DE2109034B2

DE2109034B2 - Batterie aus einer mehrzahl von zellen

Info

Publication number: DE2109034B2
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: 1978-02-02
Also published as: JPS5759631B1; DE2109034C3; CA986984A; DE2109034A1; FR2126395B1; GB1375437A; FR2126395A1

Description

JO

Die Erfindung betrifft eine Batterie aus einer Mehrzahl fest miteinander verbundener elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffelemente, oder Wasserabreicherungszellen, deren Elektrolytversorgung parallel über gemeinsame Haupteinströmkanäle und Hauptasströmkanäle sowie Versorgungskanäle an den einzelnen Elektrolyträumen erfolgt.

Elektrochemische Zellen werden zur Erzielung einer höheren Nutzleistung meistens zu größeren Einheiten zusammengefaßt. Einheiten aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen bezeichnet man beispielsweise als Brennstoffbatterien. In Brennstoffelementen und entsprechenden Batterien, in denen Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Brennstoffe mit Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel umgesetzt werden, entsteht als Reaktionsprodukt Wasser und daneben wird eine bestimmte Wärmemenge frei. Bei Brennstoffbatterien 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 Brenn-Stoffelement der Batterie etwa gleich viel Wärme abgeführt werden. Dies soll dadurch erreicht werden, daß die einzelnen Brennstoffelemente der Batterie von der Elektrolytllüssigkeit 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. Um all diese Ziele zu erreichen, wird deshalb eine 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 2 77 341 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 Kühleinrichtungen, 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 Kühlelemente der Kühleinrichtung leitet, treten die genannten Durchströmungsprobleme auch hier auf. Schließlich ergibt sich eine derartige Problemstellung auch dann, wenn man bei Verwendung von Kühlflüssigkeit diese Flüssigkeit parallel durch die Kühlräume der Kühleinrichtung führt, oder entsprechend auch dann, wenn man Kühlflüssigkeit parallel durch die Kühlräume der obengenannten Wasserabreicherungseinheit leitet.

Aus der US-Patentschrift 33 88 003, die eine Seewasserbatterie betrifft, ist es bekannt, die Elektrolytversorgungskanäle zur Erzeugung einer gleichmäßigen Druckdifferenz an allen Elektrolyträumen derart auszugestalten, daß der Querschnitt des Elektrolyteinströmkanals in Richtung von der Eintrittsstelle in die Batterie her ab- und derjenige des Elektrolytausströmkanals in Richtung auf die Austrittsstelle aus der Batterie hin zunimmt. Die Ausgestaltung der Elektrolytkanäle mit variierendem Querschnittsverlauf ist aber eine verfahrenstechnisch schwer realisierbare Maßnahme.

Die Elektrolytführung erfolgt bei einer Batterie aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen oder Wasserabreicherungszellen 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 Fig. la und Ib dargestellt sind. H i g. la 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 Bi. Bei der in F i g. Ib dargestellten zweiten Möglichkeit, dem einseitigen Elektrolytanschluß, tritt die Elektrolytflüssigkeit bei B\ in die Batterie ein und bei B₂ aus der Batterie aus.

Legt man für die Betrachtung der Elekt; olytströmung eine lineare Strömungstheorie 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 so lineare Strömungstheorie, 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 J5 Elektrolyträume.

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 Duchströmung 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 so zumindest bei Batterien aus derartigen Zellen ein einseitiger Elektrolytanschluß kaum brauchbar sein.

Umfangreiche theoretische Untersuchungen und Messungen zeigten, daß die Druckverhältnisje jedoch vielen nichtlinearen 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 rriathematischen Behandlung des Problems in quadrati- e>o scher Form in die Berechnungen eingehen. Diese Einflüsse können dazu führen, daß auch bei größeren Batterien 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 Hauptausslrömkanäle sowie Versorgungskanäle an den einzelnen Elektrolyträumen erfolgt, eine annähernd gleiche Druckverteilung an allen Elektrolyträumen zu erreichen, d. h. konstruktiv einfache Maßnahmen zu ergreifen, die einen annähernd parallelen Verlauf der Druckverteilungskurven in den Hauptkanälen bewirken.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzielung einer wenigstens annähernd gleichen betriebsmäßigen Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausströmöffnung sämtlicher Elektrolyträume der Querschnitt des Hauptausströmkanals größer bemessen ist als der des Haupteinströmkanals.

Die erfindungsgemäße Batterie unterscheidet sich grundsätzlich von den bisher bekannten Batterien, deren Hauptkanäle entweder einen variierenden Querschnitt aufweisen oder 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 ist der Querschnitt der Hauptkanäle so gewählt, daß an allen Elektrolyträumen wenigstens annähernd die gleiche Druckdifferenz herrscht. Um die unterschiedliche Durchströmung der einzelnen Zellen zu verbessern, kann vorteilhaft auch der Querschnitt der Versorgungskanäle, die die Elektrolyträume dieser Zellen mit den Hauptkanälen verbinden, verschieden bemessen sein. Diesem Vorgehen sind allerdings Grenzen gesetzt, weil die Dimensionierung wegen Verstopfungsgefahr nicht so gering gewählt werden 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 Querschnitt der Hauptkanäle entsprechend eingestellt werden. Ändert man dagegen auch den Querschnitt der Versorgungskatiäle 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 werden, bei einer Batterie mit beidseitigem Elektrolytanschluß die am schlechtesten durchströmte Zelle nicht in der Batteriemitte liegt. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Druckverteilung in allen Zellen ist deshalb insbesondere bei Batterien mit einseitigem Elektrolytanschluß, d. h. mit Ein- und Austrittsstelle des Elektrolyten auf derselben Seite der

Batterie, vorteilhaft der Querschnitt des Hauptausströmkanals größer bemessen als der Querschnitt des Kaupteinströmkanals. Die unterschiedlichen Druckverluste in den Hauptkanälen, der Druckgewinn im Haupteinströmkanal ergibt sich etwa zu ein Drittel des zusätzlichen Druckverlustes im Hauptausströmkanal, werden nämlich durch die unterschiedliche Auslegung der Querschnitte beider Hauptkanäle ausgeglichen.

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

Fig. la und Ib zeigen schematisch im Schnitt eine Batterie mit beidseitigem bzw. einseitigem Elektrolytanschluß;

F i g. 2a und 2b zeigen schematisch den Druckverlauf in Batterien unter Annahme einer linearen Strömungstheorie;

Fig.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 Batlerien mit unterschiedlichem Elektrolytanschluß und verschiedener Ausgestaltung der Hauptkanäle.

In Fig. la und Fig. Ib sind jeweils mit 1 das Batteriegehäuse und mit 2 die Endplatten der Batterie bezeichnet. Bei der in Fig. la dargestellten Batterie mit beidseitigem Elektrolylanschluß strömt der Elektrolyt jo mit A\ 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 y, verläßt die Batterie bei B₂. Bei der in Fig. Ib 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 B₂ aus der Batterie aus.

Unter Zugrundelegung einer linearen Strömungstheorie sollte in den in Fig. la und 1b dargestellten Batterien der Druckverlauf ein Verhalten zeigen, wie er in Fig. 2a bzw. 2b dargestellt ist. In Fig. 2a ist schematisch der Druckverlauf bei einer Batterie mit beidseitigem Elektrolytanschluß dargestellt, bei der die Elektrolytflüssigkeit bei A\ in die Batterie eintritt und bei B₂ die Batterie verläßt. F i g. 2b zeigt den Druckvcrlauf bei einer Batterie mit einseitigem EIcktrolylanschiuß; die Elektrolytflüssigkeit tritt dabei bei fl| 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 F 1 g. 2a bzw. 2b) unterschiedlich ist, d. h., daß in jeder Zelle zwischen Anfang und Ende des FJuktiolviraumes eine unterschiedliche Druckdifferenz herrscht.

In l^;ig. J sind schematisch zwei Brennstoffelemente <,(> dargestellt, die in einer erfindungsgemäßen Batterie aus elektrochemischen Zellen verwendet werden können. Die Batterie kann wie in Fig. la und Ib ausgestaltet sein. Die Rühmen Il der Brennstoffelemente enthalten Öffnungen 12 und 13 in Form von Bohrungen, die in der t-,^r> BiHiciic die Klektmlyihauplkaniile bilden. Die Bohrungen 12 ergeben don I laiipicinslrömkaiial. die bohrungen Ii den Haiiplaiisströmkanal. Die Mittel zur Abdichtung der Kanalteilstücke an der Grenze zwi sehen den beiden Brennstoffelementen sind de Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Hauptein strömkanal weist einen kleineren Querschnitt auf als de Hauptausströmkanal. Die Richtung der Elektrolytströ mung ist durch Pfeile angedeutet. Die Verbindunj zwischen den Hauptkanälen 12 und 13 wird durcl untere Elektrolytversorgungskanäle i4, die Elektrolyt räume 16 und obere Elektrolytversorgungskanäle Ii hergestellt. In der Elektrolyträume 16 eingelegte Netze 17 dienen zur Abstützung der die Elektrolyträurm begrenzenden Asbestdiaphragmen 18. An die Asbest diaphragmen schließen sich die Elektroden 21 an beispielsweise in Form von gebundenem pulverförmi gern Katalysatormaterial, und darauf folgen di< Gasräume 19. Den Gasräumen jedes Brennstoffelemen tes wird Brennstoff bzw. Oxidationsmittel zugeführt Die Zu- und Ableitungen für Brennstoff und Oxidations mittel zu den einzelnen Brennstoffelementen bzw. derer Gasräumen sind übersichtlichkeitshalber nicht einge zeichnet. Die beiden Brennstoffelemente sind voneinan der durch ein Kontaktblech 20 getrennt, das zui Stromableitung dient.

An einer Batterie aus 30 derartigen Brennstoffele menten sollen die vorteilhaften Wirkungen der Erfin dung erläutert werden. Die Brennstoffelemente habet jeweils einen 5 mm dicken Kunststoffrahmen mi Bohrungen für die Elektrolytflüssigkeit und die Reak tionsgase. Die Endplatten der Batterie sind 28 mm dick Die Brennstoffelemente enthalten beispielsweise ge bundene Elektroden aus Raney-Katalysatoren (vgl. »Troisiemes Journees Internationales d'Etude des Pile: ä 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 sine mit elektrolytbeständigen Netzen ausgelegt, die du angrenzenden Asbestdiaphragmen abstützen. Die Elek trolytversorgungskanäle weisen die Abmessunger 1 mm χ 2,4 mm χ 14,5 mm auf. Die Kontaktbleche zwi sehen den Rahmen der Brennstoffelemente sind 0,3 mir dick. Als Elektrolytflüssigkeit dient 6 n-KOH bei einei Temperatur von 70 bis 8O⁰C. Jedes Brennstoffelemem liefert eine Spannung von etwa 0,7 Volt.

Die Druckverteilung wird mit einer Meßanordnung bestimmt, die in F i g. 4 dargestellt ist; diese Meßanord nung kann auch bei Batterien aus anderen Zeller verwendet werden. Mit Hilfe einer Pumpe 31 wird die Elektrolytflüssigkeit im Kreislauf geführt. Der Elektrolytkreislauf umfaßt einen thermostatisierten Elektrolytvorratsbehälter 32, einen Schwebekörper-Durchfluß messer 33 und die Batterie 34. Je vier Druckabnahmestellen 35 in jedem der beiden Hauptkanäle dienen zui Messung des hydrostatischen Druckes der Elektrolytflüssigkeit. Sowohl im Haupteinströmkanal als auch irr Hauptausströmkanal liegt je eine Meßstellc in der Endplattcn, d. h. eine Meßstellc vor dem erster Brennstoffelement der Batterie und eine Meßstellc hinter dem letzten Brennstoffelement. Die beider 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 cir Blindnihmen, d. h. ein Rahmen mit gesperrten Hlektrolytvcrsoigungskaniilen, eingebaut, der mit Druckabnahme.stellcn versehen ist. Jede der Druckabnahmestellcr ist beispielsweise mit je einem Meßrohr eines Vielfachmanoineters verbunden. Die in I" ig. 4 dargestellte Meßanordnung zeigt die Messung an einet

Batterie mit einseiligem Elektrolytanschluß. Sie ist aber bei entsprechendem Aufbau der Batterie auch für einen beidseitigen Elektrolytanschluß verwendbar.

F i g. 5 zeigt die Druckverteilung zwischen Haupteinströmkanal und Hauptausströmkanal bei drei Batterien mit unterschiedlichem Elektrolytanschluß und verschiedenem Querschnitt der Hauptkanäle. Der Gesamtvoluinenstrom durch die Batterie beträgt jeweils 62cmVs, d. h. etwa 2,1 cm³/sje Brennstoffelement.

Weist die Batterie einen beidseitigen Elektrolytanschluß auf und sind die Radien der beiden Hauptkanäle gleich, Radius des Haupteinströmkanals r_t.= Radius des Hauptausströmkanals r., = 3,72 mm, so zeigen die beiden Kurven einen divergierenden Verlauf: gestrichelte Linien in F i g. 5. Der Unterschied in der Durchströmung der einzelnen Brennstoffelemente beträgt bis zu 52%. Die elektrische Leckleistung beträgt 15,6 Watt.

Weist die Batterie bei gleichen Radien der Hauptkanäle (r_c=r_a = 3,72 mm) einen einseitigen Elektrolytanschluß auf, so zeigen die Druckverteilungskurven zwar einen gleichsinnig gekrümmten Verlauf (strichpunktierte Linien in Fig.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 Fall bis zu 35%. 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_t = 2,94 mm, /-_a = 4,58 mm. Die Hauptkanäle sind dabei 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%.

Die geschilderte vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Batterie kann durch eine optimale Dimensionierung der Hauptkanäle noch weiter gesteigert werden. Auf jeden Fall ist aber eine weitgehende Gleichverteilung der Durchströmung von Batterien gewährleistet. Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den Ausführungsbeispielen anhand 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.

Die durchgeführten Messungen und die bereit: erwähnten umfangreichen mathematischen Berechnun gen führen zu übereinstimmenden Ergebnissen für dk Druckverteilung in den Hauptkanälen. Als wichtige Ergebnisse sollen dabei insbesondere folgende Tatsa chen festgehalten werden:

1. Bei gleichen geometrischen Abmessungen de: Hauptkanäle ist die Druckdifferenz am Hauptein Strömkanal (zwischen A\ und B\) dem Betrag nacr

iü kleiner als die Druckdifferenz am Hauptausströni kanal (zwischen A2 und Bi).

2. Im Haupteinströmkanal gibt es Bereiche, in dener der Druck in Strömungsrichtung nicht abnimmt sondern zunimmt; in diesen Bereichen werden dit üblichen Druckverluste durch Druckgewinne über kompensiert.

Die gewonnenen Ergebnisse zeigen einerseits, daC der Druckverlauf nicht linear ist, und daß andererseiti ein einseitiger Elektrolytanschluß günstiger sein kanr als ein beidseitiger Elektrolytanschluß. Ein einseitigei Elektrolytanschluß wird vorteilhaft dann verwendet wenn sich im Haupteinströmkanal ein Druckgewinr ergibt. Zur Ermittlung, wann sich im Hauptströmkana ein Druckgewinn ergibt und damit der einseitige Elektrolytanschluß gegenüber einem beidseitigen Elektrolytanschluß Vorteile bringt, kann folgende Forme dienen, die das Ergebnis einer umfangreichen mathematischen Behandlung dieses Problems ist:

λ ~4

1 -

\2πηΙ

y> Die verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung:

r_e: Radius des Haupteinströmkanals (in cm);
n: 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 · 10"²;
/: Dicke des Rahmens einer Zelle (in cm);
η: Zähigkeit der Elektrolytflüssigkeit (in g/cm · s);
ρ: Dichte der Elektrolytflüssigkeit (in g/cm³);
V: mittlerer Volumenstrom pro Zelle (in crnVs).

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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 585/12:

Claims

Patentansprüche:

1. Batterie aus einer Mehrzahl fest miteinander verbundener elektrochemischer Zeilen, insbesondere Brennstoffelemente, oder Wasserabreicherungszellen, deren Elektrolytversorgung parallel über gemeinsame Haupteinströmkanäle und Hauptausströmkanäle sowie Versorgungskanäle an den einzelnen Elektrolyträumen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer wenigstens annähernd gleichen betriebsmäßigen Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausströmöffnung sämtlicher Elektrolyträume der Querschnitt des Hauptausströmkanals größer bemessen ist als der des Haupteinströmkanals.

2. Batterie nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Austrittsstelle des Elektrolyten auf derselben Seite der Batterie angeordnet sind.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Radius des Haupteinströmkanals zum Radius des Hauptausströmkanals etwa 0,64 beträgt.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungskanä-Ie einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.