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Die
Erfindung betrifft elektrochemische Systeme für die Speicherung und Abgabe
von elektrischer Energie und insbesondere Vorrichtungen zum Bauen
dieser Systeme.
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Industrielle
elektrochemische Systeme, wie Sekundärbatterien, Brennstoffzellen
und Elektrolysatoren, bestehen gewöhnlich aus Modulen, die jeweils eine
Anzahl von sich wiederholenden schichtförmigen Unter-Anordnungen enthalten,
die zusammengeklammert sind, um einen Stapel zu bilden. Beispielsweise
besteht bei einer Sekundärbatterie
von Redox-Strömungstyp
jede Unter-Anordnung gewöhnlich
aus einem elektrisch isolierenden Strömungsrahmen (d. h. einer Vorrichtung,
die die anderen Bestandteile der Unter-Anordnung trägt und die auch
Kanäle
für die
Strömung
der Elektrolyten begrenzt), einer bipolaren Elektrode, einer ionenselektiven
Membran oder einem kombinierten Membran-Elektrodenmaterial und gegebenenfalls
anderen Komponenten in Schichtform, wie Geflechten oder elektrokatalytischen
Materialien. Eine Vielzahl derartiger Unter-Anordnungen kann zwischen
geeignete Endplatten gelegt werden, so dass eine Vielzahl von elektrochemischen
Zellen in Reihe entsteht. Jede Zelle enthält so die posi tiven und negativen
Oberflächen
von zwei bipolaren Elektroden mit einer dazwischen angeordneten
ionenselektiven Membran, so dass getrennte anolythaltige und katholyhaltige
Kammern in jeder Zelle definiert werden, wobei diese Kammern gegebenenfalls
zusätzliche
Komponenten, wie Geflechte oder elektrokatalytische Materialien, enthalten
können.
Die beiden Elektrolyten werden den Zellen gewöhnlich aus zwei Vorratsgefäßen über ein
Elektrolyt-Kreislauf-Netzwerk zugeführt. Elektrochemische Systeme
dieser Art sind dem Fachmann bekannt.
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Bei
der Herstellung von Komponenten zur Bildung dieser Anordnungen sind
mehrere wichtige Überlegungen
zu berücksichtigen.
Insbesondere ist es erwünscht,
Nebenschlussströme
(shunt currents) in den Elektrolyt-Kreislaufnetzen zu unterdrücken. Nebenschlussströme entstehen
aufgrund der Leitungswege, die durch das Netz der Elektrolytverbindungen
erzeugt werden, die die Zellenkammern miteinander verbinden. Es
gibt spezielle Probleme bei Stapeln, die eine große Anzahl
von Bipolen enthalten, und ihr Auftreten vermindert die Leistungsfähigkeit
der Zelle. weiterhin ist es vorteilhaft, die gesamte verfügbare Oberfläche der
Elektrode auszunützen. Zu
diesem Zweck müssen
die Elektrolyte beim Eintreten in die Zellenkammern gleichmäßig über die Oberflächen der
Elektroden verteilt werden. Weiterhin ist es, um zu gewährleisten,
dass die Flüssigkeiten
innerhalb der Stapel voneinander isoliert sind und nur minimale
Lecks nach außen
haben, notwendig, dass ausreichende Abdichtungen zwischen den einzelnen
Komponenten im Stapel vorgesehen sind.
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Das
Auftreten von Nebenschlussströmen
in derartigen Zellanordnungen wird von P. G. Grimes und R. J. Bellows
in einem Aufsatz mit dem Titel "Shunt
current control methods in electrochemical systems – applications" in Electrochemical
Cell Design, R. E. White Hrsg.: Plenum Publishing Corp., 1984, S.
259, diskutiert. Gewöhnlich
werden Nebenschlussströme
mit Hilfe von labyrinth artigen Strömungswegen für die Elektrolyten
zwischen den Elektrolyt-Kreislauf-Netzwerken und den einzelnen Zellenkammern
reduziert. Eine Methode zur Erzeugung eines solchen Weges besteht
darin, dass man lange Rohre zwischen den Elektrolyt-Kreislauf-Netzwerken und jeder
einzelnen Zellenkammer vorsieht. Dieses Verfahren hat jedoch den
Nachteil, dass mindestens zwei Dichtungen, eine an jedem Ende des
Rohres, notwendig sind, wodurch der Zusammenbau kompliziert wird
und Probleme in Bezug auf das Austreten des Elektrolyten entstehen
können,
insbesondere weil die Abdichtungen Druckunterschiede ausgleichen
müssen,
die gewöhnlich
zwischen dem inneren System und der äußeren Umgebung herrschen. Ein weiteres
Verfahren zur Erzeugung eines labyrinthartigen Weges besteht darin,
dass man in die Oberfläche
des Strömungsrahmens
von dem Punkt in Verbindung mit dem Elektrolyt-Kreislauf-Netzwerk bis zu einem Punkt
in Verbindung mit der individuellen Zellenkammer eine lange Rille
ausbildet. Beim Aufeinanderstapeln der Unter-Anordnungen wird eine
Platte zwischen aufeinanderfolgenden Schichten gelegt, um die Rille
abzudichten und einen labyrinthartigen Weg für den Elektrolyten zu bilden.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Kosten zur Erzeugung
der Rillen hoch sein können
und eine zusätzliche Schicht,
d. h. die Platte, gewöhnlich
in die Anordnung eingebaut werden muss, um eine wirksame Abdichtung
zu schaffen. Dieses Verfahren benötigt auch oft große Rahmenflächen, auf
denen die Rillen gebildet werden. Das Aussickern von Elektrolyten
ist ein spezielles Problem bei Verfahren zur Steuerung der Nebenschlussströme, bei
denen labyrinthartige Wege für
die Elektrolyten verwendet werden. Eine wirksame Fluidabdichtung
der Wege ist erforderlich, um Lecks zu verhindern, und dieses Problem
kann noch dadurch vergrößert werden,
dass oft hohe Pumpdrücke
erforderlich sind, um die Elektrolyten durch die engen Wege zu drücken. Andere
Lösungen
des Problems von Nebenschlussströmen
umfassen die elektrische Unterbrechung des Stromkreises, indem man die
Strömung
zu Tröpfchen
oder zu einem Sprühstrahl
aufbrechen lässt,
oder durch Verwendung einer Art von Siphon; es wurden sogar mechanische Wasserrad-Konstruktionen
vorgeschlagen. Diese Lösungen
werden jedoch selten in der Praxis angewendet, da die mechanischen
und Strömungsverhältnisse
nur schwierig zu beherrschen sind. Andere Lösungen, bei denen die Nebenschlussströme nicht
eliminiert werden, versuchen, ihre Wirkungen zu kontrollieren, beispielsweise
durch bewusste Überbrückung des
Stroms durch einen elektronischen Hilfsstromkreis oder durch Hindurchleiten
eines geeigneten Stromes durch das gemeinsame Verteilerrohr oder durch
Kanalverbindungen. Diese Verfahren vermindern jedoch nicht notwendigerweise
einen Gesamt-Leistungsverlust.
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Es
wäre vorteilhaft,
einen Strömungsrahmen bereitzustellen,
der geeignet ist, eine Unter-Anordnung, wie vorstehend beschrieben
auszubilden, die eine sich wiederholende strukturelle Einheit innerhalb
einer Anordnung von elektrochemischen Zellen darstellt, die aus
einem Stapel dieser Unter-Anordnungen gebildet ist. Der Strömungsrahmen
würde vorteilhafterweise
einen Rahmen zum Halten aller anderen Elemente der Zellenanordnung
innerhalb einer abgedichteten Umgebung liefern, zusammen mit Mitteln
zur Bereitstellung eines Widerstandes, um Ströme zu überbrücken, und mit Mitteln zum Verteilen
einer gleichmäßigen Strömung von
Elektrolyt durch die Kammern jeder Zelle.
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Somit
betrifft die Erfindung eine Anordnung (array) von elektrochemischen
Zellen, enthaltend einen Stapel von Unter-Anordnungen,
wobei
jede Unter-Anordnung einen Strömungsrahmen,
eine bipolare Elektrode und eine ionenselektive Membran, die an
dem Strömungsrahmen
angebracht ist, enthält,
wobei
die Unter-Anordnungen gestapelt sind, um die Anordnungen der elektrochemischen
Zellen zu bilden, und jede Zelle auf diese Weise zwei Elektrodenoberflächen mit
einer dazwischen angeordneten ionenselektiven Membran enthält, so dass
in jeder Zelle eine Kammer, die einen Anolyten, und eine Kammer,
die einen Katholyten enthält,
gebildet wird;
wobei der Strömungsrahmen aus einem elektrischen isolierenden
Material gebildet ist und enthält:
- (i) einen die Kammer begrenzenden Teil zum
Tragen einer Elektrode und einer Membran innerhalb eines bestimmten
Raumes,
- (ii) mindestens vier, ein Verteilerrohr (manifold) begrenzende
Teile, die beim Aufstapeln der Unter-Anordnungen vier Verteilerrohre begrenzen, durch
die der Anolyt und der Katholyt der anolythaltigen und der katholythaltigen
Kammer zugeführt
und aus dieser entfernt werden,
- (iii) mindestens zwei Kammer-Eintrittsöffnungen, wodurch der Anolyt
und der Katholyt von den Verteilerrohren in die anolythaltige bzw.
die katholythaltige Kammer fließen
können,
und
- (iv) mindestens zwei Kammer-Austrittsöffnungen, wodurch der Anolyt
und der Katholyt aus der anolythaltigen bzw. der katholythaltigen
Kammer in die Verteilerrohre fließen können,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder mehrere der das Verteilerrohr begrenzenden Teile auch
einen Weg für
den Durchtritt des Anolyten/Katholyten zwischen dem Verteilerrohr
und der Eintritts-/Austrittsöffnung
der Kammer definieren.
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Erfindungsgemäß wird also
der Weg für
die Passage des Anolyten/Katholyten zwischen den Verteilerrohren
und den Ein tritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer zwischen den das Verteilerrohr begrenzenden Teilen des
Strömungsrahmens
gebildet. Der Weg kann Rillen enthalten, die in die Oberfläche der das
Verteilerrohr begrenzenden Teile des Strömungsrahmens geschnitten sind.
Beim Aufeinanderstapeln der Strömungsrahmen
werden die Rillen durch die ebene Oberfläche des das Verteilerrohr begrenzenden
Teils des benachbarten Rahmens abgedichtet, um abgedichtete Wege
zu bilden. Vorzugsweise ermöglicht
es der Weg, der zwischen den das Verteilerrohr begrenzenden Teilen
bestimmt ist, nicht, dass der Elektrolyt sich in einer geraden Linie
direkt zwischen dem Verteilerrohr und den Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer bewegt. Vorzugsweise bewirkt er, dass der Elektrolyt
einen gewundenen oder labyrinthartigen Weg zwischen dem Verteilerrohr
und den Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer nimmt.
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Der
Weg ist vorzugsweise in den das Verteilerrohr begrenzenden Teilen
eingearbeitet, da Druckunterschiede, die zu Lecks führen würden, verhältnismäßig klein
gehalten werden, wodurch die mit dem Erfordernis einer wirksamen
Flüssigkeitsabdichtung
des Wegs verbundenen Probleme vermindert werden. Da der Weg weiterhin
in den das Verteilerrohr begrenzenden Teilen gebildet ist, wird
jede Leckage, die durch eine unzureichende Abdichtung verursacht
wird, auf das Verteilerrohr begrenzt und verunreinigt nicht die
anderen Teile des zusammengebauten Moduls. Der Strömungsrahmen
gemäß der Erfindung
ist also gegenüber
Lecks toleranter als bekannte Strömungsrahmen.
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Vorzugsweise
ist der Weg im Wesentlichen spiralförmig. Ein im Wesentlichen spiralförmiger Weg wird
aus einer Anzahl von Gründen
bevorzugt. Erstens verhindert ein solcher Weg einen plötzlichen
Abfall des Flüssigkeitsdrucks,
der durch die Anwesenheit von scharfen Ecken im Weg verursacht werden kann.
Zweitens dient er dem Zweck, dass die Flüssigkeiten bei bestimmten elektrischen
Potentialen getrennt werden, während
ein möglichst
geringer Raum beansprucht wird. Drittens erhält er einen nahezu kreisförmigen Querschnitt
des Verteilerrohrs, der für die
wirksame Strömung
der Elektrolyten im Verteilerrohr ideal ist. Schließlich ist
er leicht herzustellen.
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Vorzugsweise
stehen die die Verteilerrohre begrenzenden Teile in einem Abstand
zu dem die Hauptkammer begrenzenden Teil. Dadurch wird das Risiko
von Nebenschlussströmen
zwischen den Kammern und den Verteilerrohren weiter reduziert.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Weg als Teil definiert, der lösbar in die das Verteilerrohr
begrenzenden Teile einfügbar ist.
Wie vorstehend gesagt, hängt
die Größe der Probleme,
die mit Nebenschlussströmen
verbunden sind, von der Anzahl der bipolaren Elektroden ab, die den
vollständigen
Stapel aufbauen. Je größer die
Anzahl der Bipole ist, desto schwerwiegender sind die Verluste,
die durch das Auftreten von Nebenschlussströmen verursacht werden. Es ist
weiterhin bekannt, dass die mit Nebenschlussströmen verbundenen Probleme auch
von der Natur der Elektrolyte in einem bestimmten System, der Position
und der Leistungsfähigkeit
einer individuellen Unter-Anordnung innerhalb des Stapels selbst
und der Natur der Anordnung der Stapel abhängen. Ein Vorteil der lösbar einfügbaren Teile
besteht darin, dass dadurch die Standardisierung von einzelnen Strömungsrahmen
innerhalb jeder Unter-Anordnung möglich ist, um den Widerstand
gegenüber
Nebenschlussströmen
anzupassen und um gleichzeitig den Widerstand gegenüber einem
Elektrolytstrom im Verteilerrohr in Abhängigkeit von der Position der
Unter-Anordnung im Stapel anzupassen und auch in Abhängigkeit
von der Größe und der
Natur des Stapels als Ganzem. Weiterhin wird die Standardisierung
jedes einzelnen, das Verteilerrohr begrenzenden Teils innerhalb
jedes Strömungsrahmens,
in Abhängigkeit
von der Identität
des Elektrolyten im Verteilerrohr ermöglicht und ob dieser in die
Zellenkammer geleitet oder daraus entfernt wird.
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Ein
weiterer Vorteil, der mit der Verwendung von lösbar einfügbaren Teilen verbunden ist,
besteht darin, dass, wenn die Unter-Anordnungen zu einer Zellenanordnung
gestapelt werden, die lösbaren
einfügbaren
Teile relativ zueinander versetzt werden können, so dass die Punkte innerhalb
des Verteilerrohrs, aus dem der Elektrolyt in die Wege gezogen wird,
voneinander beabstandet sind, so dass die Wirkungen von Nebenschlussströmen weiter
vermindert werden.
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Die
Oberflächentopographie
des die Kammer begrenzenden Teils des Strömungsrahmens muss um den Umfang
im Wesentlichen zusammenhängend
sein, so dass, wenn eine Membrane in die geschichtete Unteranordnung
eingefügt
wird, eine wirksame Abdichtung gebildet wird, so dass die Anolytenkammer
und die Katholytenkammer im Wesentlichen voneinander isoliert bleiben.
Eine solche Isolierung kann mit einer elastomeren Dichtung, einer Schweißung oder
auf andere Weise erzielt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist, sich um den Umfang einer Oberfläche des die Kammer begrenzenden
Teils des Rahmens und innerhalb des vorstehend beschriebenen Abdichtelements
erstreckend, ein kleiner, im Wesentlicher zusammenhängender
erhöhter
Teil vorgesehen, so dass beim Aufstapeln der Rahmen eine mechanische
Klemme (pinch) zwischen dem erhöhten
Teil an einem Rahmen und einer glatten oder gerillten Oberfläche an dem
die Kammer begrenzenden Teil des benachbarten Rahmens im Stapel
gebildet wird. Die mechanische Klemme ist so gestaltet, dass eine
Membran festgehalten wird, wenn sie als Teil der Unter-Anordnung
eingefügt
wird, um eine Verunreinigung der Elektrolyten am Rand der Membran
zu verhindern. Der Vorteil der Verwendung einer mechanischen Klemme,
wie vorstehend beschrieben, besteht darin, dass sie verhältnismäßig leicht
als Teil des Rahmens hergestellt werden kann und einen ausreichend strammen
Griff ausübt,
um den Anolyten vom Katholyten zu isolieren, vorausgesetzt, dass
diese nur geringe Druckunterschiede haben. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
kann eine solche mechanische Klemme auch zwischen den Rillen, die
in das Verteilerrohr begrenzenden Teile eingeschnitten sind, geschaffen
werden, indem ein kleiner, im Wesentlichen zusammenhängender
erhöhter
Teil zwischen den Rillen gebildet wird. In diesem Fall gewährleistet die
Klemme, dass, wenn die Strömungsrahmen
aufeinandergestapelt sind, die Rillen, die den labyrinthartigen
Weg bilden, voneinander isoliert sind, so dass Flüssigkeit
und Strömung
nicht zwischen benachbarten Rillen fließen können.
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Die
Strömung
der Elektrolyten aus den Verteilerrohren zu den Elektrolytenkammern
und umgekehrt müssen
bewerkstelligt werden, während
die gegenseitige Isolierung der anolyt- und katholythaltigen Kammern
aufrecht erhalten wird. Die Elektrolyten treten über die Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammern in die anolyt- und katholythaltigen Kammern ein und
aus. In bekannten Strömungsrahmen
haben diese üblicherweise
die Form von Strömungskanälen, die
zur Gänze
innerhalb der Dicke des Rahmens liegen. Diese Art von Kanal ist
jedoch schwierig durch maschinelle Bearbeitung oder durch Gießen zu formen.
Deshalb enthalten bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ein oder mehrere Eintritts-/Austrittsöffnungen der Kammer gegebenenfalls
lösbare
Einsätze,
die so geformt sind, dass sie beim Einfügen in den Strömungsrahmen Strömungskanäle zwischen
dem Ende des Weges, der durch die das Verteilerrohr begrenzenden
Teile und die den Anolyten bzw. den Katholyten enthaltenden Kammern
bestimmt ist, bilden. Die äußere Oberfläche dieses
Einsatzes ist vorzugsweise so geformt, dass beim Anbringen des Einsatzes
in der Eintritts-/Austrittsöffnung
der Kammer die Oberflächentopographie
des die Kammer begrenzenden Teils des Strömungsrahmens zusammenhängend in
der Nähe
der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer bleibt. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil, wie vorstehend
gesagt, eine ausreichend gute Dichtung zwischen aufeinander folgenden
Unter-Anordnungen beim Stapeln gebildet werden kann, wodurch gewährleistet
ist, dass die Membranschicht fest zwischen aufeinander folgenden
Strömungsrahmen
ergriffen wird, so dass die den Anolyten enthaltende Kammer und
die den Katholyten enthaltende Kammer im Wesentlichen voneinander
isoliert werden. Die gegenüberliegende
innere Oberfläche
des Einsatzes, die den Boden der Eintritts-/Austrittsöffnung der
Kammer enthält,
hat eine oder mehrere Rillen in die Oberfläche eingeschnitten, wobei die
Größe und die
Form der Rillen durch die gewünschten
Strömungseigenschaften
für den
Einsatz bestimmt werden. Vorzugsweise sind die Rillen so gestaltet,
dass sie den Fluss des Anolyten/Katholyten gleichmäßig über die
Oberflächen
der Elektroden lenken. Die Strömungseigenschaften,
die für
eine bestimmte Eintritts-/Austrittsöffnung der Kammer innerhalb
eines Strömungsrahmens
gewünscht
sind, hängen
von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der Gesamtgröße des Stapels,
der Lage des Strömungsrahmens
innerhalb des Stapels und den Strömungseigenschaften der in Frage
kommenden Elektrolyten. Die Einsätze
können
deshalb standardisiert werden. Vorzugsweise sind die Einsätze lösbar eingefügt, so dass
die Strömungseigenschaften
der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Zelle für
einen bestimmten Strömungsrahmen
einfach geändert
werden können,
indem ein unterschiedlich geformter Einsatz eingefügt wird,
anstatt dass der gesamte Strömungsrahmen neu
konstruiert wird. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion besteht
darin, dass die Einsätze
verhältnismäßig leicht
herzustellen sind und es nicht nötig
ist, Strömungskanäle durch
die Dicke des Strömungsrahmens
zu erzeugen.
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Zusätzlich zu
der Bereitstellung von lösbaren Einsätzen innerhalb
der Eintritts-/Austrittsöffnungen der
Kammer kann die Verteilung der Elektrolyten über die Oberflächen der
Elektrode weiter verbessert werden, indem in geeigneter Weise gestaltete
Strömungsverteilungsmittel
vorgesehen sind, die sich im wesentlichen über die gesamte Breite beider
Enden des Strömungsrahmens
erstrecken und an einem Punkt in der Nähe der Eintritts-/Austrittsöffnungen der
Kammer angeordnet sind. Bei der Bildung und der Aufstapelung der
Elektroden/Membran/Rahmen-Unteranordnungen bestimmen die Strömungsverteilungsmittel
zusammen mit der Membran Kanäle
für die
Strömung
der Elektrolyten entlang der Breite jedes Endes des Rahmens und
der Öffnungen,
die sich in die Zellenkammern auf jeder Seite des Elektrolyten öffnen, so
dass die Elektrolyten auf die Elektrodenoberflächen oder davon weg strömen. Der
Widerstand gegenüber
Strömungsverlusten
quer zur Breite der Enden des Strömungsrahmens wird durch die
Querschnittsfläche
der Kanäle
bestimmt, während
der Widerstand gegenüber
Strömungsverlusten auf
die Oberfläche
der Elektroden durch die Größe der Öffnungen,
die sich in die Zellenkammern öffnen, bestimmt
wird. Zusammen bewirken die Querschnittsfläche der Kanäle und die Größe der Öffnung, dass
die Strömung
des Elektrolyten gleichmäßig über die
Oberfläche
der Elektroden verteilt wird. So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Widerstand gegenüber einer Strömung quer
zur Breite des Strömungsrahmens
an den Punkten, die den Eintritts-/Austrittsöffnungen der Kammer am nächsten liegen,
am geringsten, wenn ein Kanal mit einem großen Querschnitt vorgesehen wird,
und am größten an
den Punkten, die von den Eintritts-/Austrittsöffnungen der Kammer am weitesten
entfernt liegen, indem ein Kanal mit einem geringen Querschnitt
vorgesehen wird. Die Größe der Öffnung in
die Zellenkammern bleibt über
die Breite des Strömungsrahmens
konstant. So strömen
nahe einem Punkt in der Nähe
der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer die Elektrolyte leicht entlang der Breite des Rahmens,
entweder indem sie sich über die
Breite des Rahmens ausbreiten oder aus der Breite des Rahmens nach
innen gezogen werden. Im Gegensatz dazu fließen an einem Punkt, der von
der Eintritts-/Austrittsöffnungen
weiter entfernt liegt, die Elektrolyte weniger leicht entlang der
Breite des Strömungsrahmens
und werden deshalb zu den Elektrodenflächen geleitet oder davon weggezogen.
So werden die Elektrolyten mit einer gleichmäßigeren Strömung über die gesamte Breite der
Elektrode an die Elektrodenflächen
geführt
und davon abgezogen.
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Erfindungsgemäß gelten
die Schwankungen des Widerstandes gegenüber der Flüssigkeitsströmung gleichzeitig
und in einer entgegengesetzten Form an jedem Ende des Rahmens.
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Vorzugsweise
ist der gesamte Umfang des Strömungsrahmens
mit einer Einrichtung zur Ausbildung einer Abdichtung zwischen benachbarten
Rahmen vorgesehen, wenn diese zu einer Unter-Anordnung aufgestapelt
sind. Besonders bevorzugt enthält diese
Abdichteinrichtung eine integrale Abdichtungseinrichtung, wie sie
in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung
WO97/24778 beschrieben ist. Die integrale Abdichtungseinrichtung
enthält
eine zusammenhängende
Rille an einer Seite des Rahmens, welcher eine vertiefte Öffnung mit
einer Breite w und einer Tiefe h enthält, und ein zusammenhängendes erhabenes
Teil auf der anderen Seite des Rahmens, dessen Breite > w und dessen Höhe < h ist. Die Abdichtungseinrichtung
ist so konstruiert, dass sie die Rahmen zusammenhält, wenn
diese zu einem Stapel aufgebaut werden, und verhindert den Austritt
der Elektrolyten aus den Zellen.
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Vorzugsweise
sind Mittel zum Tragen einer Elektrode im Raum, der durch den die
Kammer begrenzenden Raum bestimmt ist, vorgesehen, die sich nach
innen von dem die Kammer begrenzenden Teil des Rahmens erstrecken.
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Der
Strömungsrahmen
kann aus einem beliebigen elektrisch isolierenden Material gebildet sein.
Vorzugsweise kann er aus einem oder mehreren Polymeren gebildet
sein, die aus Polyethylen, Polypropylen und Copolymergemischen von
Ethylen und Propylen, Acetalen, Nylons, Polystyrol, Polyethylenterephthalat,
Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen, fluoriertem
Ethylen-Propylen-Copolymer, Polyfluoramid, chloriertem Polyoxymethylen
und vielen anderen ausgewählt
sein können.
Die gewünschte
Form des Strömungsrahmens kann
aus diesen polymeren Materialien durch spanabhebende Bearbeitung,
Spritzguss, Druckformen oder Extrusion erzeugt werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Vorrichtung,
enthaltend einen Strömungsrahmen,
wie er vorstehend beschrieben ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Vorrichtung,
enthaltend eine Vielzahl von Strömungsrahmen
und entweder eine Vielzahl von polaren Elektroden und eine Vielzahl
von ionenselektiven Membranen, oder eine Vielzahl von kombinierten
Membran-Elektrodenmaterialien sowie gegebenenfalls eine Vielzahl
von Geflechten und/oder elektrokatalytischen Materialien, die in Form
eines Sandwich angeordnet sind, so dass sie eine Anordnung von elektrochemischen
Zellen bilden.
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Die
Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Strömungsrahmens;
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2 eine vergrößerte Darstellung
eines Teils X von 1,
die im Einzelnen einen ein Verteilerrohr begrenzenden Teils eines
Strömungsrahmens
zeigt, einschließlich
des fakultativen lösbaren spiralförmigen Wegs,
aber ohne die gegebenenfalls lösbaren
Einsätze;
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3A, 3B und 3C Querschnitte
entlang der Linien A-A, B-B bzw. C-C;
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4 einen lösbaren Einsatz;
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5 eine auseinandergezogene
Ansicht eines Stapels von Unter-Anordnungen, wobei jede Unter-Anordnung
aus einem Strömungsrahmen,
einer bipolaren Elektrode, gegebenenfalls einem Geflecht oder einer
katalytischen Schicht und einer Membran gebildet ist. Ein solches
Stapel kann einen Teil einer Anordnung von elektrochemischen Zellen
bilden.
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Nach 1 enthält der Strömungsrahmen einen im Wesentlichen
rechteckigen, eine Kammer begrenzenden Teil 1 mit vier
im Wesentlichen kreisförmigen,
ein Verteilerrohr begrenzenden Teilen 2, 3, 4 und 5,
von denen jeweils zwei an jedem Ende des rechteckigen, die Kammer
begrenzenden Teils angeordnet sind. Der die Kammer begrenzende Teil
dient dazu, eine bipolare Elektrode und eine Membran innerhalb des
darin erzeugten Raumes zu tragen. Die so gebildete Rahmen/Elektroden/Membran-Unteranordnung
kann in Sandwich-Form zusammen mit einer Vielzahl von anderen derartigen
Unteranordnungen aufeinander gelegt werden, so dass eine Vielzahl von
elektrochemischen Zellen in Reihe gebildet wird (vgl. 5). Jede dieser Zellen enthält also
die positiven und negativen Oberflächen von zwei bipolaren Elektroden
mit einer dazwischen liegenden Membran, so dass getrennte anolythaltige
und katholythaltige Kammern in jeder Zelle gebildet werden. Für den Fachmann
ist erkennbar, dass die Position der das Verteilerrohr begrenzenden
Teile relativ zu den die Kammer begrenzenden Teilen und die gewählte rechteckige
und kreisförmige
Form der Rahmen bzw. der die Verteilerrohre begrenzenden Teile für die vorliegende
Erfindung nicht kritisch sind. Bei der dargestellten Ausführungsform
begrenzen die das Verteilerrohr begrenzenden Teile 3 und 4 beim
Aufeinanderstapeln der Rahmen die Verteilerrohre 6 und 7, die
den Katholyten zu den katholythaltigen Kammern zuführen bzw.
daraus entfernen. Die anderen, das Verteilerrohr begrenzenden Teile 3 und 5 begrenzen beim
Aufeinanderstapeln der Rahmen die Verteilerrohre 8 und 9,
die den Anolyten den anolythaltigen Kammern zuführen bzw. daraus entfernen.
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Nach 2 und 3A enthalten die das Verteilerrohre begrenzenden
Teile 2 und 3 (nur 3 ist in 2 dargestellt, doch gelten
die gleichen strukturellen Merkmale auch in 2, 4 und 5)
gegebenenfalls lösbare
ringförmige
Elemente 10 und 11 (nur 11 ist in 2 dargestellt), die so geformt
sind, dass sie eine gute Abdichtung innerhalb der das Verteilerrohr
begrenzenden Teile 2 und 3 bewirken. Obwohl bei
der dargestellten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine enge Passung zum Festhalten der
ringförmigen
Elemente 10 und 11 in den das Verteilerrohr begrenzenden
Teilen 2 und 3 vorgesehen ist, können auch
andere Einrichtungen zum Lokalisieren und Befestigen der ringförmigen Elemente
vorgesehen sein und werden von dem Rahmen der Erfindung umfasst. Die
beiden lösbaren
ringförmigen
Elemente 10 und 11 enthalten zwei parallele Oberflächen 12 und 13, von
denen eine eine im Wesentlichen ebene Oberfläche ist und die andere eine
darin eingeschnittene spiralförmige
Rille umfasst. Beim Aufeinanderstapeln der Rahmen wird die Rille 14 durch
das Zusammentreten der ebenen Oberfläche 13 eines Rahmens
mit der Oberfläche 12 des
benachbarten Rahmens abgedichtet, so dass ein verlängerter
spiralförmiger Weg
für den
Durchtritt des Anolyten/Katholyten zwischen dem Verteilerrohr 8 und
den Eintritts-/Austrittsöffnungen 15 der
Kammer begrenzt wird. Die Oberfläche 16 bezeichnet
die Umfangsfläche
der gegebenenfalls lösbaren
Elemente, wodurch eine gute Passung mit der Innenfläche der
das Verteilerrohr begrenzenden Teilen geschaffen wird. Die gegebenenfalls
lösbaren
Elemente können
entfernt und nach Bedarf durch ein Element mit einer unterschiedlichen Rillenlänge oder
unterschiedlichen Querschnittsflächen
ersetzt werden. Man beachte auch die relative Orientierung der gegebenenfalls
lösbaren
Elemente 10 und 11 in 3A der dargestellten Ausführungsform.
Man erkennt, dass die Rillen an gegenüber liegenden Flächen des
erhaltenen Strömungsrahmens vorhanden
sind. Deshalb liefern die beiden Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer, die einen Teil der das Verteilerrohr begrenzenden Teils
an einem Ende des Rahmens bilden, den Anolyten/Katholyten zu gegenüber liegenden
Seiten einer Elektrode, wenn diese Elektrode in dem rechteckigen Raum,
der durch die die Kammer begrenzenden Teile begrenzt wird, angebracht
wird.
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Nach 2 und 3B ist in der Nähe des Umfangs des Strömungsrahmens
und über
den gesamten Weg um den Umfang eine Einrichtung 17 und 18 vorgesehen,
die eine Abdichtung zwischen aufeinander folgenden Rahmen bildet,
wenn diese zu einer Anordnung von elektrochemischen Zellen aufeinander
gestapelt werden. Diese Einrichtung enthält eine durchgehende Rille 7,
welche eine vertiefte Öffnung
mit der Breite w und einer Tiefe h und einen zusammenhängenden überstehenden
Teil 18 mit einer Breite von > w und einer Höhe von < h begrenzt.
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Nach 2 und 3C sind an jedem Ende des die rechteckige
Kammer begrenzenden Teils an einem Punkt in der Nähe der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer geformte Teile 19 und 19' angebracht, die sich über praktisch
die gesamte Breite des die Kammer begrenzenden Teils erstrecken
und die die Kanäle 20, 20', 21 und 21' auf jeder Seite
der geformten Teile 19 und 19' begrenzen. Die Querschnittsflächen Y,
Y', Z und Z' der Kanäle 20, 20' bzw. 21 und 21' variieren entlang
der Länge
der geformten Teile, und zwar gegenläufig an jedem Ende des die Kammer
begrenzenden Teils. Das bedeutet, das Y groß ist, wenn Y' klein ist, und umgekehrt,
während
Z groß ist,
wenn Z' klein ist,
und umgekehrt. Die Querschnittsflächen sind größer an den
Punkten in der Nähe
der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer und kleiner an Punkten, die von den Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer weiter entfernt sind.
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Nach 2 und 3B und 3C erstreckt sich
nach innen von den geformten Teilen 19 und 19' an jedem Ende
des Rahmens und von den Innenseiten 22 der Seiten des Rahmens
eine zusammenhängende
Lippe 23, an der eine Elektrode (nicht dargestellt) befestigt
werden kann, wenn die Unter-Anordnung gebildet wird.
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Nach 2 und 3B und 3C erstreckt sich
um den Umfang einer Oberfläche
des die rechteckige Kammer begrenzenden Teils des Rahmens innerhalb
der Einrichtungen 17 und 18 zur Bildung einer
Abdichtung zwischen aufeinander folgenden Rahmen ein kleiner, im
Wesentlichen zusammenhängender
angehobener Teil 24 zur Bildung einer mechanischen Klemme
beim Aufeinanderstapeln der Rahmen zwischen dem angehobenen Teil 24 und
der ebenen Oberfläche 25 des
die Kammer begrenzenden Teils eines benachbarten Rahmens im Stapel. Diese
mechanische Klemme ist so gestaltet, dass sie die Membran festhält, wenn
sie als Teil der Unter-Anordnung eingeschlossen ist und einen Austausch und/oder
eine Vermischung der Elektrolyten vermindert. Der Zusammenhalt dieses
angehobenen Teils wird im Bereich der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer aufrecht erhalten durch einen identischen angehobenen
Teil auf der Oberfläche 33 der
Einsätze,
wie es nachstehend beschrieben ist.
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Von
dem äußeren Rand
des Strömungsrahmens
erstreckt sich eine Lippe 26, die die Handhabung des Strömungsrahmens
bei Aufbau und beim Auseinandernehmen von Stapeln von Unter-Anordnungen
begünstigt.
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Nach 4 enthält der Einsatz für die Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer einen Körper 30,
der so geformt ist, dass er eine feste Passung mit den Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer hat. Die Oberfläche 31 der
Einsätze,
die den Boden der Eintritts-/Austrittsöffnungen der Kammer berührt, ist
mit einer Vielzahl von Rillen 32, in diesem Fall vier,
für den
Durchtritt des Elektrolyten versehen. Die gegenüber liegende Oberfläche 33 des
Einsatzes ist so geformt, dass beim Anbringen des Einsatzes in der
Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer die Oberflächentopographie
des rechteckigen Teils des Rahmens, einschließlich der angehobenen Teile 24,
kontinuierlich in der Nähe
der Eintritts-/Austrittsöffnungen
der Kammer bleibt. Der Einsatz nach der dargestellten Ausführungsform
enthält
auch drei geformte Vorsprünge 34, 35 und 36,
die sich von dem Körper 30 des
Einsatzes in die Bereiche erstrecken, die die geformten Teile 19 und 19' enthalten.
Diese Vorsprünge
sind so geformt, dass sie die Strömung des Elektrolyten gleichmäßig über die
Oberflächen
der Elektrode leiten. Die Gestaltung der lösbaren Einsätze kann geändert werden, so dass verschiedene Strömungseigenschaften
für den
Strömungsrahmen erhalten
werden, der auf diese Weise den entsprechenden gewünschten
Eigenschaften angepasst werden kann.
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Nach 5 ist eine auseinander gezogene Ansicht
eines kleinen Stapels mit vier Unter-Anordnungen dargestellt. Die
ersten beiden Unter-Anordnungen und der Strömungsrahmen für die dritte
Unter-Anordnung sind miteinander verklammert. Von den ersten beiden
Unter-Anordnungen sind nur die Strömungsrahmen (40 und 41)
sichtbar. Die dritte und die vierte Unter-Anordnung sind so auseinander gezogen,
dass die sie zusammensetzenden Schichten gezeigt sind. Der Strömungsrahmen 42 für die dritte
Unter-Anordnung trägt
eine bipolare Elektrode 43 innerhalb des Raumes, der durch
den Strömungsrahmen 42 begrenzt
ist. Die bipolare Elektrode kann gegebenenfalls auf einer Seite
mit einer Schicht 44 überzogen
sein, die aus einem porösen
und/oder elektrokatalytischen Material gebildet sein kann. Obwohl
es nicht dargestellt ist, ist es für den Fachmann einleuchtend,
dass eine solche Schicht aus porösem und/oder
elektrokatalytischem Material auch dazu verwendet werden kann, um
die andere Seite der bipolaren Elektrode zu überziehen. Weiterhin können zwei
dieser Schichten verwendet werden, um beide Seite der bipolaren
Elektrode zu überziehen.
Die nächste
Schicht in der Unter-Anordnung ist die Membran 45. Diese
Schicht hat eine etwas größere Fläche als
die bipolare Elektrode 43 und die fakultative Schicht 44.
Die Komponenten 42 und 45 bauen die dritte Unter-Anordnung
auf. In ähnlicher
Weise ist die vierte Unter-Anordnung aus einem Strömungsrahmen 46,
einer bipolaren Elektrode 47, einer fakultativen Schicht 48 und
einer Membran 49 aufgebaut. Der Stapel kann wesentlich
mehr als die vier in 5 dargestellten
Unter-Anordnungen enthalten, und in einer elektrochemischen Zelle
mit einem solchen Stapel können
geeignete Endplatten (nicht dargestellt) an jedem Ende des Stapels
vorgesehen sein.