NO171088B - Kjemisk reaktor for reaksjoner med gassutvikling samt ramme til bruk i reaktoren - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kjemisk reaktor for reaksjoner med gassutvikling, nærmere bestemt et brensels-element som benytter en gass som reaksjonskomponent.

Oppfinnelsen angår videre en ramme som kan settes sammen med et identisk ramme til et element for bruk i denne reaktor.

Som antydet angår foreliggende oppfinnelse en kjemisk reaktor der det utvikles gass i en væskestrøm og der gassbobler kan virke uheldig inn på de tilsiktede reaksjoner, eller der gassen av andre grunner ønskes fraskilt. Spesielt finner foreliggende oppfinnelse anvendelse i forbindelse med elektrokjemiske reaksjoner som ved sammenkoblinger av galvaniske celler (elektrolysører, batterier og brensels-celler) hvor det dannes gass ved uønskede bireaksjoner i elektrolytten, noe som for eksempel er tilfelle i systemer som benytter en gassformig komponent som oksygen eller luft som oksydasjonsmiddel, et metall som reduksjonsmiddel og en flytende elektrolytt.

Et anvendelsesområde for foreliggende oppfinnelse er et galvanisk system av typen aluminium/luftbrenselsceller.

I dag anvender man reaktorer der væsken kun kan passere gjennom reaktoren inn til et visst øverste gassinnhold i væsken. Når forholdet gass:væske er blitt så høyt at det er til hinder for gjennomstrømningen i apparaturen må væsken fjernes fra reaktoren og føres til en egen gass-separator eller lignende.

Et annet problem som oppstår ved de av dagens reaktorsystemer som benytter flere parallelle væskeløp inn til reaktoren, er at de utsettes for ujevn tilførsel av væske i de enkelte løp, spesielt når væsken også inneholder en gassfase eller sågar inneholder faste partikler. For å avhjelpe dette problem er det nødvendig med separate pumper for hvert innløp eller på annen måte å sørge for stor sikkerhet mot tilstopping og tilstrekkelig balanse av materialstrømmen i de enkelte tilløp.

Noe av det som spesielt oppnås med foreliggende oppfinnelse er at oppfinnelsen muliggjør væsketransport gjennom reaktoren selv med en høy avgivelse av gass i reaktoren, oppfinnelsen avhjelper videre problemer med ujevn tilførsel av væske til reaktorer med parallelle innløp og oppfinnelsens gjenstand reduserer problemene med elektrisk kortslutning mellom cellene i elektrokjemiske reaktorer.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en kjemisk reaktor for reaksjoner med gassutvikling, omfattende mateledninger, reaksjonskamre og utløpsledninger, og reaktoren karakteriseres ved at utløpsledningene omfatter separate gassfjerningsordninger i form av kanaler i overkant av reaktorkamrene med et neglisjerbart tverrsnitt i forhold til gjennomløpstverrsnittet for reaktorkamrene.

Mere spesielt angår oppfinnelsen en reaktor som nevnt for bruk i metall/luftsystemer og denne reaktor karakteriseres ved at reaksjonskamrene er satt sammen av to identiske rammer med anordninger for festing av en luftelektrode, utsparringer for føring av luft forbi luftelektroden, en utsparrlng for strømuttak fra lufteleketroden, et spor for en strømhenter fra anoden, spor som forløper diagonalt gjennom tykkelsen av to sammensatte rammer langs en rammeside, spor langs nedre henholdsvis øvre rammeside for transport av elektrolytt, samt i hvert hjørne av hver ramme anordnede gjennomgående snevre hull for transport av hydrogen gjennom de ved den øvre rammeside anordnede hull.

Oppfinnelsen angår også rammer av den type som er beskrevet i det foregående avsnitt.

I den etterfølgede beskrivelse vil et system omfattende aluminium og luft bli benyttet som eksempel på anvendelse av oppfinnelsen, dette for å forenkle beskrivelsen av oppfinnelsen og dens anvendelighet.

Det skal imidlertid presiseres at oppfinnelsen ikke er begrenset til anvendelse av aluminium/luftsystem, i prin-sippet kan den benyttes i alle typer reaktorer der gassfaser forekommer i en væskestrøm og man ønsker å fjerne gassen, og der væskestrømmen skal ledes gjennom reaktoren og der reaktoren består av to eller flere kamre gjennom hvilke væsken skal ledes.

Aluminium/luftbatterier består generelt av en oksygenreduserende katode, en anode av en aluminiumslegering samt en vandig elektrolytt, for eksempel en vandig oppløsning av kaliumhydroksyd. Katoden er en membranlignende konstruksjon som ofte består av et eller flere lag av en porøs blanding av forskjellige karbon- og katalysatortyper og polytetrafluor-etylen PTFE, samt et metallnett for eksempel av nikkel.

Dette nett skal være katodens strømhenter og også gi katoden tilstrekkelig mekanisk styrke. Katodemembranen holder elektrolytten adskilt fra luften og skal derfor være ugjennomtrengelig for væske, det vil si for elektrolytt, mens den samtidig må være gjennomtrengelig for luft eller oksygen.

Katodereaksjonen skjer ved at oksygenholdig luft diffunderer inn i katodemembranen og der møter elektrolytten, derved reduseres oksygenet på den katalyttisk aktive membran. I denne reduksjonsreaksjon vil elektroner forbrukes. Samtidig vil elektroner avgis ved oksydasjon av aluminium ved anoden og derved bevirke produksjon av elektrisk energi.

Aluminiumsanodene vil ofte ha form av plater som er senket ned i elektrolytten og plassert i nær tilknytning til katodemembranen, uten dog å være i direkte kontakt med denne. Cellespenningen på dette galvaniske element vil ligge i området 0,8 til 1,9 volt, avhengig av belastning og tempera-tur. For å oppnå ønsket bruksspenning, for eksempel 12 volt, må således et visst antall celler kobles i serie.

Aluminium/luftbatterier tar flere fordelaktige egenskaper, sammenlignet med andre strømkilder. Slike batterier kan lages med et meget høyt energi-innhold i forhold til batteriets vekt og volum. Energidensiteten for et slikt batteri vil kunne gå opp i 300 Watt-timer pr. kilo, det vil si et nivå som er sammenlignbart med nivået for litiumbatterier og som er 10 ganger høyere enn nivået for blyakkumulatorer. Samtidig kan det være oppladbart i den forstand at det lages på en måte slik at de deler av batteriet som forbrukes i ut-ladningsprosessen, kan skiftes ut når batteriet er utladet, altså delene er forbrukt, mens resten beholdes.

Sett på denne måte er oppfinnelsens system å betegne som et mekanisk oppladbart batteri i motsetning til et elektrisk oppladbart system.

Fordelen ved dette system er at oppladningen kan skje i løpet av få minutter og med enkle håndgrep, mens det ofte kan ta flere timer å lade opp et elektrisk oppladbart system.

Et av problemene ved dette Al-luftsystem er imidlertid at det 1 tillegg til de ønskede elektrokjemiske reaksjoner, det vil si den anodiske oppløsningen av aluminium og samtidige reduksjon av oksygen, skjer en uønsket kjemisk bireaksjon idet aluminium reagerer med elektrolytten: 2 Al + 6 H20 -* 2 Al<3+> + 6 OH" + 3 H2 (I)

Aluminium-metall forbrukes her uten at det nyttiggjøres for produksjon av elektrisk energi og hydrogengass blandes i elektrolytten med derav følgende fare for senere problemer. Disse problemer består først og fremst i at det arbeid som er nødvendig for å pumpe en gassholdig væske er større enn det arbeid som er nødvendig for pumping av den samme væske uten gass, og dette arbeidsbehov øker med øket gasslnnhold.

Videre vil deler av cellekamrene kunne fylles med gass slik at det areal av de aktive elektrodeflater som eksponeres mot elektrolytten, avtar, med derav følgende svekket ytelse. Videre vil delvis gassfylte cellkamre gi en øket indre motstand i batteriet.

I tillegg til dette vil delvis fylte cellekamre gi ujevn elektrolyttbevegelse over de aktive elektroder med derav følgende muligheter for ujevn strømfordeling og ujevn anodisk oppløsning av aluminium.

Et annet problem ved Al-luftsystemet er at det dannes varme og reaksjonsprodukter fra de elektrokjemiske reaksjoner i cellene, nemlig aluminiumhydroksyder. Aluminiumhydroksyder er faste stoffer som felles ut i elektrolytten under drift av Al-luftbatteriet. Det er derfor nødvendig å fjerne disse fra cellene ved å pumpe elektrolytten kontinuerlig fra cellene til et elektrolyttreservoar for derved å unngå at cellene blir fylt opp og derved forårsake stans i de ønskede elektrokjemiske reaksjoner. Efter at elektrolytten har gjennomgått en separasjons- og avkjølingsprosess, blir den pumpet tilbake til cellene.

Pumping av elektrolytt gjennom flere elektrisk seriekoblede enkeltceller kan gjennomføres enten ved at elektrolytten pumpes fra en celle til den neste, det vil si ved serie-strømning, eller ved at elektrolytten pumpes inn i en samlekanal eller manifold for derved å transporteres til innløpet til alle celler samtidig og gjennom cellene også til en ny samlekanal ved utløpet av cellene, det vil si parallellstrømning.

Strømning i serie vil være å foretrekke i et Al-luftsystem for derved å bibeholde konstant og lik gjennomstrømning gjennom alle celler. Videre vil den mengde væske pr. tidsenhet som må pumpes gjennom den elektrokjemiske reaktor (sammenkobling av celler) ved strømning i serie kun være en brøkdel av den væskemengde som er nødvendig ved paral-lellstrømning (1/10 i forhold til strømning i parallell der reaktoren består av en sammenkobling av 10 celler). En parallellkobling av cellene vil kunne være hensiktsmessige i andre beslektede batterisystemer eller i andre kjemiske reaktorer.

Det er videre viktig at elektrolyttens bevegelse gjennom cellene er jevn uten at det oppstår turbulente områder eller såkalte bakevjer. Videre må gjennomstrømningshastigheten være så stor at man unngår sedimentering av aluminiumydroksyd-partikler i cellene og videre må elektrolyttkanalene i cellene ikke inneholde innsnevringer som kan medføre tilstopping. Videre er det viktig at forholdene er lagt til rette for at aluminiumsanodene oppløses jevnt slik at man får en maksimal utnyttelsesgrad av aluminium.

Et annet viktig punkt ved sammenkoblingen av celler er at oksygenholdig luft må kunne transporteres til luftelektrodene og forbrukt luft må kunne transporteres bort.

Videre er det viktig at den elektriske motstand gjennom elektrolyttkanalene mellom 2 seriekoblede celler er tilstrekkelig høy slik at man minimaliserer en selvutladning eller kortslutning gjennom elektrolytten. Dette kan gjennom-føres enten ved at elektrolyttkanalene lages med tilstrekkelig lite tverrsnitt og/eller tilstrekkelig lengde, eller ved at de konstrueres slik at det til enhver tid er gasslommer 1 kanalene.

Videre er det viktig at elektriske koblinger for anode og katode er slik at de gir minst mulig resistive tap og slik at tilkoblingen fra en celle til den neste blir så hensiktsmessig som mulig.

Videre er det av stor betydning for en sammenkobling av galvaniske celler at cellene har lav vekt og lite volum. Videre vil det være viktig at enkeltcellene er billige, dette er selvfølgelig av spesiell viktighet der hele sammenkoblingen av celler skiftes ut idet ovenfor nevnte tilfelle at aluminiumsanodene erstattes med nye, altså i et mekanisk oppladbart system.

Formålet med oppfinnelsen er således som nevnt ovenfor å konstruere en reaktor bestående av et eller flere reaksjons-kammere der en væske med gass strømmer gjennom cellen eller kammeret og der det kreves en separasjon av gass og væske på egnede steder. Væske vil ved dette kunne ledes videre gjennom reaktoren mens gassen efter ønske enten akkumuleres eller ledes vekk eller også samles ved hjelp av egnede kanaler.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er en reaktor der en væske med gass kan transporteres gjennom reaktoren uten at strømningshastigheten av væsken påvirkes i vesentlig grad av gassproduksjonen i reaktoren.

Videre er et formål for oppfinnelsen at det pumpearbeid som skal til for å transportere væske- gassblandingen med en gitt hastighet gjennom reaktoren, må være tilnærmet uavhengig av den mengde gass som er tilstede.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å få væsken til å strømme med jevn hastighet gjennom reaktoren og å minimalisere sannsynligheten for dannelse av uegnede gasslommer som bakevjer eller lignende, i væskestrømmen.

Ytterligere gjenstander for og fordeler med oppfinnelsen vil være åpenbare for fagmannen ved et nærmere studium av det ovenfor anførte og den følgende beskrivelse.

Spesielt oppnår man med oppfinnelsen:

1) at sammenkoblingen av elementer danner et bestemt antall galvaniske celler ved at det dannes et tilsvarende antall kamre for plassering av metallanoder, i det her beskrevne tilfellet aluminiumplater, med det samme antallet luftkamre hvor oksygenholdig luft kan ledes inn, og muligheten for innfesting av katodemembraner for separering av anodekamre fra luftkamre. Anordningen er hensiktsmessig slik konstruert at avstanden mellom hver anodeplate og den tilstedeværende katodemembran ligger i området 0,5-10 mm før cellen begynner å levere strøm; 2) at sammenkoblingen av elementer danner et hensiktsmessig kanalsystem for transport av elektrolytt til og fra hver reaktor, altså ved en galvanisk celle, samt at elektrolyt-transporten best mulig er tilpasset reaktorens anvendelse ; 3) at, i det tilfellet reaktoren er en galvanisk aluminium luftcelle, sammenkobl ingen av elementer tillater tilførsel til oksygenholdig luft, enten ved naturlig konveksjon eller ved aktiv transport av luft forbi katodemembranene. Luftkanalene må i dette tilfellet være dimensjonert for transport av en luftmengde som er tilstrekkelig for produksjon av en spesifisert strømmengde, samtidig som luftmotstanden i kanalene holdes på et akseptabelt nivå. Luften skal fortrinnsvis ledes inn i katodekammerets nedre del og derfra strømme jevnt oppover langs katodemembranen

før den føres ut fra katodekamrets øvre del; og

4) at cellene som oppnås ifølge oppfinnelsen inneholder elektriske tilkoblinger til anode- og katode som muliggjør elektrisk sammenkobling av cellene.

Oppfinnelsen skal illustreres nærmere under henvisning til de ledsagende tegninger der: figur 1 skjematisk viser en reaktor ifølge oppfinnelsen; - figur 2 viser en ramme ifølge oppfinnelsen, sett fra den ene side;

figur 3 viser den samme ramme ifølge oppfinnelsen sett fra

den annen side;

figur 4 viser et snitt gjennom en reaktor ifølge oppfinnelsen;

figur 4' viser reaktoren ifølge oppfinnelsen, delvis

åpnet, for å illustrere luft- og elektrolyttbevegelsene; figur 5 viser en alternativ utførelsesform av reaktoren

ifølge oppfinnelsen; og

figur 6 illustrerer elektrolytt- og luftløpet i reaktoren

ifølge figur 5.

Det vesentlige ved foreliggende oppfinnelse er at man ved sammenkobl ing av elementet kan danne et hensiktsmessig kanalsystem for transport og fordeling av elektrolytt og samtidig separering av gass. Med jevne mellomrom i dette kanalsystem oppnår man ifølge oppfinnelsen områder hvor gravitasjons- og aksellerasjonskrefter hensiktsmessig skiller væske- og gassfase.

Disse områder utformes også slik at man utnytter densitets-forskjellen mellom gass og væske og slik at overflatekreftene som hindrer separering, lettest mulig overvinnes.

I de tilfeller der gass og væske pumpes inn i reaktoren i samme retning som gravitasjonskreftenes virkning, vil gass/væskehastigheten være så stor at man unngår gassansamlinger i reaktorområdet.

I en typisk anvendelse av oppfinnelsens gjenstand vil derfor elektrolytten pumpes oppover inne i reaktorkammeret og gass-separasjonen foregå i et dertil egnet kammer/kanal over reaktoren. På grunn av densitets- og viskositetsforskjellen mellom væske og gass kan gassen ledes gjennom så snevre kanaler at væsketransporten gjennom de samme kanaler vil være minimale. Denne egenskap utnyttes også når man av produk-sjonsmessige eller andre hensyn velger å lage flere tynne snevre kanaler enn de som kun brukes til gasstransport. Karakteristisk for dette er symmetriske anordninger som snues og kobles sammen til komplette reaktorer, disse vil kunne ha meget snevre kanaler både oppe og nede selv om det kun er de øvre kanaler som benyttes som gasskanaler.

Disse gasskanaler er fordelaktige i den forstand at de også forårsaker "punktering" av uønskede gasslommer og samtidig bevirker regulering av gass- væskenivå i de tilsiktede gasslommer (gass/væskelås). Karakteristisk vil gasskanalene kunne være parallelle i et væskekanalsystem der en ønsker sikker væskeoppfylling i hele eller deler av systemet. Den store viskositets- og densitetsforskjell mellom væske og gass gir en automatisk nivåtilpasning med stor fleksibilitet overfor varierende og ujevne driftsforhold. I de tilfeller der det er viktig å unngå væske gjennom gasskanalsystemet kan gasskanalene inneholde gasspermeable membraner der væske-strømningsmotstanden er uendelig stor.

Oppfinnelsens prinsippielle virkemåte er vist skjematisk i figur 1. Her ledes væske og gass gjennom reaktor innløpsrøret 2 til reaktorkammeret 1 som har et vesentlig større tverrsnitt enn røret 2. Reaktorkammeret 1 er slik utformet at blandingens strømningshastighet i vertikal retningen i reaktorkammeret er vesentlig lavere enn strømningshastigheten i tilførselsledningen.Den gassholdige del av væske/gassblandingen vil dermed samle seg i reaktorkammerets øvre del. Denne gass kan så føres bort gjennom en egnet kanal 3 fra reaktorkammerets øvre del mens væsken ledes ut av reaksjons-kammeret gjennom et egnet utløp 4. Flere slike reaksjons-kammere er tenkt satt sammen som vist i figur 1 til en reaktor.

Alternativt kan gassutløpet fra den første reaktor føres direkte til den neste reaktors øvre del gjennom en kanal 3' og så videre inntil gassen til slutt ledes ut fra den siste reaktorens øvre del.

Et annet alternativ er at væske/gassblandingen ledes inn i reaktoren med parallelle løp fra en samlekanal; et løp for hver reaktor, og med tilsvarende parallelle utløp til en eventuell ny samlekanal for den gassfattige væske.

Som et alternativ til at væsken som tilføres til reaktorene inneholder en gassfase, kan væsken til reaktorene ha et lavt gassinnhold men at det produseres gass i reaktoren og at denne gass separeres i de samme reaktorer i henhold til oppfinnelsens prinsipp.

Fordelene ved foreliggende oppfinnelse er for det første at det arbeid som skal til for å pumpe væske/gassblanding gjennom reaktorene reduseres betydelig idet tilfellet gass-separeringen foretas ifølge oppfinnelsens prinsipp. Videre blir det pumpearbeid som er nødvendig, i vesentlig grad gjort uavhengig av den mengde gass som tilføres til væskefasen.

Oppfinnelsens prinsipp vil videre kunne overflødiggjøre separate anordninger for separering av gass før tilførsel av væske til reaktorene.

Til slutt vil væskefasen kunne transporteres gjennom reaktoren på homogen og kontrollert måte, derved vil muligheten for lokale gasslommer og ujevn gass-strømnings-hastighet i reaktorene på grunn av disse gasslommer, minimaliseres.

En spesiell type reaktorer som egner seg for oppfinnelsens prinsipp er som nevnt ovenfor galvaniske celler basert på metall/luftsystemer. I disse galvaniske systemer er som antydet ovenfor i forbindelse med ligning i, hydrogen-dannelsen i cellen en uønsket bireaksjon.

De problemer denne gassproduksjon skaper for elektrolytt-transporten gjennom cellene kan i stor grad avhjelpes ved hjelp av foreliggende oppfinnelses prinsipp. Dette gjelder spesielt med henblikk på å minimalisere pumpearbeidet da energien til dette arbeidet tas fra systemet selv og dermed påvirker systemets totale virkningsgrad.

Videre er det fordelaktig å motvirke dannelse av gasslommer ved elektrodene da dette svekker systemets ytelse og bevirker ujevn oppløsning av anodeplatene.

Videre bidrar oppfinnelsen til å oppnå et jevnere strømnings-mønster langs elektrodene, noe som i sin tur bidrar til en bedre utnyttelsesgrad av anodeplatene.

Til slutt bidrar oppfinnelen til å forhindre dannelsen av lokale bakevjer eller områder med minimale strømnings-hastigheter, noe som igjen reduserer muligheten for gjen-tett ing av cellene på grunn av avsetninger av faste reak-sj onsprodukter.

I forbindelse med den ovenfor nevnte anvendelse av oppfinnelsens gjenstand i forbindelse med aluminium/luft-batterier skal oppfinnelsen beskrives spesielt under henvisning til figurene 2-4. Figur 2 og 3 viser en ramme ifølge oppfinnelsen idet man ved å sette sammen flere slike rammer oppnår et visst antall galvaniske celler. Figurene 2 og 3 viser rammene sett fra motsatt side mens figur 4 viser rammene satt sammen til galvaniske celler. Figur 2 viser rammen 5 sett fra den side som vender mot luftkammeret når rammen er en del av en celle. Rammen er tildannet slik at det er avsatt plass for montering av en luftelektrode 6, for eksempel ved at denne limes, støpes eller sveises, eller på annen måte festes til rammen. På den ene side av rammen er det laget en nedsenkning 7 for å gjøre plass til strømuttak fra luftelektroden.

Over og under luftelektroden er det anordnet plane utsparringer 8, 9, slik anordnet at når to rammer monteres mot hverandre dannes det en spalte for transport av luft, fortrinnsvis nedenfra og oppover, forbi luftelektrodene. På motsatt side av strømuttaket 7 er det tildannet en utsparring 10 på en slik måte at den danner en kanal for transport av elektrolytt, når to rammer settes sammen og hvori elektrolytten transporteres fra anodekammeret i en celle til anodekammeret i neste celle.

Denne kanalen er utformet på en slik måte at elektrolytten transporteres fra den øvre del av en celles anodekammer til den nedre del av den neste celles anodekammer. Dette oppnås ved at utsparringen 10 gis en jevnt økende dybde ovenfra og ned til den er gjennomgående i den nedre del av utsparringen 10.

I rammens fire hjørner er det vist gjennomgående hull som skal virke som gasseparasjonskanaler i henhold til foreliggende oppfinnelses prinsipp.

I figur 3 vises rammen 5 fra den side som vender mot anodekammeret når rammen er en del av en celle. I figur 3 vises også plassen for montering av luf telektroden 6, sett fra elektrolyttsiden. Luftelektroden 6 vil danne den ene veggen i anodekammeret og rammens tykkelse tilpasses slik at anodekammerets dybde gir plass til anodeplaten og til den nødvendige avstand mellom anode og luftelektrode når to slike rammer er satt sammen. På den ene side av rammen vises et spor 12 for gjennomføring av strømhenter fra anoden. På den annen side av rammen 5 vises en gjennomgående utsparring 13 som danner en kanal, nemlig den samme kanal som er beskrevet som utsparringen 10 i figur 2, beregnet for transport av elektrolytt fra forrige celles anodekammers øvre del til det herværende anodekammers nedre del når to rammer er satt sammen til en celle.

Elektrolytten strømmer derefter til en ny kanal som dannes av nedsenkningen 14 når de to rammer er satt sammen.

Parallelt med og over forsenkningen 14 er det anordnet en ny og grunnere fordypning 15. Denne gir en spalt for transport av elektrolytt opp langs anodeplatene når to rammer er satt sammen. Grunnen til at forsenkningen 15 er grunnere enn fordypningen 14 er at strømningsmotstanden i samlekanalen, altså fordypningen 14, skal være lavere en strømningsmot-standen over den smale spalten eller forsenkningen 15, for derved å sikre tilnærmet lik strømningshastighet langs hele spalten og derved også en jevn og plan strømningsfront langs anodeplaten. Over anodekammeret er det lagt en tilsvarende spalt ved nedsenkningen 16 på rammen og en ny samlekanal ved fordypningen 17 på rammen 5. I en ytterligere variant er disse nedsenkninger 15 og 16 gitt en ekstra fordypning 15', 16' i den ende av cellekammeret som er lengst fra innløpet. Disse ekstra fordypninger sikrer en minimums gjennomstrømning gjennom hele tilførsels-/avløpskanalen 14/17 slik at man på denne måte unngår en tiltagende avleiring av reaksjonsprodukter innerst i kanalen der man ellers ville hatt et område med en gjennomstrømningshastighet avtagende mot 0, altså en bakevje.

Derefter strømmer elektrolytten ned til neste anodekammers nedre del ved at utsparringen 13 danner en kanal når to rammer er satt sammen. I samlekanalenes hjørner er det antydet gjennomgående hull 11 for gasseparasjon. Disse hull 11 er anordnet i elektrolyttkanalene, noe som nødvendiggjør at hullenes diameter er vesentlig mindre enn diameteren til elektrolyttkanalene slik at kun en minimal mengde elektrolytt i et gitt tilfelle kan transporteres gjennom disse gasskanaler mens diameteren til hullene 11 samtidig er så stor at effektiv gasstransport muliggjøres. Det er spesielt når hullene 11 befinner seg i cellens øvre del at de er effektive som gasseparasjonskanaler. Når rammene kobles sammen til celler og cellene settes sammen til reaktorer dannes det ifølge oppfinnelsen gjennomgående gasskanaler gjennom hele reaktoren slik at gassen til slutt kan ledes bort fra den siste celle i reaktoren.

Celler, bestående av oppfinnelsens rammer og satt sammen til en reaktor, er vist i figur 4 som illustrerer 7 galvaniske aluminium/luftceller. To rammer 5 danner en celle 19. Endeplatene 20 og 21 i reaktoren består av noe modifiserte rammer der elektrolyttinnløpet 22 og -utløpet 23 samt gassutløpet 24 er innarbeidet. Pilene 25 og 26 markerer plasseringen av luftspaltene samt retningen for prosessluften som føres forbi luftelektrodene.

Elektrolyttstrømmen føres inn ved innløpet 22 for derefter å tre inn i samlekanalen 27 i celle nr. 1. Derfra føres elektrolytten opp gjennom anodekammeret langs anodeplaten 28 og opp til den øvre samlekanal 29 hvorefter elektrolytten så føres ned langs den skrått tildannede transportkanal 30 til den nedre samlekanalen 27 i den neste påfølgende celle og så videre.

Den hydrogengass som dannes i anodekamrene vil stige opp sammen med elektrolyttstrømmen og i første omgang samle seg i den øvre samlekanal 29, men vil derfra transporteres gjennom gasskanalene 31 til den føres ut ved gassutløpet 24.

Den utførelsesform av rammen 5 som er vist i figurene 2 og 3 og en sammenkobling av disse rammer som antydet i figur 4, gir en rekke fordeler sammenlignet med det som kan oppnås ved den kjente teknikk.

En annen utførelsesform av oppfinnelsen er vist i figur 5. Her vises 7 galvaniske aluminium- luftceller, koblet sammen på den måte som er vist i figur 4, men med et endret kanalløp i forhold til figur 4.

Elektrolyttstrømmen ledes inn i den nedre samlekanal 27 i celle nr. 1 gjennom innløpet 32 for derefter å strømme opp langs anodeplaten 28 til den øvre samlekanalen 29. Elektrolytten transporteres så til neste celles øvre samlekanal 29 gjennom kanalen 33. Derefter renner elektrolytten ned langs anoden 28 i celle nr. 2 til den nedre samlekanal 27 i celle nr. 2 for så å ledes til den tredje celles nedre samlekanal 27 gjennom kanalen 34.

Denne sekvens gjentas så inntil elektrolytten ledes ut gjennom utløpet 35. Denne måte for føring av elektrolytten gjennom cellene vil bevirke serieflyt gjennom cellene.

Den hydrogengass som produseres i cellene ledes ut fra hver celles øvre samlekanal 29 gjennom separate gassutløp 36, eventuelt gjennom gasskanaler 37 mellom cellene for så å samles opp for eksempel fra gassutløpet 36 fra de ytre cellene.

For å motvirke eventuell gassansamling i cellekammerets øvre del på grunn av den smale spalten mellom cellekammeret og samlekanalen, kan man alternativt tildanne en gasskanal 38 som vist i figur 5.

Fordelen med denne utforming er at man unngår en egen kanal for nedstrømmende væske og at man dermed får en mere kompakt konstruksjon.

Luften til katoden tilføres i denne utførelsesform av oppfinnelsen i en tverrgående strøm.

Et annet eksempel på en utførelsesform av oppfinnelsen er, med utgangspunkt i figur 5, i stedet for å føre elektrolytten opp eller ned i anodekammeret, avhengig av cellens plassering i rekken av enkeltceller, og la kanalene 33 og 34 være gjennomgående til alle cellene, noe som ville bevirke at elektrolytten transporteres fra innløpet 32 og fylle opp alle samlekanalene 27 før elektrolytten føres opp langs anodene 28 i alle cellene samtidig.

Elektrolytten vil derefter fylle opp de øvre samlekanalene 29 før de føres gjennom kanalene 33 (som går mellom alle cellene) og til utløpet 35. Dette vil representere en parallellflyt. Gassutløpene vil i denne utførelsesform kunne være som anvist i figur 5.

Figur 6 viser det sist skisserte kretsløp der den heltrukne linje representerer elektrolyttløpet, den stiplede linje representerer gassløpet og pilspissene representerer luft-løpet.

For det første oppnår man ved oppfinnelsens gjenstand når den anvendes som vist ovenfor, en meget effektiv og enkel separering av en hydrogengass som produseres i de galvaniske celler.

Oppfinnelsen muliggjør videre at den energimengde som er nødvendig for å pumpe elektrolytt gjennom cellene tilnærmet er uavhengig av den gassmengde som til enhver tid produseres.

Dette medfører i sin tur at pumpearbeidet blir konstant og uavhengig av driftsforholdene og andre parametre som påvirker dannelsen av hydrogengass i systemet, samtidig som pumpearbeidet holdes på et minimumsnivå og derved totalt sett bidrar til en forbedring av systemets totale virkningsgrad.

Ved å separere gassen på den måte som antydes ovenfor, minimaliserer man dannelse av gassansamlinger i anodekamrene og minimaliserer derfor problemer i forbindelse med gasslommer i kamrene, noe som ville medføre lavere total elektrodeoverflate for eksponering mot elektrolytten, altså en redusert ytelse.

Videre oppnår man en jevn og enhetlig elektrolyttstrømning forbi elektroden med derav følgende redusert sannsynlighet for dannelse av turbulente områder og bakevjer i anodekammeret .

I tillegg gir oppfinnelsens rammer 5 og sammenkoblinger av disse som vist i figur 4, en gjennomstrømning av elektrolytt gjennom cellene fra en celle til den neste, det vil si en seriestrømning. Dette har den fordel at den totale væskemengde som skal pumpes gjennom cellene bare er en brøkdel i forhold til den som er nødvendig ved parallellstrømning slik dette er antydet ovenfor. Dette fører i sin tur til at det kreves vesentlig mindre pumpearbeid for å oppnå en bestemt strømningshastighet for elektrolytt gjennom anodekammeret.

Ytterligere en fordel er at elektrolyttstrømmen går nedenfra og opp gjennom anodekammeret i alle celler, noe som gir like strømningsforhold og driftsbetingelser i alle celler.

Nok en fordel er at rammene 5 inneholder alle nødvendige funksjoner (bortsett fra endeplatene) for å kunne virke som "byggesten" for tildanning av et hvilket som helst antall like celler. Dette medfører denne fordel at rammen 5 kan produseres i et meget stort antall celler istedet for å måtte ha lagerbeholdninger av flere typer elementer. Dette bidrar i sin tur til lavere produksjonsomkostninger og enklere produksjon.

Rammen ifølge oppfinnelsen kan selvfølgelig fremstilles av et hvilket som helst egnet materiale men fremstilles fortrinnsvis av et egnet plastmateriale ved hjelp av konvensjonelle sprøytestøpingsteknikker, noe som gir lave produksjonsomkostninger pr.enhet og muligheter for store produksjons-mengder .

Claims (5)

1. Kjemisk reaktor for reaksjoner med gassutvikling, omfattende mateledninger, reaksjonskamre og utløpsledninger, karakterisert ved at utløpsledningene omfatter separate gassfjerningsordninger (3, 3') i form av kanaler (11) i overkant av reaktorkamrene (1) med et neglisjerbart tverrsnitt i forhold til gjennomløpstverrsnittet for reaktorkamrene (1).

2. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at den er et metall- luftbatteri hvor anoden består av aluminium, magnesium, sink eller litium, fortrinnsvis aluminium, og katoden er en luf telektrode i form av en oksygenreduserende membran.

3. Reaktor ifølge krav 1 for bruk i metall/luftsystemer, karakterisert ved at reaksjonskamrene (1) er satt sammen av to identiske rammer (5) med anordninger for festing av en luf telektrode (6), utsparringer (8, 9) for føring av luft forbi luftelektroden (6), en utsparring (7) for strømuttak fra lufteleketroden (6), et spor (12) for en strømhenter fra anoden, spor (10, 13) som forløper diagonalt gjennom tykkelsen av to sammensatte rammer (5) langs en rammeside, spor (14, 17) langs nedre henholdsvis øvre rammeside for transport av elektrolytt, samt i hvert hjørne av hver ramme (5) anordnede gjennomgående snevre hull (11) for transport av hydrogen gjennom de ved den øvre rammeside anordnede hull.

4. Reaktor ifølge krav 3, karakterisert ved at luf telektroden (6) er festet til rammen (5) ved liming, sveising eller ved støping.

5. Ramme til bruk i reaktoren ifølge krav 3, karakterisert ved at den omfatter anordninger for festing av en luftelektrode (6), utsparringer (8, 9) for føring av luft forbi luftelektroden (6), en utsparring (7) for strømuttak fra lufteleketroden (6), et spor (12) for en strømhenter fra anoden, spor (10, 13) som forløper diagonalt gjennom tykkelsen av to sammensatte rammer (5) langs en rammeside, spor (14, 17) langs nedre henholdsvis øvre rammeside for transport av elektrolytt, samt i hvert hjørne av hver ramme (5) anordnede gjennomgående snevre hull (11) for transport av hydrogen gjennom de ved den øvre rammeside anordnede hull.