DE2205294C3

DE2205294C3 - Vorrichtung für die Zuführung bzw. für die Ableitung einer Flüssigkeit entlang eines Randes einer dünnen Platte eines diese Flüssigkeit verarbeitenden Gerätes

Info

Publication number: DE2205294C3
Application number: DE2205294A
Authority: DE
Inventors: Philippe Chatenay-Malabry Demange; Bernard Palaiseau Verger; Bernard Paris Warszawski
Original assignee: ALSTHOM-ATLANTIQUE PARIS
Current assignee: ALSTHOM-ATLANTIQUE PARIS
Priority date: 1971-02-15
Filing date: 1972-02-04
Publication date: 1981-02-12
Also published as: DE2205294B2; FR2125159A1; US3814631A; FR2125159B1; GB1373832A; JPS5644545B1; DE2205294A1

Description

*o Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Zuführung bzw. für die Ableitung einer Flüssigkeit entlang eines Randes einer dünnen Platte eines diese Flüssigkeit physikalisch, chemisch oder elektrochemisch verarbeitenden Geräts, wobei im Rahmen dieser dünnen Platte feine Zuleitungs- und Ableitungs-Kanäle vorgesehen sind, die am Rand dieser letzteren mit Öffnungen dieses Rahmens in Verbindung stehen und die durch Obereinanderstapelung mit den entsprechenden Öffnungen der Rahmen der benachbarten Platten relativ weite Flüssigkeitszuleitungs- bzw. -ableitungskanäle bilden. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung für die Zuführung bzw. für die Abführung eines mit einer Reagens versetzten Elektrolyts entlang eines Randes einer dünnen, nicht porösen Elektrode eines Brennstoffelements, wobei im isolierenden Rahmen der Elektrode feine Kanäle vorgesehen sind, die am Rand dieser letzteren mit öffnungen im Rahmen verbunden sind und die durch Übereinanderlagerung mit den entsprechenden Öffnungen der Rahmen der Membranen und benachbarten Elektroden Elektrolytzuleitungs- bzw. - ableitungskanäle bilden.

Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auf die Flüssigkeitszu- und -ableitung in elektrochemischen Akkumulatoren, Filtern, Dialysegeräten und Wärmetauschern.

In der französiscb-en Patentanmeldung 15 64 864 vom 12. März 1968 wurden bereits Anordnungen zur Zuführung und Abführung eines Elektrolyts in einem Brennstoffelement mit dünnen, nicht porösen Elektroden vorgeschlagen, die mit feinen Kanälen im isolierenden Rahmen der Elektrode versehen sind, wobei jede Öffnung dieses Rahmens mit dem Rand der Elektrode über einen feinen Sammelkanal oder über mehrere, parallelverlaufende, feine Kanäle verbunden ist, die senkrecht am Rand der Elektrode einmünden. Diese Anordnung besitzt jedoch den Nachteil, daß die Elektrolytverteilung der Elektrode nicht gleichmäßig erfolgt, was sich wiederum auf die Betriebsweise nachteilig auswirkt Darüber hinaus tritt infolge der unvermeidlichen Nebenströme der Elektroden durch das Elektrolyt eine Elektrolyse der Metallionen des Elektrolyts auf, die sich am Rand auf der negativen Elektrodenfläche ablagern. Diese Metallauflagen erreichen nach und nach die feinen Kanäle und setzen diese zu. Außerdem kommt es an den Elektrodenzonen in Nähe der feinen Kanäle zu einer Oxydbildung auf der positiven Fläche, wodurch wiederum Durchdringungen auftreten können.

In der Zielsetzung der Erfindung liegt demnach die Beseitigung der obengenannten und ihrer Art nach gleichen Nachteile, die an anderen Vorrichtungen zur physikalischen, chemischen oder elektrochemischen Verarbeitung von Flüssigkeiten auftreten. Die Erfindung bezweckt hierbei insbesondere eine praktisch gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung über die gesamte Oberfläche der dünnen Platte und zwar von den Einführungs- bzw. Austritts-Rändern der Flüssigkeit aus; weiterhin sollen bei elektrochemischen Verarbeitungsgeräten Metallauflagen in den feinen Kanälen vermieden und die Oxydbildung in Nähe der Ränder der Elektrode stark herabgesetzt werden, wozu schließlich noch die Verhinderung von heißen Stellen auf der Oberfläche gehört, um somit eine längere Betriebsdauer zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung für die Zuführung bzw. für die Ableitung einer Flüssigkeit ist dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Zuleitunes-

bzw, Ableitungskanäle von der öffnung her zum Rand der dünnen Platte auseinanderlaufen.

Darüber hinaus weist diese vorzugsweise zumindest eines der folgenden Kriterien auf: die Mündungen der feinen Kanäle am Rand der dünnen Platte sind von einem Ende des Randes bis zum anderen Ende jeweils gleichweit voneinander entfernt; der isolierende Rahmen der dünnen Platte umfaßt einen Streifen mit gleichmäßig verteilten und zwischen dem Rand der dünnen Platte und den Mündungen der feinen Kanäle angeordneten Vorsprüngen; die Vorsprünge dieses Streifens sind nach Art der Fünf auf dem Würfel angeordnet; die Vorsprünge dieses Streifens sind auf einer planen Grundfläche in Höhe des tiefsten Punktes der feinen Kanäle angeordnet; die Vorsprünge dieses η Streifens liegen in der Verlängerung sämtlicher Kanäle; diese Vorsprünge sind zylinderförmig ausgebildet; die dünne Platte ist mit einem Einführungsrand am Rahmen auf der Seite der Zuführungs- und Abführungsöffnungen für die Flüssigkeit ausgerüstet, der sich unter dem Streifen befindet und dessen Breite im Höchstfall der des Streifens entspricht; die feinen Kanäle, die ..mit einer nicht angrenzenden öffnung an einem seitlichen Rand verbunden sind, verlaufen symmetrisch gegenüber der Symmetrieachse der öffnung, d. h. senkrecht zum Rand der dünnen Platte; die geradlinig verlaufenden Abschnitte der feinen Kanäle verhalten sich proportional zu ihrer Länge; bei der Verarbeitungsvorrichtung für die Flüssigkeit handelt es sich um eine Brennstoffzelle, die Flüssigkeit ist ein Elektrolyt dieser Zelle und die dünne in Platte wird durch eine nicht poröse Elektrode gebildet.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Zusammenhang mit den Zeichnungen auf eine erfindungsgemäße aufgebaute Vorrichtung für die Zuführung und Abführung eines Elektrolyts auf eine Fläche » einer Elektrode eines Brennstoffclements. Es zeigt

F i g. 1 eine Gesamtdarstellung der in ihrem isolierenden Rahmen befestigten Elektrode;

F i g. 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt des mit Vorsprüigen bzw. Zapfen ausgerüsteten Streifens, wobei letztere zwischen den Mündungen der feinen Kanäle und dem Rand der eigentlichen Elektrode liegen.

In der Darstellung der F i g. 1 ist die Elektrode 1 in einen isolierenden Rahmen 2 aus Kunststoff eingegossen. Dieser Rahmen besitzt rechteckige öffnungen 3,4, 4·; 5, 6 usw, rüe sich an einem seiner Ränder befinden, während die öffnungen 13, 14, 15, 16 usw. am entgegengesetzten Rand liegen. Durch Übereinanderlagerung bilden diese Öffnungen mit den entsprechenden öffnungen von Isolierraiünen halbdurchlässiger Mem- so branen und von angrenzenden Elektroden Zuführungsund Abführungskanäle für das mit Reagens versetzte Elektrolyt Im dargestellten Beispiel dienen die Öffnungen 4, 6 usw. zur Förderung des mit einer Reagens (Sauerstofflieferant bzw. Reduktionsmittel) versetzten Elektrolyts entlang der sichtbaren Elektrodenfläche und die öffnungen 13, 15 usw. zur Abführung des Elektrolyts, das mit Zerfallsprodukten der Reagens angereichert ist Die Öffnungen 3, 5 usw. dienen zur Förderung des Elektrolyts, das mit einer anderen e>o Reagens versetzt ist, entlang der entgegengesetzten Seite der Elektrode und die Öffnungen 14, 16 usw. zur Abführung des Elektrolyts, das über nicht dargestellte, feine Kanäle entlang dieser entgegengesetzten Seite umgelaufen ist. 6S

Die Zuführungsöfinung 4 ist mit dem Rand der Elektrode über sich farherförmig ausbreitende feine Kanäle 20 und die öffnung 6 über die feinen Kanäle 21 verbunden. Diese feinen Kanäle münden in regelmäßigen Abständen auf einen Streifen 40, der mit Plastikzapfen versehen ist, die nach der Art der Fünf auf dem Würfel angeordnet und dazu bestimmt sind, jede Verformung der benachbarten, halbdurchlässigen Membran zu verhindern.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Plastikrahmens ist die Abführungsöffnung 13 mit dem Rand der Elektrode über die sich ebenfalls fächerförmig ausbreitenden, feinen Kanäle 30 und die öffnung 15 über die feinen Kanäle 31 verbunden. Hierbei ist zu bemerken, daß die Abführungsöffnungen im Gegensatz £u einer Zuführungsöffnung mit einer größeren Zahl von feinen Kanälen ausgerüstet sind. Dieser Umstand ist auf den Fall zurückzuführen, in dem die Reagens im gelösten Zustand eingebracht wird und ein oder mehrere gasförmige Zerfallsprodukte (z. B. Stickstoff bei einem Reduktionsmittel, Hydrazin oder Ammoniak) vorliegen, so daß eine Flüssigkeits- und Gas-Emulsion abzuführen ist, die größere Durchgangsquerschnitt erfordert

Die feinen Kanäle 30. 31 usw. müüden in regelmäßigen Abständen auf einen Streifen 41, der mit Plastikzapfen ausgerüstet ist, die nach der Art der Fünf auf dem Würfel angeordnet sind und ebenfalls dazu dienen, eine Verformung der angrenzenden, halbdurchlässigerr Membran zu verhindern.

Die Elektrode 1 wird über flache Ränder unter den Streifen 40 und 41 eingeführt, die sich in der Breite entsprechen, jedoch gegenüber den Einführungsrändern an den Seitenflächen schmäler sind.

Die Elektrode ihrerseits wird durch eine geformte Metallfolie gebildet, auf deren zwei Seiten ein Lack mit einem geeigneten Katalysator aufgebracht ist, wobei die Reliefbildungen in parallel verlaufenden, erhabenen Streifen 42, 43, 44 usw. angeordnet sind, die beispielsweise 23° gegenüber den Rändern der Elektrode geneigt sind, wodurch eine Zickzack-Linie entsteht. Eine in dieser Form aufgebaute Elektrode kann mit einer Stärke von nicht mehr als etwa 400 Mikron hergestellt werden, während die bisher bekannten Dünnschicht-Ele.ktroden eine Stärke von etwa 1000 Mikron besitzen.

In der Darstellung der Fig.2 ist die öffnung 15 zur Abführung des Elektrolyts mit dem Streifen 41 der Kunststoffzapfen über die fächerförmig angeordneten Leitungen 30A bis 3OG verbunden, die symmetrisch zur Symmetrieachse, d. h. senkrecht zum Rand der Elektrode verlaufen. Die geradlinig verlaufenden Abschnitte der feinen Kanäle 3OA bis 3OC bzw. ihre Breiten mit konstanter Tiefe ändern sich praktisch proportional zu ihrem Längen, wobei die außenliegenden Kanäle 30<4 und 3OC am breitesten und der mittlere Kanal 3OD am schmälsten ausgeführt sind, um hier durch eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyt-Durchsatzes zu gewährleisten.

Die Kunststoffzapfen 45, 46 usw. des Flußregelsti-eifens 41 sind zylinderförmig und nach der Art der Fünf auf dem Würfel angeordnet, wobei einige dieser Zapfen in der Verlängerung der feinen Kanäle liegen, um sich jeder stärkeren F''jßrichtung des Elektrolyts in der Achse eines Kanals entgegenzustellen.

Davon abgesehen, daB es sich bei den dargestellten Beispielen um vorzugsweise gewählte Ausführungsformen handelt, gilt es als selbstverständlich, daß zahlreiche Änderungen an den beschriebenen Elektrolyt-Zuführungs- bzw abführungsvorrichtungen vorgenommen werden können; insbesondere kann hierbei ein abweichendes Elektrodenprofil gewählt werden. Auch können die Zuführungsöffnungen eine andere Form

aufweisen u~d somit beispielsweise kreisförmig, oval usw. ausgebildet sein.

Die Kunststoffzapfen der Flußregelstreifen können eine andere Form erhalten, z. B. eine Prismaform mit quadratischer Grundfläche.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: ι ο 13 20 25

1. Vorrichtung für die Zuführung bzw. für die Ableitung einer Flüssigkeit entlang eines Randes einer dünnen Platte eines diese Flüssigkeit physikalisch, chemisch oder elektrochemisch verarbeitenden Geräts, wobei im Rahmen dieser dünnen Platte feine Zuleitungs- und Ableitungs-Kanäle vorgesehen sind, die am Rand dieser letzteren mit Öffnungen dieses Rahmens in Verbindung stehen, wobei diese Öffnungen durch Obereinanderstapelung mit den entsprechenden Öffnungen der Rahmen der benachbarten Platten relativ weite Flüssigkeitszuleitungs- bzw. Ableitungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Zuleitungs- bzw. Ableitungskanäle (20,21,30,31) von der Öffnung (4, 6, 13, 15) her zum Rand der dünnen Platte (1) auseinanderlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, SgS die Mündungen der feinen Zuleitungsbzw. Ableitungs-Kanäle (20,21,30,31) am Rand der dünnen Platte (1) von einem Ende des Rands bis zum anderen Ende jeweils gleichweit voneinander entfernt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen der dünnen Platte einen Streifen (40,41) mit gleichmäßig verteilten und zwischen dem Rand der dünnen Platte (1) und den Mündungen der feinen Zuleitungs- bzw. Ableitungs-Kanäle angeordneten Vorsprüngen (45,46) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorcprüngc ^45, 46) des Streifens (40, 41) in der Art der Fünf auf einem Würfel angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (45, 46) des Streifens (40, 41) auf einer planen Grundfläche in Höhe des tiefsten Punktes der feinen Zuleitungsbzw. Ableiti'ngs-Kanäle (30,31) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (45. 46) des Streifens (40, 41) in der Verlängerung der Zuleitungs bzw. Abieitungs-Kanäle (30,31) liegen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, « dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorsprünge (45, 46) zylinderförmig ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Platte (1) mit einem Einfuhrungsrand am Rahmen auf der Seite ^w der Zuleitungs- und Ableitungsöffnungen für die Flüssigkeit ausgerüstet ist, der sich unter dem Streifen befindet und dessen Breite im Höchstfall der des Streifens (40,41) entspricht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, κ dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Zuleitungsbzw. Ableitungs-Kanäle, die mit einer nicht an einen seitlichen Rand angrenzenden Öffnung verbunden sind, symmetrisch gegenüber der Symmetrieachse der Öffnung verlaufen, d. h. senkrecht zum Rand der &o dünnen Platte.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsquerschnitte der feinen Zuleitungs- bzw. Ableitungs-Kanäle sich proportional zu ihrer Länge verhalten. ^b5

35