DE2146974B2 - Brennstoffbatterie mit diskontinuierlicher elektrolytspuelung - Google Patents

Description

halter zurückgeführt, wobei nach Beendigung der F.lekirolytzirkulation die während des Spülvorganges im Verteiler und Sammler zwischen den einzelnen Brennstoffelementen der Batterie hergestellten Elektrolytverbindungen durch Abfluß des Elektrolyten in den Vorratsbehälter aufgehoben werden.

Diese Art der Elcktrolytspülung, d. h. die Verwendung eines Elektrolytverteilers und eines El^ktrolytsammlers zur Verhinderung der inneren Kurzschlußströme in Brennstoffbaite.-ien, die auch in der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik«, 41. Jahrg. (1969), Heft 4, S. 146 bis 154. beschrieben ist, hat sich im praktischen Betrieb gut bewährt. Eine derart ausgerüstete Brennstoffbatterie hat beispielsweise über einen Zeitraum von annähernd vier |ahren gearbeitet, ohne daß durch Elekirolytkurzschlußströme bedingte Störungen aufgetreten sind.

Nachteilig kann sich bei derartigen Brennstoffbatterie« jedoch bemerkbar machen, daß die gesamte Anlage durch die Anordnung von Elektrolytverteiler und Eleklrolytsammler eine etwas sperrige Form annehmen kann, wodurch eine kompakte Bauweise erschwert wird. Dies kann sich beispielsweise bei der Verwendung solcher Batterien als Notstromaggregate störend auswirken. Ein Nachteil kann sich auch dadurch ergeben, daß bei der sperrigen Anordnung die Wärmeisolalion der Brennstoffbatterie problematisch sein kann. Eine gute Wärmeisolation gegenüber niedrigen Außentemperaturen ist insbesondere dann notwendig, wenn die Batterie im wartungsarmen oder wartungsfreien Betrieb als netzunabhängige Stromversorgungsanlage über einen längeren Zeitraum verwendet weiden soll, beispielsweise für Fernsehumselzer, meteorologische Stationen, Relaisstationen und andere unbemannte .Signalstationen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffbatterie aus mehreren Brennstoffelementen, deren Elektroden in Kunststoffrahmen gehalten sind, mit diskontinuierlicher Elektrolytspülung mit Hilfe eines aus einem Elektrolytverteiler und einem Elektrolytsammler bestehenden Elektrolyt-Unterbrcchcrsystems weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine möglichst kompakte Bauweise der Brennstoffbatterie erzielt werden. Darüber hinaus soll eine gute Wärmeisolation einer derartigen Batterie ermöglicht werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Elektrolyt-Unterbrechersystem in den Rahmen der Brennstoffelemente angeordnet ist, wobei Elektrolytverteiler und Eleklrolytsammler jeweils aus miteinander fluchtenden Bohrungen im oberen Bereich der Rahmen gebildet sind, daß in den Elektrolytvertcilcr die Elektrolytzuführungskanäle der einzelnen Brennstoffelemente und in den Elektrolytsammler die Elektrolytabführungskanäle münden, und daß der Grund der den Elektrolytverteiler bildenden Bohrung mindestens auf gleicher Höhe mit den Mündungen der Elektrolytabführungskanäle in den Elektrolytsammler liegt.

Die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie bietet zahlreiche Vorteile. Durch die Anordnung des aus einem Elektrolytverteiler und einem Eleklrolytsammler bestehenden Elektrolyl-Untcrbreehcrsystems in den Zcllrahmen der Brennstoffelemente wird eine einfache und kompakte Bauweise der Batterie und der gesamten Anlage erreicht. Hierdurch verringert sich das VoIu- ⁶S men der Anlage erheblich und die Herstellungskosten können beträchtlich reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht der einfache und kompakte Aufbau der Batterie eine ausgezeichnte Wärmeisolation.

Die diskontinuierliche Elektrolyispülung, die bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie Verwendung findet, bringt neben der Verminderung bzw. Unterbrechung der Elektrolyileckströme weitere Vorteile mit sich. Durch die reduzierten Elektrolytlecksiröme wird nämlich eine erhöhte Ausbeute der Reaktionspartner, d.h. ein erhöhter Umwandlungsgrad von chemischer Energie in elektrische Energie, erreicht. Darüber hinaus bewirkt die diskontinuierliche Spulung eine Verminderung der Konzentrationspolarisation in den Elektroden, wodurch sich ein verbesserter Spannungswirkungsgrad ergibt. Dies kann einer auf Grund der .Spülvorgänge erfolgenden periodischen Verschiebung der Dreiphasengrenze in den Elektroden zugeschrieben werden. Schließlich bewirkt die diskontinuierliche Elektrolytspülung die Beseitigung von Gasblasen aus den Elektrolyträumen und die Entfernung von Inertgaspolstern aus den aktiven Bereichen der Elektroden.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie kann der Elektrolytvericiler vorteilhaft auf einem höheren Niveau angeordnet sein als der Elektrolytsammler. Dadurch kann in einfacher Weise erreicht werden, daß nach Beendigung des Spülvorganges der Elektrolytverteiler vollkommen frei von Elektrolytflüssigkeit ist.

An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

Fig.! im Schnitt eine Einzelzelle einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie,

F i g. 2a und 2b jeweils im Schnitt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Anlage, bei der in einem Elektrolytkreislauf eine erfindungsgemäße Brennstoffbatterie, ein Elektrolytvorratsgefäß und eine Elckirolytpumpe angeordnet sind, und

F i g. 4 einen Schnitt durch den Zcllrahmen der Einzelzclle nach F i g. 1.

F i g. 1 zeigt im Schnitt eine Einzelzelle einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie. Diese Batterie ist als H2/O2-Brcnnstoffbatterie ausgebildet. Die einzelnen Brennstoffelemente dieser Batterie, d. h. die Einzelzellen, sind in der Weise aufgebaut, wie es in F i g. 4 dargestellt ist, wobei F i g. 4 den Schnitt IV durch den Zellrahmen der Einzel/.ellc nach F i g. 1 darstellt. In einem Kunststoffrahmen 41, beispielsweise aus Methacrylsäuremethylester, der etwa 4,1 mm stark ist. sind die Elektroden sowie die Gusräumc und der Elcktrolylraum angeordnet. Der Rahmen ist beispielsweise etwa 255 mm hoch und 220 mm breit. Der Elektrolytraum ist mit einem oder mehreren Nikkelnetz.cn 42, 43 ausgelegt, die gleichzeitig als Abstandshalter dienen. Beidseitig sind am Elektrolytraum Deckschichten 44, beispielsweise in Form von Asbestdiaphragmen, angeordnet. Anschließend an die Deckschichten folgen die Elektroden 45. vorzugsweise aus pulverförmiger!! Katalysatormaterial, das vorteilhaft Bindemittel enthalten kann, wodurch die Katalysatorkörner sowohl untereinander als auch an die Deckschicht gebunden werden. Auf diese Elektrodenschichten folgt jeweils wenigstens ein Nickelnetz 46, 47, wodurch die Ciasräume ausgebildet werden. Elektrochemische Zellen bzw. Brennstoffzellen mit einem derartigen Aufbau sind beispielsweise in den US-Patentschriften 34 71 336, 34 80 538 und 35 54 812 beschrieben. Die genannten Einzelteile der Brennstoffelemente sind sämtlich in Zellrahmen (von etwa 4,1 mm Dicke) unterge-

jraeht. Der Zellaufbau kann dabei etwas asymmetrisch sein, beispielsweise wenn die Kathode dünner ist als die Anode. Die Abdichtung der Gasräume in Bereich des Zellrahmens nach außen und zum Elektrolytraum hin erfolgt mit Dichtungen, beispielsweise in Form von Rundschnurringen (O-Ringen) 48 und 49. Die Dichtungen 49 sind geschlitzt, um den Durchtritt der Reaktionsgase zu den entsprechenden Gasräumen zu ermöglichen. Als Abschluß sind am Zellrahmen beidseitig Nickelbleche 50 angeordnet, die also auf die Gasräume folgen. Diese Nickelbleche, Dicke etwa 0,3 mm, dienen sowohl als Gastrennwände zwischen den Einzelzellen, als auch zur Kontaktierung. Da die Nickelbleche jeweils zwei Einzelzellen zuzuordnen sind, ergibt sich pro Einzelzelle eine Dicke von etwa 4,4 mm. Mehrere dieser Brennstoffelemente werden zu einer Batterie zusammengefaßt, wobei Endplatten, jeweils den Batterieabschluß bilden, und mit Hilfe von Schraubenbolzen zusammengepreßt werden; zur Aufnahme der Schraubenbolzen dienen Bohrungen 51 bzw. 52 im Zcllrahmen bzw. in den Nickelblechen.

In F i g. 1 ist der Zellrahmen mit 1 bezeichnet. Die äußere Form des Zellrahmens ist achteckig, der freie Raum 2 innerhalb des Zellrahmens hat einen kreisförmigen Querschnitt. Für die Elektroden ergibt sich dabei eine aktive Fläche von etwa 285 cm². Mit 3 und 5 sind die Zuführungskanäle für die gasförmigen Reaktanten bezeichnet, mit 4 und 6 die Abführungskanäle. Die Kanäle 3 und 5 bzw. 4 und 6 sind mit den entsprechenden Gasräumen in den Einzelzellen verbunden, beispielsweise durch Stichkanäle, die in der Figur nicht dargestellt sind. Den Brennstoffelektroden (Anoden) bzw. den zugehörigen Gasräumen wird beispielsweise durch den Kanal 3 Wasserstoff (H2) zugeführt und den Sauerstoffelektroden (Kathoden) bzw. den zugehörigen Gasräumen durch den Kanal 5 Sauerstoff (O2).

Die Abführung der gasförmigen Reaktanten erfolgt durch die den Kanälen 3 und 5 jeweils schräg gegenüberliegenden Kanäle 4 (für H2) bzw. 6 (für O2). Die Gasräume werden von den Reaktionsgasen also von oben nach unten durchströmt. Bohrungen 7 im Zcllrahmen 1 dienen zum Zusammenpressen der Batterie mittels Schraubenbolzen.

Im oberen Bereich des Zellrahmens 1. d.h. im Bereich der oberen Begrenzung der freien Räume 2, sind der Elektrolytverteiler 8 und der Elektrolytsammler 10 angeordnet. Der Elektrolytverteiler dient dabei gleichzeitig als Hauptzuführungskanal für die Elektrolytflüssigkeit innerhalb der Brennstoflbatterie. Der Elektrolytsammler dient gleichzeitig als Hauptabführungskanal für die Elcktrolytflüssigkeit innerhalb der Batterie. Kanäle 9 und 11 verbinden die Elektrolythauptkanäle 8 bzw. 10 mit dem Elektrolytraum jedes einzelnen Brennstoffelementes der Batterie. Die Kanäle 9 dienen dabei jeweils als Elektrolytzuführungskanäle, die Kanäle 11 als Elektrolytabführungskanälc. Der Elektrolytsammler kann vorteilhaft einen größeren Durchmesser aufweisen als der Elektrolytverteiler. Dadurch kann ein guter und ungehinderter Ablauf der Elektrolytflüssigkeit erreicht werden. Der Elektrolytverteiler kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa b mm aufweisen und der Elektrolytsammler einen Durchmesser von etwa 19 mm.

Durch die Anordnung der Elektrolythauptkanälc. d. h. des Elcktrolyl-Unterbrccriersystems aus F.lcktrolytvcrteiler 8 und Elcktrolytsammler 10. im oberen Bereich der Zcllrahmen und somit der Brennstoffbatterie, rrfoltil im Gegensatz /11 bisher bekannten Batterien (US-Patentschrift 35 24 769) sowohl die Elekirolyt/.uführung zu den Elektrolyträumen als auch die Elektrolytabführung aus den Elektrolyträumen in deren oberen Bereichen. Bei den bekannten Batterien wird die Elcktrolytflüssigkeit dagegen den Elcktrolyiräumcn von unten zugeführt und oben wieder abgeführt.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie, bei der sowohl die Elcktrolylzuführungskanäle als auch die Elektrolytabführungskanälc im oberen Bereich der

ό Brennstoffelemente angeordnet sind, wird eine Elektrolytzirkulation innerhalb der Elektrolyträume insbesondere dadurch erreicht, daß die Elektrolytflüssigkeit während des Spülvorganges mit Hilfe einer Elektrolytpumpe mit verhältnismäßig hoher Strömungsgeschwin-

'5 digkeit bzw. hoher Fördergeschwindigkeit durch die Elektrolytzuführungskanäle in die Elektrolyträumc transportiert wird. Die Elektrolytzirkulation, die für einen guten Konzentrationsausgleich innerhalb der Elektrolyträume sorgt, kann dadurch noch verstärkt

*> werden, daß die Elektrolytzuführungskanäle in der Weise angeordnet sind, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist, nämlich vom zugehörigen Elektrolythauptkanal aus senkrecht nach unten verlaufen. Durch die Elektrolytzirkulation wird die im Elektrolytraum vorhandene Elektrolytflüssigkeit zum Elektrolytabführungskanal und weiter zum entsprechenden Elektrolythauptkanal transportiert, während frische Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolytraum gelangt. Infolge der starken Turbulenz bei der Elektrolytzirkulation werden dabei auch die Randzonen des Elektrolytraumes mit frischem Elektrolyt versorgt. Neben diesen hydrodynamischen Effekten machen sich, insbesondere bei geringer Strömungsgeschwindigkeit, unterstützend aber auch noch zwei hydrostatische Effekte bemerkbar. Die Dichte der Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolyträumen wird nämlich durch das gebildete Reaktionswasser merklich geringer und darüber hinaus noch durch die Temperaturerhöhung, die durch die Verlustwärme hervorgerufen wird, weiter vermindert. Der dadurch bedingte Dichleuntersehied zwischen frischer und verbrauchter. d. h. im Elektrolytraum vorhandener Elektrolytflüssigkeit bewirkt, daß der frische, schwerere Elektrolyt vom Elektrolytzuführungskanal aus nach unten sinkt und dabei den verbrauchten, leichteren Elektrolyt aus dem Elektrolytraum verdrängt.

Wie bereits erwähnt, kann bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie der Elektrolytverteiler 8 vorteil haft auf einem höheren Niveau angeordnet sein als dei Elektrolytsammler 10.

Die Anordnung auf unterschiedlicher Höhe bewirk dabei, daß sich nach beendeter Elektrolytzirkulatior d. h. nach Beendigung der Spülphase, im Elektrolytzii führungskanal 9 ein Flüssigkeitsniveau einstellt, da zwischen der Einmündung 12 dieses Kanals 9 in de Elektrolytverteiler 8 und der Einmündung 13 diese Kanals 9 in den zugehörigen Elektrolytraum liegt. V01 gegeben ist dieses Niveau durch die Höhe der Einmür dung 14 des Elektrolytabführungskanals 11 in den EIcI trolytsammler 10, da in der Ruhepause der Elektroly sammler zur Vermeidung von Elektrolytleckströmc frei von Elektrolytflüssigkeit ist. während die Elektn lytabführungskanäle mit Elektrolytflüssigkcit gefü sind. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung des Elcktr lytvcrteilcrs 8 samt Elckirolytzuführungskanal 9 tu des Elcktrolytsammlers 10 samt Elcktrolytabfiihrung kanal 11 derart, daß sich im F.lektrolytzuführungskar 9 das Flüssigkcitsniveati /wischen der Mündung 12. d. seiner F.inmiindunp in den !"lckirol>iverteiler, u

einem Bereich 15 einstellt, der etwa auf der gleichen Höhe liegt, wie die oberste Fliissigkeitsgrenze in den Elcktrolyträumen.

Der Flüssigkeitsspiegel im Kanal 9 soll sich oberhalb der Mündung 13 befinden, weil die Elektrolyträume vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein sollen. Würde der Flüssigkeitsspiegel unterhalb des Niveaus der Mündung 13 sinken, so könnte möglicherweise Luft aus dem Elektrolylvorratsgefäß in die Elektrolyträume eindringen. Diese Gefahr wäre insbesondere beim Vorhanden- |₀ sein einer Bypass-Leitung zum Druckausgleich zwischen Elektrolytverteiler und Elektrolytsammler gegeben, wobei die Luft aus dem Elektrolytvorratsgefäß über den Elektrolythauptabführungskanal. den Bypass, den Elektrolythauptzuführungskanal und die Elektrolytzuführungskanäie in die Elektrolyträume gelangen würde. Das Eindringen von Luft in die Elektrolyträume kann mit Sicherheit dann ausgeschlossen werden, wenn sich der Flüssigkeitsspiegel in den Elektrolytzuführungskanälen auf einem Niveau befindet, das oberhalb des Bereiches 15 liegt. Die obere Grenze für das Niveau des Flüssigkeitsspiegel im Elektrolytzuführungskanal 9 ist vorgegeben. Der Flüssigkeitsspiegel im Kanal 9 reicht während der Ruheperiode, d. h. während der Zeit, in der keine Elektrolytspülung vorgenommen wird, höchstens bis zur Mündung 12, da der Elektrolytverteiler 8 zur Unterbrechung der Elektrolytkurzschlußströme frei von Flüssigkeit ist.

Eine Batterie wurde beispielsweise aus 39 Arbeitszellen der beschriebenen Art und einer Indikatorzelle für die Inertgasspülung zusammengebaut. Zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen den Kunststoffrahmen und den Stahlschrauben zum Zusammenhalten der Batterie wurden Tellerfedern eingesetzt. Die komplette Batterie wurde auf einen Einschub montiert, so daß sie jederzeit mit geringem Aufwand aus der Gesamtanlage ausgebaut werden kann. Die elektrischen Kontakte können durch eine Steckverbindung leicht gelöst werden, die Anschlüsse für die Elektrolytflüssigkeit und die Reaktionsgase lassen sich mit Schnellverschlußkupplungen trennen.

Eine derartige Brennstoffbatterie soll nun beispielsweise eine Leistung von 100W abgeben, wobei die Mindestspannung 24 V betragen muß. Die Batterie soll, bezogen auf die Elektrolyttemperatur, in einem Temperaturbereich von -20 bis +60°C zufriedenstellend arbeiten. Die Batterie wird mit Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktanten (Betriebsdruck etwa 0.14 N/mm²) und wäßriger Kalilauge als Elektrolytflüssigkeit betrieben. Als Brennstoffkatalysator findet beispielsweise pulverförmiges Raney-Nickel Verwendung (Belegung etwa 200 mg/cm²), als Sauerstoffkaialysator pulverförmiges Raney-Silber (Belegung etwa 100 mg/cm²).

Da die niedrigste Betriebstemperatur — 20°C nicht unterschreitet, so kann Kalilauge im Konzentralionsbereich von 4 bis 12 Mol/l eingesetzt werden. Man kann daher bei Inbetriebnahme der Batterie beispielsweise 12 m KOH als Elektrolytflüssigkeit verwenden, wobei das Elektrolyt-Vorratsgefäß zu etwa ein Drittel gefüll) ist. Am Ende der Arbeitsphase ist dann das Elektrolytvorratsgefäß mit 4 m KOH gefüllt. Zwei Drittel der Gefäßkapazität stehen somit zum Auffangen des bei der elektrochemischen Reaktion gebildeten Reaktionswassers zur Verfugung.

Bei einer Dauerlast von 100 W werden etwa 1.151 <>5 Wasser pro Tag gebildet. Hat das Elektrolytvorratsgefäß ein Fassungsvermögen von 100 1. so würde die wartungsfreie Periode etwa 58 Tage betragen. Bei Fernsehkanalumsetzern mit Sendepausenauiomalik wird jedoch nur 17 Stunden lang die volle Leistung benötigt, während in der Sendepause (etwa 7 Stunden pro Tag) eine geringere Leistung, beispielsweise etwa 12 W, verlangt wird. In diesem Fall werden etwa 0,86 I H2O pro Tag gebildet, so daß sich eine wartungsfreie Periode von 77 Tagen ergibt. Durch die Elektrolytverdünnung durch das gebildete Reaktionswasser bzw. durch die damit verbundene Zunahme des Volumens der Elektrolytflüssigkeit ist die wartungsfreie Periode der Batterie jedoch nicht eingeschränkt. Die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie kann nämlich mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Ausbringung des Reaktionswassers ausgestattet sein. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der österreichischen Patentschrift 2 77 341 beschrieben. Auf diese Weise kann die Konstanthaltung der Elektrolytkonzentration, beispielsweise bei etwa 6 Mol/l, gewährleistet werden.

Der Elektrolytkreislauf besteht aus einem Elektrolytvorratsgefäß, einer Pumpe und der Brennstoffbatterie. Zur Konzentrationsbestimmung kann im Elektrolytkreislauf eine Spindel angeordnet sein, deren Skala direkt die KOH-Konzentration in Mol/l angibt. Bei Bedarf kann im Elektrolytkreislauf auch ein Filter vorgesehen werden. Zum Fördern der Elektrolytflüssigkeit kann beispielsweise eine Pumpe mit Gleichstrom-Spaltrohrmotor verwendet werden, wie sie in der »Siemens-Zeitschrift«, 44. Jahrgang (1970), Heft 6, S. 392 bis 395, beschrieben isi. Eine derartige Pumpe hat eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer.

Die Elektrolytumwälzung erfolgt diskontinuierlich, wobei beispielsweise die Ruhepause etwa 5 Stunden beträgt und die Spülphase 3 Minuten. Auf diese Weise können die Leckverluste durch den Elektrolytkurzschlußstrom sehr klein gehalten werden. Die Wirkungsweise der diskontinuierlichen Elektrolytspülung sei im folgenden kurz erläutert: Während des ersten Umpumpens tritt die Elektrolytflüssigkeit aus dem Hauptzuführungskanal 8 in die Elektrolytzuführungskanäle 9 und von dort in die Elektrolyträume der Brennstoffelemente ein. Wenn der Flüssigkeitsspiegel über die Elektrolytabführungskanäle 11 den Hauptabführungskanal 10 erreicht hat. wird dieser gefüllt und die Elektrolytflüssigkeit fließt anschließend in den Elektrolytvorratsbehälter zurück. Durch die Elektrolytzirkulation können auch Luftpolster, die sich im oberen Teil der Elektrolyträume gebildet haben, entfernt werden. Während der ganzen Dauer des Spülvorganges fließt über die Elektrolytkanäle ein Elektrolytkurzschlußstrom.

Wird nun die Elektrolytzirkulation beendet, so läufi die Elektrolytflüssigkeit über den Elektrolytsammler K solange ab, bis der Flüssigkeitsspiegel auf ein Niveai auf der Höhe der Einmündungen der Elektrolytabfüh rungskanäle in den Elektrolytsammler gefallen ist. Ir diesem Zustand besteht keine Elektrolytverbindunj mehr zwischen den einzelnen Brennstoffelementen. E: kann allerdings ein schwacher Elektrolytfilm auf den Kunststoff verbleiben. Ein dadurch bedingter schwa eher Leckstrom kann vorteilhaft durch Hydrophobie rung der Elektrolytkanäle beseitigt werden. Diese Vorgehen kann insbesondere bei Batterien kleinere Leistung (beispielsweise 25 W) zu empfehlen sein, d; dann der Leckstrom relativ stärker ins Gewicht fäll Hydrophobien werden dabei vorteilhaft wenigsten der Elektrolytverieiler und der Elektrolytsammler, d. \ die Teile der Elektrolythauptkanäle, die innerhalb de Batterie angeordnet sind. Es können darüber hinau

aber auch die Elektrolytzuführungskanäle und die Elektrolytabführungskanäle hydrophobiert werden. Die Hydrophobierung kann mit Hilfe von wasserabstoßenden Stoffen erfolgen, beispielsweise mit Kunststoffen, wie Polytetrafluorethylen oder Polyäthylen. Man kann dazu beispielsweise in der Weise vorgehen, daß man die entsprechenden Elektrolytkanäle mit einer Teflondispersion besprüht.

Ein vollständiges Ablaufen der Elektrolytflüssigkeit kann vorteilhaft auch dadurch erreicht werden, daß die Elektrolytabführungskanäle in den Elektrolytsammler auf einem Niveau münden, das oberhalb des Grundes der den Elektrolytsammler bildenden Bohrung liegt.

In der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie läßt sich durch die beschriebene Art der Anordnung des Elektrolyt-Unterbrechersystems der Elektrolytkurzschlußstrom stark vermindern.

Während in der Pumpperiode der Wasserstoffverbrauch für den Leckslrom beispielsweise 11,3 l/h (i. N.) beträgt, liegt er im Ruhezustand nur bei 1,5 l/h (i. N., d. h. im Normalzustand bzw. unter Normalbedingungen: Temperatur 0⁰C und Druck 760 Torr, entsprechend etwa 10⁵N/m²).

Die Fig. 2a und 2b, in denen der Schnitt UA bzw. HS durch die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie nach F i g. 1 dargestellt ist, zeigen eine vorteilhafte Anordnung des Elektrolyt-Unterbrechersystems, bei der der Elektrolytsar.imler und gegebenenfalls auch der Elektrolytverteiler gegen die Längsachse der Batterie geneigt sein kann. Durch die Neigung des Elektrolytsammlers kann ein einwandfreies Ablaufen der Elektrolytflüssigkeit nach beendeter Spühlphase gewährleistet werden.

Bei der in den F i g. 2a und 2b dargestellten Brennstoffbatterie 20 sind als Batterieabschluß Endplatten 21 und 22 vorhanden. Die Batterie besteht aus mehreren Brennstoffelementen 23, die in Kunststoffrahmen 24 angeordnet sind. Die Einzelzellen sind durch Nickclbleche 25 voneinander getrennt. In den Figuren sind die Einzelteile der Brennstoffelemente — Elektroden, Diaphragmen. Gasräume und Elektrolytraum — nicht zeichnerisch dargestellt. Die Zuführung und die Ableitung der Elektrolytflüssigkeit erfolgt an verschiedenen Batterieenden: Der Anschluß 26 für die Elektrolytzuführung befindet sich in der Endplatte 22, der Anschluß 27 für die Elektrolytabführung in der Endplatte 21.

Aus einem Vergleich der Fig. 2a und 2b, die Teilschnitte durch dieselbe Batterie darstellen, ist ersichtlich, daß in Jer erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie 20 der Elektrolytverteiler 28 auf einem höheren Niveau angeordnet sein kann als der Elektrolytsammler 29.

Aus F i g. 2b (die den Schnitt Ilß durch die Batterie nach F i g. 1 zeigt, wobei zur Verdeutlichung die Elektrolytabführungskanäle in die Schnittebene gelegt wurden) ist ersichtlich, daß der Elektrolytsammler 29 gegen die Längsachse der Brennstoffbatterie 20 geneigt ist. Aus der Figur ist weiter ersichtlich, daß die Mündungen 32 der Elektrolytabführungskanäle 31 in den Elektrolytsammler 29 auf einem Niveau liegen, das sich oberhalb des Grundes 33 der den Elektrolytsammler bildenden Bohrung befindet. Unter dem Begriff Grund wird dabei jeweils die tiefste Stelle einer Bohrung in einem Zellrahmen verstanden.

In F i g. 2a ist dargestellt, daß auch der Elcktrolytverteilcr 28 gegen die Längsachse der Batterie geneigt sein kann. Die Elektrolytzuführungskanäle 30 münden in den Elektrolytvcrteiler am Grunde der den Elektrolytvertciler bildenden Bohrung.

Durch die Neigung des Elektrolytsammlers und gegebenenfalls auch des Elektrolytverteilers wird ein einwandfreies und vollständiges Ablaufen der Elektrolytflüssigkeil gewährleistet. Bei Batterien aus einer großen Anzahl von Brennstoffzellen erweist es sich als vorteilhaft, wenn sowohl der Elektrolytsammler als auch der Elektrolytverteiler gegen die Längsachse der Batterie geneigt sind, da dann in einfacher Weise gewährleistet ist, daß sich der Flüssigkeitsspiegel in allen ίο Elektrolytzuführungskanälen auf das gewünschte Niveau einstellt.

Ein einwandfreies und vollständiges Ablaufen der Elektrolytflüssigkeit aus dem Elektrolyt-Unterbrcchersystem kann aber auch dadurch erreicht werden, daß das Unterbrechersystem insgesamt geneigt wird. Dies erfolgt vorteilhaft dadurch, daß die Brennstoffbatterie in Richtung ihrer Längsachse schräg aufgestellt wird. Die Schrägstellung der Batterie erweist sich gegenüber der Ausführungsform mit gegen die Längsachse geneigten Elektrolythauptkanälen insbesondere dann als vorteilhaft, wenn vielzellige Batterien vorliegen, weil bei derartigen Batterien der konstruktive Aufwand (bei der Schräganordnung der Elektrolythauptkanälc) beträchtlich sein kann.

Bei einer vierzigzelligen Batterie, deren Längsachse beispielsweise etwa 20 cm beträgt, hat sich bei der Schrägstellung ein Gefälle zwischen 4 und 12 mm, bezogen auf die gesamte Länge der Batterie, als vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise weist eine derartige Batterie eine Neigung von etwa 8 mm auf der gesamten Länge (von 20 cm) auf. Dies bedeutet, daß die Neigung relativ gering ist; sie liegt im allgemeinen etwa im Bereich zwischen 2 und 6%, insbesondere bei etwa 4%.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie kann weiterhin vorteilhaft zwischen dem Elektrolytverteiler und dem Elektrolytsammler eine Bypass-Leitung vorgesehen sein. Diese Leitung bewirkt einen Druckausgleich zwischen dem Eiektrolytverteibr und dem Elektrolytsammler. Dadurch wird erreicht, daß sich die Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolytzuführungs- und den Elektrolytabführungskanälen nach beendeter Spülphase rasch und in einfacher Weise auf demselben Niveau einstellt.

Die Bypass-Leitung vom Elektrolytverteiler bzw. vom Elektrolythauptzuführungskanal zum Elektrolytsammler bzw. zum Elektrolythauptabführungskanal ist an einer Endfläche der Batterie angeordnet, wodurch sich ein kurzer Leitungsweg ergibt. In den F i g. 2a unc 2b ist dargestellt, wie die Bypass-Leitung 34 zurr Druckausgleich den Elektrolytvcrteiler 28 mit derr Elektrolytsammler 29 verbindet. Der Bypass 34 ist da bei wenigstens teilweise in der Endplatte 22 angeord net; er zweigt vom Elektrolytvertcilcr 28 ab. über brückt - teilweise außerhalb der Batterie - die Ent fernung zwischen dem Elcktrolytverteiler und den Elektrolytsammler und mündet in einer Aussparung 3! in der Endplatte 22 in den Elektrolytsammler 29.

In F i g. 3, in der eine Anlage, bestehend aus eine

erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie 20. einem Elek

trolytvorratsgefäß 37 und einer Elektrolytpumpe 38 -

angeordnet in einem Elektrolytkreislauf - dargestell

¹St, ist die obengenannte Bypass-Leitung ebenfalls mi

34 bezeichnet. In F i g. 3 kommt deutlicher zum Aus

druck, daß diese Bypass Leitung, die zumindest zur

⁵ Teil in der Endplatte 22 angeordnet ist, nur eine kurz

Strecke überbrückt.

In den F i g. 2a. 2b und 3 sind entsprechende Teil mit den gleichen Bezugs ziffern versehen.

In der Bypass-Lcilung 34 zwischen dem Elektrolytverteiler 28 und dem Elektrolytsammler 29 kann vorteilhaft ein Schwimmerventil 36 angeordnet sein. Dieses Schwimmerventil verhindert den Übertritt von Elektrolytflussigkcit vom Elektrolytvericilcr zum Elektrolytsammler durch den Bypass. Das Schwimmerventil 36 ist als Rückschlagventil für die Flüssigkeit ausgebildet, es ermöglicht aber einen Druckausgleich für Gase. Das Schwimmerventil ist deshalb vorteilhaft, weil während der Elektrolytzirkulation im Elektrolythauptzuführungskanal bzw. im Elektrolytvcrteiler ein höherer Druck herrscht als im Elektrolythaupiabfiihrungskana! bzw. im Elektrolytsammler.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie kann weiterhin vorteilhaft die Bypass-Lcitung 34 zwischen Elektrolytverteiler 28 und Elektrolytsammler 29 durch eine zusätzliche Leitung 39 mit dem Elcktrolytvorratsgefäß 37 verbunden sein. Die Leitung 39 dient zur Gewährleistung eines vollständigen Druckausgleiches zwischen dem Elektrolytverteiler und dem Elektrolytsammler. Die Leitung 39 mündet vorzugsweise zwischen dem Schwimmerventil 36 und dem Elektrolytsammlcr 29 in den Bypass 34. Die Mündung der Leitung 39 in den Bypass 34 befindet sich darüber hinaus vorteilhaft am höchsten Punkt der Bypass-Leitung 34.

Allein zur Sichcrstellung eines vollständigen Druckausgleiches würde es beispielsweise auch genügen, daß der Bypass 34 durch eine Öffnung zum Druckausgleich mit der Atmosphäre verbunden ist. Dabei würde sich jedoch der Nachteil ergeben, daß die in einer Knallgasbatterie (H'/Ch-Brennstofibauerie) als lileklrolytflüssigkeil verwendete Kalilauge durch den Kohlendioxidgehalt der Luft carbonatisicrt würde. Um diese Gefahr zu vermeiden, muß deshalb ein CO:-Zutritt verhinden werden. Dies erfolgt insbesondere bei Brennstoffbatte rien, die längere Zeit wartungsfrei arbeiten sollen, ir der oben beschriebenen Weise, wobei der Bypas; (durch eine zusätzliche Leitung) mit dem Elektrolytvor ratsgefäß verbunden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbatterie aus mehreren Brennstoffelementen, deren Elektroden in Kunststoffrahmen gehalten sind, mit diskontinuierlicher tiiekiroi) !spülung mit Hilfe eines aus einem Elektrolytverieiler und einem Elektrolytsammler bestehenden Elektrolyt-Unterbrechersystems, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolyt-Unierbreehersystem in den Rahmen der Brennstoffelemente angeordnet ist, wobei Elektrolytverteiler und Elektrolytsammler jeweils aus miteinander fluchtenden Bohrungen im oberen Bereich der Rahmen gebildet sind, daß in den Elektrolytverteiler die Elektrolytzuführungskanäle der einzelnen Brennstoffelemente und in den Elektrolytsammler die Elckuolytabführungskanäle münden, und daß der Grund der den Elektrolytverteiler bildenden Bohrung mindestens auf gleicher Höhe mit den Mündungen der Liektrolytabführungskanäle in den Elektrolytsammler liegt.

2. Brennstoffbatterie nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytverteiler aiii einem höheren Niveau angeordnet ist als der hlektrolytsammlcr.

3. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elcktrolytabführungskanäle in den Eicktrolytsammler auf einem Niveau münden, das oberhalb des Grundes der den Elektrolytsammler bildenden Bohrung liegt.

4. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyisammler und gegebenenfalls der Elc-ktrolytverteiler gegen die Längsachse der Batterie geneigt ist.

5. Brennstoffbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytverteiler und der Elektrolytsammler hydrophobiert sind.

6. Brennstoffbatterie nach einem oder mehreren

Brennstoffbatterie, ein Elektrolyivorratsgefäß und eme Pumpe angeordnet sind. Bei emer derartigen Anordnung bei der die Elektrolyträume sämtlicher Brennstoffelemente der Batterie parallel zueinander in einem

ς Kreislauf angeordnet sind, stehen d.e einzelnen Brenn-

S±^Up!e„,5 untereinander über die Elek.rolytflüssigkeiHn" Verbindung. Diese Elektrolytverbindungen bewirken dann Kurzschlußströme, sogenannte Leckströ me Die Leckströme liegen bei Batterien üblicher Bau-

art'etwa im Bereich zwischen 0,5 und 1.0 A. Durch die Leckströme kann der Wirkungsgrad der Batterien erheb!^;ch herabgesetzt werden. Das Auftreten von Leckströmen in der genannten Größenordnung ,st immer dann nicht tragbar, wenn die vorgesehenen Belastungs-

i< ströme der Batterien ebenfalls in dieser Größenordnung liegen d. h. wenn die Batterien mit kleinen bis mittleren Stromdichten betrieben werden sollen. Dies gilt insbesondere für Brennstoffbatterie^ die als Notstromaggregate vorgesehen sind und im einsatzbere.-

ten Zustand lange Zeit unbelastet stehen, wobei bereits ein geringer Kurzschlußstrom einem hohen Verlust gleichkommt, und auch für Brennstoffbatterien, die mit kleinen Belastungen über einen längeren Zeitraum wartungsfrei betrieben werden sollen

Zur Verringerung bzw. Unterbrechung von Llektro-Ivikurzschlußströmen in Brennstoffbatterien sind be-His verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekanntgeworden. Aus der US-Patentschrift 35 22 098 ist es bekannt zur Verminderung von Elektrolyikurz-

schlußströmen in den Elektrolyten von Brennstoff^..-terien vor dessen Eintritt in die Brennstoffelemente periodisch Gas zu injizieren, so daß Gasblasen gebildet werden. Dadurch wird der Querschnitt des Elektrolytfadens am Ort der Blasen verkleinert und der elektrisehe Widerstand erhöht.

Aus der US-Patentschrift 35 24 769 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterbrechung des Kurzschlußstromes in Batterien aus wenigstens zwei elektrisch in Serie geschalteten, vom Elektrolyten parallel

b. Brcnnstollbatterie nacli einem oaer menieiun uui -v...- t>~— , , _{n R} ·

der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß 40 durchströmten Brennstoffelementen bekannt Bc, . , ^K ^, , , . . ., jr-ii .__i.... i,,. ,„„-, hpl^nnten Verfahren wird oberhalb einei »

zwischen Elektrolylverteiler und Elektrolytsammler eine Bypass-Leilung vorgesehen ist.

7. Brennstoffbatterie nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypass-Leitung zwisem bekannten Verfahren wird oberhalb einer Brennstoffbatterie ein Elektrolyt-Unterbrechersystem angeordnet, das aus einem Elektrolytverteiler und einem Elektrolyisammler besteht. Oberhalb des Unter-

gckcnnzeichnet, aau in aer öypa:>s-L.enuiig /wi- ■..,..,^.w.j.-.» -■ .

sehen Elektrolytver.eilerund Elekirolylsammlcr ein 45 brcchersystems befindet sich er η N.veaugcfaB. das mn „ . ■ ... , .- . ,),,,„ Fioi,irr.lvtvprti>i er verbunden ist. Der Elektrolyt-

Schwimmerventil angeordnet ist.

8. Brennstoffbatterie nach Anspruch 6 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung durch eine zusätzliche Leitung mit dem Elcktrolytvorratsgefäß verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie aus mehreren Brennstoffelementen, deren Elektroden in Kunststoffrahmen gehalten sind, mit diskontinuierlicher Elektrolytspülung mit Hilfe eines aus einem Elektrolytverteiler und einem Elektrolytsammler bestehenden Elektrolyt-Unterbrechersystems.

Bei Brennstoffbattericn aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffelementen erfolgt die Elektrolytvcrsorgung meistens in der Weise, daß die einzelnen Brennstoffelemente von der Rlektrolytflüssigkeil parallel durchströmt werden. Zur gleichmäßigen Versorgung aller Einzelelemente und j'.um Konzentrationsausglcich kann dabei die Elektrolytflüssigkcit umeewälzt werden, wobei in einem Elektiolvtkrcislauf die dem Eleklrolytverteiler verbunden ist. Der Elektrolyiverieiler wird durch Trennwände in Trennkammern unterteilt, von denen jede separat mit dem Elektrolytraum eines Brennstoffelementes der Batterie vcrbun-

den ist. Die Elektrolyträume sind darüber hinaus mit dem Elektrolytsammler verbunden und der Elektrolytsammler ist mit einem Elektrolytvorraisgefäß verbunden. Das Verfahren schließt eine diskontinuierliche F.lekirolytspülung der Brennstoffbatterie ein. Während

die F.lckirolyträumc ständig mit Elektrolytfliissigkcii gefüllt sind, sind während der Ruhephasc der Elektrolytvertciler und die Zuleitungen von den Elektrolyträumen zum Elektrolytsammler nur soweit mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt, daß weder im Verteiler noch im

Sammler durch Elektrolytverbindungen Kur/schlußströme auftreten können. Während der Spülphase wird der Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter in das Niveaugefäß gepumpt, aus dem er diskontinuieilich in den Verteiler geführt wird. Ober die Trennkammern des

Verteilers gelangt der Elektrolyt separat in den Elektrolytraum jedes einzelnen Brennstoffelemenges. Nach Durchfließen der Elcklrolyträume der Batterie wird der Elektrolyt über das Sammclgefäß in den Vorratsbc-