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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Metall-Luftzelle für Reaktionen mit
Gaserzeugung und auf einen Rahmen zur Verwendung in einer Metall-Luftzelle. Die
vorliegende Erfindung befaßt sich des weiteren mit chemischen Reaktionen, bei
denen Gas in einem Flüssigkeitsstrom erzeugt wird und bei denen Gasblasen einen
ungünstigen Effekt auf die gewünschten Reaktionen haben können, oder wo aus
anderen Gründen es wünschenswert ist, das Gas abzuscheiden. Die vorliegende
Erfindung mag insbesondere in Verbindung mit elektro-chemischen Reaktionen
verwendet werden, wie sie z.B. beim Zusammenschalten von galvanischen Zellen
auftreten (Elektrolyte, Batterien und Brennstoffzellen), wo Gas in der Elektrolyse als
unerwünschte Nebenreaktion entsteht. Dies ist z.B. in Systemen der Fall, die eine
gasförmige Komponente, wie z.B. Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel, ein Metall
als Reduktionsmittel und ein Flüssigelektrolyt verwenden. Ein Anwendungsgebiet der
vorliegenden Erfindung ist ein galvanisches System, bei dem Aluminium-
Luftbrennstoffzellen zur Anwendung kommen.
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Heute werden Reaktorsysteme verwendet, bei denen die Flüssigkeit lediglich durch
den Reaktor strömen kann, bis ein gewisser oberer Grenzwert für den Gasgehalt in
der Flüssigkeit erreicht ist. Wenn das Verhältnis von Gas zur Flüssigkeit so
angestiegen ist, daß es das Strömen der Flüssigkeit in dem Apparat verhindert, muß
die Flüssigkeit von dem Reaktor entfernt werden und in einen getrennten
Gasabscheider oder eine ähnliche Vorrichtung geleitet werden.
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Bei den bestehenden Reaktorsystemen, die eine Vielzahl von parallelen
Flüssigkeitseinlässen
zu dem Reaktor aufweisen, besteht darüber hinaus ein anderes Problem,
daß diese Reaktorsysteme von einer ungleichmäßigen Flüssigkeitsversorgung in den
individuellen Einlässen abhängig sind, insbesondere wenn die Flüssigkeit auch eine
Gasphase oder sogar feste Partikel enthält. Um dieses Problem zu verringern, ist es
erforderlich, separate Pumpen für jeden Einlaß vorzusehen oder auf eine andere Art
und Weise für eine angemessene Sicherheit gegen Verklumpen und für eine
ausreichende Balance für den Materialstrom der individuellen Einläße zu sorgen.
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Was durch die vorliegende Erfindung insbesondere erreicht werden soll ist, daß ein
Flüssigkeitstransport durch den Reaktor auch bei einer hohen Gasemission in
demselben ermöglicht wird. Darüber hinaus soll die Erfindung die Probleme der
ungleichmäßigen Flüssigkeitsversorgung zum Reaktor mit parallelen Einlässen
vermindern und des weiteren die Probleme in Bezug auf elektrische Kurzschlüsse
zwischen den Zellen in elektro-chemischen Reaktoren verringern.
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Es ist Ziel der Erfindung, eine Metall-Luftzelle vorzusehen, die aus ein oder mehr
Reaktionskammern besteht, worin eine gasführende Flüssigkeit durch die Zelle oder
Kammer strömt und worin, falls erforderlich, eine Trennung von Gas und Flüssigkeit
an geeigneten Stellen durchgeführt wird. Es ist damit möglich, Flüssigkeit weiter durch
die Zelle zu leiten, während das Gas je nach Wunsch entweder gesammelt oder
abgeleitet wird, oder auch mittels geeigneter Leitungen gesammelt wird.
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Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist ein Reaktor, bei dem eine gasführende
Flüssigkeit durch die Zelle transportiert werden kann, ohne daß die Fließrate der
Flüssigkeit in einem signifikanten Maße durch die Gasproduktion in der Zelle
beeinflußt wird.
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Des weiteren ist ein Ziel der Erfindung darin zu sehen, daß die erforderliche
Pumpenarbeit für den Transport der Flüssigkeit-Gasmischung bei einer vorgegebenen
muß.
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Es ist weiterhin Ziel der Erfindung, eine Flüssigkeitsströmung mit gleicher
Geschwindigkeit durch die Zelle zu erreichen und die Wahrscheinlichkeit von
unerwünschten Gasblasen sowie Wirbeln oder dergleichen in dem Flüssigstrom zu
minimieren.
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Gemäß der Erfindung handelt es sich um eine Metall-Luftzelle für Reaktionen mit
Gaserzeugung, mit Zuführleitungen, Reaktionskammern und Auslaßleitungen, bei der
die Auslaßleitungen separate Gasentfernungseinrichtungen aufweisen, die Leitungen
an einem oberen Rand der Reaktionskammern besitzen, und bei der die Leitungen
ausreichend eng sind, um einen Flüssigkeitstransport durch diese zu minimieren,
jedoch das Hindurchleiten von Gas ermöglichen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Metall-Luftzelle sind in den Unteransprüchen
2 - 4 gekennzeichnet, wohingegen der Rahmen zur Verwendung in einer derartigen
Metall-Luftzelle durch Anspruch 5 gekennzeichnet ist. Zur Vereinfachung der
Beschreibung der Erfindung und deren Anwendbarkeit wird im folgenden ein
Aluminium und Luft enthaltendes System als Anwendungsbeispiel der Erfindung
dargestellt.
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Es wird jedoch betont, daß die Erfindung nicht auf die Anwendung eines Aluminium-
Luftsystems begrenzt ist. Prinzipiell kann das System in allen Zelltypen verwendet
werden, wo eine Gasphase in einem Flüssigkeitsstrom auftritt und es erwünscht ist,
das Gas zu entfernen, wo der Flüssigkeitsstrom durch die Zelle geleitet werden soll
und die Zelle aus 2 oder mehr Kammern besteht, durch welche die Flüssigkeit geleitet
werden soll.
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Aluminium-Luftbatterien bestehen im allgemeinen aus einer Sauerstoff reduzierenden
Kathode, einer Anode aus einer Aluminiumlegierung und einem flüssigen Elektrolyt,
z.B. eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxyd. Die Kathode hat eine
Diaphragmaähnliche Struktur, die oftmals aus einer oder mehr Lagen einer porösen Mischung von
verschiedenen Kohlenstoff- und Katalysatortypen und Polytetrafluorethylen (PTFE),
wie auch ein Metallgitter, z.B. aus Nickel, besteht. Dieses Gitter soll als der Stromleiter
der Kathode dienen und ebenfalls der Kathode genügend mechanische Festigkeit
verleihen. Das Kathoden-Diaphragma hält den Elektrolyten von der Luft fern und muß
deshalb für Flüssigkeit undurchlässig sein, sprich, für den Elektrolyten, während es
gleichzeitig für Luft oder Sauerstoff durchlässig sein muß.
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Die Reaktion an der Kathode findet wie folgt statt: Sauerstoffhaltige Luft diffundiert in
das Kathoden-Diaphragma und trifft dort auf den Elektrolyten, und reduziert dabei den
Sauerstoff an dem katalytisch aktiven Diaphragma. Während dieses
Reduktionsvorganges werden Elektronen verbraucht. Gleichzeitig werden Elektronen
durch Oxydation von Aluminium an der Anode frei und verursachen dadurch die
Erzeugung elektrischer Energie.
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Die Aluminium-Anoden haben oftmals die Form von Platten, die in dem Elektrolyt
eingetaucht und in dichter Nachbarschaft zu dem Kathoden-Diaphragma angeordnet
sind, ohne jedoch in direktem Kontakt zu stehen.
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Der Zellenstrom an diesem galvanischen Element liegt in dem Bereich von 0,8 - 1,9
Volt, abhängig von der Ladung und der Temperatur. Um den erwünschten
Betriebsstrom zu erhalten, z.B. 12 Volt, muß somit eine bestimmte Anzahl von Zellen
miteinander in Serie geschaltet werden.
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Aluminium-Luftbatterien haben mehrere vorteilhafte Eigenschaften in Vergleich mit
anderen Stromquellen. Derartige Batterien können mit einem sehr hohen
Energiegehalt in Relation zu dem Batteriegewicht und -volumen hergestellt werden.
Die Energiedichte für eine derartige Batterie wäre in der Lage, 300 Wh/kg zu
erreichen, d.h. einen Wert, der mit dem Wert für Lithium-Batterien vergleichbar ist,
welcher 10 mal so hoch wie der Wert für Bleiakkumulatoren ist. Gleichzeitig kann die
Batterie in dem Sinne wiederaufladbar sein, daß sie so konstruiert ist, daß diejenigen
Teile der Batterie, die beim Entladeprozeß verbraucht werden, ersetzt werden können,
sobald die Batterie entladen ist. Gemeint ist damit, daß Teile verbraucht werden,
während der Rest erhalten bleibt.
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So betrachtet, kann das System nach der Erfindung sowohl mit einer mechanisch
aufladbaren Batterie in Verbindung gebracht werden als auch einem elektrisch
wiederaufladbaren System gegenübergestellt werden.
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Der Vorteil dieses Systems liegt darin, daß das Wiederaufladen im Verlauf von
wenigen Minuten und mit einer einfachen Handbewegung stattfinden kann, während
es oftmals mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann, um ein elektrisch aufladbares
System aufzuladen.
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Eines dieser Probleme des Aluminium-Luftsystems jedoch liegt darin, daß zusätzlich
zu den erwünschten elektrochemischen Reaktionen, d.h. die an der Anode
stattfindende Auflösung von Aluminium und der gleichzeitig stattfindenden Reduktion
von Sauerstoff eine unerwünschte chemische Nebenreaktion abläuft. Es reagiert
Aluminium mit dem Elektrolyt:
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2 Al + 6 H&sub2;O ---> 2 Al³&spplus;+ 6 OH&supmin;+ 3 H&sub2; (I)
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Hier wird Aluminium-Metall verbraucht, ohne für die Erzeugung elektrischer Energie
verwendet worden zu sein, und Wasserstoffgas wird in den Elektrolyt eingebracht mit
der daraus resultierender Gefahr späterer daraus resultierender Probleme. Diese
Probleme bestehen in erster Linie darin, daß die erforderliche Arbeit, eine
gasbeladene Flüssigkeit zu verpumpen, größer ist, als die erforderliche Arbeit, die
gleiche Flüssigkeit ohne Gas zu verpumpen; d.h., die erforderliche Arbeit erhöht sich
mit steigendem Gasanteil.
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Es ist auch möglich, Teile der Zellkammern so mit Gas zu füllen, daß der Bereich der
aktiven Elektrodenoberflächen, die dem Elektrolyt ausgesetzt sind, verringert werden,
was eine verringerte Leistungsabgabe zur Folge hat. Partiell gasgefülllte Zellkammern
erzeugen auch einen erhöhten inneren Widerstand in der Batterie.
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Darüber hinaus tritt bei partiell gefüllten Zellkammern eine ungleichmäßige
Elektrolytbewegung über die aktiven Elektroden auf, mit den daraus resultierenden
Möglichkeiten ungleichmäßiger Stromverteilung und ungleichmmäßiger anodischer
Zersetzung des Aluminiums.
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Ein anderes Problem mit dem Aluminium-Luftsystem liegt darin, daß Wärme und
Reaktionsprodukte durch die elektro-chemischen Reaktionen in den Zellen, nämlich
Aluminiumhydroxyde, erzeugt werden. Aluminiumhydroxyde sind feste Substanzen,
die in dem Elektrolyt während des Betriebes der Aluminium-Luftbatterie eingebracht
werden. Es ist deshalb notwendig, diese von den Zellen wiederum zu entfernen,
indem der Elektrolyt kontiniuerlich von den Zellen in ein Elektrolyt-Reservoir gepumpt
wird, um dadurch zu verhindern, daß die Zellen aufgefüllt werden und einen Stop in
der erwünschten elektro-chemischen Reaktion verursachen. Nachdem der Elektrolyt
einem Abscheidungs- und Kühlungsprozeß unterzogen worden ist, wird er zu den
Zellen zurückgepumpt.
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Die Verpumpung des Elektrolyten durch eine Vielzahl von in Serie geschalteten
elektrischen Einzelzellen kann wie folgt ausgeführt werden: Verpumpung des
Elektrolyten von einer Zelle zu der anderen, d.h., im Serienfluß, oder Verpumpung des
Elektrolyten in eine Sammelleitung an dem Auslaß der Zellen, d.h. Parallelfluß. In
einem Aluminium-Luftsystem ist Serienfluß vorzuziehen, um dadurch konstanten und
gleichmäßigen Fluß durch alle Zellen zu erreichen. Darüber hinaus ist die
Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit, die bei in Serie geschaltetem Fluß durch den
elektro-chemischen Reaktor (verkettete Kopplung von Zellen) gepumpt werden muß,
nur ein Bruchteil der erforderlichen Flüssigkeitsmenge bei parallel geschaltetem Fluß
(1/10 in Relation zum parallel angeordneten Fluß, wo das System aus einer
verketteten Kopplung von 10 Zellen besteht). Eine parallele Kopplung der Zellen kann
in anderen Batteriesystemen der gleichen Art oder in anderen chemischen Reaktoren
zweckmäßig sein.
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Es ist auch wichtig, daß die Bewegung des Elektrolyt durch die Zellen gleichmäßig ist,
ohne daß Bereiche mit Turbulenz oder sog. Wirbeln auftreten. Darüber hinaus muß
die Fließrate so groß sein, das Sedimentation von Aluminiumhydroxyd-Partikeln in den
Zellen vermieden wird. Zusätzlich dürfen die Elektrolyt-Leitungen in den Zellen keine
Engstellen enthalten, die Ursache für das Klumpigwerden sind. Es ist darüber hinaus
wichtig, daß die Bedingungen so eingestellt werden, daß die Aluminium-Anoden
gleichmäßig zersetzt werden, so daß eine maximale Nutzung des Aluminiums erreicht
wird.
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Ein zweiter wichtiger Punkt bei der verketteten Schaltung der Zellen ist darin zu
sehen, daß es möglich sein muß, die sauerstoffhaltige Luft zu den Luftelektroden zu
befördern und die gebrauchte Luft abzuleiten.
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Des weiteren ist es wichtig, daß der elektrische Widerstand durch die Elektrolytleitung
zwischen zwei in Serie gekoppelte Zellen hoch genug ist, daß die Möglichkeit einer
Selbstentladung oder eines Kurzschlusses durch den Elektrolyten minimiert wird.
Dies kann entweder dadurch erreicht werden, daß die Elektrolyt-Leitungen mit einem
genügend kleinen Querschnitt und/oder einer genügenden Länge vorgesehen sind,
oder daß die Elektrolyt-Leitungen so konstruiert sind, daß es in den Leitungen immer
Gasblasen gibt.
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Darüber hinaus ist es wichtig, daß die elektrische Kopplung für Anode und Kathode so
geschaffen ist, daß so gering wie mögliche Widerstandsverluste auftreten und daß die
Verbindung von einer Zelle zur nächsten so vorteilhaft wie möglich gestaltet ist. Es ist
auch für die verkettete Schaltung der galvanischen Zellen von größter Wichtigkeit,
daß die Zellen ein niedriges Gewicht und ein kleines Volumen aufweisen. Des
weiteren ist es wichtig, daß die einzelnen Zellen nicht kostenaufwendig sein sollten,
was natürlich insbesondere wichtig ist, wenn die gesamte Gruppe der miteinander
verbundenen Zellen ersetzt werden muß, wie in dem oben erwähnten Fall, wo die
Aluminium-Anoden durch neue ersetzt werden, d.h., in einem mechanisch
wiederaufladbarem System.
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Zusätzliche Ziele und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann bei einer
genaueren Betrachtung des oben Gesagten und der nun folgenden Beschreibung
deutlich werden.
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Folgendes wird insbesondere mit der Erfindung erreicht:
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1. daß die verkettete Schaltung der Elemente eine bestimmte Anzahl galvanischer
Zellen durch die Aufstellung einer korrespondierender Anzahl von Kammern für
eine Anordnung von Metallanoden (in diesem Fall Aluminiumplatten) mit
derselben Anzahl von Luftkammern bildet, in welche sauerstoffhaltige Luft
eingeleitet werden kann; und daß die verkettete Schaltung der Elemente darin
ein Hinzufügen von Kathoden-Diaphragmen für die Trennung von
Anodenkammern und Luftkammern ermöglicht. Der Apparat ist derart vorteilhaft
konstruiert, daß der gegebene Abstand zwischen jeder Anodenplatte und dem
Kathoden-Diaphragma in dem Bereich von 0,5 - 10 mm liegt, bevor die Zelle
beginnt, Strom zu liefern;
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2. daß die verkettete Schaltung von Elementen ein praktisches Leitungssystem
bildet, um den Elektrolyt zu und von jeder Zelle einer galvanischen Zelle zu
transportieren; daß der Elektrolyt-Transport so gut wie möglich der Nutzung der
Zelle angepaßt ist;
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3. daß für den Fall, daß die Zelle eine galvanische Aluminium-Luftzelle darstellt,
die verkettete Schaltung der Elemente die Einspeisung von sauerstoffhaltiger
Luft ermöglicht, wobei dies entweder durch natürliche Konvektion oder durch
aktiven Transport von Luft hinter dem Kathoden-Diaphragma erfolgt. Die
Luftleitungen müssen in diesem Fall für den Transport der Luftmenge
dimensioniert sein, die für die Produktion einer bestimmten Strommenge
genügt, sowie gleichzeitig der Luftwiderstand in den Leitungen in einem
akzeptablen Bereich gehalten wird. Die Luft sollte vorzugsweise in den unteren
Teil der Kathodenkammer geleitet werden und von dort aus gleichmäßig nach
unten entlang dem Kathoden-Diaphragma fließen, bevor sie am oberen Teil der
Kathodenkammer abgelassen wird; und
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4. daß die nach der Erfindung erstellten Zellen elektrische Kopplungen zur Anode
und Kathode enthalten, was eine elektrisch verkettete Schaltung der Zellen
ermöglicht.
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Die Erfindung wird des weiteren durch die im Anhang befindlichen Zeichnungen
dargestellt. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Zelle nach der Erfindung;
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Fig. 2 einen Rahmen nach der Erfindung in Seitenansicht;
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Fig. 3 denselben Rahmen nach der Erfindung nach der anderen Seite gesehen;
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Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Zelle nach der Erfindung;
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Fig. 4' die Zelle nach der Erfindung teilweise geöffnet, um die Luft- und
Elektrolytbewegungen darzustellen;
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Fig. 5 eine alternative Ausführung der Zelle nach der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 6 stellt den Verlauf von Elektrolyt und Luft in dem Reaktor nach Fig. 5 dar.
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Das wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß beim
Zusammensetzen (verkettete Schaltung des Elementes) man ein praktisches
Leitungssystem für den Transport und Verteilung des Elektrolyt und der gleichzeitigen
Trennung von Gas schaffen kann. In regelmäßigen Abständen erhält man in diesem
Leitungssystem nach der Erfindung Bereiche, in denen Gravitations- und
Beschleunigungskräfte die Flüssigkeits und Gasphase vorteilhaft trennen. Diese Bereiche sind
auch so ausgebildet, daß sie den Unterschied in der Dichte zwischen Gas und
Flüssigkeit ausnutzen und die Oberflächenkräfte, welche die Trennung verhindern, so
leicht wie möglich überwunden werden.
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In solchen Fällen, wo Gas und Flüssigkeit in den Reaktor wie dieselbe Richtung wie
die Gravitationskräfte gepumpt werden, wird die Gas-Flüssigkeitsmenge so groß sein,
daß die Ansammlung von Gas in dem Reaktorbereich vermieden wird.
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Bei einer typischen Anwendung nach dem Erfindungsgegenstand wird deshalb der
Elektrolyt aufwärts in die Reaktorkammer gepumpt und die Gasabscheidung findet in
einer oberhalb der Zelle angepaßten Kammer/Leitung statt. Aufgrund des Dichte- und
Viskositätsunterschiedes zwischen Flüssigkeit und Gas kann das Gas durch derartig
enge Leitungen geführt werden, daß der Flüssigkeitstransport durch die gleichen
Leitungen minimal ist. Diese Eigenschaft wird auch genutzt, wenn man aus Gründen
der Produktion oder anderen Überlegungen dünnere und engere Leitungen einsetzt
als solche, die nur für Gastransport benutzt werden. Charakteristisch dafür sind
symetrische Vorrichtungen, die in komplette Zellen umgruppiert und
zusammengekoppelt werden; für diese Vorrichtungen ist es möglich, sehr enge
Leitungen sowohl für oben als auch unten vorzusehen, obwohl es lediglich die oberen
Leitungen sind, die als Gasleitungen dienen.
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Diese Eigenschaften sind in dem Sinne vorteilhaft, daß sie auch "das Durchschlagen"
von unerwünschten Gasblasen veranlassen und gleichzeitig die Kontrolle des Gas-
Flüssigkeitsstandes in den erwünschten Gasblasen (Gas-Flüssigkeitssperre) zu
kontrollieren. Die Gasleitungen können kennzeichnenderweise in einem
Flüssigleitungssystem parallel geführt sein, indem man die Flüssigkeitsfüllung in dem
gesamten System oder in Teilen desselben sicherzustellen wünscht. Der
bemerkenswerte Unterschied in der Viskosität und Dichte zwischen Flüssigkeit und Gas erfordert
eine automatische Niveaueinstellung mit großer Flexibilität in Bezug auf variierende
und ungleichmäßige Betriebsbedingungen. In solchen Fällen, in denen es wichtig ist,
einen Flüsigkeitsdurchbruch im Gasleitungssystem zu vermeiden, können die
Gasleitungen mit gasdurchlässigen Diaphragmen versehen sein, bei denen der
Flüssigkeitsfließwiderstand unendlich groß ist.
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Die prinzipielle Arbeitsweise der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Hier
werden Flüssigkeit und Gas durch eine Eintrittsleitung 2 der Zelle zu der
Reaktionskammer 1 geleitet, welche einen wesentlich größeren Querschnitt als die
Leitung 2 aufweist. Die Reaktionskammer list so ausgelegt, daß die Fließrate der
Mischung in vertikaler Richtung in die Reaktionskammer wesentlich niedriger ist als
die Fließrate in der Versorgungsleitung. Der gasenthaltende Teil der Flüssig-/Gas-
Mischung wird somit in dem oberen Teil der Reaktionskammer gesammelt. Dieses
Gas kann mittels einer passenden Leitung 3 von dem oberen Teil der
Reaktionskammer abgeleitet werden, während die Flüssigkeit aus der
Reaktionskammer durch einen passenden Auslaß 4 herausgeleitet wird. Mehrere
derartige Reaktionskammern sind für die Unterbringung in einer Zelle vorgesehen, wie
dies in Fig. 1 gezeigt wird.
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Alternativ kann die Gasableitung von der ersten Zelle zu dem oberen Teil der
nächsten Zelle durch eine Leitung 3' geleitet werden etc., bis das Gas endlich von
dem oberen Teil der letzten Zelle herausgeleitet wird.
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Eine zweite Alternative ist darin zu sehen, daß die Flüssigkeit-Gasmischung in die
Zelle mit parallelen Einläßen von einer Sammelleitung eingeleitet wird; diese
Alternative schließt einen Einlaß für jede Zelle mit korrespondierenden parallelen
Ausläßen zu einer wahlweise neuen Sammelleitung für die vom Gas befreite
Flüssigkeit ein.
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Als eine Alternative zu der Ausführung, bei der die zu den Zellen geleitete Flüssigkeit
eine Gasphase enthält, kann die Flüssigkeit zu den Zellen einen niedrigen Gasgehalt
aufweisen, wobei es sich jedoch um das in den Zellen produzierte Gas handelt, und
dieses Gas in denselben Zellen abgeschieden wird, so wie es das Prinzip der
Erfindung vorsieht.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind darin zu sehen, daß die erforderliche
Arbeit, um das Flüssigkeit-Gasgemisch durch die Zellen zu pumpen, in dem Fall
wesentlich reduziert wird, indem die Gasabscheidung nach dem Prinzip der Erfindung
durchgeführt wird. Des weiteren ist die erforderliche Pumpenarbeit in einem
wesentlichen Maße von der Gasmenge unabhängig geworden, welche in die
Flüssigphase eingebracht worden ist.
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Bei dem Erfindungsprinzip könnte es darüber hinaus überflüssig werden, gesonderte
Apparate für die Gasabscheidung vorzusehen, bevor die Flüssigkeit zu den Zellen
geleitet wird.
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Letztlich kann die Flüssigkeitsphase durch die Zelle auf homogene und kontrollierte
Art und Weise transportiert werden; somit kann die Möglichkeit für das Auftreten
lokaler Gasblasen und ungleichmäßiger Gasflußraten in den Zellen aufgrund der
vorher genannten Gasblasen minimiert werden.
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Ein besonderer Zellentyp, der für das Prinzip nach der Erfindung geeignet ist, ist, wie
oben erwähnt, die galvanische Zelle nach dem Metall-Luftsystem. In diesen
galvanischen System, wie bereits im Zusammenhang mit der Gleichung (I)
beschrieben, stellt das Auftreten von Wasserstoff in der Zelle eine unerwünschte
Nebenreaktion dar.
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Die Probleme, die diese Gasproduktion für den Elektrolyttransport durch die Zellen mit
sich bringt, können in hohem Maße durch die Mittel des vorliegenden
Erfindungsprinzips vermindert werden. Dies trifft insbesondere in Bezug auf die
Minimierung der Pumpenarbeit zu, weil die Energie für diese Arbeit dem System selbst
entzogen wird und somit den Gesamtwirkungsgrad des Systems beeinflußt.
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Es ist darüber hinaus vorteilhaft, dem Auftreten von Gasblasen an den Elektroden
entgegenzuwirken, da diese Gasblasen die Leistung des Systems verschlechtern und
eine ungleichmäßige Zersetzung der Anodenplatten bewirken.
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Des weiteren trägt die Erfindung dazu bei, ein gleichmäßigeres Fließbild entlang der
Elektroden zu erhalten, was auf der anderen Seite wiederum zu einer effizienteren
Nutzung der Anodenplatten führt.
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Letztlich trägt die Erfindung dazu bei, die Entstehung von lokalen Wirbeln oder
Bereichen minimaler Fließrate vorzubeugen, was wiederum die Möglichkeit von
Verklumpung der Zellen aufgrund der Ablagerungen von aus der Reaktion
stammenden festen Teilchen reduziert.
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Im Zusammenhang mit der oben erwähnten Nutzung des Erfindungsgegenstandes mit
Aluminium-/Luftbatterien wird die Erfindung insbesondere in Bezug auf die Fig. 2 bis
4 beschrieben werden.
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Fig. 2 und 3 zeigen einen Rahmen nach der Erfindung, worin man durch das
Zusammenkoppeln mehrerer derartiger Rahmen eine gewisse Anzahl von
galvanischen Zellen erhalten kann. Fig. 2 und 3 zeigen die Rahmen aus der Sicht der
gegenüberliegenden Seite, während Fig. 4 die Rahmen darstellt, wie sie zu
galvanischen Zellen zusammengekoppelt sind.
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Fig. 2 zeigt den Rahmen 5 von der der Luftkammer zugewandten Seite, wenn der
Rahmen einen Teil der Zelle darstellt. Der Rahmen ist so ausgelegt, daß der Platz für
die Montage einer Luftelektrode 6 vorhanden ist, z.B. beim Kleben, Gießen oder
Schweißen oder anderen Befestigungen an den Rahmen. Auf der einen Seite des
Rahmens ist eine eingelassene Öffnung 7 eingeformt, um für Mittel zur Ableitung des
Stromes von der Luftelektrode Platz zu schaffen.
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Oberhalb und unterhalb der Luftelektrode sind Einformungen 8, 9 so angeordnet
vorgesehen, daß für den Fall, daß zwei Rahmen miteinander verbunden werden, eine
Öffnung für die Luftbeförderung gebildet wird, vorzugsweise von unten nach oben
nach den Luftelektroden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Stromauslasses 7 ist
eine Nute 10 so gestaltet, daß sie eine Leitung für die Beförderung des Elektrolyts
ergibt, wenn zwei Rahmen zusammengefügt werden. In dieser Leitung wird der
Elektrolyt von der Anodenkammer der einen Zelle zu der Anodenkammer der nächsten
Zelle befördert.
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Diese Leitung ist derartig ausgelegt, daß der Elektrolyt von dem oberen Teil der einen
Zellen-Anodenkammer zu dem unteren Teil der nächsten Zellen-Anodenkammer
befördert wird. Dies wird durch die Wirkung der Nute 10 erreicht, die mit einer solchen
Tiefe ausgelegt ist, die gleichmäßig von oben nach unten hin zunimmt, bis sie durch
den unteren Teil der Nut 10 hindurchstößt.
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An den vier Ecken des Rahmens werden durchgehende Löcher gezeigt, die als
Gasabscheiderleitungen in Zusammenhang mit dem Erfindungsprinzip stehen.
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In Fig. 3 ist der Rahmen 5 von der Seite gezeigt, indem man auf die Anodenkammer
schaut, wenn der Rahmen einen Teil einer Zelle darstellt. In Fig. 3 ist ebenso der
Raum dargestellt, wo die Luftelektrode 6 angebracht ist, gesehen von der
Elektrolytseite. Die Luftelektrode 6 bildet eine der Wände der Anodenkammer und die
Rahmendicke ist so angepaßt, daß die Tiefe der Anodenkammer für die Anodenplatte
Raum bietet, wenn zwei solche Rahmen zusammengefügt werden. Auf einer Seite des
Rahmens ist ein Schlitz 12 dargestellt, durch welchen ein Mittel zur Leitung des
Stromes von der Anode hindurchgeht. Auf der anderen Seite des Rahmens 5 ist eine
Nute 13 gezeigt, die hindurchläuft und eine Leitung darstellt, nämlich dieselbe Leitung,
die als Nute 10 in Fig. 2 beschrieben ist, mit der Aufgabe, Elektrolyt von dem oberen
Teil der vorausgehenden Zellen-Anodenkammer zu dem unteren Teil der örtlichen
Anodenkammer zu befördern, wenn zwei Rahmen zusammengestellt sind, um
gemeinsam eine Zelle zu bilden.
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Der Elektrolyt fließt dann zu einer neuen Leitung, welche durch die Nut oder eine
Aussparung 14 gebildet wird, wenn die beiden Rahmen zusammengefügt worden sind.
Parallel zu und über der Aussparung 14 ist eine neue und flache Einformung 15
vorgesehen. Dies bewirkt einen Schlitz für den Transport des Elektrolyten entlang der
Anodenplatte nach oben, wenn zwei Rahmen zusammengefügt worden sind. Der
Grund, warum die Einformung 15 flacher als die Aussparung 14 ist, ist der, daß der
Fließwiderstand in der Sammelleitung (es handelt sich um Aussparung 14) niedriger
sein sollte als der Fließwiderstand durch den engen Schlitz oder die Einformung 15;
dadurch soll eine annähernd gleiche Fließrate entlang des gesamten Schlitzes und
somit auch eine gleichmäßige und horizontale Fließfront entlang der Anodenplatte
erreicht werden. Über der Anodenkammer ist ein korrespondierender Schlitz mit der
Einformung 16 auf dem Rahmen und eine neue Sammelleitung an der Einformung 17
auf dem Rahmen 5 angeordnet. In einer weiteren Variante sind diese Aussparungen
15 und 16 mit Extra-Einformungen 15', 16' an dem Ende der Zellenkammer
vorgesehen, welches am weitesten von dem Einlaß entfernt liegt. Diese Extra-
Einformungen sichern einen Minimalfluß durch die gesamte Versorgungs-/Entladungs-
Leitung 14/17, so daß man auf diese Art und Weise einen Anstieg der Sedimentation
von Reaktionsprodukten im Leitungsinneren vermeidet, wo es sonst einen Bereich mit
einer gegen Null abfallenden Fließrate und damit einem Wirbel geben könnte.
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Der Elektrolyt fließt dann abwärts zu dem unteren Teil der nächsten Anodenkammer
aufgrund der Tatsache, daß die Nute 13 eine Leitung bildet, wenn zwei Rahmen
zusammengefügt sind. In den Ecken der Sammelleitungen sind durchgehende Löcher
11 für die Gasabscheidung dargestellt. Diese Löcher 11 sind in den
Elektrolytleitungen, weshalb es erforderlich ist, daß der Durchmesser der Löcher
wesentlich kleiner als der Durchmesser der Elektrolytleitungen ist. Damit kann nur
eine minimale Menge von Elektrolyt in einem vorgegebenen Fall durch diese
Gasleitungen transportiert werden, während zur gleichen Zeit der Durchmesser der
Löcher 11 groß genug ist, um einen effektiven Gastransport zu gewährleisten.
Insbesondere wenn die Löcher 11 in dem oberen Bereich der Zelle angeordnet sind
sind sie als Gasabscheiderleitungen wirksam. Wenn die miteinander verkoppelten
Rahmen die Zellen bilden und die Zellen zusammengefügt ein Zellensystem ergeben,
werden nach der Erfindung durchgehende Gasleitungen durch das gesamte System
geschaffen, so daß das Gas am Ende von der letzten Zelle in dem System abgeleitet
werden kann.
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In Fig. 4 sind Zellen dargestellt, wie sie sich nach der Erfindung aus den Rahmen
zusammensetzen und in ein System zusammengefügt sind, wobei Fig. 4 sieben
galvanische Aluminium-Luftzellen veranschaulicht. Zwei Rahmen 5 formen eine Zelle
19. Die Endplatten 20 und 21 in dem System bestehen aus leicht modifizierten
Rahmen, bei denen der Elektrolyteinlaß 22 und -auslaß 23 und der Gasauslaß 24
enthalten sind. Die Pfeile 25 und 26 markieren die Plazierung der Luftschlitze sowie
die Richtung der Prozeßluft, wie diese nach den Luftelektroden geführt wird.
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Der Elektrolytstrom wird an dem Einlaß 22 eingeleitet, um anschließend in die
Sammelleitung der Zelle Nr. 1 einzuströmen. Von dort aus wird der Elektrolyt durch die
Anodenkammer aufwärts entlang der Anodenplatte 28 hinauf zu der oberen
Sammelleitung 29 geleitet. Anschließend wird der Elektrolyt nach unten entlang der
sich neigenden Transportleitung 30 zu der unteren Sammelleitung 27 in der
nächstfolgenden Zelle geleitet, etc..
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Das in den Anodenkammern gebildete Hydrogengas steigt zusammen mit dem
Elektrolytstrom und sammelt sich als erstes in der oberen Sammelleitung 29; jedoch
wird das Gas von dort aus durch die Gasleitungen 31 weitertransportiert, bis es
schließlich an dem Gasauslaß 24 herausgeleitet wird.
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Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform des Rahmens 5 und eine in der Fig.
4 dargestellte Verbindung dieser Rahmen bietet eine Anzahl von Vorteilen im
Vergleich mit dem, was durch den bekannten Stand der Technik erreicht werden kann.
Eine andere Ausführungsgestaltung nach der Erfindung wird in Fig. 5 vorgestellt. Hier
gibt es 7 galvanische Aluminium-Luftzellen, die auf die Art und Weise miteinander
gekoppelt sind, wie es in Fig. 4 gezeigt wurde, jedoch mit einem veränderten
Leitungsverlauf in Vergleich zu Fig. 4. Der Elektrolytstrom wird in die untere
Sammelleitung 27 in der Zelle Nr. 1 durch den Einlaß 32 geleitet, um danach entlang
der Anodenplatte 28 nach oben zu der oberen Sammelleitung 29 zu fließen. Der
Elektrolyt wird anschließend zu der oberen Sammelleitung 29 der nächsten Zelle
durch die Leitung 33 befördert. Anschließend fließt der Elektrolyt entlag der Anode 28
der Zelle Nr. 2 hinunter zu der unteren Sammelleitung 27 in der Zelle Nr. 2, um dann
zu der unteren Sammelleitung 27 der dritten Zelle durch Leitung 34 geleitet zu
werden. Diese Verfahrensfolge wird dann wiederholt, bis der Elektrolyt durch den
Auslaß 35 ausgeleitet worden ist. Dieses Hindurchleiten des Elektrolyten durch die
Zellen hat den Effekt eines Serienflußes durch die Zellen. Das in den Zellen erzeugte
Wasserstoffgas wird von der oberen Sammelleitung 29 jeder Zelle durch einen
getrennten Gasauslaß 36 bzw. alternativ durch Gasleitung 37 zwischen den Zellen
ausgeleitet, um anschließend z.B. von dem Gasauslaß 36 der äußeren Zellen
gesammelt zu werden.
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Um einer möglichen Gasansammlung in den oberen Bereichen der Zellkammer
aufgrund des engen Schlitzes zwischen der Zellkammer und der Sammelleitung
entgegenzuwirken, kann man alternativ eine Gasleitung 38 (S. Fig. 5) ausbilden.
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Der Vorteil dieser Konstruktion ist darin zu sehen, daß man eine getrennte Leitung für
die nach unten strömende Flüssigkeit vermeidet und dadurch einen kompakteren
Aufbau erreicht.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Luft zu der Kathode in eine
quer verlaufende Strömung eingeleitet.
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Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei von Fig. 5
ausgegangen wird, können die Leitungen 33 u. 34 durch alle Zellen hindurchlaufen.
Das kann bedeuten, daß der Elektrolyt vom Einlaß 32 transportiert wird und die
Sammelleitungen 27 auffüllt, bevor er längs den Anoden 28 nach oben in alle Zellen
gleichzeitig hinaufgesandt wird, anstatt ihn (den Elektrolyten) in der Anodenkammer
auf- und abwärts zu leiten, was von der Lage der Zelle in der Reihe der einzelnen
Zellen abhängt.
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Der Elektrolyt füllt dann die oberen Sammelleitungen 29 auf, bevor er durch die
Leitungen 33 (welche zwischen allen Zellen verlaufen) und zu dem Auslaß 35 geleitet
wird. Dies stellt einen Parallelfluß dar. Die Gasauslässe können in dieser
Ausführungsform so konstruiert sein, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
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Fig. 6 zeigt den Stromverlauf, wobei die durchgezogene Linie den Weg des
Elektrolyten darstellt, die gestrichelte Linie den Weg des Gases und die mit Pfeilen
bezeichneten Punkte den Weg der Luft.
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Zum einen erhält man mittels des Erfindungsgegenstandes in der oben geschilderten
Anwendung eine sehr effiziente und einfache Abscheidung von Wasserstoffgas, das
in den galvanischen Zellen anfällt.
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Zum anderen macht es die Erfindung darüber hinaus möglich, daß der benötigte
Energieaufwand, um den Elektrolyten durch die Zellen zu pumpen, beinahe
unabhängig von der Gasmenge ist, die zu jeder Zeit anfällt.
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Das bedeutet, daß die Pumpenarbeit konstant und unabhängig von den
Betriebsbedingungen und anderen Parametern ist, welche die Bildung von
Wasserstoffgas in dem System beeinflussen, und zwar in der gleichen Zeit, in der die
Pumpenarbeit bei einem Minimallevel gehalten wird und somit, aufs Ganze bezogen,
zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Systems beiträgt. Indem das Gas
auf die oben beschriebene Art und Weise abgeschieden wird, minimiert man die
Bildung von Gasansammlungen in den Anodenkammern und minimiert damit
Probleme im Zusammenhang mit Gasblasen in den Kammern, welche zur
Verringerung der gesamten Elektrodenoberfläche führt, die dem Elektrolyten
dargeboten ist, was mit einer reduzierten Arbeitsleistung einhergeht.
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Des weiteren erhält man einen sanften und gleichmäßigen Fluß des Elektrolyten nach
der Elektrode, was eine verringerte Wahrscheinlichkeit für die Bildung von turbulenten
Bereichen und Wirbeln in der Anodenkammer zur Folge hat.
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Die erfindungsgemäßen Rahmen 5 und deren in Fig. 4 gezeigten Verbindung
miteinander sorgt für einen Elektrolytfluß durch die Zellen von einer Zelle zur
nächsten, was Serienfluß bedeutet. Dies hat den Vorteil, daß die
Gesamtflüssigkeitsmenge, die durch die Zellen gepumpt werden muß, lediglich ein Bruchteil dessen ist,
was bei Parallelfluß erforderlich ist, wie oben dargestellt. Dies wiederum bedeutet,
daß wesentlich weniger Pumpenarbeit erforderlich ist, um eine spezielle Fließrate für
den Elektrolyten durch die Anodenkammer zu erreichen.
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Es ist ein weiterer Vorteil, daß der Elektrolytfluß von unten nach oben durch die
Anodenkammer in allen Zellen strömt, was für gleiche Fließkonditionen und
Betriebsbedingungen in allen Zellen sorgt.
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Noch ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Rahmen 5 alle notwendigen
Funktionen (ausgenommen die Endplatten) enthalten, um als "Bausteine" für die
Bildung aus einer beliebigen Anzahl von ähnlichen Zellen zu ermöglichen. Das hat
den Vorteil, daß der Rahmen 5 für eine große Anzahl von Zellen produziert werden
kann, statt eines erforderlichen Inventars unterschiedlicher Elementtypen bereitstellen
zu müssen. Dies wiederum trägt zu niedrigeren Produktionskosten bei und erleichtert
die Herstellung.
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Der erfindungsgemäße Rahmen kann natürlich aus jedem geigneten Material
hergestellt werden, jedoch ist er vorzugsweise aus einem geeignetem Plastikmaterial
mittels konventieneller Spritzgießtechniken hergestellt, was niedrige
Produktionskosten pro Einheit und die Möglichkeiten für große Herstellungsmengen
bedeutet.