DE2146974C3 - Brennstoffbatterie mit diskontinuierlicher Elektrolytspülung - Google Patents

Description

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 Brennstoffbatterien aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffelementen erfolgt die Elektrolytversorgung meistens in der Weise, daß die einzelnen Brennstoffelemente von der Elektrolytflüssigkeit parallel durchströmt werden. Zur gleichmäßigen Versorgung aller Einzelelemente und zum Konzentrationsausgleich kann dabei die Elektrolytflüssigkeit umgewälzt werden, wobei in einem Elektrolytkreislauf die Brennstoffbatterie, ein Elektrolytvorratsgefäß und eine Pumpe angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung, bei der die Elektrolyträume samtlicher Brennstoffelemente der Batterie parallel zueinander in einem Kreislauf angeordnet sind, stehen die einzelnen Brennstoffelemente untereinander über die Elektroiytflüssigkeit in Verbindung. Diese Elektrolytverbindungen bewirken dann Kurzschlußströme, sogenannte Leckströme. Die Leckströme liegen bei Batterien üblicher Bauart etwa im Bereich zwischen 0,5 und 1,0 A. Durch die Leckströme kann der Wirkungsgrad der Batterien erheblich herabgesetzt werden. Das Auftreten von Leckströmen in der genannten Größenordnung ist immer dann nicht-tragbar, wenn die vorgesehenen Belastungsströme der Batterien ebenfalls in dieser Größenordnung liegen, d.h. wenn die Batterien mit kleinen bis mittleren Stromdichten betrieben werden sollen. Dies gilt insbesondere für Brennstoffbatterien, die als Notstromaggregate vorgesehen sind und im einsatzbereiten Zustand lange Zeit unbelastet stehen, wobei bereits ein geringer Kurzschlußstrom einem hohen Verlust gleichkommt, und auch für Brennstoffbatterie, die mit kleinen Belastungen über einen längeren Zeitraum wartungsfrei betrieben werden sollen.

Zur Verringerung bzw. Unterbrechung von Elektrolytkurzschlußströmen in Brennstoffbatterien sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekanntgeworden. Aus der US-Patentschrift 35 22 098 ist es bekannt, zur Verminderung von Elektrolytkurzschlußströmen in den Elektrolyten von Brennstoffbatterien 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 elektrische Widerstand erhöht.

Aus der US-Patentsciirift 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 durchströmten Brennstoffelementen bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird oberhalb einer Brennstoffbatterie ein Elektrolyt-Unterbrechersystem angeordnet, das aus einem Elektrolytverteiler und einem Elektrolytsammler besteht. Oberhalb des Unterbrechersystems befindet sich ein Niveaugefäß, das mit dem Elektrolytverteiler verbunden ist. Der Elektrolytverteiler wird durch Trennwände in Trennkammern unterteilt, von denen jede separat mit dem Elektrolytraum eines Brennstoffelementes der Batterie verbunden ist. Die Elektrolyträume sind darüber hinaus mit dem Elektrolytsammler verbunden und der Elektrolytsammler ist mit einem Elektrolytvorratsgefäß verbunden. Das Verfahren schließt eine diskontinuierliche Elektrolytspülung der Brennstoffbatterie ein. Während die Elektrolyträume ständig mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt sind, sind während der Ruhephase der Elektrolytverteiler und die Zuleitungen von den Elektrolyträumen zum Elektrolytsammler nur soweit mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt, daß weder im Verteiler noch im Sammler durch Elektrolytverbindungen Kurzschlußströme auftreten können. Während der Spülphase wird der Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter in das Niveaugefäß gepumpt, aus dem er diskontinuierlich in den Verteiler geführt wird. Ober die Trennkammern des Verteilers gelangt der Elektrolyt separat in den Elektrolytraum jedes einzelnen Brennstoffelemenges. Nach Durchfließen der Elektrolyträume der Batterie wird der Elektrolyt über das Sammelgefäß in den Vorratsbe-

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

Diese Art der Elektrolytspülung, d. h. die Verwendung eines Elektrolytverteilers und eines Elektrolytsammlers zur Verhinderung der inneren Kurzschlußströme in Brennstoffbatterien, die auch in der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technikfc, 4L 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 Jahren gearbeitet, ohne daß durch Elektrolytkurzschlußströme bedingte Störungen, aufgetreten sind.

Nachteilig kann sich bei derartigen Brennstoffbatterien jedoch bemerkbar machen, daß d^:e gesamte Anlage durch die Anordnung von Elektrolytverteiler und Elektrolytsammler 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 Wärmeisolation 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 werden soll, beispielsweise für Fernsehumsetzer, 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-Unterbrechersystems weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine möglichst kompakte Bauweise der Brennstoffbatterie erzielt werden. Darüber hinaus soll eine gute Wärmeisolaiion einer derartigen Batterie ermöglicht werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Elektrolyt-Unterbrechersystem 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 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 Elektrolytsammler bestehenden Elektrolyt-Unterbrechersystems in den Zellrahmen der Brennstoffelemente wird eine einfache und kompakte Bauweise der Batterie und der gesamten Anlage erreicht. Hierdurch verringert sich das VoIumen der Anlage erheblich und die Herstellungskosten können beträchtlich reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht der einfache und kompakte Aufbau der Batterie eine ausgezeichnte Wärmeisoiation.

Die diskontinuierliche Elektrolytspülung, die bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie Verwendung findet, bringt neben der Verminderung bzw. Unterbrechung der Elektrolytleckströme weitere Vorieile mit sich. Durch die reduzierten Elektrolytleckströme wird nämlich eine erhöhte Ausbeute der Reaktionspartner, d. h. ein erhöhter b'mwandlungsgrad von chemischer Energie in elektrische Energie, erreicht Darüber hinaus bewirkt die diskontinuierliche Spülung 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 Elektroiyträumen und die Entfernung von Inertgaspolstern aus den aktiven Bereichen der Elektroden.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie kann der Elektrolytverteiler 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

F i g. 1 im Schnitt eine Einzelzelle einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie,

F i g. 2a und 2b jeweils im Schnitt die Aüsführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie nach Fig.l.

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

F i g. 4 einen Schnitt durch den Zellrahmen der Einzelzelle 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-Brennstoffbatterie 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 Einzelzelle nach Fig.l darstellt. In einem Kunststoffrahmen 41, beispielsweise aus Methacrylsäuremethylester, der etwa 4,1 mm stark ist, sind die Elektroden sowie die Gasräume und der Elektrolytraum angeordnet. Der Rahmen ist beispielsweise etwa 255 mm hoch und 220 mm breit. Der Elektrolytraum ist mit einem oder mehreren Nikkeinetzen 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 pulverförmigem Katalysatormaterial, das vorteilhaft Bindemittel enthalten kann, wodurch die Katalysatorkörner sowohl untereinander als auch an die Deck schicht gebunden werden. Auf diese Elektrodenschich ten folgt jeweils wenigstens ein Nickelnetz 46, 47, wo durch die Gasräume ausgebildet werden. Elektrochemi sehe Zellen bzw. Brennstoffzellen mit einem derartiger Aufbau sind beispielsweise in den US-Patentschrifter 34 71 336, 34 80 538 und 35 54 812 beschrieben. Die ge nannten Einzelteile der Brennstoffelemente sind samt lieh in Zellrahmen (von etwa 4,1 mm Dicke) unterge

bracht. 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 Zellrahmen 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 Einzelzeilen 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 Zellrahmen 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 Brennstoffbatterie. Der Elektrolytsammler dient gleichzeitig als Hauptabführungskanal für die Elektrolytflüssigkeit 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 Elektrolytabführungskanäle. 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 6 mm aufweisen und der Elektrolytsammler einen Durchmesser von etwa 19 mm.

Durch die Anordnung der Elektrolythauptkanäle, d. h. des Elektrolyt-Unterbrechersystems aus Elektrolytverteiler 8 und Elektrolytsammler 10, im oberen Bereich der Zellrahmen und somit der Brennstoffbatterie, erfolgt im Gegensatz zu bisher bekannten Batterien (US-Patentschrift 35 24 769) sowohl die Elektrolytzuführung zu den Elektrolyträumen als auch die Elektrolytabführung aus den Elektrolyträumen in deren oberen Bereichen. Bei den bekannten Batterien wird die Elektrolytflüssigkeit dagegen den Elektrolyträumen von unten zugeführt und oben wieder abgeführt.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie, bei der sowohl die Elektrolytzuführungskanäle als auch die Elektrolytabführungskanäle im oberen Bereich der Brennstoffelemente angeordnet sind, wird eine Elektrolytzirkulation innerhalb der Elektrolyträume insbesondere dadurch erreicht, daß die Elektrolytflüssigkeit während des Spülvorganges mit Hilfe einer EIeV trolyipumpe mit verhältnismäßig hoher Strömungsgeschwindigkeii bzw. hoher Fördergeschwindigkeit durch die Elektrolytzuführungskanäle in die Elektrolyträurne transportiert wird. Die Elektrolytzirkulation, die für einen guten Konzentrationsausgleich innerhalb der Elektrolyträume sorgt, kann dadurch noch verstärkt

to 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 Elektrolytabführungskarial und weiter zum entsprechenden Elektrolythauptkarial 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

Dichteunterschied 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 Elektrclytraum verdrängt.

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

Die Anordnung auf unterschiedlicher Höhe bewirkt dabei, daß sich nach beendeter Elektrolytzirkulation, d. h. nach Beendigung der Spülphase, im Elektrolytr.uführungskanal 9 ein Flüssigkeitsniveau einstellt, das zwischen der Einmündung 12 dieses Kanals 9 in den

Elektrolytverteiler 8 und der Einmündung 13 dieses Kanals 9 in den zugehörigen Elektrolytraum liegt. Vorgegeben ist dieses Niveau durch die Höhe der Einmündung 14 des Elektrolytabführungskanals 11 in den Elektrolytsammler 10, da in der Ruhepause der Elektrolyt-

sammler zur Vermeidung von Elektrolytleckströmen frei von Elektrolytflüssigkeit ist. während die Elektrolytabführungskanäle mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt sind. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung des Elektrolytverteilers 8 samt Elektrolytzuführungskanal 9 und "5 des Elektrolytsammlers 10 samt Elektrolytabführungskanal 11 derart, daß sich im Elektrolytzuführungskanal 9 das Flüssigkeitsniveau zwischen der Mündung 12, d. h. seiner Einmündung in den Elektrolytverteiler, und

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

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 Elektrolytvorratsgefäß in die Elektrolyträume eindringen. Diese Gefahr wäre insbesondere beim Vorhandensein einer Bypass-Leitung zum Druckausgleich zwischen Elektrolytverteiler und Elektrolytsammler gegeben, wobei die Luft aus dem Elektrolytvorratsgefäß Ober den Elektrolythauptabführungskanal, den Bypass, den Elektrolythauptzuführungskanal und die Elektrolytzuführungskanäle 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 beschiiebenen 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 Schnell Verschlußkupplungen trennen.

Eine derartige Brennstoffbatterie soll nun beispielsweise eine Leistung von 100 W 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/mm^;) und wäßriger Kalilauge als Elektrolytflüssigkeit betrieben. Als Brennstoffkatalysator findet beispielsweise pulverförmiges Raney-Nickel Verwendung (Belegung etwa 200 mg/cm²), als Sauerstoffkatalysator pulverförmiges Raney-Silber (Belegung etwa 100 mg/cm²).

Da die niedrigste Betriebstemperatur -20⁰C nicht unterschreitet so kann Kalilauge im Konzentrationsbereich 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-VorratsgefäB zu etwa ein Drittel gefüllt 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 100W werden etwa 1.151 Wasser pro Tag gebildet. Hat das Elektrolytvorratsgefäß ein Fassungsvermögen von 1001, so würde die wartungsfreie Periode etwa 58 Tage betragen. Bei Fern sehkanalumsetzern mit Sendepausenautomatik 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 Konzenlrationsbestimmung kann im Eleklrolytkreislauf 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 ist. 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 Elektrolytkurzschlußsirom 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 Eleklrolytzuführungskanäle 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 läuft die Elektrolytflüssigkeit über den Elektrolytsammler 10 solange ab, bis der Flüssigkeitsspiegel auf ein Niveau auf der Höhe der Einmündungen der Elektrolytabfüh rungskanäle in den Elektrolytsammler gefallen ist In diesem Zustand besteht keine Elektroiytverbindung mehr zwischen den einzelnen Brennstoffelementen. Es kann allerdings ein schwacher Elektrolytfilm auf dem Kunststoff verbleiben. Ein dadurch bedingter schwa eher Leckstrom kann vorteilhaft durch Hydrophobie rung der Elektrolytkanäle beseitigt werden. Dieses Vorgehen kann insbesondere bei Batterien kleinerei Leistung (beispielsweise 25 W) zu empfehlen sein, da dann der Leckstrom relativ stärker ins Gewicht fällt Hydrophobien werden dabei vorteilhaft wenigsten: der Eiektrolytverteiler und der Elektrolytsammler, d. h die Teile der Elektrolythauptkanäle, die innerhalb dei Batterie angeordnet sind. Es können darüber hinau;

609 636/337

ίο

aber auch die Elektrolytzufiihrungskanäle 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 Elektrolyisammler 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 Leckstrom 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 10⁵ N/m²).

Die F i g. 2a und 2b, in denen der Schnitt UA bzw. Ilß durch die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie nach F i g. 1 dargestellt ist, zeigen eine vorteilhafte Anordnung des Elektrolyt-Unterbrechersystems, bei der der Elektrolytsammler 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 unr! 22 vorhanden. Die Batterie besteht aus mehreren Brennstoffelementen 23, die in Kunststoffrahmen 24 angeordnet sind. Die Einzelzeüen sind durch Nickelbleche 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 der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie 20 der Elektrolytverteiler 28 auf einem höheren Niveau angeordnet sein kann als der Elektrolytsammler 29.

Aus Fi g. 2b (die den Schnitt 115 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 Elektrolytverteiler 28 gegen die Längsachse der Batterie geneigt sein kann. Die Elektrolytzuführungskanäle 30 münden in den Elektrolytverteiler am Grunde der den Elektrolytverteiler bildenden Bohrung.

Durch die Neigung des Elektrolytsammlers und gegebenenfalls auch des Elektrolytverteilers wird ein einwandfreies und vollständiges Ablaufen der Elektrolytflüssigkeit 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 den, Elektrolyt-Unterbrechersystem 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 Battc-

rie eine Neigung von etwa 8 mm auf der gesamten Lange (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 Elektrolytvertcilcr und dem FJektrolytsammler eine Bypass-Leitung vorgesehen sein. Diese Leitung bewirkt einen Druckausgleich zwischen dem Eiektroiytverteiler und dem Eicktrolytsammlcr. Dadurch wird erreicht, daß sich die Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolytzuführungs- und den Elektrolytabführungskanälen nach beendeter Spülphase rasch und in einfacher Weite auf demselben Niveau einstellt.

Die Bypass-Leitung vom Elektrolytverteiler bzw.

vom Elektrolythauptzuführungskanal 'zum Elektrolytsammler bzw. zum Elekirolythauptabführungskanal ist an einer Endfläche der Batterie angeordnet, wodurch sich ein kurzer Leitungsweg ergibt. In den F i g. 2a und 2b ist dargestellt, wie die Bypass-Leitung 34 zum

Druckausgleich den Elektrolytverteiler 28 mit dem Elektrolytsammler 29 verbindet. Der Bypass 34 ist dabei wenigstens teilweise in der Endplatte 22 angeordnet; er zweigt vom Elektrolytverteiler 28 ab. überbrückt - teilweise außerhalb der Batterie - die Ent-

fernung zwischen dem Elektrolytverteiler -jnd dem Elektrolytsammler und mündet in einer Aussparung 35 in der Endplatte 22 in den Elektrolytsammler 29.

In Fig. 3, in der eine Anlage, bestehend aus einer erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie 20. einem Elek-

trolytvorratsgefäß 37 und einer Elektrolytpumpe 38 angeordnet in einem Elektrolytkreislauf - dargestellt ist, ist die obengenannte Bypass-Leitung ebenfalls mit 34 bezeichnet. In F i g. 3 kommt deutlicher zum Ausdruck, daß diese Bypass-Leitung, die zumindest zum Teil in der Endplatte 22 angeordnet ist. nur eine kurze Strecke überbrückt.

In den F i g. 2a. 2b und 3 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezug} ziffern versehen.

In der Bypass-Lcitung 34 zwischen dem Elcktrolylvcrteiler 28 und dem Elektrolytsammler 29 kann vorteilhaft ein Schwimmerventil 36 angeordnet sein. Dieses Schwimmerventil verhindert den Übertritt von Elektrolytflüssigkeit vom Elektrolytverteiler 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 Elektrolylvertcilcr ein höherer Druck herrscht als im Elektrolythaiiptabführungskanal bzw. im Elektroiytsammler.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie kann weiterhin vorteilhaft die Bypass-Leitung 34 /wischen Elektrolytverteiler 28 und Elektrolytsammler 29 durch eine zusätzliche Leitung 39 mit dem Elektrolytvorratsgefäß 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 Elcktrolytsammlcr 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 Sicherstellung 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 (ILVCh-Brennstoffbatterie) als Elektrolytflüssigkeit verwendete Kalilauge durch den Kohlcndioxidgehalt der Luft carbonatisiert würde. Um diese Gefahr zu vermeiden, muß deshalb ein CO:-Zutriti verhindert werden. Dies erfolgt insbesondere bei Brennstoffbatterien, die längere Zeit wartungsfrei arbeiten sollen, in der oben beschriebenen Weise, wobei der Bypass (durch eine zusätzliche Leitung) mit dem Elcktrolytvorratsgefäß verbunden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   J. Brennstoffbatterie aus mehreren Brennstoffelementen, deren Elektroden in Kunststroffrahmen gehalten sind, mit diskontinuierlicher Elektrolytspülung mit Hilfe eines aus einem Elektrolytverteiler und einem Elektrolytsammler bestehenden Elektrolyt-Unterbrechersystems, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolyt-Unterbrechersystem in den Rahmen der Brennstoffelemente angeordnet ist, wobei EJektrolytverteiler und Elektrolytsamrnler jeweils aus miteinander fluchtenden Bohrungen im oberen Bereich der Rahmen gebildet sind, daß in den Elektrolytverteiler die Elektrolytzuführungskanal 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 Elektro- » lytabführungskanäle in den Elektrolytsammler liegt.
2. 2. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytverteiler auf einem höheren Niveau angeordnet ist als der Elektrolytsammler.
3. 3. Brennstoffbatterie nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytabführungskanäle in den Elektrolytsammler auf einem Niveau münden, das oberhalb des Grundes der den Elektrolytsammler bildenden Bohrung liegt.
4. 4. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytsammler und gegebenenfalls der Elektrolytverteiler gegen die Längsachse der Batterie geneigt ist.
5. 5. Brennstoffbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytverteiler und cer Elektrolytsammler hydrophobiert sind.
6. 6. Brennstoffbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Elektrolytverteiler und Elektrolytsammler eine Bypass- Lei 'ung vorgesehen ist.
7. 7. Brennstoffbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypass-Leitung zwischen Elektrolytverteiler und Elektrolytsammler ein Schwimmerventil angeordnet ist.
8. 8. Brennstoffbatterie nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung durch eine zusätzliche Leitung mit dem Elektrolytvorratsgefäß verbunden ist.