DE1810508A1 - Elektrochemische Zelle - Google Patents

Description

• Elektrochemische Zelle Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit einem Behälter, der in einem flüssigen Elektrolyten angeordnete positive und negative Elektroden enthält, die mit einer positiven bzw. negativen Klemme verbunden sind.
• Die Erfindung läßt sich auf Primärelemente, Sekundärelemente (wiederaufladbare Zellen), Brennstoffzellen und sogenannte Halb-oder Semibrennstoffzellen anwenden.
• Gemäß der Erfindung ist eine elektrochemische Zelle der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch einen um eine Achse drehbaren Rotor, von dem mindestens ein Teil eine Elektrode der Zelle trägt oder bildet, welche Elektrode mindestens zum Teil in den Elektrolyten eintaucht, ferner durch eine Strom zwischen der Elektrode und der zugehörigen Klemme übertragende Verbindung, und durch eine Anordnung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, das den Rotor zwischen der Elektrode und der Verbindung im wesentlichen senkrecht zur Stromflußrichtung derart durchsetzt, daß der Rotor als Rotor eines Unipolarmotors arbeitet.
• Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Elektrode von der Achse entfernt und die Verbindung befindet sich in der Nähe der Achse. Hierdurch wird die Hemmung, die bei einer am Umfang angeordneten Stromkollektoranordnung auftritt, erheblich herabgesetzt.
• Die Elektroden können so ausgebildet sein, daß sich eine vollständige unabhängige elektrochemische Zelle oder Batterie ergibt, d.h. eine Zelle, die ausschließlich mit der chemischen Energie der in ihr enthaltenen Materialien arbeitet, oder sie können so ausgebildet' sein, daß sich eine Brennstoffzelle ergibt, die mit der chemischen Energie eines von außen zugefu'hrten Brennstoffes arbeitet, oder eine Semibrennstoffzelle, die zum Teil mit der chemischen Energie der in der Zelle enthaltenen Materialien und zum Teil mit der chemischen Energie eines von außen zugeführten Brennstoffes arbeitet.
• Die vorliegende Einrichtung kann als dynamoelektrochemische Maschine angesehen und für viele Zwecke verwendet werden.
• Insbesondere kann eine Vorrichtung zum Kurzschließen der Klemmen vorgesehen sein, so daß sie dann als Kraft oder Antriebsmaschine arbeitet, wobei die ganze elektrische Ausgangsleistung der Zelle zum Antrieb des Motors dient und die mechanische Leistung vom Rotor auf einen Verbraucher übertragen werden kann.
• Andererseits kann man den Rotor frei laufen lassen und die Klemmen der Zelle an einen elektrischen Verbraucher anschließen, der dann den Hauptteil der in der Zelle erzeugten elektrischen Leistung aufnimmt. In diesem Fall verbraucht der Rotor nur die zum Drehen der Elektrode unter schwacher Belastung erforderliche elektrische Leistung während der Rest zum Speisen des elektrischen Verbrauchers zur Verfugung steht.
• Außer den Fällen, in denen eine Ausgangsleistung in mechanischer Form gebraucht wird, ist es oft aus dem einen oder anderen Grunde erwünscht, die Elektroden einer elektrochemischen Zelle in Bezug aufeinander zu bewegen. Zum Beispiel ist in gewissen Fällen eine Relativbewegung zur Depolarisation oder Entfernung oder Wiederabsorption von Gasen erwünscht.
• Ein weiteres Beispiel sind Semibrennstoffzellen, die eine Zinkelektrode und eine Luft- oder Sauerstoffelektrode enthalten.
• Bei solchen Zellen ist es schwierig, das Zink, das von der Eletr de während der Entladung entfernt worden ist, wieder aufzuplattie-@@@@ Das Zink wird während der Entladung nämlich an der Oberfläche der Elektrode oxydiert und ein Teil davon löst sich im Elektro lyten. Dieses Zink kann durch einen Ladestrom aus der Lösung wiedergewonnen werden, es schlägt sich dabei jedoch nicht als gleichmäßige Schicht auf der Oberflache d ; Elektrode nieder sondern bildet in unerwünschter Weise dendritische oder baumartige ßebilde, Es ist daher zweckmäßig, die Zinkelektrode bezüglich der Luftelektrode zu bewegen um das Entstehen solcher baumartiger Gebilde zu verhindern una die Bildung eines gleichförmigen Zinkniederschlages auf der Elektrode zu ermöglichen.
• Die Zelle selbst kann die verschiedensten Formen haben, so kann z.B der Rotor die Porm einer Scheibe oder eines Zylinders mit horizontaler Achse oder die Form einer Scheibe mit vertikaler Achse haben und die Elektrode kann einen herunterhängenden, zylinderischen oder kegelstumpfförmigen Kragen am Umfang haben.
• Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, deren Figuren 1 bis 4 Axialsohnitte von vier verschiedenen Ausffihrungsitspielen elektrochemischer Zellen gemäß der Erfindung zeigen.
• Bei dem in Fig 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine Zink-Luft-Semibrennstoffzelle, die mit einem Unipolarmotor kombiniert ist ul eine mechanische Ausgangsleistung zu erzeugen. Die Anordnung enthält einen Rotor 10 in Form einer Scheibe aus Kupfer oder unmagnetischem Edelstahl, die auf einem ringförmigen Umfangsbereich einen Niederschlag 11 aus Zink trägt, der als aktives Material dient und eine positive Elektrode bildet. Der Rotor 10 ist koaxial auf einer Welle 12 montiert, die in Lagern 13 und 14 um eine vertikale Achse drehbar ist.
• Die positive Zinkelektrode 11 liegt zwischen zwei ringf8rmigen negativen Luft- oder Sauerstoffelektroden bekannter Bauart während der radial innere Teil des Rotors zwischen Polflächen 16 eines Feldmagneten 17 liegt, der scheibenförmige Polstücke 18 aufweist, die über den Umfang des Rotors htnausreichen und durch einen ringförmigen Permanentmagneten oder eine Anzahl von stab-oder blockförmigen Permanentmagneten 20 verbunden sind.
• Die Zelle ist in einem Behälter 21 untergebracht, der einen Elektrolyten 22 enthält, und mit Klemnen 26 und 27 durch einen Schleifring 23, der in einem der Lager untergebracht sein kann, sowie Leiter 24 und 25 verbunden.
• Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbelspiel der Erfindung, das sehr ähnlich aufgebaut ist wie das gemäß Fig. 1; gleiche Bauteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Ausführung beispiel nach Fig. 2 ist der Magnetkreis jedoch etwa hufeisenförmig und der Magnetfluß wird durch einen blockförmigen Permanentmagneten 30 erzeugt, der auf einer Seite der Achse angeordnet ist.
• Im Gegensatz zu Fig. 1, bei der die Achse vertikal verläuft, liegt die Achse bei Fig. 2 horizontal. Selbstverständlich können in beiden Fällen die Achsen vertikal oder horizontal verlaufen+ Wenn die Achse horizontal liegt, können die feststehende Elektrode auf einen Teil eines Ringes und der Elektrolyt auf einen Teil den.
• Gehäuses unterhalb der Welle beschränkt sein. Falls erforderlich, enthalten die Lager Abdichtungen oder Packungen.
• Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der der Rotor die Form eines Zylinders oder eines Rohres hat und die anderen Teile entsprechend abgeändert sind, Der Rotor weist eine positive Zinkelektrode 41 an einem Ende eines rohrförmigen Kragens auf, der in einen Topfmagneten hineinreicht, welcher ein äußeres und ein inneres Polstück 48 bzw. 49 aufweist, die durch einen ringscheibenförmigen Permanentmagneten TO verbunden sind, der radial magnetisiert ist und dementsprechend am Außenrand den einen Pol und am Innenrand den anderen Pol hat. Im übrigen entspricht die Anordnung dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Fig. 4 zeigt schematisch zwei Zellen, die jeweils ziemlich ähnlich der Zelle gemäß Fig. 2 sind. Es handelt sich hier jedoch um Nickel-Cadmium-Zellen. Die positive Elektrode der einen Zelle läuft um und ist elektrisch durch eine die Welle umgebende Buchse mit der ebenfalls umlaufenden negativen Elektrode der anderen Zelle verbunden, so daß hier keine Schleirringe benötigt werden.
• Die negative Elektrode 61 der einen Zelle, die mit einer feststehenden Elektrode 62 zusammenarbeitet, und die positive Elektrode 64 der anderen Zelle, die mit einer feststehenden Elektrode 65 zusammenarbeitet, sind also beide an einer isolierenden Welle 65 befestigt und miteinander durch eine leitende Buchse 66 verbunden, die die Welle umgibt. Die Klemmen 67 und 68 der Zelle sind mit den feststehenden Elektroden verbunden. Die Feldmagneten sind so gepolt, daß sich die Spannungen der beiden Zellen addieren Fig. 4 zeigt außerdem eine Anordnung, bei der jede Elektrode eine Anzahl von parallelen Platten enthält, die mit Platten der jeweiligen Gegenelektrode verzahnt sind.
• Im übrigen entspricht die Anordnung nach Fig. 4 der gemäß Fig. 2 und entsprechende Teile tragen daher die gleichen Bezugszeichen.
• Selbstverständlich können bei allen beschriebenen AusfUhrungsbeispielen eine Anzahl von Zellen in Reihe geschaltet werden, wobei die Rotoren koaxial montiert sind, und die Rotoren können gewünschtenfalls durch isolierende Kupplungen mecnanisch miteinander verbunden sein und sich dann miteinander drehen.
• Man kann auch andere Anordnungen, z.B. mit gegenläufigen Rotoren vorsehen, bei denen die Ströme in entgegengesetzten Richtungen fließen oder die Magnet flüsse entgegengesetzt sind, außerde können auch die Magnetkreise für mehrere Rotoren in der verschiedensten Weise kombiniert werden.
• Die beschriebenen Zellen lassen sich entsprechend den Anforderungen in der verschiedensten Weise betreiben. Wenn die Zelle ausschließlich als Motor dienen soll, werden die Klemmen 26, 27 bzw. 67, 68 kurzgeschlossen, so daß dann die von der Zelle verfügbare elektromotorische Kraft zur Überwindung der gegenelektromotorischen Kraft des Motors dient und die verfügbare Leistung als nechanische Leistung an der Welle 12 bzw. 65 zur Verfügung steht.
• Man kann auch stattdessen oder zusätzlich einen elektrischen Verbraucher an die Klemmen anschließen, so daß die ganze verfügbare Leistung oder ein Teil davon als elektrische Leistung abgegeben wird. Die elektrische Leistung kann z.B. die Lampe des Scheinwerfers einer Bake oder eines Leuchtfeuers speisen während die mechanische Leistung zur Drehung des Scheinwerfers verwendet wird.

Claims (1)

1. Patentans prüche 1.) Elektrochemische Zelle mit einem Behälter, der in einem flüssigen Elektrolyten angeordnete positive und negative Elektroden enthält, die mit einer positiven bzw. negativen Klemme v-erbunden sind, g e k e n n z e i c h n e.t d ur c h einen um eine Achse drehbaren Rotor (10, 40) von dem mindestens ein Teil eine Elektrode (11, 15, 61) der Zelle trägt oder bildet, welche Elektrode mindestens zum Teil in den Elektrolyten eintaucht, ferner durch eine Strom zwischen der Elektrode und der zugehörigen Klemme übertragende Verbindung (23) und durch eine Anordnung (17, 47) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, das den Rotor zwischen der Elektrode und der Verbindung im wesentlichen senkrecht zur Stromflußrichtung derart durchsetzt, daß der Rotor als Rotor eines Unipolarmotors arbeitet.-2.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Teil der Elektrode (11, 41) des Rotors (10, 40) von der Achse entfernt und die Verbindung (23) im Bereich der Achse angeordnet sind.

   3.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden so ausgebildet sind, daß sich eine unabhängige elektrochemische Zelle oder Batterie ergibt, bei der die elektrische Ausgangsleistung ausschließlich auf Grund der chemischen Energie der in der Zelle enthaltenen Materialien erzeugt wird.

   4,) Elektrocnemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden entsprechend einer Brennstoffzelle ausgebildet sind, bei der die elektrische Ausgangsleistung aus der chemischen Energie eines von außen zugefUhrten Brennstoffes erzeugt wird.

   5.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden entsprechend einer Semibrennstoffzelle ausgebildet sind, bei der die elektrische Ausgangsenergie zum Teil aus der chemischen Energie der in der Zelle enthaltenen Materialien und zum Teil aus der chemischen Energie eines von außen zugefuhrten Brennstoffes erzeugt wird.

   6.) Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Vorrichtung zum Kurzschließen der Klemmen (26, 27; 67, 68), so daß die Zelle als Antriebsmotor arbeitet und die ganze elektrische Ausgangsleistung der Zelle zur Speisung des Motors dient, und daß eine Anordnung zur Abnahme mechanischer Leistung vom Rotor zu einem Verbraucher vorgesehen ist.

   7.) Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rotor frei drehbar ist und daß die Klemmen an einen elektrischen Verbraucher anschließbar sind, der den überwiegenden Teil der in der Zelle erzeugten elektrischen Ausgangsleistung aufnimmt.

   8.) Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t , daß jede Elektrode mindestens zwei parallele Platten aufweist und daß die Platten der beiden Elektroden ineinander verschachtelt sind.

   9.) Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine umlaufende Elektrode (61) einer Zelle mit einer umlaufenden Elektrode (64) einer benachbarten Zelle mechanisch und durch einen mit den Elektroden drehbaren Leiter (66) elektrisch verbunden ist.

   10.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die umlaufenden Elektroden durch eine isolierende Welle (65) gelagert und durch eine elektrisch leitende Buchse (66) miteinander verbunden sind.