesentlichei parallel geführt ist und an beliebigen, zum Diaphragm; symmetrischen Punktepaaren der gleiche Drucl herrscht.The galvanic element of the invention is characterized by the fact that the electrode space has through there; thin, coarse-porous diaphragm (1) in two part elec trolyträum (2, 3) is separated that a separate Elek trolyte current is provided for each of these partial electrolyte chambers that each partial electrolyte chamber has its own " Inflow and outflow opening for the respective associated electrolyte flow and that the flow in the dei two adjacent electrolyte spaces on both sides of the diaphragm (1) essentially is guided in parallel and to any, to the diaphragm; symmetrical pairs of points the same pressure prevails.

Selbstverständlich hat man immer schon versuch den Widerstand des Elektrolytraums zwischen den bei den Elektroden möglichst gering zu halten. So zeigt diOf course one has always tried the resistance of the electrolyte space between the two to keep the electrodes as small as possible. So shows di

21 Ol21 Ol

FR-PS 20 08 107 Abstandsstücke bzw. Separatoren zwischen den beiden Elektroden, wobei jedoch der Elektrolytraum zv/ischen den beiden Elektroden nicht durch ein Diaphragma in zwei getrennte Teil-Elektrolyträume unterteilt wird und auch keine zwei voneinander völlig getrennte Elektrolytströme Verwendung finden. Auch die FR-PS 15 28 057 und 15 12 606 zeigen lediglich zwischen Elektroden angeordnete Separatoren, die nur den Abstand der Elektroden festlegen.FR-PS 20 08 107 spacers or separators between the two electrodes, but with the Electrolyte compartment between the two electrodes is not separated by a diaphragm into two separate electrolyte compartments is divided and no two completely separate electrolyte flows are used. FR-PS 15 28 057 and 15 12 606 also only show separators arranged between electrodes, which only determine the distance between the electrodes.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle zeichnet sich dadurch aus. daß ein gemeinsamer Zuführungskanal im Bereich einer der Ecken durch die um die Anodenräume herum angeordneten Rahmen, durch die Diaphragmarahmen und durch die um die Kathodenräume herum angeordneten Rahmen verläuft, daß aus dem gemeinsamen Zuführungskanal jeweils Einlaßkanäle in die Anoden- und in die Kathodenräume abzweigen und daß für die Anoden- und die Kathodenräume zwar getrennte, jedoch im Bereich der zu den Einlaßkanälen diagonal gegenüberliegenden Ecke eng benachbart angeordnete Auslaßkanäle und deren anschließende Sammelkanäle zur Abführung des Elektrolyten vorgesehen sind.A particularly advantageous development of the galvanic cell according to the invention is characterized by this out. that a common supply channel in the area of one of the corners through the around the anode spaces arranged around frames, through the diaphragm frames and through those around the cathode spaces arranged frame runs that from the common supply channel each inlet channels in branch off the anode and cathode compartments and that separate, however, in the region of the corner diagonally opposite to the inlet channels, they are arranged closely adjacent Outlet channels and their subsequent collecting channels are provided for discharging the electrolyte are.

Die Strömungsführung kann durch parallele Stege im Elektrolytraum unter Umständen vorteilhaft beeinflußt werden.The flow guidance can, under certain circumstances, be advantageously influenced by parallel webs in the electrolyte space will.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Diaphragmas zeichnet sich dadurch aus, daß das Diaphragma eine Netzstruktur mit einer Maschenweite von 85 μιη aufweist. A preferred embodiment of the diaphragm is characterized in that the diaphragm is a Has a network structure with a mesh size of 85 μm.

Die Verwendung grob-poröser und sehr dünner Diaphragmen, welche beispielsweise netzartig ausgebildet sein können, besitzt den Vorteil, daß der Innenwiderstand der Zelle durch das Diaphragma praktisch nicht erhöht wird. Die Schwierigkeit bei der Verwendung solcher grob-poröser und sehr dünnen Diaphragmen besteht jedoch darin, daß die Trennwirkung des Diaphragmas hinsichtlich der Vermischung der in den einzelnen Elektrodenräumen vorhandenen Gase sehr gering ist. Bei einer herkömmlichen Elektrolytführung führt die Verwendung eines grob-porösen und sehr dünnen Diaphragmas dazu, daß parasitäre Elektrolytströmungen durch das Diaphragma hindurch erfolgen. Eine Vermischung der Gase aus beiden Elektrodenräumen ist die Folge.The use of coarse-porous and very thin diaphragms, which, for example, have a network-like design can be, has the advantage that the internal resistance of the cell through the diaphragm is practically not is increased. The difficulty in using such coarse-porous and very thin diaphragms is, however, that the separating effect of the diaphragm in terms of mixing in the individual The gases present in the electrode spaces are very low. With a conventional electrolyte feed the use of a coarsely porous and very thin diaphragm leads to parasitic electrolyte flows take place through the diaphragm. Mixing of the gases from both electrode chambers is the consequence.

Durch die Führung der Elektrolytströmung gemäß der Erfindung werden derartige parasitäre Erscheinungen jedoch vermieden.By guiding the electrolyte flow according to the invention, such parasitic phenomena become however avoided.

Beispielsweise beträgt bei einer erfindungsgemäßen Elektrolytströmung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Diaphragmas, welches aus einem Netz mit einer Maschenweite von 85 μηι gebildet ist, der Gasdurchsatz des im Kathodenraum entwickelten Gases durch das Diaphragma etwa 0,01 ^o/o des im Kathodenraum entwickelten Gases gegenüber einem Durchsatz von etwa 40% bei einer herkömmlichen Elektrolytströmung. For example, with an electrolyte flow according to the invention using a diaphragm according to the invention, which is formed from a network with a mesh size of 85 μm, the gas throughput of the gas developed in the cathode compartment through the diaphragm is about 0.01 ^{o /} o of the gas developed in the cathode compartment compared to a throughput of about 40% with a conventional electrolyte flow.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt F i g. 1 das Schema einer galvanischen Zelle,The invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this shows F i g. 1 the scheme of a galvanic cell,

F i g. 2 und 3 jeweils Rahmenteile und Anordnung einer herkömmlichen galvanischen Zelle mit Elektrolytzu- und -abführungen undF i g. 2 and 3 each frame parts and arrangement of a conventional galvanic cell with electrolyte feed and discharges and

Fig.4 Rahmenteile und erfindungsgema'ße Anord- &5 nung der Elektrolytzu- und -abführungen.Fig. 4 frame parts and inventive arrangement & 5 tion of the electrolyte feed and discharge.

Aus dem Schema der F i g. 1 geht hervor, in welcher Weise die jeweiligen Elektrodenräume, und zwar der Anodenraum 2 und der Kathodenraum 3 durch ein Diaphragma 1 getrennt sind. Weiterhin ist aus dem Schema der F i g. 1 die Zuführung des Elektrolyten von unten durch einen gemeinsamen Zuführungskanal und seine getrennte Abführung aus dem Anoden- und dem Kathodenraum nach verschiedenen Seiten am oberen Ende der Zelle ersichtlich.From the scheme of FIG. 1 shows the way in which the respective electrode spaces, namely the The anode compartment 2 and the cathode compartment 3 are separated by a diaphragm 1. Furthermore is from the scheme the F i g. 1 the supply of the electrolyte from below through a common supply channel and its separate discharge from the anode and cathode compartment on different sides at the top The end of the cell can be seen.

In der auseinandergezogenen Darstellung der F i g. 2 sind ein Rahmen 7 des Anodenraumes, anschließend ein Diaphragma 1 und dahinter ein Rahmen 7 des Kathodenraumes dargestellt. An der unteren Rahmenkante ist die gemeinsame Zuführungsöffnung des Elektrolyten 4 dargestellt. Die Austrittsöffnungen 5 und 6 für den Elektrolyten aus den jeweiligen Elektrodenräumen sind in den einander gegenüberliegenden Ecken im oberen Rahmenteil der Batterierahmenteile 7 angeordnet. In the exploded view of FIG. 2 are a frame 7 of the anode compartment, then a diaphragm 1 and behind it a frame 7 of the cathode compartment shown. The common feed opening for the electrolyte is on the lower edge of the frame 4 shown. The outlet openings 5 and 6 for the electrolyte from the respective electrode spaces are arranged in the opposite corners in the upper frame part of the battery frame parts 7.

Eine weitere Möglichkeit der Anordnung von Zuführungs- und Abführungskanälen für den Elektrolyten ist aus der Darstellung in der F i g. 3 ersichtlich. In diesem Fall sind für die einzelnen Elektrodenräume getrennte, und zwar üblicherweise diagonal gegenüberliegende Ein- und Austrittsöffnungen für den jeweiligen Elektrolytenstrom vorgesehen. Die Darstellung der F i g. 3 entspricht im übrigen der auseinandergezogenen schematischen Darstellung der F i g. 2 und zeigt in gleicher Weise einen Rahmen des Anodenraumes 7, einen Diaphragmarahmen la und einen Rahmen des Kathodenraumes 7.Another way of arranging feed and discharge channels for the electrolyte is shown in FIG. 3 can be seen. In this Case are separate, usually diagonally opposite, for the individual electrode spaces Inlet and outlet openings provided for the respective electrolyte flow. The representation of the F i g. 3 corresponds otherwise the exploded schematic representation of FIG. 2 and shows in the same Way a frame of the anode compartment 7, a diaphragm frame la and a frame of the cathode compartment 7th

In der F i g. 4 sind die entsprechenden Rahmen sowie das Diaphragma ebenfalls in analoger auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Das Teil 7 stellt wiederum einen Rahmen dar, welcher den Anodenraum umschließt, während der Rahmen 8 den Kathodenraum umgibt. Zwischen diesen beiden Rahmen ist das Diaphragma im Diaphragmarahmen la angeordnet. Der Elektrolyt strömt aus einem gemeinsamen Zuführungskanal 4 durch die jeweiligen Einlaßkanäle 9 und 10 in die entsprechenden Elektrodenräume ein. Den Anodenraum verläßt der Elektrolyt durch den Auslaßkanal 5 und fließt in den Sammelkanal 11 ab, während die Elektrolytströmung aus dem Kathodenraum durch den Auslaßkanal 6 in den Sammelkanal 12 einmündet. Die Führung der Elektrolytströmung innerhalb der Elektrodenräume kann erforderlichenfalls durch Führungsund Leitelemente in Form von Stegen unterstützt werden. In FIG. 4 are the appropriate framework as well the diaphragm is also shown in an analog exploded view. The part 7 again represents represents a frame which encloses the anode compartment, while the frame 8 the cathode compartment surrounds. The diaphragm is arranged in the diaphragm frame la between these two frames. the Electrolyte flows from a common supply channel 4 through the respective inlet channels 9 and 10 in FIG the corresponding electrode spaces. The electrolyte leaves the anode compartment through the outlet channel 5 and flows into the collecting channel 11, while the electrolyte flow from the cathode compartment through the Outlet channel 6 opens into collecting channel 12. The guidance of the electrolyte flow within the electrode spaces can, if necessary, be supported by guide and guide elements in the form of webs.

Aus der F i g. 4 ist weiterhin ersichtlich, daß die gemeinsame Zuführung des Elektrolyten in der rechten unteren Rahmenecke erfolgt, während die Abführung im Bereich der linken oberen Rahmenecke durch die eng benachbart angeordneten Sammelkanäle 11 (für den Anodenraum) und 12 (für den Kathodenraum) geschieht. From FIG. 4 it can also be seen that the common supply of the electrolyte in the right lower frame corner takes place, while the discharge in the area of the upper left frame corner by the closely spaced collecting channels 11 (for the anode compartment) and 12 (for the cathode compartment) happens.

Durch diese gemäß der Erfindung vorgesehene Anordnung der Einlaß- und der Auslaßkanäle wird eine im wesentlichen in bezug auf das Diaphragma 1 symmetrische Strömung in den beiderseitigen Elektrodenräumen gewährleistet.This provided according to the invention arrangement of the inlet and outlet channels is an im essentially symmetrical with respect to the diaphragm 1 in the two-sided electrode spaces guaranteed.

Damit ist weiterhin gewährleistet, daß an jeder Stelle des Diaphragmas auf beiden Seiten der gleiche Druck herrscht, so daß die Elektrolytströmung keine Veranlassung besitzt, eine durch das Diaphragma hindurch gerichtete parasitäre Elektrolytströmung auszubilden. Auf diese Weise wird die Vermischung der Gase aus beiden Elektrodenräumen vermieden.This also ensures that the same pressure is applied to both sides of the diaphragm at every point prevails so that the electrolyte flow has no need to pass through the diaphragm to form directed parasitic electrolyte flow. In this way the mixing of the gases gets out avoided both electrode spaces.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Claims: 21 Ol

1. Galvanic element of closed type, in which between plate-shaped electrodes formed and a thin, coarse-porous diaphragm containing electrode space different Gases arise which are carried away by the electrolyte flowing through the electrode space are characterized by ίο that the electrode chamber through the thin, coarsely porous diaphragm (1) into two partial electrolyte chambers (2,3) is separated that a separate electrolyte stream it is provided for each of these partial electrolyte spaces that each partial electrolyte space has its own inflow and has a discharge opening for the respective associated Efektrolytstrom and that the flow in the two adjacent electrolyte chambers on both sides of the diaphragm (1) essentially is guided in parallel and at any point pairs symmetrical to the diaphragm same pressure prevails.

2. Galvanic element according to claim 1, characterized in that a common feed channel (4) in the area of one of the corners by the frames arranged around the anode spaces (2) (7), through the diaphragm frame (la) and through those arranged around the cathode spaces (3) Frame (8) extends that each inlet ducts from the common supply duct (4) (9) branch off into the anode and (10) into the cathode compartments and that for the anode and cathode compartments although separate, but in the area of the inlet channels (9, 10) diagonally opposite Outlet ducts (5,6) arranged close to one another at the corner and collecting ducts (U, 12) are provided for discharging the electrolyte.

3. Galvanic element according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (1) has a network structure with a mesh size of 85 μm.

4. Galvanic element according to one of the preceding claims, wherein an alkaline electrolyte is used, characterized in that the diaphragm (1) consists of a Teflon mesh.