DE1496197A1 - Kaskadenbatterieanordnun? mit aus Isoliermaterial bestehenden Elektroden-Traegerelement? - Google Patents

Description

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Patentanwälte

DR.-ING. WALTER ABITZ 1 4961 S7

DR. DIETER MORF
Mönchen

24» April 1964 F-1241

Eo Io DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Street, Wilmington 98, Delaware,

Kaskadenbatterieanordnung mit aus Isoliermaterial bestehenden Elektroden-Trägerelementen

Die Erfindung betrifft Batterien und insbesondere Kaskadenbatterien, die eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Anoden und Kathoden aufweisen, die auf einem dielektrischen Träger angebracht sind·

Die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik ist vornehmlich auf tragbare Brennstoffzellen gerichtet, in welchen deren hoher Wirkungsgrad in der leistungserzeugung für bewegliche Anlagen ausgenützt wird. Verhältnismässig wenig Aufmerksamkeit wurde bisher der Entwicklung von stationären Kraftquellen geschenkt, die reichlich vorhandene billige Brenn-

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stoffe, wie oxidierbare industrielle produkte, verwenden können ο Eine Anpa

md städtische Abteilung der Brennstoff

zellen an einen derartigen Brennetofβwürde nicht nur einen billigen Brennstoff liefern, s( idem dazu beitragen, solche giftige Abfallprodukte unachäc .ich zu machen.

Die Kosten der gegenwärtig verfügbar! ι Brennetoffzellen,

die für diesen Zweck geeignet wären,

lacht eine derartige

Kraftquelle und ein Verfahren zur Vemrbeitung von Abfallprodukten wirtschaftlich unattnktiv« Die Kosten entstehen vornehmlich im Hinblick aufjKorrosionsbedingungen, die teure Baumaterialien erfordern« ^rden z» B. in der Anordnung Metalle verwendet, die von Ben für die Elektroden benützten Metallen verschieden sind,po treten örtliche Zellreaktionen auf, die Erosion verursachen und echlieaalich die Anlage unwirksam machen_o Ein wei*ftres Hindernis, das der Anpassung von gegenwärtig verfügpren Brennstoffzellen

zur Verwendung derartiger Brennstoff

darin, dass die bekannten Konatruktii ten nicht besondere

zur Verwendung mit Brennstoffen geeij iet sind, in welchen

oxidierbare Stoffe in niedriger Konz« ι trat!on vorliegen«

Ein Ziel der Erfindung liegt daher di 'in, Brennstoffzellen zu schaffen, welche grosse Mengen- bimiger Betriebsstoffe verwenden können«

entgegensteht, liegt

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Ein weiterea Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung
von Brennetoffbatterien, in welchen die Korroaionaeracheinungen zwischen dem Elektrolyten, den Brennatoffen und dem Oxidationamittel auf ein Minimum verringert aind«

Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aua der nachfolgenden Beachreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen bevorzugte Auabildungabeiapiele der Erfindung beachreibt:

In den Zeichnungen ist

Figur 1 eine perspektivische Anaicht einer Kaskadenbatterie, in welcher die relative Lage der mit Durchbrechungen versehenen Umlenkbleche dargestellt ist,

Figur 2 ein Schnitt entlang der Linie 2-2 der Figur 1,

Figur 3 ein Aueführungsbeiapiel der Erfindung, in welcher ein nach oben gerichteter Gaaatrom in Gegenstrom zu einem nach unten fliessenden Flüssigkeitsstrom verwendet wird,
und

Figur 4 eine perspektivische Anaicht der in Figur 3 gezeigten

Aueführung, welche verdeutlicht, wie Endplatten zur Unterstützung dea gezeigten Zidi-Zecfc-Auf baus der Anlage dienen ο

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vorliegende Erfindung schafft ei geschalteten Brennstoffaellen elnfaol weicher die teueren Elektrodennetal eetzt werden und die Brennstoffe in n| verwendbar 8LQd₁ und im wesentlichen ke| Eorroeloo ausgesetzt ist« Dies wird d| anordnung erreicht, in welcher die Anj werkstoffe auf dielektrischen Trägerei sind, welche einen Kanal bilden, durcl und da· Oxidationsmittel flieseen. Zi turbulenten Strömung sind Ualenkeleraei die Berührung fswisohe» den Brennstoff Mittel mit den Elektrode« erleichtern verbessern· per Brennstoff und das OxJ Susannen in einen Strom an einen Ende führt werden oder das Oxidationsmittel seiner Wirksankeit gasfurnig in Oegeni werden· : ■

Batterie mit in Reihe

Konstruktion, in rlrtsohaf tlleh einge- »driger Konsentration »er echädliohen

}h eine Elektroden« lon- und Kathoden» inenten angebracht den der Brennstoff Erzeugung einer te vorgesehen, die

id den Oxidetione-

die Depolarisetion [atlonsttlttei können [er Batterie auge- |kann but Erhöhung äugeleitet

Bie charakteristische Kaskadenanordnun] den Figuren 1 und 2 geecigt, wobei der durch all· Zellen der Batterie flies·ti weist die Batterie die Form eines welchen dünne Filmelektroden 12 und 13 Träger tleeenttn H und 1Jf angebracht,

der Batterie ist in »nnstoff nacheinander Ib dies«?Ausführung im* 11 auf # ittf dielektrischen

[, die in einen

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Stüok ait dem Behalter 11 auegebildet sein können und dabei eine Seitenwand desselben bilden oder die ala getrennte Einheiten in den' Behälter eiogeeetat werden können«

CMtttKea ein·» be vor eng ten Aua führung der Erfindung wird ein wllaerigee Syetea, das den Brennstoff und das üxldatlonaalttel eöthttlt, auaaia&en »it den Elektrolyt an «inen Blnlaea 16 »ügeführ% und dia Vertoenaus^apvodukte werden an aineffi Aualaee 17 abgegeben. Um eine turbulente Strömung Innerhalb dar Batterie au erseugen, und die Berührung awiaohen der Miaohung aus Brennstoff» Oxidationasiittel und Elektrolyt mit den Elektroden au erleichtern und dl« Depolariaation au fördern, aind zwischen den Zellwänden Uiolenkelemente angeordnet (?igur 1 und S)« Dieee Ufi&en&e3L«megite beetehen aua laollermaterial uad bilden einen eraten Burohlaee 19 für den Blektrolyt biw. Brenne toi f an aller Is der Nähe deaBodene der Batterie befindlichen St?ll·» und aneohlieeeend am naohaten Uaaenkelemeßt eic«η Durohlaa* 20 in der Nähe der Oberkante dee Behöltere« Die auf den Figuren gezeigten üttlenkelemente befinden eleh enieohen den «ineelnen angrenaehden Zellen, Jedoch kann eine Q&auw* Sahl von ÜBlenkeleüenten Terwendet werden, deren 3Jü3rohl&aee abweoheelnd often oder unten, reohta oder Unke oder in einer geeigneten⁴ anderen lage derart angebraoht aind, daast die Turbulena der

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Strömung erhöht wird.

Wie aus Figur 1 eralphtlich ist, ist dl 14 angebracht» Anodenmaterial 12 in Bei material 13, um eine elektrische Se rl ei der ersten und zweiten Zelle au schaffj ist in allen Fällen der Batterie die Zellen werden durch enge AbstandastreiJ isoliert« die kein Elektroden- oder enthalten« Die Kathode einer Zeile ist der Anode der nächsten Zelle verbunden, Stromfluss erfolgt daher durch den EIe) «weiten Zelleο

auf den Trägere lenient mg mit dem Kathoden· schaltung zwischen

Diese Auebildung liehe· Die einzelnen

21 voneinander bendee Material ionit direkt mit und der elektrische crolyt aur Kathode der

Sin besonderes Merkmal der vorliegende! darin» dass die Anode und Kathode aus bestehest die auf eisest elektrisch !soll angeordnet sind· Eine typische Elektrodl

I besteht aus einer Platinkathode und elni leweile auf einem thermoplastischen or{ gebracht sind, «... B. einem Film aus Pol oder Polyvinylchlorid. Es eignen sioh anorganische Stoffe, wie e« B. keraiaiso) als Trägerelement, wobei die Elektroden des Behälters bilden. Sind relativ gros« erforderlich und die Kosten des Platine

•findung besteht flativ dünnen Schichten »rendes Trägere lerne nt !kombination

Silberanode, die tischen Film aufithy len -Terephtala t loch auch glasartige

Stoffe oder aiae' leweils eine Wand

Elektroden ' luv die elektrisohe

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Leitung au booh, so kann Nickel anstelle von Platin verwendet werden. Bei der Verwendung von Nickelelektroden kann eine kleine Menge von Fiatin auf der Oberfläche der Elektroden angebracht werden, um.eine bessere katalytisch« Wirkung au erzielen.

Der Elektrolyt kann in einer Mischung mit dem aus Brennstoff und Oxidationsmittel bestehenden Flüssigkeitsstrom vorliegen. Enthält das Brennetoff-Oxidationemitteleyatem Iceine festen Bestandteile, so kann als Elektrolyt eine Sehloht verwendet werden, die aus einer porösen Ionenaustausohernarssohicht besteht.

Bin bevorsugtee AusfUhrungsbeiapiei der Erfindung 1st in Figur 3 dargestellt. Diese Ausführung eignet sieh be-Bonders-für die Verwendung mit einem Gasstrom, der im öegenstrom zu den anderen in einen wässrigen System dleperjgierten oder gelösten Heaktionsmitteln flieset. In dieser Ausführung wird der in einer Flüssigkeit verteilt« Brennstoff an einem Einlass 22 am oberen Ende der Batteriaeellen *ugef Uhrt, und falls kein Ionenauetaueoher-HarB-Elektro-Iyt verwendet wird," ist der Elektrolyt in dem wässrigen System gelöst· Bee gasförmige Oxidationsmittel wird an einem am Boden der Zellen vorgesehenen Einlass 25 zugeführt und · flieset aufwarte duroh die Zellen. Sie ΡΓ'-iigkeit tritt am Ausgang 24 aus und überschüssiges,

β I

if

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Oxidationsmittel verläset die Batterie

* i

welcher an einem Rohrkrümmer 26 liegt, Trennung dee Gases vom FlUesigkeitssti

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an einen Auslass 25, um dadurch die m ssu erleichtern.

Der besondere Vorteil dieser Ausführui »form besteht in der Anordnung der Kathode in Zellen, die ein gasförmiges
Oxidationsmittel und einen flüssigen Sennstoff oder einen* in einer Flüssigkeit gelösten Brennstoff verwenden· Die
Anoden einer abwechselnd an den WÖndealder Batterie
angeordneten Anoden-Kathoden-Folge geurnee Figur 1 sind

derart .angeordnet, dass sie sich auf dir oberen Seite jeder

der schräg angeordneten Zeilen befinde! und sind in Figur 3

ait 27a, 2?b, 27c bis 2?n beseiohnet

wird das Gas, gewöhnlich Sauerstoff» i

Dichte vorzugsweise in der NKhe der ge Unechten Elektrode
vorbeietröaen und eine maximale Wirksamkeit der gasförmigen Reaktieneteilnehmer »ueammen mit den

der flüssigen Blase ermöglichen. Die K

η dieser Ausführung folge seiner niederen

aktions teilnehmers thoden 28a, 28b,

28o fei« 28n liegen auf der gegenüberlllgenöen Seite dee Zellkanals 29, der, falls das die Art des flUieeigkeitestron»
suläest, d. h. falls keine festen Bestlndteile vorliegen,
▼orcugcfreiee mit einem körnigen oder flsevartigen» wasser

haltigen lonenauatauioherhar* gefüllt Sieb 31 in einer im wesentlichen verti wird.

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it, da« durch ein ■ fr' · · ilen gäule 30 gehalten

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Zur Vereinfachung der Zeichnung wurden Einzelheiten des aus Isoliermaterial bestehenden 5r8gereleiaents weggelassen. Bs ist jedoch offensichtlich, dass im wesentlichen parallele Träger elemente gemüse der Figur 1 geeignet sind« Selbstver-βtandlioh müssen'geeignete Seitenwinde mit den Zellen verliunden werden»

figur 4 eeigt ijiiit gtrapaktiviaohe Ana loht einer Kaskadenbatterieanordnung, in welcher eine vertikale 2ig-Zag-Anordniaftg «wischen Seitenbandan 32 und 33 angeordnet ΐβΐ₉ die durch Schrauben 34 ^ertmnSüSi werden» Zuleitungen 31 und 36 verbinden in allen figuren die ündanods taftä Bndicathode iait einen itaaseren itröakreis«

gtuäss Piga:- 1 ist folgender- »aasen aufgebaut» < .

2wei Streifen aus nicht weichganaohtesi ait einer IÄngt ton 125 mm und einer Breite mn 2^ naa werden mit regsloiajiaig aüwaaheelnden Bändern aus Silber und Platin überaogeur; wie forai» gehend in ZusaiBmenhang mit den figuren 1 und 2 erläutert wurde, und awar mit Hilfe eines Verfahrens, ura sehr dünne Metallfolie^ alt einem PiIn eu verbinden. (Ee eignet sich ebenfalls ein nicht elektrisches

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Vlatierungsverfahren» wie es von G* EiAeIl, J. Research, Rational Bureau of Standards, 39, 1'J47geschrieben wurde. Pur beide Elektroden kann ein Silberfijftt verwendet werden, wobei die Anoden durch Elektroplatieruft von Platin mit Hilfe einer 1tfi«en- wässrigen Lösung νφ Ohlorplatinsäure,

einem, Platiȟberzug

die etna 0,05 i° Bleiazetat enthält, mi' versehen werden. Derart hergestellte B! iktroden, die für fünf Zellen geeignet sind, haben etwa eine 1 cke von 1,25 Mikron auf einem Film in der Stärke von 25 Mikron..

Jede der Elektroden«

anordnungen wird mit Hilfe eines elektrisch leitenden Zements ioit Zuleitungen versehen, die cserhalb des Elektrolytspiegels liegen und an den vertikal* gegenüberliegende» Wänden eines rechteckigen Glasbehälterβbefestigt sind, der an seiBttE Enden mit einem Hinlasβ und mnem Auslass versahen ist. Zwischen den Zellen sind TJmlenkelelente aus einem etarren Polyvinylchlorid-Fila angeordnel, die mit abwechselnd oberen mti unteren' Kanälen in der Form «on DurohbrUohen ▼ersehen sind· Als Brennstoff wird einefLöaung von 5 ml Methanol, 10 ml 30^igem Wasserstoffperoxid und 90 ml wäasrigesi Xaliumhydroxyd (10 ^) verwendlt, das durch die Better!· in einer Menge von 0,1 ml/sek.Igeleitet wird, eingetauchte Fläche jeder Platinele trodβ beträgt

5 em» Unter diesen Bedingungen beträgt; Batterie: !

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lie Spannung der

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2,25 bis 2,5 Volt im Leerlauf Oi52 Volt bei 460 mA
1,2 Volt bei 305 mA.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber bekannten Batterien liegen einerseits in der Elektrodenanordnung und andererseits in der gesamten Batterieanordnung. Die Elektrodenanordnung, ermöglicht eine eweokmäseige* verhältniemäeeig billige Herstellung der Elektrode. Die Trägerelemente aus Isoliermaterial erfordern nur die Verwendung von einer Metall« menge, die für die elektrischen und katalytischen Funktionen notwendig 1st· Die 2rägerelemente brauchen nicht selbsttragend sein und unterliegen keiner Korrieion. Das Aufbringen der Slektrodenwexkstoffe auf die Trägerelemente ermöglicht eine einfache Anordnung! die sich eur maschinellen, lter«* stellung durch Metallaufdampfung eignet.

Die Kaskadenanordnung ermöglicht die Verwendung von Brennstoffen in wässriger Lösung und niedriger Kon «en trat ion, wobei der Brennstoff in naohelnanderfolgenden Zellen ' verhältnisaäseig weitgehend ausgenützt wird. Die Anordnung eignet sich feur Verwendung von gelüsten Elektrolyten oder von ein festes Bett bildenden Ionenauetausoher-Elektrolyten· Die abwechselnde Anordnung der Anoden und Kathoden an jeder

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8tit· dee Brennetof fe-trone erleiohtei •wieohen dem Brennetoff und dia Oxidi alt den geeignetes Elektroden· Die
eine Serieneoheltung de» Elektroden
der aue einem einzigen Brennetoffiftrc und beseitigt die Hechteile der »led]

tiblioherweiee «ue BrenneioffeelleB die Berührung Fionemittel dee Stm» itanordnung aohattt [roh die Verbindung erhaltenen Spannungen gen Spannungen» die ilten werden*

BAD

Claims (1)

1. P & t a a t a a epr Uo h a

   1 * Katkadeßtattsrieanordnung mit eines? AngalA iron la Reihe geao&altetsn 3£ellft&, eine» Elektrolyt «nft Slöktröden, ge* fcennseioltftet äurofc «ine Einrichtung, m die Sslleß von einer

   .. - äuteerea Qu*Xl# ml-s öiatm Brennstoffs si?· λί

   mit einer ~ Si^ich-t-rag* um die ZelXtn -^@si

   Quelle »it ciaem r>Äi;;ationemittel sm wefao^gdi» wobei da»

   oits«- lsi- Cr^^-m^om zmii - -

   ili^&at und

   «Xemeatesi gebildet* siisä* die eiefc Xingi Seiten <S«s· 2©lle ö^treoktn, itnd Reihe von ftlnveoheeXndeii« dünnen, Kathoden aufweist« nie ic Jeder l^ilie ohne Berüliru^g miteinander

   Seite des St^^iiungewegc au?

   £ad_v

   ein» * ΛηοΊβπ und

   ^ in mi die von elektrische

   Heiheneohaltung bilden, die JeweiXe must- der Anode, de» Brepiietoff und dem Elektrolyt und ®ia@r Kathode * bie hin sur Ie taten Katfeodt iss· Battt^ie.

   2· Batterie nach Aßspruah 1, äaduroh geicennseiphntt» da β β die aus Ieoliertt*terial bestehenden Trägerelemente aue . einem organieohen ItSA gebildet »lad« -

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   5ο Batterie nach Anspruch 1, dadurch ge »nnselohnet,

   die ajus Isoliermaterial bestehenden

   rägerelemente aus

   einer glasartigen» anorganischen Maele gefonat sind«

   4· Batterie «ach Anspruch 1, dadurch gefcnnzelohnet, dass der Elektrolyt ein in !»öaung befihdlpher Elektrolyt i»t,

   der mit dem Brennstoff durch die Zel» etrUmt.

   Batterie nach Anspruch 1* dadurch geftnneeiohnet, das« der Elektrolyt ein poröses* wasserhaltige* hare ist· .

   6· Batterie nach Anspruch 1» dadurch gSKinBeichnet» die erste 2elle der Reihe von Seilen lit einem Sinless versehen ist, durch den ein Fluss igkÄ tee trod» der den Brennstoff und das OxidationsmitmL enthält, zugeführt wird und,dass die let«te Zelle einen Juegang aufweist, durch den dieser Strom austreten kam

   7. Batterie nach Anspruch 1, gekenn&eiomet durch

   ■ ■ ■ ' .·

   Reihe Von Umlenkelementen, die quer sm den Trägereleaenten an den Stellen derselben angeordnet sind, an welchen die Anoden und Kathoden jeweils mit tfld ohne elektrisch· Berührung miteinander sind, wobei äielumlenkelemente mit Kanälen auegebildet sind, die eine twbulente Strömung

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   durch die Batterie verursachen·

   8. Batterie nach Anepruoh 1, dadurch gekenneeiohnet, dass die Zellen im wesentlichen in einer vertikalen Reihe, angeordnet sind und am oberen Ende der Reihe einen Binlass zur zuführung eines Flüssigkeitsetromee, der . den Brennstoff enthält, liegt, und ferner am unteren Ende der Zellenreihe ein Einlass für gasförmigen Oxidationsmittel vorgesehen ist, mit einem Auslass

   . . am oberen Ende der Zellenreihe sum Austritt von überschüssigem, gasförmigem Oxidationsmittel und einem Auslass am unteren 2nd β der Zellenreihe sum Austritt des ?lüesigkeitBstrome, wobei die aus Isoliermaterial bestehenden

   Trägere lernen te im Zfcfc-feok entlang der Längsachse der Zellen angeordnet sind»

   9· !elektrodenanordnung eur Verwendung mit einer einen Blektrolyt aufweisenden Batterie, gekenneeichnet durch mindestens swei aus Isoliermaterial bestehendien Trägerelemente, die Bwisohen sich einen Strömungsweg bilden, und von denen jedes eine Reihe von dünnen, filmartigen Anoden und Kathoden aufweist, die in Jeder Reihe abwechselnd mit und ohne gegenseitige Berührung angeordnet sind und die von einer Seite des BtrtSmungswege eur anderen eine elektrisch·

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   ReihenechaXtung bilden, die jewtileJBue einer Anode, 4«s& Leitungeabschnitt quer «ur Strömung richtung und einer

   Kathode besteht, Tjie hin zur lotste

   Kathode der Batterie.

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