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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und
insbesondere auf eine Brennstoffzelle, die einen höheren Wirkungsgrad durch
Maximierung der verfügbaren
Grenzfläche
zwischen flüssigen
Phasen hoher und niedriger Dichte oder zwischen gasförmigen,
flüssigen
und festen Phasen bereitstellt, wobei die Übertragung von Wärme und
Masse sowie chemische Reaktionen quer über diese Phasen stattfinden
können.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein neuartiges Verfahren bereit,
bei dem der Wirkungsgrad und die Leistung von Brennstoffzellen dadurch
verbessert wird, dass diese einer Zwangsrotierung ausgesetzt werden.
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Brennstoffzellen
sind Vorrichtungen, die die Änderungen
der frei werdenden Energie einer chemischen Reaktion zur elektrochemischen
Umwandlung in direkte elektrische Energie nutzen. Verwendet man gasförmige oder
feste Reaktionspartner (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff oder metallische
Pulver), können die
anodischen und katodischen Reaktionspartner ihren jeweiligen Kammern
zugeführt
werden, von wo aus die elektrochemische Energieumwandlung ausgeht.
Zwischen den zwei Elektroden einer elektrochemischen Zelle ist eine
Elektrolytschicht (häufig eine
Flüssigkeit)
vorgesehen. Die Halbzellenreaktion, an der der anodische Reaktionspartner
beteiligt ist, lässt
an der Anode Elektronen entstehen, die über einen externen Kreis zur
Katode übertragen
werden, wo sie in die Halbzellenreaktion eintreten, an der der katodische
Reaktionspartner – normalerweise
Sauerstoff – beteiligt ist.
Der Kreis wird dadurch geschlossen, dass die Ionen durch den Elektrolyt
hindurch von einer Elektrode zur anderen transportiert werden. Der
durch den externen Stromkreis fließende Strom liefert die elektrische
Leistung und ermöglicht
damit mechanische Arbeit, die beispielsweise von einem Elektromotor
ausgeführt
werden kann.
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Im
Gegensatz zu Batterien, die elektrische Energie speichern, sind
Brennstoffzellen Energieerzeuger, die die Energie chemischer Reaktionen
direkt in Elektrizität
umwandeln. Sie tun dies in umweltfreundlicher, sauberer Weise und
erzeugen nicht die Schadstoffe, die beispielsweise bei der normalen Verbrennung
von Brennstoffen in herkömmlichen Verbrennungsprozessen
entstehen. Brennstoffzellen bieten weitaus größere Perspektiven für das Erreichen
hoher Wirkungsgrade (70–100%)
und Energieumwandlungsraten, da sie nicht den Beschränkungen
der thermodynamischen Wirkungsgrade (Carnot-Kreisprozess) von Brennkraftmaschinen
(im Allgemeinen 40–50%)
unterliegen. Für
das Erzielen dieser hohen Wirkungsgrade sind jedoch neue Konstruktionen
kompakter Brennstoffzellen notwendig, die die elektrochemische Energie
wirksamer gewinnen können.
Die erzielbare Ausgangs- und Gesamtleistung wird durch die langsame
Verteilung von Ionen und Elektronen an der Reaktionspartner-Elektrolyt-Elektrode-Grenzfläche beschränkt, besonders dann,
wenn der Reaktionspartner ein Gas ist.
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Brennstoffzellen
werden oft nach ihrer prinzipiellen Systemanordnung eingeteilt.
Zur üblichsten Einteilungsart
zählen:
Phosphorsäure-Brennstoffzellen
(PAFC); Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC); Festoxid-Brennstoffzellen
(SOFC); Protonenaustausch-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC); Alkalische
Brennstoffzellen (AFC); und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC).
Bei einer anderen Einteilungsart werden die Brennstoffzellentypen
nach dem verbrauchten Brennstoff bzw. Oxidationsmittel klassifiziert,
z. B.: Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft);
Brennstoffzellen mit organischen Verbindungen und Sauerstoff (oder
Luft); Brennstoffzellen mit Kohlenstoff- oder Kohlenmonoxid und
Luft; Brennstoffzellen mit stickstoffhaltigen Verbindungen und Sauerstoff
(oder Luft); und Brennstoffzellen mit Metall und Sauerstoff (oder
Luft). Herkömmliche
Brennstoffzellen haben im Allgemeinen einen quasistatischen Aufbau
und enthalten zahlreiche einzelne elektrochemische Zellen, die in
Reihe oder parallel gestapelt sind, um die benötigte Ausgangsspannung und
Stromdichte zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung umfasst den Metall-Sauerstoff-Brennstoffzellentyp
und auch den Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellentyp, ist aber
nicht ausschließlich
darauf beschränkt.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist demzufolge die Bereitstellung
einer Brennstoffzelle mit höherem
Wirkungsgrad, die in gewissem Maß die Probleme einschränkt, die
im Zusammenhang mit früher
verwendeten Brennstoffzellen auftreten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt daher eine Brennstoffzelle bereit,
die Folgendes umfasst:
eine Kammer, die dafür geeignet ist, einen Elektrolyt aufzunehmen;
Mittel,
um den Elektrolyt um eine Achse der Kammer zu rotieren;
mindestens
einen Einlass, um ein Oxidationsmittel und/oder einen Brennstoff
in die Kammer einzuleiten, wobei der Einlass von der Rotationsachse
der Kammer beabstandet ist;
mindestens eine Elektrode, die
mit dem Elektrolyt und dem Oxidationsmittel in Kontakt gebracht
werden kann; und
mindestens eine Elektrode, die mit dem Elektrolyt und
dem Brennstoff in Kontakt gebracht werden kann.
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Optional
kann für
die Brennstoffzelle auch mindestens ein Auslass vorgesehen sein,
um das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff nahe der Rotationsachse
zu entfernen.
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Optional
kann für
die Brennstoffzelle auch mindestens ein Abscheiden vorgesehen sein,
um die Nebenprodukte elektrochemischer Reaktionen zu sammeln und/oder
zu entfernen.
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Bei
allen durch Auftrieb bewirkten natürlichen Konvektionsvorgängen auf
der Erde ergeben sich die treibenden Kräfte aus der Wechselwirkung zwischen
Materie und dem Gravitationsfeld der Erde. Die „Aufwärtsgeschwindigkeit" – d. h. die von der leichteren
Phase (z. B. eine Blase) gegenüber
der schwereren Phase (normalerweise eine Flüssigkeit) erreichte natürliche Geschwindigkeit – wird daher durch
den Wert der am Ort vorhandenen Gravitationsbeschleunigung bestimmt,
der auf der Erde mit 9,81 m/s2 ungefähr konstant
ist. Diese Aufwärtsgeschwindigkeit
kann wesentlich erhöht
werden, indem man das örtliche
Beschleunigungsfeld mit rotierenden Rahmen wie z. B. Zentrifugen
oder anderen Drehvorrichtungen verstärkt.
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Zentrifugalkräfte, die
auf die Elektrolytphase wirken, und umgekehrt-zentrifugale (zentripetale} Kräfte, die
auf das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff wirken, agieren
dabei zusammen und steigern die Gesamtgeschwindigkeit des Zirkulationsflusses. Übersteigt
die herbeigeführte
Trägheitsbeschleunigung
die des normalen örtlichen
Gravitationsfeldes (1 g), kann dieser von außen erzwungene Strömungsvorgang
einen höheren
volumetrischen Durchsatz chemischer Substanzen in einem Reaktor fördern und
demzufolge die Gesamtgeschwindigkeit der chemischen Reaktion verbessern.
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Das
Gravitationsfeld, das durch Rotierung um die Symmetrieachse der
Kammer in der Brennstoffzelle erzeugt wird, kann vorteilhafterweise
die innere Zirkulation der Flüssigkeit
ohne Verwendung von Pumpen unterstützen und verbessern. Bei starker
Rotierung – wenn
die Winkelgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um eine örtliche
lineare Beschleunigung herbeizuführen,
die wesentlich größer als
1 g (ca. 9,81 m/s2) ist – wird dieser Strömungsvorgang als „durch
Drehung erhöhte
natürliche
Zirkulation" bezeichnet.
Bei der vorliegenden Erfindung wird also vorteilhafterweise die
erhöhte
natürliche
Zirkulation genutzt, um die Ausgangsleistung von Brennstoffzellen
wie beispielsweise Metall-Sauerstoff (oder Luft)-Brennstoffzellen zu steigern.
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Die
höhere
Aufwärtsgeschwindigkeit
der Blasen bewirkt gleichzeitig einen größeren Durchsatz chemischer
Substanzen, was die Ausbeute aus dem elektrochemischen Reaktionsprozess
wesentlich verbessern kann. Dies ist besonders vorteilhaft, da die
Leistung herkömmlicher
elektrochemischer Reaktoren im Allgemeinen begrenzt ist durch die
maximal erreichbare Durchflussrate des Oxidationsmittel und/oder
Brennstoffs (normalerweise Gase), das/der durch eine poröse Elektrode
in einen Elektrolyt (meist eine Flüssigkeit) fließt, und
durch die zur Verfügung stehende
Grenzfläche
zwischen den verschiedenen Phasen, wobei die Übertragung von Wärme und Masse
sowie chemische Reaktionen quer über
diese Phasen stattfinden.
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Es
versteht sich für
einen Fachmann, dass die Rotierung des Elektrolyts um eine Symmetrieachse
der Kammer auf unterschiedliche Weise erreicht werden kann. Vorzugsweise
umfassen die Mittel zur Rotierung des Elektrolyts jedoch die Rotierung
der Kammer. Der Reaktor kann folglich in einer Ausführung eine
Zentrifuge o. Ä.
umfassen. Die Kammer kann in einer Ausführung dadurch rotiert werden, dass
an ihr mehrere Leitschaufeln und/oder Laufräder bereitgestellt werden,
die die Kammer beim Einleiten des Oxidationsmittels und/oder Brennstoffs
in den Reaktor in Drehung versetzen. In dieser Ausführung der
Erfindung können
die Laufräder/Leitschaufeln
außerhalb
der Kammer bereitgestellt werden, die ihrerseits in einem Außengehäuse vorgesehen
sein kann. Demgemäß überträgt das Einleiten
des Oxidationsmittels und/oder Brennstoffs in das Gehäuse vorteilhafterweise
eine Bewegung auf die Kammer, indem das Oxidationsmittel und/oder
der Brennstoff auf die Leitschaufeln auftrifft und anschließend zur Reaktion
in die Kammer geleitet wird. Aus diesem Grund sind externe Rotierungsmittel
wie z. B. ein Elektromotor o. Ä.
möglicherweise
nicht erforderlich, da die Rotierung primär wegen der Druck- und Drehmomentänderung
durch das eingeleitete Oxidationsmittel und/oder den eingeleiteten
Brennstoff herbeigeführt
wird, das/der auf die Leitschaufeln auftrifft, um die Bewegung auf
die Kammer zu übertragen.
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Alternativ
können
die Mittel zur Rotierung der Flüssigkeit
rotierende Laufräder,
Leitwände
o. Ä. umfassen,
die innerhalb der Kammer bereitgestellt werden.
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Beim
Rotieren des Elektrolyts um eine Drehachse dienen die Zentrifugal-
und Corioliskräfte
dazu, die auf das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff wirkenden
Auftriebskräfte
zu vergrößern, wenn diese
Substanzen durch den Einlass in die Brennstoffzelle gelangen. Die
Brennstoffzelle arbeitet daher nach dem Prinzip der „umgekehrten
Zentrifuge". Das
Prinzip der „umgekehrten
Zentrifuge" stellt
die Wirkung bereit, mit der ein kontinuierlicher Fluss einer Flüssigkeit
niedrigerer Dichte durch eine Flüssigkeit
höherer
Dichte aufrechterhalten werden kann, wobei die Auftriebskräfte durch
die Zentripetalkräfte verursacht
werden, die auf die leichtere Phase wirken.
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Brennstoffzellen,
die mit kontinuierlicher Rezirkulation des flüssigen Elektrolyts arbeiten,
könnten vom
Effekt der „umgekehrten
Zentrifuge" profitieren. Beispielsweise
senkt ein in den Elektrolyt eingeleitetes Gas, das den Brennstoff
und/oder das Oxidationsmittel darstellt, die örtliche Dichte der Flüssigkeit, und
diese Dichtereduzierung kann dazu verwendet werden, eine kontinuierliche „erhöhte natürliche Zirkulation" in der Brennstoffzelle
anzutreiben. Diese zirkulierende Strömung erhöht sich direkt proportional
zum Anstieg des Beschleunigungsfelds, der aus einer Steigerung der
Winkel- oder Drehgeschwindigkeit resultiert. Ferner kann die „Blasenwirkung" des Gases die Geschwindigkeit
der elektrochemischen Reaktion wesentlich erhöhen, indem die Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche an den
Reaktionsstellen vergrößert wird.
Das Gas kann unter Druck durch Düsen
oder – bevorzugter – Begaser
zugeführt
werden, die von der Drehachse entfernt angeordnet sind. Die Düsen oder
Begasungsmittel werden vorzugsweise in den Wänden der Kammer bereitgestellt.
Die Geschwindigkeit der Wärme-
und Massenübertragung
wird ebenfalls erhöht.
Die Rotierung unterstützt und
steigert folglich die kontinuierliche natürliche Zirkulation und den
Durchsatz von Gasen in einer Brennstoffzelle in einer Weise, die
der Strömung
in einer Blasensäule
mit Zentrifugation oder einer Tellerzentrifuge ohne Einsatz von
Pumpen entspricht. Die Metall-Sauerstoff (oder Luft)-Brennstoffzelle
ist ein besonders geeigneter Brennstoffzellentyp, mit dem das Prinzip
der „umgekehrten
Zentrifuge" ausgenutzt
werden könnte.
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Für Anwendungen
im Weltraum, wo die erdbedingte Schwerkraft praktisch nicht vorhanden
ist, kann die Erzeugung künstlicher
Schwerkraft durch drehende Zentrifugen das einzige Mittel sein,
um herbeigeführte
natürliche
Konvektionsflussvorgänge
zu realisieren.
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Einlass
und Auslass sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden der Kammer
angeordnet, wodurch vorteilhafterweise eine maximale Grenzfläche für elektrochemische
Reaktionen zur Verfügung
gestellt wird. Vorzugsweise wird mindestens ein Kanal bereitgestellt,
der den Einlass mit den Kammerwänden
verbindet. Das Inkontaktbringen des Oxidationsmittels und/oder Brennstoffs
mit dem Elektrolyt und den Elektroden kann vorzugsweise mittels
der Begasungsmittel durchgeführt
werden. Dadurch werden vorteilhafterweise mehrere Einlässe bereitgestellt,
die das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff zuführen, um
die reaktionsfähige
Oberfläche
in der Kammer zu optimieren. Die Begasungsmittel liefern vorteilhafterweise
Blasen gleichmäßiger Größe, wenn
ein Gas verwendet wird.
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Die
Elektroden umfassen vorzugsweise ein poröses, elektrisch leitendes Material.
In einer Metall-Sauerstoff (oder Luft)-Brennstoffzelle ist der Metallbrennstoff
selbst die Elektrode. Diese kann in Form eines festen, porösen Blocks
hergestellt oder als lose verdichtetes Metallpulver bereitgestellt
werden, das in einem porösen
Metallkäfig
aufgenommen wird, wobei der Käfig
als elektrischer Anschluss wirkt und außerdem stützenden Halt bietet. Die Sauerstoff (oder
Luft)-Elektrode umfasst vorzugsweise ein poröses, elektrisch leitendes festes
Material wie z. B. Natrium-Wolfram-Bronze.
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Eine
Brennstoffzelle, bei der der Brennstoff ein Metall und das Oxidationsmittel
Sauerstoff oder Luft ist, repräsentiert
ein bevorzugte Ausführung
der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall kann der Metallbrennstoff – beispielsweise
Aluminium, Magnesium oder Zink – in
Form eines Pulvers oder eines porösen Blocks bereitgestellt werden.
Wenn der verwendete Brennstoff ein Metall ist, umfasst die Kammer
vorteilhafterweise zusätzlich
einen porösen
Käfig,
der das Metall aufnimmt. Bei diesem Brennstoffzellentyp umfasst
der Elektrolyt vorzugsweise Hydroxidionen und – noch bevorzugter – eine wässrige Kalium-
oder Natriumhydroxid-Lösung.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung umfasst die Kammer innere Leitwände, die
die Durchflusswege für
die innere Rezirkulation des Elektrolyts definieren. Die Kammer
kann – noch
bevorzugter – zusätzlich einen
Abscheiden umfassen, um Reaktionsprodukte aus der Zelle zu entfernen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann die Kammer in kleinere Kammern unterteilt
sein, um so mehrere elektrochemische Zellen zu bilden, die entweder
in Reihe oder parallel elektrisch miteinander verbunden sind.
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Die
Rotationsgeschwindigkeit der Kammer kann vorzugsweise variabel sein.
Bevorzugter kann die Rotation durch ein externes Mittel wie z. B.
einen Elektromotor angetrieben werden, der in die Außenkammer
der Brennstoffzelle eingebaut sein könnte.
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Die
Kammer wird vorzugsweise um ihre vertikal ausgerichtete Drehachse
rotiert.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann auch ein Brennstoffzellen-System bereitgestellt werden,
das mehrere Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst, wobei die Brennstoffzellen physikalisch in Reihe
miteinander und elektrisch in Reihe oder parallel miteinander verbunden
sind. Die elektrischen Verbindungen ermöglichen, dass die elektrischen
Eigenschaften des Systems verändert
werden können.
In einer bevorzugten Ausführung
des Brennstoffzellen-Systems sind die Brennstoffzellen an einer
gemeinsamen Drehachse befestigt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst in ihrem Umfang auch ein Fahrzeug,
das eine hier beschriebene Brennstoffzelle oder ein hier beschriebenes Brennstoffzellen-System
umfasst.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen,
um den Wirkungsgrad und die Leistung von Brennstoffzellen zu verbessern,
wobei das Verfahren umfasst: das Einleiten eines Oxidationsmittels
und/oder Brennstoffs zum Inkontaktbringen mit einem Elektrolyt,
der in einer hier definierten Brennstoffzelle vorhanden ist, wobei
das Einleiten mittels einem oder mehreren Einlässen erfolgt, die von der Rotationsachse
der Kammer beabstandet sind; das Rotieren des Elektrolyts um die
Achse der Kammer; und das optionale Entfernen von irgendeinem nicht
in Reaktion getretenen Oxidationsmittel und/oder nicht in Reaktion
getretenen Brennstoff aus dem Auslass nahe der Rotationsachse.
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Die
Flüssigkeit
in der Kammer wird vorzugsweise durch Rotierung der Kammer rotiert.
Die Kammer kann mit externen Mitteln (z. B. einem Elektromotor)
oder alternativ durch Bereitstellung von Leitschaufeln oder Leitwänden an
der Kammer rotiert werden, die beim Einleiten des Oxidationsmittels und/oder
Brennstoffs in die Brennstoffzelle eine Rotierung der Kammer bewirken.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner den Schritt der
Regenerierung des chemischen Ausgangsbrennstoffs und des Sauerstoffs aus
den Nebenprodukten der Reaktion umfassen.
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Abgesehen
von den üblichen
für alle
Brennstoffzellen beanspruchten Vorzügen – beispielsweise saubere elektrochemische „Verbrennung" ohne Schadstoffemissionen
in die Atmosphäre – sind die für diese
Erfindung beanspruchten zusätzlichen
Vorteile grundsätzlich
dreifacher Art:
- i) Die Wirkung der Zentrifuge
dient dazu, den Betriebsdruck in der Brennstoffzelle ohne Temperaturanstieg
zu erhöhen.
Es ist noch nicht vollständig
geklärt,
warum die elektrische Ausgangsleistung dadurch gesteigert wird,
doch dies kann möglicherweise
der Vergrößerung der
Kontaktgrenzfläche
zwischen Gas und Elektrolyt an der Reaktionsstelle innerhalb der
Elektrodenporen zugeschrieben werden, wodurch der Ionenaustauschvorgang
direkt beeinflusst wird.
- ii) Die durch die Rotierung hervorgerufene Verstärkung des
Beschleunigungsfelds kann dazu verwendet werden, den Durchsatz des
Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels durch die nach innen auf
die Gasphase wirkende Zentripetalkraft und die nach außen auf
die schwere Phase wirkende Zentrifugalkraft zu steigern, wodurch
die Verteilungsrate des Gases und somit die Gesamt-Reaktionsgeschwindigkeit
und die Ausgangsleistung erhöht
werden.
- iii) Die Rotierung kann leicht durch einen kleinen Elektromotor
aufrechterhalten werden, der die Energie von der Brennstoffzelle
selbst bezieht und an der gemeinsamen Drehachse befestigt ist. Überschüssige Stromleistung
oder überschüssige kinetische
Rotationsenergie könnte
dann für
den mechanischen Antrieb in Automobilanwendungen durch Direktantrieb-Elektromotoren
verwendet werden, wobei möglicherweise
Technologien zur Energiespeicherung (Schwungräder, Batterien) in diese Anwendungen
integriert sind.
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In
einer typischen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle werden der
gasförmige
Brennstoff und das gasförmige
Oxidationsmittel getrennt unter Druck durch poröse Elektroden gepumpt und in Kontakt
mit einem Elektrolyt gebracht. Die Druckbeaufschlagung sorgt dafür, dass
diese Brennstoffzellen sowohl bei schwerelosen Bedingungen als auch auf
der Erde betrieben werden können.
Ein rotierende Brennstoffzelle bietet jedoch Vorteile, die mit einem
rein statischen, druckbeaufschlagten System nicht erreichbar sind.
Diese Vorteile beruhen nicht nur auf dem einhergehenden Druckanstieg.
Dank des Effekts der „umgekehrten
Zentrifuge" stimulieren die
größeren Auftriebskräfte den
Vorgang der Gas-Elektrolyt-Vermischung und -Verteilung dynamisch,
wodurch der chemische Reaktionsprozess verbessert wird. Als Beispiel
stelle man sich vor, dass ein über
einer statischen Flüssigkeit
befindliches Gas mit Druck beaufschlagt wird. Dies steigert die
Löslichkeit
des Gases in der Flüssigkeit,
doch die Geschwindigkeit, mit der die Gaskonzentration ansteigt,
unterliegt weiterhin der langsamen molekularen Verteilung an der
Grenzfläche
zwischen Gas und Flüssigkeit. Führt man
das Gas aber bei gleichem Druck in Blasen durch die Flüssigkeit,
wird die Vermischungsgeschwindigkeit beträchtlich gesteigert. Die Gaskonzentration
nimmt dann wegen der Durchwirbelung und anderen blasendynamischen
Effekten weitaus schneller zu. Die Erhöhung des Systemdrucks dient lediglich
dazu, die Dichte der Gasphase zu steigern, und dies hat nur eine
relativ gering Auswirkung auf den Dichteunterschied zwischen Flüssigkeit
und Gas, der den Auftrieb bewirkt. Andererseits beeinflusst die
Verstärkung
des örtlichen
Beschleunigungsfelds (durch Rotierung) in beträchtlichem Maße den Auftrieb,
die Dynamik der Blasenbewegung und die „Aufwärtsgeschwindigkeit" der Blasen. Eine
rotierende Brennstoffzelle kann demzufolge in vorteilhafter Weise
die dynamischen Effekte nutzen, die bei herkömmlichen statischen, druckbeaufschlagten Brennstoffzellen
nicht vorhanden sind.
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Eine
Ausführung
der Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle, die metallischen Brennstoff
(z. B. Aluminium- oder Zinkpulver) verwendet und poröse Matrix-„Sauerstoff"-Elektroden innerhalb
eines flüssigen
Elektrolyts umfasst. Eine solche Brennstoffzelle kann auch wesentlich
von den Zentrifugaleffekten profitieren, wenn sie als rotierende
Brennstoffzelle konstruiert ist. Die zusätzlichen Vorteile gegenüber herkömmlichen
statischen Brennstoffzellen-Konstruktionen
sind:
- i) Das oxidierende Gas (Sauerstoff oder
Luft), das durch die ausgeprägte „Blasenwirkung" in die poröse Matrix-Sauerstoff-Elektrode
eingespritzt wird, kann die Reaktionsgeschwindigkeit wesentlich
steigern, indem es einen pulsierenden Gas-Flüssigkeits-Film an der „Drei-Phasen-Grenze" in der Sauerstoffelektrode
erzeugt. Schnelle, zufällige
Bewegungen dieser örtlichen
benetzten Filmzone bewirken eine beträchtliche Zunahme der Ladungsübertragung
an der Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche.
- ii) Der aufsteigende Gasstrom senkt die durchschnittliche Flüssigkeitsdichte
im die Sauerstoffelektrode umgebenden Elektrolyt, was zusammen mit
der durch die Rotierung der Flüssigkeit
in der Brennstoffkammer bewirkten höheren Zentrifugalkraft die
erhöhte
natürliche
Zirkulation des Elektrolyts in der Zelle unterstützt.
- iii) Sauerstoff bzw. Luft, der/die beim Reduktionsvorgang nicht
verbraucht wurde, wird durch die bessere Gas-Flüssigkeits-Trennung an der elektrolytfreien
Oberfläche
und unter Mitwirkung der die Trennung unterstützenden Effekte der rotierenden
Zentrifuge leicht aus der Brennstoffzelle ausgetragen.
- iv) Nebenprodukte des Reaktionspartners können durch die Zentrifugalkräfte wirksam
von der Rotationsachse fortbewegt und „eingefangen" werden, ohne dass
dabei der Fluss des Elektrolyts durch die Zelle behindert wird.
Diese chemischen Nebenprodukte können
entweder kontinuierlich (oder diskontinuierlich) entfernt oder – bei einem geschlossenem
Kreislaufsystem – regeneriert werden,
um den Ausgangs-Metallbrennstoff plus Sauerstoff für anschließende Wiederverwendung zu
gewinnen.
- v) Die Zentrifugalkräfte
können
vorteilhafterweise als ein Mittel verwendet werden, mit dem der Brennstoffzelle
frischer metallischer Brennstoff zugeführt wird. Diese „nach außen wirkenden" Zentrifugalkräfte können dazu
dienen, den Pulverbrennstoff zu verteilen und zu verdichten, was
die Konstruktion des Brennstoffzufuhrsystems vereinfacht.
- vi) Es kann ein „Fließbett" aus Brennstoffteilchen aufrechterhalten
werden, um die Grenzfläche
zwischen Brennstoff und Elektrolyt wesentlich zu vergrößern. Dies
verbessert infolge der höheren
Geschwindigkeit der chemischen Reaktion die Gesamtleistung und den
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
- vii) Aluminiumpulver wird besonders bevorzugt, da es leicht
zu geringen Kosten in sehr reinem Zustand erhältlich ist. Aluminium ist stark
elektropositiv und daher ein geeigneter, preiswerter Brennstoff,
der elektrochemisch ohne Freisetzung von giftigen Gasen „verbrannt" werden kann. Das
System ist außerdem
chemisch regenerativ, wobei die Kosten für die Regenerierung niedrig
sind.
- viii) Aus der Kompaktheit des Metallbrennstoffs ergeben sich
in Verbindung mit der niedrigen Betriebstemperatur weniger Materialprobleme,
höhere
Zuverlässigkeit
und längere
Lebensdauer der Zelle. Eine drehende Anordnung sorgt auch für eine kleinere
Gesamtkonstruktion und demzufolge für geringere Masse und höheres Leistungsgewicht.
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Eine
rotierende Brennstoffzelle könnte
in Abhängigkeit
von ihrem jeweiligen Typ auf viele verschiedene Arten konstruiert
werden – besonders
im Hinblick auf die Geometrie der Fließwege des Gases und der Flüssigkeit,
die Konfiguration der Elektroden, die Auslegung der Elektrolytkammern
sowie die mechanischen/elektrischen Verbindungen zwischen einzelnen
Zellen. Ein Merkmal, das normalerweise allen rotierenden Brennstoffzellen
jedoch gemeinsam ist, besteht darin, dass die eingespritzten Gase
an den Zonen eingeleitet werden, die im Wesentlichen dem äußersten
Radius der jeweiligen elektrochemischen Zelle entsprechen. Demgemäß sollte
die typische Rücken-zu-Rücken-Anordnung
von Elektroden in herkömmlichen
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen
statt dessen umkonstruiert werden, um die durch die Zentrifuge verbesserte
Verteilung von Gasen in den elektrolytbenetzten Zonen der Elektroden zu
erleichtern. Bei irgendeiner bestimmten Zelle könnten die zwei Elektroden z.
B. in Kante-zu-Kante-Anordnung ausgebreitet sein – und zwar
vorzugsweise, aber nicht unbedingt, auf einer Ebene mit konstantem
Radius. Eine mögliche
Rücken-zu-Rücken-Anordnung
für eine
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
mit durch Drehung erhöhter
natürlicher
Zirkulation würde
darin bestehen, dass man die „Brennstoffelektrode" räumlich mit
einem gemeinsamen radialen Kanal oder Rohr so von der „Oxidationsmittelelektrode" trennt, dass eine
Doppelkreislauf-Rezirkulation des Elektrolyts erfolgen kann. Ein gasförmiger Brennstoff
wie z. B. Wasserstoff würde durch
einen Begaser in den äußeren Rand
der Brennstoffelektrode eingespritzt. Das gasförmige Oxidationsmittel wie
z. B. Luft würde
in gleicher Weise getrennt in den äußeren Rand der Oxidationsmittelelektrode
eingespritzt. Flüssiger
Elektrolyt könnte dann
frei zirkulieren, indem er radial nach außen im gemeinsamen Mittelkanal
fließt,
von wo aus er sich teilt, um in die zwei Begaserzonen der Brennstoff- und
Oxidationsmittel-Einlässe
zu strömen.
Der radial nach innen gerichtete Fluss von Gasen und die sich daraus
ergebende Dichtereduzierung der Zwei-Phasen-Mischung in den getrennten Brennstoff-
und Oxidationsmittel-Abschnitten
unterstützen
die bessere Zirkulation des flüssigen
Elektrolyts in der Brennstoffzelle. Durch Regelung des Drucks oder
der Rotationsgeschwindigkeit könnten
weitere Anforderungen für
den Ausgleich der Gas- und Elektrolytdrücke erfüllt werden, damit die Position
der benetzten Grenzfläche
in den Elektroden geregelt werden kann.
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Die
Konstruktion der Elektroden in Metall-Sauerstoff-Brennstoffzellen
ist etwas weniger komplex und ermöglicht deshalb eine bessere
Anwendung des Prinzips der umgekehrten Zentrifuge, um die Gas- und
Flüssigkeitsströme durch
die porösen
Strukturen der beiden Elektroden hindurch zu regeln.
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Bei
einigen Brennstoffzellen-Konstruktionen zirkuliert der Elektrolyt,
der eine saure oder alkalische wässrige
Lösung
sein kann, kontinuierlich zwischen den Elektroden. Wie bereits gesagt,
bewirken die Zentrifugalkräfte
in einer rotierenden Brennstoffzelle eine starke Zunahme des hydrostatischen
Drucks im Elektrolyt, was bis zu einer bestimmten Grenze vorteilhaft
für den
Betrieb und die Leistung der Brennstoffzelle ist. Mit druckbeaufschlagtem
Einspritzen von Gas (Brennstoff oder Oxidationsmittel) durch kleine
Düsen am äußeren Rand
der Zentrifugenkammer wird die Dichte der Gas-Flüssigkeits-Mischung drastisch
reduziert, was die erhöhte
natürliche
Zirkulation des flüssigen
Elektrolyts in der Zelle unterstützt.
Der Druck und die Durchflussrate der Zirkulation können beide
direkt gesteigert werden, indem einfach die Rotationsgeschwindigkeit
erhöht
wird. Gute Kandidaten für
rotierende Brennstoffzellen sind daher Metall-Sauerstoff (oder Luft)-Brennstoffzellen, bei
denen ein Metallpulver-Brennstoff wie z. B. Aluminium, Magnesium
oder Zink verwendet wird. Dieser Brennstoff kann leicht durch kontinuierliche
Zufuhr lose gepackten Pulvers oder diskontinuierlich in Form von
vorgeformten, porösen
Metallmatrixblöcken
eingebracht werden.
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Die
Vorteile der Rotierung überwiegen
die zusätzliche
Komplexität
des Rotationsantriebs durch z. B. einen Elektromotor. Es ergeben
sich nützliche Vorteile
durch die Kopplung der hydrodynamischen und elektrochemischen Vorgänge, die
zusammen den Gesamtwirkungsgrad und die spezifische Ausgangsleistung
einer solchen Vorrichtung steigern. Die Rotierung kann dazu genutzt
werden, einen größeren Konvektionsfluss
der zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Mischung
einzurichten und zu regeln, die den rezirkulierenden Elektrolyt
bildet. Es werden folglich keine Pumpen benötigt, um die Flüssigkeit
durch den Brennstoffzellen-Kreislauf zirkulieren zu lassen, so dass
Hilfsregelkreise überflüssig sind
und Probleme wegen Materialkorrosion eingedämmt werden. Darüber hinaus
kann der Druck in der Brennstoffzelle erhöht werden, um die Geschwindigkeiten
der elektrochemischen Reaktionen an den Elektrodenoberflächen durch
Regelung der Drehgeschwindigkeit zu optimieren. Die „Blasenwirkung", die durch direktes Einspritzen
von Gas (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff oder Luft) in die Elektrode
hervorgerufen wird, verursacht örtliche,
zufällige
Bewegungen des Elektrolytfilms an der Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche, so
dass die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion gesteigert
wird. Dadurch wird bekannterweise der Austausch der Elektronen-
und Ionenladung an der „Drei-Phasen-Grenze" wesentlich verbessert
und möglicherweise
ein hundertfacher Anstieg der Stromdichte an der Elektrode erzeugt.
Eine sehr ausgeprägte
Zunahme der Grenzfläche
zwischen einem festen Brennstoff (z. B. Aluminiumpulver) und dem
flüssigen
Elektrolyt kann vorteilhafterweise aufrechterhalten werden, wenn
man die festen Teilchen „verflüssigt". Die metallischen
Brennstoffpartikel schweben bei Erzeugung eines „Fließbetts" dynamisch, wodurch die Kontaktgrenzfläche und demnach
die bei einer vorgegebenen Brennstoffmenge erreichbare elektrische
Leistungsdichte vergrößert werden.
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Weitere
Vorteile einer rotierenden Brennstoffzelle ergeben sich daraus,
dass die für
nicht-industrielle Transportzwecke benötigten Energiequellen normalerweise
diskontinuierlich sind. Bei diesen Anwendungen können die Rotierungsmittel über das Haupt-Kraftübertragungssystem
zugeführt
werden, während
nur einer kleiner Bruchteil der erzeugten Gesamtleistung verbraucht
wird. Die für
die Aufrechterhaltung dieser Rotierung erforderliche zusätzliche Energie
ist gering im Vergleich zur Gesamtenergie, die für die Beschleunigung eines
Fahrzeugs benötigt wird.
Diese zusätzliche
Energie wird hauptsächlich dazu
verwendet, den Reibungswiderstand in Lagern zu überwinden und das Oxidationsmittelgas
(Luft) für den
druckbeaufschlagten Betrieb zu verdichten. Ein solcher Antriebsmechanismus
könnte
in das Haupt-Kraftübertragungssystem
von Straßenfahrzeugen
integriert und mit dem gesamten Energiebedarf gekoppelt werden.
Auf diese Weise ließe
sich die Drehgeschwindigkeit der Brennstoffzelle an die Fahrgeschwindigkeit
anpassen, möglicherweise
unter Verwendung eines Schwungradeffekts, um die Drehgeschwindigkeit
zu regeln und zu kontrollieren und dadurch nach Bedarf eine höhere spezifische
Energie zu erzeugen, um die Beschleunigung zu steigern.
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Die
Erfindung wird anhand der nur als Beispiel aufgeführten folgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich.
Es zeigt:
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1: eine Ausführung des
Grundkonzepts, das auf rotierende Metall-Sauerstoff-Brennstoffzellen angewendet
wird. Ein vertikaler Querschnitt durch eine solche rotierende Brennstoffzelle
ist beim Querschnitt X-X und ein horizontaler Querschnitt nahe der Mittelebene
beim Querschnitt Y-Y dargestellt.
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Unter
Bezugnahme auf 1 sind
die für eine
rotierende Metall-Sauerstoff-Brennstoffzelle
vorgesehenen Hauptkomponenten folgende: Eine Kammer umfasst eine
zylindrische, nichtleitende Kammer (1), die in der Lage
ist, große
Umfangsspannungen von Zentrifugalkräften aufrechtzuerhalten, die
durch die Rotierung um eine Symmetrieachse (19) verursacht
werden. Die Hauptkammer (1) ist durch nichtleitende, radial
teilende Platten oder Wände
(2) in eine oder mehrere Abschnitte unterteilt, um die
einzelnen elektrochemischen Zellen elektrisch zu isolieren, wodurch
ein „Stapeln" von mehreren in
Reihe geschalteten Zellen ermöglicht
wird, um die Gesamt-Ausgangsspannung zu erhöhen. Innere plattenähnliche
Leitwände
(3) trennen die oberen und unteren Hälften der Kammer voneinander
und stellen Durchflusswege für
die innere Rezirkulation des Elektrolyts (14) und stützenden
Halt für
die Elektroden (5) und (8) bereit. Die radialen
Platten (2) und Leitwände
(3) bieten auch dem Gehäuse
bei hohen, drehungsbedingten Belastungen sowie den beiden Elektroden
(5) und (8) Stabilität. Der flüssige Elektrolyt (14)
kann jedoch ohne zusätzliches
Pumpen frei und kontinuierlich zwischen allen Zellen der Kammer fließen. Der
Brennstoff – beispielsweise
Aluminium-, Magnesium- oder Zinkpulver – wird über einen Brennstoffzufuhr-Einlass
(4) in die Kammer geleitet und in einem porösen, siebgewebeartigen
Material aufgenommen, das die Form eines Käfigs (6) aufweist.
Der Hauptzweck dieses Käfigs
besteht darin, das Brennstoffpulver zu halten und einen elektrischen
Anschluss (21) für
die Stromentnahme bereitzustellen. Dieses Brennstoffpulver wird
mittels eines inneren kegelförmigen
Kanals (7) – der
so konfiguriert ist, dass der Brennstoff der Zelle je nach Bedarf zugeführt werden
kann – direkt
in den Brennstoffkäfig geleitet.
Der einmal in die Kammer eingeleitete Metallbrennstoff wird auch
ein Bestandteil der Elektrode (5). Die Sauerstoffelektrode
(8) besteht aus einer festen, porösen Metallmatrix wie z. B.
Natrium-Wolfram-Bronze und vervollständigt den elektrochemischen
Kreis der Brennstoffzelle. Luft oder Sauerstoff, die/der über eine
mittlere Gaszufuhrröhre
(9) unter Druck eingeleitet wird, fließt dann über eine Reihe radialer Kanäle (10)
und Feindüsen
oder „Begasen" (11) in
Kontakt mit den verschiedenen Sauerstoffelektroden jeder Zelle.
Die unter Druck stehende Luft wird entweder über einen Druckluftzylinder
oder einen bordeigenen Luftkompressor (nicht dargestellt) zugeführt. Dieses
Gas, das an der „Unterseite" der Elektrode (8)
eingeleitet wird, hat zwei Funktionen. Es liefert erstens die Luft
oder den Sauerstoff direkt zur Sauerstoffelektrode (8)
und fördert
die „Blasenbildung" an der Drei-Phasen-Grenze der Elektrodenoberfläche. Zweitens
steigen die in den Elektrolyt (14) eingespritzten Blasen „nach oben" zur Drehachse (19)
hin, wodurch die Flüssigkeitsdichte
im „Aufwärtsteil" der Zelle verringert
wird und eine „aufwärts" gerichtete natürliche Zirkulation
durch die Sauerstoffelektrode (8) und eine „abwärts" gerichtete durch
die Brennstoffelektrode (5) entsteht.
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Nach
der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle werden die
Reaktionsprodukte in einem „Abscheider" (12) – beispielsweise
eine Matrix aus Kalk oder einer ähnlichen
Substanz – zurückgehalten,
so dass sie über
abnehmbare Zugangsplatten (13) oder ein externes Reaktionsprodukt-Entnahmesystem (nicht
dargestellt) aus der Zelle entfernt werden können. Ein Regenerierungssystem
mit geschlossenem Kreislauf könnte
vorzugsweise auch dazu verwendet werden, die Reaktionsprodukte wieder
elektrolytisch zum Ausgangsmetall und Sauerstoff hin abzubauen.
Ein solches regeneratives System würde einen eigenständigen Betrieb
in sauerstofffreien Umgebungen wie z. B. im Weltraum oder unter
Wasser ermöglichen.
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Der
Elektrolyt (14) bildet infolge der Rotierung eine freie
Oberfläche
nahe der Rotationsachse. Die Zentrifugal- und Zentripetalkräfte erhalten
den kontinuierlichen natürlichen
Zirkulations-Fließweg (15)
des Elektrolyts in der Zelle aufrecht, während eine Trennung (16)
des nicht in Reaktion getretenen Gases von der flüssigkeitsfreien
Oberfläche
ermöglicht
wird. Die getrennten gasförmigen
Abprodukte können
auf diese Weise über
einen Auslass (17) zur Entsorgung oder Wiederverwendung
entfernt werden. Zwischen der Zufuhrröhre (9) für das oxidierende
Gas und dem das Metallpulver aufnehmenden Käfig (6) des Brennstoffraums
ist eine elektrische Isolierung (18) vorgesehen. Die Rotierung
um die Drehachse (19) der Brennstoffzellenkammer kann geregelt
werden, um die Stromerzeugungsrate zu verändern. Elektrische Anschlüsse (20)
zur Sauerstoffelektrode und (21) zur Brennstoffelektrode
ermöglichen die
Verbindung mit einem externen Stromkreis. Einzelne Zellensegmente
(22) in der Zentrifugenkammer können intern oder extern in
Reihe geschaltet werden, um die Gesamt-Ausgangsspannung der Zelle zu erhöhen. Mehrfacheinheiten
können
in parallelen und/oder in Reihe geschalteten Konfigurationen gestapelt
werden, um die für
die Gesamtenergie gewünschten
Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels an irgendeine besondere
Anwendung anzupassen.
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Die
Brennstoffzelle wird folgendermaßen betrieben:
Bei Verwendung
eines alkalischen Elektrolyts arbeitet die Aluminium-Luft-Brennstoffzelle gemäß zwei möglichen
Reaktionsschemata.
- 1) Bei Alkalikonzentrationen
unter 3 M: 4Al + 3O2 +
6H2O = 4Al(OH)3 mit der Anodenreaktion Al + 3OH– = Al(OH)3 +
3e0 –
- 2) Bei Alkalikonzentrationen über 3 M: 4Al + 3O2 + 4OH– =
4AlO2 – + 2H2O mit der Anodenreaktion Al + 4OH– = AlO2 – +
2H2O + 3e0 –
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Der
Start in stationärem
Zustand kann folgendermaßen
erfolgen: Im nicht-rotierenden
Zustand wird der Elektrolyt (14) in die Zentrifugenkammer
(1) eingeleitet, deren Drehachse (19) vertikal
ausgerichtet ist, um so die Sauerstoffelektrode (8) zu
bedecken und teilweise den Käfig
(6) für
die Aufnahme des metallischen Brennstoffs zu benetzen. Loses Brennstoffpulver
(z. B. Aluminium oder Zink) wird in den Brennstoffkäfig (6)
eingeführt,
oder es werden alternativ einige vorgeformte poröse Brennstoff-„Blöcke" in jedem Brennstoffzellensegment
positioniert. Möglicherweise
ist eine Batterie als Hilfsstromquelle erforderlich, um die Rotierung
zu „starten" und die Brennstoffzelle
zu ihrer vollen Leistung zu bringen. Eine nützliche Ausführung würde darin
bestehen, dass genug Brennstoff mit flüssigem Elektrolyt „bedeckt" wird, um ausreichend
Energie für
das Auslösen
der Eigenrotation und der Selbstverdichtung der Luftzufuhr zu erzeugen.
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Bei
einsetzender Rotierung stellt sich der Elektrolytstand von selbst
etwa parallel zur Drehachse (19) wieder her, wobei er die
Brennstoff- und Sauerstoffelektroden (5) und (8)
vollständig
bedeckt und einen erhöhten
natürlichen
Zirkulationsfluss in der Brennstoffzelle ermöglicht, wenn ausreichend Flüssigkeit
vorhanden ist. Bevor der Gasdruck (Luft, Sauerstoff) über die
Gaszufuhrröhre
(9) angelegt wird, fließt wegen der Zentrifugaleffekte
etwas flüssiger Elektrolyt
durch die Begaserdüsen
(11) und Kanäle (10)
zurück
zu einer zwischenzeitlichen Gleichgewichtsposition. Diese Flüssigkeit
wird jedoch gespült, sobald
der angelegte Gasüberdruck
ausreicht, um die Luft (bzw. den Sauerstoff) in die Sauerstoffelektrode
(8) und in den „Aufwärtsteil" des Kreislaufs drücken. Die
anfängliche
Luftzufuhr beim „Start" kann von einem unter
Druck stehenden „Sauerstoffzylinder" aus erfolgen, bis
genug Strom erzeugt wird, um den Luftkompressor anzutreiben.
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Durch
die leichtere Zwei-Phasen-Mischung, die in der Sauerstoffelektrode
(8) und dort herum strömt,
entsteht zwischen dem oxidierenden „Aufwärtsteil" und dem „Abwärtsteil" des Brennstoffraums ein Dichteunterschied,
der den Hauptmechanismus für
die unterstützte,
durch Drehung erhöhte
natürliche
Zirkulation darstellt. Die Luft bzw. der Sauerstoff, die/der nicht
in der Sauerstoffelektrode (8) verbraucht wurde, trennt
sich (16) von der elektrolytfreien Oberfläche und
wird am Auslass (17) aus der Brennstoffzelle ausgetragen.
Die natürliche
Durchflussrate der Zirkulation wird besonders durch das örtliche
Beschleunigungsfeld bestimmt, das offensichtlich von der Drehgeschwindigkeit
abhängt.
Die Regelung der Winkelgeschwindigkeit ermöglicht demzufolge die vollständige Kontrolle
der hauptsächlichen
Betriebsparameter: Druck, Durchflussraten, Grenzfläche zwischen
Gas, Flüssigkeit
und Feststoff (und damit die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion
und die Stromerzeugung), und Effizienz bei der Trennung.
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Es
sind elektrische Anschlüsse
(20) und (21) zwischen den Zellen vorgesehen,
die intern oder extern sein können.
Durch Bereitstellung einer Querverbindung einer Sauerstoffelektrode
(8) mit einer benachbarten Brennstoffelektrode (5)
können
alle einzelnen Zellensegmente (22) in Reihe angeschlossen
werden, um das Netto-Leistungspotential der zusammengesetzten Brennstoffzellen-Konfiguration zu verbessern.
Kombinationen aus in Reihe und/oder parallel geschalteten Verbindungen
zwischen Zellen sowie zusätzliche
Reihen-Zentrifugenkammern
an derselben Achse eröffnen
eine breite Vielfalt an Konstruktionsmöglichkeiten für verschiedene
Ausgangsleistung-Spezifikationen und geometrische Größenvorgaben.