DE2109034A1

DE2109034A1 - Batterie aus einer Mehrzahl von Zellen

Info

Publication number: DE2109034A1
Application number: DE19712109034
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.; Grave Burghard Dipl.-Ing.; Straßer Karl Dipl.-Ing.; 8520 Erlangen; Gutbier Heinrich Dr. 8551 Röttenbach Frie
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-02-25
Filing date: 1971-02-25
Publication date: 1972-11-02
Also published as: JPS5759631B1; DE2109034C3; CA986984A; FR2126395B1; GB1375437A; DE2109034B2; FR2126395A1

Description

2\ Feb. 197!

SIEMENS AKTIEiTGESEILSCHAI¹T Erlangen, den

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50

Unser Zeichen: VPA 71/7511 Bh/Kö

Batterie aus einer Mehrzahl von Zellen

Die Erfindung "betrifft eine Batterie- aus einer Mehrzähl fest miteinander verbundener elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffelemente, oder Wasserabreicherungszellen, deren Elektrolytversorgung parallel über gemeinsame Haupteinströmkanäle und Hauptausströmkanäle sowie Versorgungskanäle an den einzelnen Elektralyträumen erfolgt.

Elektrochemische Zellen werden zur Erzielung einer höheren Nutzleistung meistens zu größeren Einheiten zusammengefaßt. Einheiten aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen bezeichnet man beispielsweise als Batterien. In Brennstoffelementen und Batterien, in denen Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Brennstoffe mit Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel umgesetzt werden, entsteht als Reakti.onsprodukt Wasser und daneben wird eine bestimmte Wärmemenge frei. Bei Batterien wird meistens die Elektrolytflüssigkeit dazu benutzt, die Wärme und das Reaktionswasser aus der Batterie abzuführen. Dabei kann die Elektrolytflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf umgepumpt und außerhalb der Batterie in Wasserabreicherungszellen regeneriert werden. Auch die gebildete Wärme wird auf diese Weise aus der Batterie ausgebracht. Zur Vermeidung von Temperaturunterschieden muß aus jedem Brennstoffelement der Batterie etwa gleich viel Wärme abgeführt werden. Dies soll dadurch erreicht werden, daß die einzelnen Brennstoffelemente der Batterie von der Elektrolytflüssigkeit parallel zueinander durchströmt werden. Gleichzeitig soll mit der Parallelführung eine einigermaßen gleichmäßige Versorgung aller Brennstoffelemente mit Elektrolytflüssigkeit erzielt werden.

Eine gleichmäßige Elektrolytversorgung aller Brennstoffelemente einer Batterie kann vor allem auch dann wünschenswert sein, wenn Brennstoff oder Oxidationsmittel in der Elektrolytflüssigkeit gelöst sind. Uni all diese Ziele zu erreichen, wird deshalb eine

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gleichmäßige Durchströmung aller, bezüglich der Elektrolytführung parallel geschalteter Brennstoffelemente einer Batterie angestrebt.

Diese gleichmäßige Durchströmung kann jedoch nicht allein durch Variierung der Pumpleistung oder durch Veränderung der Elektrolytkanäle erreicht werden. Die geschilderte Parallelführung der Elektrolytflüssigkeit ist nämlich nicht problemlos, weil die Elektrolytleitungen elektrische Nebenschlüsse bilden, die zu Verlusten, sogenannten Leckströmen, führen. Bei einer Vergrößerung der Elektrolytkanäle würde zwar die erforderliche Pumpenleistung geringer.sein, die Leckleistung würde jedoch infolge gesteigerter Leckströme zunehmen.

Wasserabreicherungszellen sind beispielsweise durch die österreichische Patentschrift 277 341 bekannt. Sie bestehen jeweils aus einem in den Elektrolytkreislauf der Brennstoffbatterie eingeschalteten Elektrolytraum,·'Wenigstens einem Gasraum und einer an den Gasraum angrenzenden kühlbaren Fläche, die Bestandteil eines Kühlraumes sein kann. Derartige Wasserabreicherungszellen, in denen aus der Elektrolytflüssigkeit das Reaktionswasser und die Verlustwärme entfernt werden, können wie die Brennstoffelemente zu größeren Einheiten, sogenannten Wasserabreicherungseinheiten, zusammengefaßt sein, die hier der Einfachheit halber ebenfalls als Batterien bezeichnet werden. Einer Batterie aus Wasserabreicherungszellen wird die Elektrolytflüssigkeit vorteilhaft in der Weise zugeführt,daß sämtliche Elektrolyträume dieser Zellen von der Elektrolytflüssigkeit parallel zueinander durchströmt werden. Bei derartigen Zellen und Batterien treten deshalb bezüglich einer gleichmäßigen Durchströmung ähnliche Probleme auf wie bei elektrochemischen Zellen.

Derartige Durchströmungsprobleme können auch in Kühle inri eh. tungen, beispielsweise in Form von Plattenwärmetauschern, auftreten, durch die man die Elektrolytflüssigkeit elektrochemischer Zellen zum Wärmeentzug leiten kann. Diese Kühleinrichtungen können aus einzelnen Elementen zusammengesetzt sein, die jeweils aus einem Elektrolytraum und einem durch eine Kühlfläche davon abgetrennten Kühlraum bestehen. Da man die Elektrolytflüssigkeit zum gleichmäßigen Wärmeentzug vorteilhaft parallel zueinander durch die Elektrolyträume der einzelnen Kühlelemonte der Kühleinrichtung

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leitet, treten die genannten Durchströmungsprobleme auch hier auf. Schließlich ergibt sich eine derartige Problemstellung auch dann, wenn man "bei Terwendung von Kühlflüssigkeit diese Flüssigkeit parallel durch die Kühlräume der Kühleinrichtung führt, oder entsprechend auch dann, wenn man Kühlflüssigkeit parallel durch die Kühlräume der oben genannten Wasserabreicherungseinheit leitet.

Die Elektrolytführung erfolgt bei einer Batterie aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen oder Y/asserabreicherungszellen vorteilhaft in der Weise, daß die Elektrolytflüssigkeit an den Batterieenden unten zugeführt und oben abgeführt wird. Dies gilt insbesondere auch bei Brennstoffelementen und dabei bei der Verwendung von Diaphragmen, die in den einzelnen Brennstoffelementen die Elektrolyträume von den Gasräumen für Brennstoff und Oxidationsmittel trennen. Bei dieser Elektrolytführung ergeben sich für die Anordnung der Elektrolytanschlüsse zwei Möglichkeiten, die in Pig. 1a und 1b dargestellt sind. Fig. 1a zeigt eine Möglichkeit der Durchströmung, die als beidseitiger Elektrolytanschluß bezeichnet werden kann. Dabei wird die Elektrolytflüssigkeit dem einen Batterieende bei A-. zugeführt, durchströmt die Batterie und die Elektrolyträume in der durch Pfeile angedeuteten Richtung und verläßt die Batterie am anderen Ende bei B₂- Bei der in Fig. 1b dargestellten zweiten Möglichkeit, dem einseitigen Elektrolytanschluß, tritt die Elektrolytflüssigkeit bei B^ in die Batterie ein und bei B_? aus der Batterie aus.

Legt man für die Betrachtung der Elektrolytströmung eine lineare StrömungST-heorie zugrunde, so ergeben sich längs der Hauptkanäle einer Batterie Druckverteilungen, wie sie in Fig. 2a und 2b dargestellt sind. Im Haupteinströmkanal wird das Druckgefälle in Strömungsrichtung der Elektrolytflüssigkeit infolge des abnehmenden Volumenstromes (Elektrolytflüssigkeit tritt vom Haupteinströmkanal in die Versorgungskanäle der einzelnen Elektrolyträume ein) geringer, und im Hauptausströmkanal nimmt das Druckgefälle mit steigendem Volumenstrom zu. In Fig. 2a ist, für die lineare Styömungstheorie, die Druckverteilung bei beidseitigem Elektrolytanschluß dargestellt, in Fig. 2b die Druckverteilung bei einseitigem Elektrolytanschluß. Der Abstand der beiden Kurven bestimmt, jeweils den Durchfluß, d.h. den Volumenstrom durch die einzelnen: Eiektro-, Iyträume. _

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Aus Fig. 2a und 2b kann man entnehmen, daß bezüglich der Durchströmung der einzelnen Elektrolyträume innerhalb der Batterie Ungleichmäßigkeiten auftreten. Weiter ist zu sehen, daß im Falle des einseitigen Elektrolytanschlusses, bei Zugrundelegen einer linearen Strömungstheorie, die Verhältnisse ungünstiger sind als beim beidseitigen Elektrolytanschluß. So wird mit wachsender Zellenzahl (Abszissen von Fig. 2a und 2b) die Ungleichmäßigkeit in der Durchströmung immer kritischer. Da, wie bereits erläutert, bei elektrochemischen Zellen einer Vergrößerung der Hauptkanäle wegen des damit verbundenen Anstieges der Leckleistungsverluste Grenzen gesetzt sind, sollte unter den genannten Voraussetzungen zumindest bei Batterien' aus derartigen Zellen ein einseitiger Elektrolytanschluß kaum brauchbar sein.

Umfangreiche theoretische Untersuchungen und Messungen zeigten, daß die Druckverhältnisse jedoch vielen nicht linearen Einflüssen unterliegen, die die Druckverteilung entscheidend beeinflussen können. Dies sind vor allem Effekte, die an den Ein- und Ausströmöffnungen, an den Verzweigungen und an den Zusammenflüssen der Kanäle auftreten, und die bei der mathematischen Behandlung des Problems in quadratischer Form in die Berechnungen eingehen. Diese Einflüsse können dazu führen, daß auch bei größeren Batteiien ein einseitiger Elektrolytanschluß vorteilhaft ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Batterien aus einer Mehrzahl fest miteinander verbundener elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffelemente, oder Wasserabreicherungszellen, deren Elektrolytversorgung parallel über gemeinsame Haupteinströmkanäle und Hauptausströmkanäle sowie Versorgungskanäle an den einzelnen Elektrolyträumen erfolgt, eine annähernd gleiche Druckverteilung an allen Elektrolyträumen zu erreichen, d.h. Maßnahmen zu ergreifen, die einen annähernd parallelen Verlauf der Druckverteilungskurven in den Hauptkanälen bewirken.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Querschnittsverlauf der Kanäle in der Batterie so gewählt ist, daß an allen Elektrolyträumen wenigstens annähernd die gleiche betriebsmäßige Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausströmöffnung herrscht.

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■ Die erfindungsgemäße Batterie unterscheidet sich, grundsätzlich von den bisher bekannten Batterien, deren Hauptkanäle gleich dimensioniert sind und einen konstanten Rohrquerschnitt, d.h. einen über die gesamte Länge der Batterie gleichbleibenden Durchmesser aufweisen, bzw. deren Versorgungskanäle bei allen Zellen gleich groß sind. In der erfindungsgemäßen Batterie kann der Querschnittsverlauf der Hauptkanäle so gewählt werden, daß an allen Elektrolyträumen wenigstens annähernd die gleiche Druckdifferenz herrscht. Um die unterschiedliche Durchströmung der einzelnen Zellen zu verbessern, kann man auch den Querschnitt der Versorgungskanäle, die die Elektrolyträume dieser Zellen mit den Hauptkanälen verbinden, verschieden bemessen. Diesem Vorgehen sind allerdings Grenzen gesetzt, weil man die·Dimensionierung wegen Verstopfungsgefahr nicht zu gering wählen darf.

Bei gleicher Dimensionierung der Versorgungskanäle, die den Elektrolytraum einer jeden Zelle einerseits mit dem Haupteinströmkanal und andererseits mit dem Hauptausströmkanal verbinden, kann die Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende jedes Elektrolytraumes an den Eintrittsstellen seiner Versorgungskanäle in die Hauptkanäle ermittelt werden. Durch Versuche und Messung der Druckdifferenz an diesen Stellen kann der Querschnittsverlauf der Hauptkanäle entsprechend eingestellt werden. Ändert man dagegen auch den Querschnitt der Versorgungskanäle von Zelle zu Zelle oder jeweils von Gruppen aus mehreren Zellen, so kann man die Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Volumenstrom in Vergleichszellen messen und die Ergebnisse etwa in Tabellenform niederlegen, die dann für die Bemessung praktischer Batterien zur Auswertung zur Verfügung steht.

Da die Strömungsgeschwindigkeit der Elektrolytflüssigkeit im Haupteinströmkanal ständig abnimmt, ergibt sich daraus ein Druckgewinn, der sich den übrigen Anteilen zur Druckverteilung, d.h. den Druckverlusten, überlagert. Im Hauptausströmkanal dagegen erfolgt eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit, die einen zusätzlichen Druckverlust bewirkt. Der Gesamtdruckverlust im Haupteinströmkanal ist demnach geringer als der im Hauptausströmkanal. Diese asymmetrische Verteilung bewirkt beispielsweise auch, daß ohne die gezielten Maßnahmen, wie sie in der erfindungsgemäßen Batterie getroffen

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werden, bei einer Batterie mit beidseitigem Elektrolytanschluß die am schlechtesten durchströmte Zelle nicht in der Batteriemitte liegt. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Druckverteilung an allen Zellen kann deshalb, insbesondere bei Batterien mit einseitigem Elektrolytanschluß, d.h. mit Ein- und Austrittsstelle des Elektrolyten auf derselben Seite der Batterie, vorteilhaft der Querschnitt des Hauptausströmkanales größer bemessen sein als der Querschnitt des Haupteinströmkanales.

Die unterschiedlichen Druckverluste in den Hauptkanälen, der Druckgewinn im Haupteinströmkanal ergibt sich etwa zu ein Drittel des zusätzlichen Druckverlustes im Hauptausströmkanal, können also vorteilhaft durch eine unterschiedliche Auslegung der Querschnitte beider Hauptkanäle ausgeglichen werden. Vorteilhaft kann aber eine Parallelität der beiden Druckverteilungskurven auch dadurch erreicht werden, daß der Querschnitt des Haupteinströmkanales in Richtung von der· Eintrittsstelle in die Batterie her über wenigstens mehrere Zellen hin abnimmt. Weiterhin kann diese erwünschte Druckverteilung dadurch erreicht werden, daß der Querschnitt des Hauptausströmkanales über wenigstens mehrere Zellen in Richtung auf die Austrittsstelle aus der Batterie hin zunimmt.

Diese Maßnahmen werden vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Radien der Hauptkanäle entweder stetig oder stufenweise geändert werden. Dazu können beispielsweise die öffnungen in den Rahmenteilen der einzelnen Zellen, die ζμΓ Elektrolytaufnahme dienen, verschieden dimensioniert werden, so daß sich nach dem Zusammenbau der Batterie der gewünschte Verlauf der Hauptkanäle ergibt. Ein annähernd paralleler Druckverlauf kann weiterhin vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß in die Hauptkanäle Profilkörper eingeschoben sind.

Anhand mehrerer Figuren und mehrerer Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Mg. 1a und 1b zeigen schematisch im Schnitt eine Batterie mit beidseitigem bzw. einseitigem Elektrolytanschluß. Fig. 2a und 2b zeigen schemtisch den Druckverlauf in Batterien unter Annahme einer linearen Strömungstheorie.

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Pig. 3 zeigt schematisch im Schnitt zwei Brennstoffelemente einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Fig. 4- zeigt schematisch eine Anordnung zur Messung des Druckverlaufes an einer Batterie mit einseitigem Elektrolytanschluß. Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung den Druckverlauf von Batterien mit unterschiedlichem Elektrolytanschluß und verschiedener Ausgestaltung der Hauptkanäle. Fig. 6 zeigt in graphischer Darstellung die Wirkung von Profilkörpern auf den Druckverlauf in den Hauptkanälen. Fig. 7 zeigt die Anordnung solcher Profilkörper in den Hauptkanälen.

In Fig. 1a und Fig. 1b sind jeweils mit .1 das Batteriegehäuse und mit 2 die Endplatten der Batterie bezeichnet. Bei der in Fig. 1a dargestellten Batterie mit beidseitigem Elektrolytanschluß strömt der Elektrolyt bei A₁ in die Batterie bzw. deren Haupteinströmkanal 3 ein, nimmt innerhalb der Batterie den durch Pfeile angedeuteten Verlauf durch die Elektrolyträume 5 der Zellen, beispielsweise Brennstoffelemente, die Versorgungsleitungen 6 sowie den Hauptausströmkanal 4 und verläßt die Batterie bei Bp. Bei der in Fig. 1b dargestellten Batterie mit einseitigem Elektrolytanschluß tritt die Elektrolytflüssigkeit bei B- in die Batterie ein, durchströmt den Haupteinströmkanal 3» die Elektrolyträume 5 und die Versorgungsleitungen 6 sowie den Hauptausströmkanal 4 und tritt bei Bp aus der Batterie aus.

Unter Zugrundelegung einer linearen Strömungstheorie sollte in den in Fig. 1a und 1b dargestellten Batterien der Druckverlauf ein Verhalten zeigen, wie er in Fig. 2a bzw. Fig. 2b dargestellt ist. In Fig. 2a ist schematisch der Druckverlauf bei einer Batterie mit beidseitigem Elektrolytanschluß dargestellt, bei der die Elektrolytflüssigkext bei A₁ in die Batterie eintritt und bei Bp die Batterie verläßt. Fig. 2b zeigt den Druckverlauf bei einer Batterie mit einseitigem Elektrolytanschluß; die Elektrolytflüssigkext tritt dabei bei B₁ in die Batterie ein und verläßt die Batterie bei B₂· Aus den Figuren ist klar zu erkennen, daß der Druckverlauf über die gesamte Länge der Batterie (Abszisse der Fig. 2a bzw. 2b) unterschiedlich ist, d.h. daß in jeder Zelle zwischen Anfang und Ende des Elektrolytraumes eine unterschied- λ

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- S-

liehe Druckdifferenz herrscht.

In Pig. 3 sind schematisch zwei Brennstoffelemente dargestellt, die in einer erfindungsgemäßen Batterie aus elektrochemischen Zellen verwendet werden können. Die Batterie kann wie in Pig. 1a und 1b dargestellt ist ausgestaltet sein. Die Rahmen 11 der Brennstoffelemente enthalten Öffnungen 12 und 13 in Form von Bohrungen, die in der Batterie die Elektrolythauptkanäle bilden. Die Bohrungen 12 ergeben beispielsweise den Haupteinströmkanal, die Bohrungen 13 den Hauptausströmkanal. Die Mittel zur Abdichtung der Kanalteilstücke an der Grenze zwischen den beiden Brennstoffelementen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Haupteinströmkanal weist einen kleineren Querschnitt auf als der Hauptausströmkanal. Die Richtung der Elektrolytströmung ist durch Pfeile angedeutet. Die Verbindung zwischen den Hauptkanälen 12 und 13 wird durch untere Elektrolytversorgungskanäle 14, die Elektrolyträume 16 und obere Elektrolytversorgungskanäle 15 hergestellt. In die Elektrolyträume 16 eingelegte Netze 17 dienen zur Abstützung der die Elektrolyträume begrenzenden Asbestdiaphragmen 18. An die Asbestdiaphragmen schließen sich die Elektroden 21, beispielsweise in Form von gebundenem pulverförmigem Katalysatormaterial, an, und darauf folgen die Gasräume 19· Den beiden Gasräumen jedes Brennstoffelementes wird Brennstoff bzw. Oxidationsmittel zugeführt. Die Zu- und Ableitungen für Brennstoff und Oxidationsmittel zu den einzelnen Brennstoffelementen bzw. deren Gasräumen sind übersichtlichkeitshalber nicht eingezeichnet. Die beiden Brennstoffelemente sind voneinander durch ein Kontaktblech 20 getrennt, das zur Stromableitung dient.

An einer Batterie aus 30 derartigen Brennstoffelementen sollen die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung erläutert werden. Die Brennstoffelemente haben jeweils einen 5 mm dicken Kunststoffrahmen mit Bohrungen für die Elektrolytflüssigkeit und die Reaktionsgase. Die Endplatten der Batterie sind 28 mm dick. Die Brennstoffelemente enthalten beispielsweise gebundene Elektroden aus Raney-Katalysatoren ("Troisiemes Journees Internationales d'Etude des Piles a Combustible, Comptes Rendus", Brüssel, 1969, Seite 191-193) Die Elektrolyträume sind 175 mm breit, 168 mm hoch und haben eine Dicke von 1,7 mm. Sie sind mit elektrolytbeständigen Netzen ausgelegt, die die angrenzenden Asbestdiaphragmen abstützen. Die

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Elektrolytversorgungskanäle weisen die Abmessungen 1 mm χ 2,4 mm χ 14j5 nun auf.' Die Kontaktbleche zwischen den Rahmen der Brennstoffelemente sind 0,3 mm dick. Als Elektrolytflüssigkeit dient 6 η KUH bei einer Temperatur von 70 bis 8O⁰C liefert eine Spannung von etwa 0,7 Volt.

KUH bei einer Temperatur von 70 bis 8O⁰C. Jedes Brennstoffelement

Die Druckverteilung wird mit einer Meßanordnung bestimmt, die in Fig. 4 dargestellt ist; diese Meßano-rdnung kann auch bei Batterien aus anderen Zellen verwendet werden. Mit Hilfe einer Pumpe 31 wird die Elektrolytflüssigkeit im Kreislauf geführt. Der Elektrolytkreislauf umfaßt' einen thermostatisierten Elektrolytvorratsbehälter 32, einen Schwebekörper-Durchflußmesser 33 und die Batterie 34· Je vier Druckabnahmestellen 35 iri jedem der beiden Hauptkanäle dienen zur Messung des hydrostatischen Druckes der Elektrolytflüssigkeit.' Sowohl im Haupteinströmkanal als auch im Hauptausströmkanal liegt je eine Meßstelle in den Endplatten, d.h. eine Meßstelle vor dem ersten Brennstoffelement der Batterie und eine Meßstelle hinter dem letzten Brennstoffelement. Die beiden restlichen Meßstellen je Hauptkanal befinden sich nach jedem zehnten Brennstoffelement. Dazu wird in die Batterie zwischen dem 10. und 11.. Brennstoffelement sowie dem 20. und 21. Brennstoffelement je ein Blindrahmen, d.h. ein Rahmen mit gesperrten Elektrolytversorgungskanälen, eingebaut, der mit Druckabnahmestellen versehen ist. Jede der Druckabnahmestellen ist beispielsweise mit je einem Meßrohr eines Vielfachmanometers verbunden. Die in Fig. 4 dargestellte Meßanordnung zeigt die Messung an einer Batterie mit einseitigem Elektrolytanschluß. Sie ist aber bei entsprechendem Aufbau der Batterie auch für einen beidseitigen Elektrolytanschluß verwendbar.

Pig. 5 zeigt die Druckverteilung zwischen Haupteinströmkanal und Hauptausströmkanal bei drei Batterien mit unterschiedlichem Elektrolytanschluß und verschiedenem Querschnitt der Hauptkanäle. Der G-esamtvolumenstrom durch die Batterie beträgt' jeweils 62 cm / see, d.h. etwa 2,1 ciVsec je Brennstoffelement.

Weist die Batterie einen beidseitigen Elektrolytanschluß auf und sind die Radien der beiden Hauptkanäle gleich, Radius des Haupt-

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" ¹⁰ " 21U903A

einströmkanales r_e = Radius des Hauptausströmkanales r = 3,72 mm,

so zeigen die beiden Kurven einen divergierenden Verlauf: gestrichelte Linien in Fig. 5· Der Unterschied in der Durchströmung der einzelnen Brennstoffelemente beträgt bis zu 52 fo. Die elektrische Leckleistung beträgt 15,6 Watt.

Weist die Batterie bei gleichen Radien der Hauptkanäle (r = r = 3,72 mm) einen einseitigen Elektrolytanschluß auf, so zeigen die Druckverteilungskurven zwar einen gleichsinnig gekrümmten Verlauf (strichpunktierte Linien in Pig. 5), jedoch ist der Betrag der Druckdifferenz am Haupteinströmkanal (obere strichpunktierte Linie) kleiner als der am Hauptausströmkanal (untere strichpunktierte Linie). Die Strömungsvariation, d.h. der Unterschied in der Durchströmung der einzelnen Brennstoffelemente, beträgt in diesem Pail bis zu 35 fo. Die elektrische .Leckleistung beträgt wie oben 15,6 Watt.

In einer weiteren Untersuchungsreihe ist die Batterie erfindungsgemäß ausgestaltet; bei einseitigem Elektrolytanschluß weist der Haupteinströmkanal einen kleineren Radius auf als der Hauptausströmkanal: r =2,94 mm, r =4,58 mm. Die Hauptkanäle sind dabei e a

so dimensioniert, daß die Leckleistungsverluste im "Vergleich zu den oben geschilderten Beispielen zumindest nicht ansteigen; die Leckleistungsverluste bleiben unverändert bei 15,6 Watt. Die Druckverteilungskurven (durchgezogene Linien in Fig. 5) zeigen nun ein weitgehend parallelen Verlauf: die Strömungsvariation beträgt nur maximal 3 f°>

Die geschilderte vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Batterie kann durch eine optimale Dimensionierung der Hauptkanäle noch weiter gesteigert werden. Auf jeden Pail ist aber eine weitgehende Gleichverteilung der Durchströmung von Batterien gewährleistet. Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den Ausführungsbeispielen an Hand von Batterien aus Brennstoffelementen aufgezeigt worden. Es soll aber nochmals darauf hingewiesen werden, daß dies ebenso für Batterien aus anderen elektrochemischen Zellen und auch für Batterien aus Wasserabreicherungszellen, d.h. Wasserabreicherungseinheiten, gilt.

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Eine zusätzliche Verbesserung oder allgemein eine Verbesserung der Durchströmung kann auch dadurch erreicht werden, dai3 in die Hauptkanäle Profilkörper eingeschoben werden. Die Verwendung von Profilkörpern ist besonders bei Batterien mit beidseitigem Elektrolytanschluß vorteilhaft, da in diesem Fall die Druckverteilungskurven einen entgegengesetzten Krümmungsverlauf zeigen, wie aus Pig. 5 ersichtlich ist.

In Fig. 6 ist durch die schraffierten Felder beispielhaft gezeigt, wie bei einer Batterie mit beidseitigem Elektrolytanschluß unter Verwendung von Profilkörpern ein annähernd gleichmäßiger Verlauf der Druckverteilungskurven erreicht werden kann. Die Profilkörper können dabei sowohl im Haupteinströmkanal als auch im Hauptausströmkanal angeordnet sein. Die Form und die Ausdehnung der Profilkörper kann dabei jeweils den einzelnen Batterien angepaßt werden, indem mit Hilfe der oben geschilderten Meßmethoden festgestellt wird, welcher Querschnittsverlauf der Hauptkanäle bei der jeweiligen Batterie optimal ist. In Fig. 7 sind entsprechende Profilkörper in den Hauptkanälen angedeutet und mit 36, 37 bezeichnet.

Die durchgeführten Messungen und die bereits erwähnten umfangreichen mathematischen Berechnungen führen zu übereinstimmenden Ergebnissen für die Druckverteilung in den Hauptkanälen. Als wichtige Ergebnisse sollen dabei insbesondere folgende Tatsachen festgehalten werden:

1. Bei gleichen geometrischen Abmessungen der Hauptkanäle ist die Druckdifferenz am Haupteinströmkanal (zwischen A₁ und B₁) dem Betrag nach kleiner als die Druckdifferenz am Hauptausströmkanal (zwischen Ap und Bp).

2. Im Haupteinströmkanal gibt es Bereiche, in denen der Druck in Strömungsrichtung nicht abnimmt, sondern zunimmt; in diesen •Bereichen werden die üblichen Druckverluste durch Druckgewinne überkompensiert.

Die gewonnenen Ergebnisse zeigen einerseits, daß der Druckverlauf nicht linear ist, und daß andererseits ein einseitiger Elektrolytanschluß günstiger sein kann als ein beidseitiger Elektrolytanschluß. Ein einseitiger Elektrolytanschluß wird vorteilhaft dann verwendet, wenn sich im Haupteinströmkanal ein Druckgewinn ergibt. Zur Ermittlung, wann sich im Kaupteinströmkanal ein Druckgewinn

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ergibt und damit der einseitige Elektrolytanschluß gegenüber einem beidseitigen Elektrolytanschluß Vorteile bringt, kann folgende Formel dienen, die das Ergebnis einer umfangreichen mathematischen Behandlung dieses Problems ist:

η . h . 1

• r > T_

^xe ' ' 12*

¹ "

Die verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung: r : Radius des Haupteinströmkanales (in cm);

η : Anzahl der Zellen der Batterie;

λ : dimensionslose Konstante, die den turbulenten Anteil der Strömung in einem glatten Rohr wiedergibt, der Wert von λ

ist 2,6 · 1O~²;

1 : Dicke des Rahmens einer Zelle (in cm); 1? : Zähigkeit der Elektrolytflüssigkeit (in g/cm·see); f : Dichte der Elektrolytflüssigkeit (in g/cm ); V : mittlerer Volumenstrom pro Zelle (in cm /see).

Die Formel macht eine Aussage über den Radius, den der Haupteinströmkanal mindestens aufweisen muß, um bei einer Batterie vorteilhaft einen einseitigen Elektrolytanschluß verwenden zu können. Die Formel gilt in obiger Form für glatte Kanäle mit. konstantem Querschnitt, sie stellt eine vereinfachte Form einer allgemein gültigen Formel dar.

Die vorstehend erläuterten Überlegungen und Untersuchungen sowie die ergriffenen Maßnahmen sind nicht nur auf elektrochemische Zellen und Wasserabreicherungszellen beschränkt, sondern sie können immer dann Anwendung finden, wenn ähnliche Probleme einer unterschiedlichen Druckverteilung auftreten. Dies gilt beispielsweise, wie bereits ausgeführt, für Kühleinrichtungen. Darüber hinaus sind die geschilderten Maßnahmen nicht auf eine Flüssigkeitsversorgung beschränkt, sie können analog bei Problemen in Gasversorgungssystemen Verwendung finden.

6 Patentansprüche

7 Figuren

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Claims

Patentansprüche

rl) Batterie aus einer-Mehrzahl fest miteinander verbundener elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffelemente, oder Wasserabreicherungszellen, deren Elektrolytversorgung parallel über gemeinsame Haupteinströmkanäle und Hauptausströmkanäle sowie Versorgungskanäle an den einzelnen Elektrolyträumen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsverlauf der Kanäle in der Batterie so gewählt ist, daß an allen Elektrolyträumen wenigstens annähernd die gleiche betriebsmäßige Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausströmöffnung herrscht.
2. Batterie nach Anspruch 1, insbesondere mit Ein- und Austrittsstelle des Elektrolyten auf derselben Seite der Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hauptausströmkanales größer als der des Haupteinströmkanales bemessen ist.
3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Haupteinströmkanales in Richtung von der Eintrittsstelle in die Batterie her über wenigstens mehrere Zellen hin abnimmt.
4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hauptausströmkanales über wenigstens mehrere Zellen in Richtung auf die Austrittsstelle aus der Batterie hin zunimmt.
5. Batterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hauptkanäle Profilkörper eingeschoben sind.
6. Batterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungskanäle einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.

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