DE2806962B2

DE2806962B2 - Galvanische Stromquelle mit kammartig ineinandergreifenden bipolaren Elektrodenpaaren

Info

Publication number: DE2806962B2
Application number: DE2806962A
Authority: DE
Inventors: Peter Utica Mich. Carr (V.St.A.)
Original assignee: Energy Development Associates Inc
Current assignee: Energy Development Associates Inc
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-18
Publication date: 1980-12-04
Also published as: PL116452B1; JPS63174168U; GB1594752A; CA1092646A; FR2381398B1; IT1101973B; SU1284465A3; ES467192A1; FR2381398A1; BR7801033A; PL204822A1; CH629036A5; DE2806962C3; DE2806962A1; NL7802004A; US4100332A; SE7801988L; IT7848115A0; MX144178A; JPS53121134A

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Stromquelle mit kammartig ineinandergreifenden bipolaren Elektrodenpaaren mit senkrecht zu einer chemisch inerten Trennwand verlaufenden, im Abstand zueinander und im allgemeinen parallel angeordneten Elektroden.

Batterien hoher Energiedichte sind solche, die normalerweise eine Leistung von etwa 50 Watt pro 0,454 kg verfügbar haben. Vor kurzerr, ist ein Durchbruch gelungen; in der US-PS 37 13 888 ist ein neuer Typ von Batterien hoher Energieclichte offenbart, bei dem ein Metallhalogenid-Elektrolyt-Halogenbydrat-System verwendet wird. Ein solches System erfordert die Handhabung korrosiven Materials, wie Chlor, wäßrige Chlorlösungen, sowie des Metallhalogenid-Elektrolyten. -, Das System ist der Verwendung von bipolaren Elektroden zugänglich, wie sie in den US-PS 38 13 301 und 39 09 298 beschrieben sind.

Die in den oben zitierten Patentschriften offenbarten bipolaren Elektroden sind solche, bei denen eine

ίο Stirnfläche von zwei separaten Elektroden miteinander verbunden sind, so daß sie die gewünschte bipolare Elektrodenstruktur bilden. Eine Anzahl von Zellen aus diesen bipolaren Elektroden kann in Reihe geschaltet werden, um Zellenbänke zu bilden; diese können

υ wiederum in Reihe geschaltet werden, um die Spannung Zb erhöhen oder parallelgeschaltet werden, um die Stromleistung zu erhöhen. Durch Gruppenschaltung werden beide Ziele erreicht Nachteilig bei diesen Zellbänken ist jedoch, daß die Zwischenzellen-Abstände sehr klein sind, zum Beispiel vier Zellen pro 2,54 cm, was parasitäre und/oder dendritische Effekte verstärkt

Galvanische StromqueBen der eingangs genannten Art sind aus den US-PS 37 28 158 und 31 67 456 bekannt Es sind flache Batteriebausätze; d. h„ sie haben

>5 eine wesentlich größere Breite als Höhe. Diese Form wird dadurch erreicht, daß die Elektroden horizontal angeordnet sind, was besondere Stoffübcrgangsprobleme aufwirft. Beide 'iJausätze sind oben geschlossene Systeme.

κι Der in der US-PS 37 28 158 offenbarte Batteriebausatz hat keinen strömenden Elektrolyten, und zur Entfernung der bei der Elektrolyse entstehenden Gase ist ein besonderes Abzugssystem vorgesehen. Der Bausatz gemäß der US-PS 31 67 456 ist für einen

is flüssigen Elektrolyten ausgelegt Die Elektroden werden von liegenden Platten gebildet, von denen jede einen elektrisch positiven und einen elektrisch negativen Teil aufweist, die durch nichtleitende Abstandshalter getrennt sind. Die Platten sind so übereinander angeordnet, daß sich negativer und positiver Teil der benachbarten Platten gegenüberstehen, wobei die Abstandshalter gleichzeitig zur Isolierung von positivem und negativem Teil einer bipolaren Elektrode und als Separator zwischen den übereinander liegenden

α*, Teilen der Elektroden dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunJe, eine galvanische Stromquelle mit kammarlie ineinandergreifenden bipolaren Elektroden zu schaffen, in der der wirksame Zwischenzelien-Abstand wesentlich größer

V) ist als der tatsächliche, so daß die parasitären und/oder dendritischen Effekte, die mit einer galvanischen Stromquelle verbunden sind, abgeschwächt werden. Die Elektroden sollen senkrecht angeordnet sein, und die bei der Elektrolyse entstehenden Gase sollen leicht

π austreten können.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Stromquelle der eingangs angegebenen Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mindestens eine mittige durchgehende im allgemeinen glatte elektrisch leitfähige Wand aufweist, in deren beiden entgegengesetzt gerichteten Stirnflächen eine Vielzahl von im Abstand voneinander vertikal und im wesentlichen parallel verlaufende Kerben der einen Stirnfläche zu den Kerben der anderen Stirnfläche seitlich versetzt oder symmetrisch

h5 angeordnet sind, und daß in den Kerben der einen Stirnfläche je eine Elektrode einer Polarität mit einer ersten Kante und in den Kerben der anderen Stirnfläche je eine Elektrode anderer Polarität mit einer ersten

Kante angeordnet ist, und daß zwischen den Elektrodenpaaren der Elektroden dereinen und der Elektroden der anderen Polarität entgegengesetzt gepolte Elektroden angeordnet sind, die mit der mittigen Wand nicht leitend verbunden sind und in Kontakt mit seitlichen Kontaktwänden stehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung s^;nd in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist überraschend gefunden worden, daß sich das Problem, welche:, mit den kleinen Zwischenzellun-Abständen verbunden ist, durch Verwendung einer neuen bipolaren Elektrodenkonstruktion beheben läßt, bei welcher die elektrische Leitung über die Breite der Elektroden anstatt über ihre Dicke erfolgt, und bei einer Vielzahl solcher Elektroüenpaare die Elektroden so ineinandergreifen, daß sie eine Zellenbank biiden. Es ist gefunden worden, daß durch Verwendung dieser Konstruktion der wirksame Zwischenzellen-Abstand von ca. 0,75 cm auf stwa 635 cm und darüber erhöht wird, während der tatsächliche Abstand sich gegenüberstehender Elektrodenstimflächen etwa 0,2 cm beträgt Die einstöckige Trennwand, die mit Kerben versehen ist, in welche die Elektroden nur eingesetzt werden brauchen, macht den Bausatz einfach und wirtschaftlich herstellbar. Da sich zwischen den Elektroden keine Separatoren befinden, fließt der Elektrolyt aus dem Elektrodenzwischenraum über die ganze Breite der Elektroden, was einen ausgezeichneten Gasaustritt und ein Minimum an Turbulenz im Elektrolyten zur Folge hat.

Die Erfindung wird nun an den hier beigefügten Figuren näher erläutert

Fig. 1 ist ein perspektivisches Bild, teilweise weggeschnitten, von zwei kammartig ineinandergreifenden polaren Elektrodenpaaren nach der Erfindung.

F i g. 2 ist ein perspektivisches Bild einer Vielzahl von ineinandergreifenden Elektrodenpaaren, einen Batteriebausatz nach der Erfindung bildend, und

Fig.3 ist ein Querschnittbild, teilweise weggeschnitten, eines beispielhaften Batteriebausatzes nach der Erfindung.

Die Erfindung wird am Beispiel des Zink/Chlor/ Zinkchlorid-Elektrolyt-Systems, welches in der eingangs erwähnten US-PS 37 13 888 beschrieben ist, erläutert Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses System beschränkt

F i g. 1 zeigt zwei der bipolaren Elektrodenpaare nach der Erfindung, deren Elektroden ineinandergreifen. Jedes Paar hat eine elektrisch leitfähige, chemisch inerte, im allgemeinen glatte Wand 1, welche eine erste und eine dazu entgegengesetzt gerichtete Stirnfläche 2 und 3 aufweist, die parallel zueinander verlaufen. Die Stirnfläche 2 hat eine Reihe von im Abstain! voneinander angeordneten Kerben 4, die im allgemeinen parallel zueinander verlaufen und vorzugsweise symmetrisch über die Fläche 2 verteilt angeordnet sind. 1 η gleicher Weise hat die Stirnfläche 3 eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Kerben 5, die im a'lgemeinen parallel zueinander verlaufen und symmetrisch über die Fläche 3 verteilt angeordnet sind. Die Kerben 4 in der Stirnfläche 2 sind zu den Kerben 5 in der Stirnfläche 3 seitlich versetzt. Vorzugsweise befindet sich jede Kerbe 5 in der Mitte zwischen einem Paar benachbarter Kerben 4 und umgekehrt.

Die Wand 1 kann aus irgendeinem elektrisch !eitfähigen Material sein, das chemisch resistent, also chemisch inert gegenüber dem Elektrolyt und anderen Chemikalien, mit denen mc in Kontakt kommt, ist. So

kann die Wand aus Graphit, einem Ventilmetall wie Titan oder dergleichen sein. Die Wand 1 ist vorzugsweise elektrolyt- und gasdurchlässig.

Der bipolare Bausatz umfaßt mindestens zwei Elektroden 6, die aus einem geeigneten Elektrodenmaterial, wie feinkörnigem Graphit, sind. Im Zink/Chlor/ Zinkchlorid-System sind die Elektroden 6 Zinkeiektroden. Die Elektroden 6 sind im wesentlichen rechteckig. Eine Kante der Elektrode 6 ist in der benachbarten Kerbe 4 der Stirnfläche 2 der Wand 1 angeordnet, so daß die Elektrode 6 in elektrischem Kontakt mit der Wand i steht.

Es ist mindestens eine, im allgemeinen rechteckige Elektrode 7 vorgesehen, und eine Kante der Elektrode 7 ist in einer benachbarten Kerbe 5 der Stirnfläche 3 der Wand t angeordnet. Im Metallhalogenid-Halogenhydrat-Batteriesystem ist die Elektrode 7 vorzugsweise porös und bildet die Chlorelektrode Die Elektrode 7 kann aus irgendeinem geeigneten Elektrodenmaterial sein, zum Beispiel aus porösem Graphit oder aus porösem mit Edelmetall legiertem Ver ■ ilmetall, wie zum Beispie! mit Ruthenium legiertem Titan.

Die Kanten der Elektroden 6 werden in den benachbarten Kerben 4 und die Kanten der Elektroden

7 in den benachbarten Kerben 5 in irgendeiner geeigneten Weise gehalten, zum Beispiel durch Verkitten, Plasmasprühung an den Kontaktpunkten oder durch Verschweißen. Vorzugsweise werden die Elektroden jedoch so gefertigt, daß sie etwas dicker sind als die benachbarten Kerben, so daß wenn die Kanten in die Kerben gepreßt werden, sie aufgrund des Paßsitzes in dieser Stellung gehalten werden. Das Eindrücken der Elektroden in ihre benachbarten Kerben ist eine einfache und zuverlässige Technik und resultiert in einein kleinen Kontaktwiderstand.

In der in Fi g. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Chlorelektrode 7 so geformt, daß sie einen Innenhohlraum 8 hat Diese Konstruktion kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Weise erhalten werden, zum Beispiel durch Herstellen von zwei geeignet geformten Elektrodenhälften, die um ihre Kairen abgedichtet werden, entweder durch eine nicht leitende stabile Maske oder durch Formen und Verkleben der Elektrodenhälften selbst. Der Hohlraum

8 ist der Raum, in den der Elektrolyt gefüllt wird. Die Elektroden 7 sind auch mit Löchern (nich< gezeigt) zum Entweichen von Gas versehen.

Um gleichmäßige Elektrolytverteilung zu den einzelnen Elektroden 7 zu erreichen, wird jeder Chlorelektrode der Elektrolyt durch eine Leitung 9 kleinen Durchmessers zugeführt; die Leitung 9 ist mit einem Verteilersystem verbunden und wirkt als Strömungskontroll-Austrittsöffnung, Vorzugsweise bringen die Leitungen 9 den Elektrolyt von einem über den Zellen vorgesehenen Verteiler 10 zum Boden des Chlorelektroden-Hohlraumes 8, weil der Zellenboden der bevorzugte Einspeisepunkt ist. Diese Anordnung bringt auch die parasitären Ströme auf ein Minimum, indem sie die Leitungslänge auf größten Eingangs-Elektrolytwiderstand zwisch.n den einzelnen Zellen maximiert. Der Elektrolyt wird von einem Vorrat 11 /um Verteiler 10 geführt.

Eine Gruppe von bipolaren Elektrodcnpjaren wird so zusammengebaut, daß sie eine Gruppe von Zellenbänken, das heißt einen Batteriebausat/ bilden, wie in Fig. 2 gezeigt. Die inerte Wand 1 jedes bipolaren Paares ist im wesentlichen parallel zur Wand 1 des benachbarten bipolaren Paares angeordnet. Die letzte

Elektrode jeder Zelle ausgenommen, ist jede Chlorelektrode 7, die sich von der Stirnfläche 3 im allgemeinen im rechten Winkel zur Ebene der inerten Wand I erstreckt, zwischen einem Paar benachbarter Zinkelektroden 6', die sich im allgemeinen rechtwinklig zur Ebene der benachbarten Wand 1 vor. der Stirnfläche 2' erstrecken, in Stellung gebracht. Anders ausgedrückt, die Chlorelektroden 7 eines bipolaren Elektrodenpaares sind mil den Zinkelektroden des benachbarten bipolaren Paares in Eingriff gebracht. Jede Elektrode reicht fast bis zur inerten Wand I des benachbarten Paares, so daß ein schmaler Spalt zwischen dem Elektrodenende und der Wand 1 des benachbarten Paares vorhanden ist.

Die Zahl der bipolaren Elektrodcnpaare, die unter Bildung eines Bausatzes ineinander in Eingriff gebracht sind, kann nach Wunsch variier! werden. Die endständigen bipolaren Paare tragen nur Zinkelektroden 6. die sich von Kerben 4 der Stirnfläche 2 erstrecken oder nur Chlorclektroden 7. die sich von Kerben 5 in der Stirnfläche 3 erstrecken. Die äuBerste Stirnfläche des Endes der inneren Wand. d. h. die Stirnfläche, die keine Elektroden trägt, kann, wenn gewünscht, gekerbt sein, ist aber vorzugsweise im allgemeinen glatt und die Battcrieanschlüsse 12 sind auf solchen Stirnflächen in geeigneter Weise angebracht.

Die Elektroden zwischen jedem Paar benachbarter inerter Wände 1 bilden eine Zelle und es ist zu erkennen, daß die Zellenfläche einfach durch Verlängerung der Wand 1 und Anfügen weiterer Elektroden vergrößert werden kann. Es wird bevorzugt, daß die Elektroden an den alleräußersten Enden jeder Zelle entweder alles Ziiikelektroden 6 oder alles Chlorelektroden 7 sind. Diese Anordnung schränkt die Möglichkeit außenseitiger Kurzschlüsse ein. weil sie sicherstellt, daß die Spannungsdifferenz über jeder Zellenbreite die Hälfte der Spannungsdifferenz ist, wenn die äußersten Elektroden entlang des Batteriebausatzes abwechselnd Zinkelektroden 6 und Chloreiektroden 7 sind.

Wie in F i g. 3 gezeigt, sind die einzelnen bipolaren Eliiktrodenpaare auf einem geeigneten nicht leitenden stabilen Zellenboden 13 aufgesteckt. Die Innenwände 1 sind mit dem Boden 13 durch geeignete Mittel fest verbunden, zum Beispiel durch Befestigung mittels durchgehender Titan-Bolzen auf einer Glasplatte. Um eine gute Abdichtung zu gewährleisten, kann poröses Teflon-Dichüingsmateria! zwischen dem Glas und dem bipolaren Element vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Batteriebausatzenden aus den endständigen inerten Wänden, d.h. den inerten Wänden, die Elektroden nur auf einer Seite tragen, nämlich die äußersten Elektroden jeder einzelnen Zelle. Da ein schmaler Spalt zwischen dem Ende jeder Elektrode und seiner benachbarten Innenwand vorhanden ist, ist eine geeignete Dichtung 14 vorgesehen, um den Spalt an der äußersten Elektrode zu füllen. Es ist kein oberer Abschluß vorhanden, so daß jede Elektrode im Bausatz im wesentlichen zu einem Sammelgasraum offen ist, was den besten Gasauslrilt aus der Zelle ermöglicht. Wenn der Bausatz von einem Gehäuse eingeschlossen wird, müssen geeignete Gasräume im Kopfteil vorgesehen sein. Anstelle die einzelnen bipolaren Elcktrodenpaare der Grundplatte zu befestigen, können sie auch in einen Vakuum-verformten oben offenen Kasten eingepaßt werden, und zwischen dem Boden und den beiden Seitenwänden der inerten Wand 1 kann eine Abdichtung vorgenommen werden.

Bei l.angzeilbctrieb ist es erforderlich, einen Schlammsammclraiim vorzusehen. Wie in Fig. I gezeigt, kann dies durch Anordnung der Elektroden in der Weise geschehen, daß ein schmaler Spalt zwischen dem Boden der Elektroden und dem Boden der inerten Wand 1 bleibt. Um jedoch den Elektrolyt in der Zelle zurückzuhalten, müssen die äußersten Elektroden notwendigerweise ganz bis zum Boden reichen und mit der nicht leitenden Grundplatte dichtend verbunden sein unter Verwendung von zum Beispiel einer porösen Teflon-Bodendichtung.

Im Betrieb fließt der Elektrolyt aus dem Elcktrodcnzwischenraum über die ganze Breite der Elektrode. Das ermöglicht einen ausgezeichneten Gasaustritt aus dem Elektrodenzwischenspali und ein Minimum an Turbulenz im Elektrolyten. In Zellen ohne Separatoren erhöht Turbulenz im Elektrodenzwischenspali deutlich die coulomb sehen Ineffizienzen.

In jeder Zelle des Bausatzes fließen alle Elektrolytströme aus dem Elektrodenzwischenraumverbund und über die Endelektrode oder die Zcllcnbehälterwand. wenn eine solche vorgesehen, in einen gemeinsamen Sumpf (nicht gezeigt). Ein Verfahren zum Abtrennen des Elektrolyts zwischen den Zellen ist aus F^rig. I zu ersehen, wo die Wände 1. die als Zellentciler wirken, etwas höher angefertigt sind als die Elektroden in der Zelle. Elektrische Isolierung zwischen den Zellen wird durch den hohen Widerstand des Elektrolytfilms, der über die Endelektrode oder Innenwand fließt oder in anderer Weise gewährleistet. Außenisolierung wird durch einen »Wasserfall« an jeder Zelle geschaffen.

Ein beispielhafter Batteriebausatz, wie in F i g. 2 und 3 gezeigt, kann aus 10 bis 12 kammartigen bipolaren Elektrodenpaaren bestehen, jedes Paar kann eine inerte Wand t von etwa 10 cm Höhe und etwa 12 cm Länge haben. Jede erste Stirnfläche 2 kann 14 Zinkelektroden 6 aufweisen, die sich etwa 8 cm von der Ebene der Stirnfläche 2 erstrecken und deren oberes Ende etwa 2.54 cm unter dem oberen Ende der Wand 1 ist; und jede zweite Stirnfläche 3 kann 12 Chlorelektroden 7 haben, die sich etwa 8 cm von der Ebene der Stirnfläcne 3 erstrecken und deren oberes Ende etwa 234 cm unter dem der inerten Wand 1 ist. Der Boden jeder Elektrode ist etwa 03 cm über dem Boden der ersten Wand Der Boden jeder Zinkelektrode 6, die äußerste Elektrode 6 ausgenommen, kann sich ebenfalls etwa 03 cm über dem Boden der Wand 1 befinden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Galvanische Stromquelle mit kammartig ineinandergreifenden bipolaren Elektrodenpaaren mit senkrecht zu einer chemisch inerten Trennwand verlaufenden, im Abstand zueinander und im allgemeinen parallel angeordneten Elektroden, d a -durch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine mittige durchgehende im allgemeinen glatte elektrisch leitfähige Wand (1) aufweist in deren beiden entgegengesetzt gerichteten Stirnflächen (2, 3) eine Vielzahl von im Abstand voneinander vertikal und im wesentlichen parallel verlaufende Kerben (4) der Stirnfläche (2) zu den Kerben (5) der Stirnfläche (3) seitlich versetzt oder symmetrisch angeordnet sind, und daß in den Kerben (4) der Stirnfläche (2) je eine Elektrode einer Polarität (6) mit einer ersten Kante und in den Kerben (5) der Stirnfläche (3) je eine Elektrode anderer Polarität (7) mit einer ersten Kante angeordnet ist und daß zwischen den Elektrodenpaaren der Elektroden (6) und der Elektroden (7) entgegengesetzt gepülie Elektroden (7) bzw. (6) angeordnet sind, die mit der mittigen Wand (1) nicht leitend verbunden sind und in Kontakt mit seitlichen Kontaktwänden stehen.

2. Galvanische Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) porös sind und einen inneren Hohlraum (8) zur Aufnahme des Elektrolyten von außerhalb der Elektrode (7) aufweisen.

3. Galvanische Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Elektrolyt-Zuführleitung (9), we'che von außen zum Boden des inneren Hohlraums (8) führt

4. Galvanische Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (8) der Elektroden (7) über die Elektrolyt-Zuführleitung (9) mit einem Elektrolytvorrat (11) ggf. über einen Verteiler (10) verbunden sind.

5. Galvanische Stromquelle nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wand (1) jedes der Elektrodenpaare über die damit verbundenen Elektroden (6,7) erstreckt

6. Galvanische Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Boden (13) der Wand (1) jedes der Elektrodenpaare unter dem Boden von mindestens einer der damit verbundenen Elektroden (6,7) erstreckt.

7. Galvanische Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem oben offenen Gehäuse eingeschlossen ist, und die Enden der Wand (1) mit dem Gehäuse Berührung haben.