DE2164323A1 - Batterie aus galvanischen zellen mit verteilungselementen fuer stroemende medien - Google Patents

Description

Deutsche Autoraobilgesellschaft DAUG 19

mit beschränkter Haftung

Hannover

"Batterie aus galvanischen Zellen mit Verteilungselementen für strömende Medien" ^:

(Zusatz zu Patent ...... (Az, P 20 6o 585.0-45)

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine galvanische Zelle mit einem Verteilungselement in einer schichtweise zusammengesetzten Kammer, durch die ein Strömungsmedium geleitet wird, insbesondere ein Elektrolyt und/oder Reaktionsgase für den elektrochemischen Umsatz mit Zuführung des Strömungsmediums auf einer Seite und Abführung desselben auf einer gegenüberliegenden Seite der Kammer,, wobei bei Anordnung von den den Strom des Mediums von der Zuführung zur Abführung in Einzelströme unterteilenden Leitelementen die Einzelströme auf der Zuführungsseite durch.einen Verteilerkanal mit von der Zuführungsstelle sich verringerndem Querschnitt und auf der Abführungsseite durch einen Sammelkanal mit nach der Abführungsstelle zunehmendem Querschnitt verbunden sind.

Derartige galvanische Zellen sind beispielsweise Brennstoffzellen, bestimmte Metall/Luft-Zellen und andere Zellen und Speicher, bei denen der Elektrolyt zur Abführung der überschüssigen Wärme und/oder zur Konstanthaltung der Elektrolyt-

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konzentration in einem Kreislauf zirkuliert und/oder deren Reaktionsmedien von außen zugeführt werden. Batterien aus · solchen Zellen werden meist in Filterpressen-Bauart hergestellt.

Ein Hauptproblem bei aus solchen Zellen bestehenden Batterien ist vor allem die Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung der zuzuführenden Medien auf die,, einzelnen Zellen. Die im Hauptpatent vorgeschlagene Bauart galvanise scher Zellen verbessert zwar die Gleichmäßigkeit der Durchströmung der einzelnen Zelle, ist aber hinsichtlich einer gleichmäßigen Durchströmung der zu einer Batterie zusammengefaßten Einzelzellen noch unbefriedigend. Man erhält Strömungsverteilungen, bei denen an den Randzonen der Batterie, also in den ersten und letzten Zellen, die größten Geschwindigkeiten herrschen. Dies hat zur Folge, daß z.B. in den mittleren Zellen kleinere Mengen fließen und somit die Forderung nach gleichen Temperatur- und Konzentrations verhält- ψ nissen in den Zellen nicht erfüllt ist.

Hinzu kommt ein weiterer Nachteil. Im allgemeinen werden ■ aus Fertigungsgründen alle Zellen geometrisch gleichgestalrtet. Somit weisen auch die Bohrungen, die zur Versorgung der einzelnen Zellen dienen und die parallel zur Batterieachse verlaufen, relativ kleine Durchmesser auf, um die Randpartien der einzelnen Zelle möglichst schmal zu halten. Dieses wiederum hat zur Folge, daß die Strömungswiderstände

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in diesen Bohrungen relativ groß sind.und-somit eine gleichmäßige Verteilung erst recht nicht gewährleistet ist. Um eine befriedigende Stromungsverteilung zu erreichen, wäre es zwar an sich möglich, die hintereinandergeschalteten Zellen im Verteilerkanal mit entsprechend der Länge der Batterie kleiner werdenden Bohrungsquerschnitten zu versehen; fertigungstechnisch wäre jedoch eine solche Ausführung mit Umständlichkeiten verbunden und relativ'unwirtschaftlich.

Aufgabe der Erfindung ist es/ die Gleichmäßigkeit der Strömungsverhältnisse auch bei zu Batterien zusammengefaßten Zellen konstruktiv und fertigungstechnisch auf'möglichst einfache Weise zu erreichen. "Die^Er findung besteht demgemäß -, im wesentlichen darin, daß ein sich verengender Bätterie-Verteilerkanal und/oder ein sich erweiternder Batterie-Sammelkanal durch auf die Außenwand der Zu führung s-*; bzw. Abführungsseite der Batterie aufgesetzte Kanalelemerite gebildet werden. Die einzelnen Zellen können dadurch sämtlich in gleicher Weise gefertigt werden, da der die unterschiedliche Zuführung bzw. Abführung des Strömungsmediums zu den einzelnen Zellen bewirkende· Kanal als gesondertes Teil herstellbar ist. Der oder die Kanäle.können alsdann ■ auf die fertig montierte Batterie nachträglich aufgesetzt bzw. an dieselbe, angesetzt werden. .-. .,. . ·

In einer Ausführungsform der Erfindung verengt bzw. erweitert sich der Kanal bei gleichbleibender in Richtung parallel zur Batteriewand gemessener Höhe in Breitenrichtung senkrecht

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zur Batteriewand. In einer anderen Ausführung kann sich

bzw. Batterie

der Kanal bei gleichbleibender senkrecht zur Zelle/gemessener Breite in Höhenrichtung verengen bzw. erweitern.

Zur Verbindung der Kanäle in den aufgesetzten Kanalelementen mit den EinzelStromkanälen im Innern der Zellenkammern weisen vorzugsweise die Außenwände der Zelle einzelne öffnungen, insbesondere in Form von Schlitzen, auf,, wobei in

k der Regel je eine öffnung zur Verbindung des Kanales mit je einer Kammer dient. Vorzugsweise weisen auch die an die . Zelle oder Batterie angesetzten Kanalelemente an den Durchtrittsstellen für das Strömungsmedium öffnungen, insbesondere in Schlitzform, auf, die den Schlitzen in den Wänden der Zelle entsprechen, so daß ein dichter Anschluß des Kanalelementes an die Zellenwand bei ungehindertem Durchfluß des Strömungsmediums gewährleistet ist. Die Berührungsflächen zwischen Kanalelement und Zellenwand können in beliebiger geeigneter Weise miteinander verbunden werden,.zweckmäßig durch Kleben,

* Schweißen oder auch Schrauben.

Der Werkstoff für den Verteilungs- bzw; Sammeikanal ist vorzugsweise der gleiche, aus dem auch die Zellenteile hergestellt sind. Als Material können jedoch auch, insbesondere bei Batterien oder Zellen, die einer starken wärmedehnung unterworfen sind, elastische Werkstoffe (z.B. geeignete Elastomere) verwendet werden.

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Wird in einem elektrochemischen System eine Luftelektrode anstelle einer Sauerstoffelektrode verwendet, so beträgt .die in die Batterie einzuführende Luftmenge den drei- bis fünffachen Viert der stöchiometriseh benötigten Luftmenge. Trotz der in den einzelnen Zellen bzw. Einzelströmen auftretenden "Saugwirkung", hervorgerufen durch Sauerstoffverbrauch in den Elektroden, ist bei solchen Mengenströmen die gleichmäßige Verteilung in engen Kanälen sehr schwierig. Außerdem wird innerhalb der einzelnen Zellen oder Einzelstromkanäle der überschüssige Luftstrom mit Wasserdampf aus dem Elektrolyten angereichert, was zu einer Erhöhung des Mengenstromes führt. Das bedeutet, daß in den Sammelkanälen einer Zelle oder Batterie an kühlen Stellen Wasser auskondensieren kann, was zu einer Verstopfung der kleinen Auslaßschlitze an den einzelnen Zellen führen kann, womit diese Zellen ausfielen. Es wird deshalb des weiteren, insbesondere bei derartigen. Batterien, vorgeschlagen, den Verteilungsund Sammelkanälen eine solche Breite zu. geben, daß sich diese über einen großen Teil der Zellenbreite oder sogar über die gesamte Zellenbreite erstrecken. Die Kanäle werden hierbei z.B* durch Kästen gebildet, die an die offene Batterieeinlaßseite angesetzt werden, wobei sich der Verteilungskanal in Strömungsrichtung verjüngt, der Sammelkanal in Strömungsrichtung erweitert. ' .

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Durch die Erfindung werden vor allem folgende Vorteile erzielt:

Das Strömungsmedium kann gleichmäßig auf sämtliche Zellen und Einzelströme verteilt werden.

Verteilungs- und Sammelkanäle können günstigste Querschnitte erhalten.

Zellen und Batterien lassen sich auf einfache Weise herstellen. Gleiches gilt auch für die Herstellung der Kanäle, z.B. durch Spritzgießen. Die Kanalelemente können mit den

Zellen bzw. der Batterie in einfacher Weise, z.B. durch \

Kleinen, Schweißen, Klemmen oder Schrauben verbunden werden. i

Durch den Anbau der Kanalelemente läßt sich Material ersparen und ein geringes Gewicht der Einheit erzielen.

Die Kanalelemente sowie die'Zelleraeinheiteh können einander gleich ausgebildet und die Batterie symmetrisch gestaltet sein, so daß beim Ansetzen der Kanalelemente praktisch keine Montagefehler unterlaufen können.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung von-Ausführungsbeispielen zu entnehmen. -

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Hierbei zeigen

Fig. 1 die Ansicht einer aus einzelnen Zellen zusammengesetzten Batterie^ jedoch ohne Verteiler^ bzw. Sammelkanal*

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig* 1,-

Fig. 3 eine gleiche Ansicht wie Fig. 1, jedoch mit angesetztem Verteiler- bzw. Sammelkanal,

Fig. 4 eine Stirnansicht zu Fig. 3> teilweise im Schnitt entsprechend Fig. 2, ,.

Fig* 5 eine Draufsicht auf Fig. 3>

Fig. 6 die Ansicht eines Batterie-Verteiler- bzw. ' Sammelkanalelements von der. Innenseite her*

Fig. .7 einen Schnitt nach Linie 7-7 der Fig* 6_Λ

Fig. 8 einen Längsschnitt nach Linie 8-8 der Fig. 6, wobei die FIg- 6 bis 8 einen gegenüber den Fig. J bis 5 erhöhten Querschnitt der Kanäle zeigen,

Fig* 9 die perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kanales,

Fig. 10 die Draufsicht auf eine weitere. Ausführung einer Batterieeinheit und

Fig. 11 einen Schnitt nach Linie 11-11 d§p Fig. 10.

Wie Fig. 1 bis 8 zeigt* ist die Batterie 20 aus einzelnen Zellen 21 zusammengesetzt* die in Längsrichtung der Batterie aneinandergereiht sind. Jede Zelle weist eine Käiiiifier 22 auf,

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in die einzelne Leitelemente 23 in Form von Stäben eingesetzt sind, welche die Kammer in zueinander parallele Einzelstromkanäle 24 unterteilen, die einen (in der Zeichnung) unteren Zellen-Verteilerkanal 25 mit einem (in der Zeichnung oberen) Zellen-Sammelkanal 26 verbinden. Der Zellen-Verteilerkanal 22 einer jeden Zelle ist durch je eine, z.B. schlitzförmige Öffnung 27 in der Zellenwand,21a nach außen geöffnet, ebenso entsprechend der Zellen-Sammelkanal 28 durch eine in der Zellenwand 21b angeordnete, vor-™ zugsweise ebenfalls schlitzförmige Öffnung 28. Während sich der Zellen-Verteilerkanal 22 von der Öffnung 27 nach seinem gegenüberliegenden Ende allmählich verjüngt, erweitert sich der Zellen-Sammelkanal 26 in entgegengesetzter Richtung zu der auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Öffnung

der Ableitungskanal Erfindungsgemäß werden der Zuleitungskanal 29 bzw./30 durch

von den Zellen gesondert hergestellte Kanalelemente 31 bzw. •j52 gebildet, die, wie insbesondere Fig. 4 zeigt, an die Seife tenwände 21a bzw. 21b der Zellen und damit der Batterie 20 nachträglich angesetzt werden. Die Kanalelemente können als rohrförmige Elemente mit eckigem oder rundem Querschnitt ausgebildet sein und aus Metall oder aus einem Kunststoff bestehen. Sie erstrecken sich über die ganze Länge der Batterie 20, wobei sich der Batterieverteilerkanal 29 bzw. das Kanalelement 31 in Stromrichtung X₁ des zugeführten Strömungsmediums in Längsrichtung der Batterie allmählich ver-

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jungt, während sich der gegenüberliegende Sammelkanal 30 bzw. das dem Kanalelement 30 austauschbar gleich ausgebildete Kanalelement 32 in Ableitungsrichtung X₂ des Strömungsmediums in Längsrichtung der Batterie allmählich erweitert. Die Kanäle 29 und 30 sind hierbei derart ausgebildet, daß das Verengen bzw. Erweitern des Kanals senkrecht zur Zellen- bzw. Batteriewand 21a,21b erfolgt, während die Höhe der Kanalelemente über deren ganze Länge konstant ist.

Wie aus Fig. 6 bis 8, die das Kanalelement 31 mit überhöhter Höhe darstellen, hervorgeht, ist die der Batterie zugewandte Kanalwandung - entsprechend den schlitzförmigen öffnungen 27 (bzw. 28) mit einer der Teilung der Batterie in einzelne Zellen entsprechenden Teilung t - ebenfalls mit schlitzförmigen öffnungen 33 versehen, so daß nach Anbau der Kanalelemente 31 und 32 das Strömungsmedium über die öffnungen 33,27 bzw. über die öffnungen 28,33 aus den Kanälen in die Kammern oder umgekehrt übertreten kann. Vorzugsweise ist jedoch der Schlitzquerschnitt a.s der öffnungen in den Kanalelementen 3I bzw. 32 etwas größer als der Schlitzquerschnitt der öffnungen 27,28. Bauliche Ungenau!gkeiten können dadurch ausgeglichen werden.

Das weite Ende eines jeden Kanalelementes ist mit einer öffnung zum Zutritt bzw. zur Ableitung des Strömungsmediums in Pfeilrichtung X₁ bzw. X₂ versehen, während das entgegen-

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ORfGlNAL INSPECTED

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gesetzte schmale Ende der Kanalelemente geschlossen ist. Vorzugsweise sind die geöffneten Enden der Kanalelemente derart ausgebildet, daß sowohl Rohr mit rundem oder eckigem, z.B. rechteckigem oder quadratischem Querschnitt, als auch Schläuche angeschlossen werden können.

Infolge des sich allmählich verringernden Querschnitts des Batterie-Verteilerkanals 29 und des sich allmählich erweiternden Batterie-Sammelkanals 30 läßt sich eine sehr gleichmäßige Durchströmung der einzelnen Batteriezellen erreichen, wobei sich die Länge des Verteiler- bzw. Sammelkanals nach der zu einer Batterieeinheit zusammengefaßten Zellenzahl richtet.

Fig. 9 zeigt eine ,Ausführungsform, bei der das Kanalelement 31a bzw. 32a anstelle einzelner Schlitzöffnungen eine durchgehende öffnung y\ aufweist, wobei sich die öffnung z.B. über die ganze Länge der Batterie erstreckt und zur Verbindung mit sämtlichen öffnungen 27 bzw. 28 der einzelnen Zellen dient. Doch kann natürlich auch anstelle einer durchgehenden öffnung 3^· eine durch Stege in mehrere schlitzförmige Einzelöffnungen unterteilte öffnung vorgesehen sein.

Eine solche Ausführung setzt voraus, daß die Flächen einer Batterieeinheit, d.h. die Seitenwände 21a bzw. 21b der einzelnen Zellen, plan und im wesentlichen ohne tfber-

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gangsfugen an den einzelnen Zellen ausgeführt sind. Eine solche Fläche kann beispielsweise durch Überfräsen der fertigmontierten Batterieeinheit erreicht werden.

Gegebenenfalls können sich auch - entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig.. 10 und 11 - die Batterie-Verteilerkanäle 35 bzw. Batterie-Sammelkanäle 36 über die ganze Breite der Batterie 20 erstrecken, wobei die Einzelstromkanäle 24- zwischen den Leitelementen 23 der einzelnen Zellen 21 unmittelbar über z.B. schlitzförmige Öffnungen 37 bzw. 38 mit dem Batterie-Verteilerkanal 35 bzw. Batterie-Sammelkanal. 36 verbunden sind. Diese Ausführung ist insbesondere für .luftbetriebene Batterieeinheiten von Bedeutung und vereinfacht die Gestaltung der Zellenteile wesentlich.

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Claims (1)

1. - 12 - DAUG 19

   Ansprüche:

   Batterie aus galvanischen Zellen mit Verteilungselementen in schichtweise zusammengesetzten Kammern, durch die ein Strömungsmedium geleitet wird, insbesondere ein Elektrolyt und/oder Reaktionsgase für den elektrochemischen Umsatz, mit Zuführung des Strömungsmediums auf einer Seite und Abführung desselben ψ auf einer gegenüberliegenden Seite der Kammer, insbesondere nach Patent (Az.: P 20 βθ 585.0-45),

   wobei bei Anordnung von den den Strom des Mediums von der Zuführung zur Abführung in Einzelströme unterteilenden Leitelementen die Einzelströme auf der Zuführungsseite durch einen Zellen-Verteilerkanal, vorzugsweise mit von der Zuführungsstelle sich verringerndem Querschnitt, und auf der Abführungsseite durch einen Zellen-Sammelkanal, vorzugsweise mit nach der Abführungsstelle

   b zunehmendem Querschnitt verbunden sind, dadurch gekenn-

   zeichnet, daß ein sich verengender Batterie-Verteilerkanal (29;55) und/oder ein sich erweiternder Batterie-Sammelkanal (30;36) durch auf die Außenwand (21a,21b) der Zuführungs- bzw. Abführungsseite der Batterie aufgesetzte Kanalelemente (31,32;31a; 35a,56a) gebildet werden.

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   •2. Batterie nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Batterie-Verteiler- bzw. -Sammelkanäle (29,30) bei gleichbleibender in Richtung parallel zur Batteriewand gemessener Höhe in Breitenrichtung senkrecht zur Batteriewand verengen bzw. erweitern.

   3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Batterie,-Verteiler- bzw.-Sammelkanäle (35*36) bei gleichbleibender senkrecht zur Batteriewand gemessener Breite in Höhenrichtung parallel -zur Batteriewand verengen bzw. erweitern.

   4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß der oder die aufgesetzten Kanalelemente (31,32;35a,36a) durch einzelne Öffnungen (27,28;37,38) in der Außenwand (21a,21b) der Batterie (20) und/oder in der Wand des oder der aufgesetzten Kanalelemente mit dem Innern der Zellenkammern (22) verbunden sind.'

   5. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einander zugeordneten Öffnungen (27c, 28 bzw. 33) sowohl in der Batteriewand (21a,21b) als auch in der Wand des Kanalelementes (31,32) die Öffnung (z.B. 33)

   in dem einen dieser beiden Teile, insbesondere im Kanalelement (31,32), etwas größer als die zugeordnete 3Ö9827/0587

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   Öffnung (z.B. 27,28) im anderen dieser beiden Teile, insbesondere in der Batteriewand (21a,21b), bemessen ist.

   6. Batterie nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Batterie-Verteiler- bzw. -Sammelkanäle (29,30j35,36) durch je eine Öffnung mit jedem der Einzelstromkanäle (24) im Innern der Zellenkammern

   ^ . (22) verbunden sind.

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   7. Batterie nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den oder·die Batterie-Verteiler- bzw. -Sammelkanäle (29*30) mit dem Innern der Zellenkammern (22) verbindende Öffnung bzw. verbindenden Öffnungen (27,28;34;37,38> schlitzförmig ausgebildet sind.

   8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die angesetzten Kanal-

   " elemente (31a,32a) eine oder mehrere die Verbindung

   zu den einzelnen Zellenkammern (22) herstellende, sich über die Länge der Batterie (20) oder einen Teil derselben erstreckende durchgehende Öffnung (34) oder Öffnungen aufweist.

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   9. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterie-Verteiler- ,bzw. -Sammelkanal (35*36) sich über die ganze Breite der Batterie (20) oder einen wesentlichen Teil derselben quer zur Reihe der Einzelstromkanäle (24) der einzelnen Zellenkammern erstreckt.

   10. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Batterie-Verteilerkanal (29*30; 35*36) und Sammelkanal bei gleichgerichteter Stromrichtung (χ.,Χρ) sich in einander entgegengesetzten Richtungen verengen bzw. erweitern.

   11. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 1O₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalelemente (3I,32i35a,36a) auf die zugewandte Wand (21a,21b usw.) der Batterie festhaftend, z.B. durch Gießen, Kleben oder Schweißen, aufgebracht sind. "

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   L e e r s e i t e