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Sperre für parasitäre Ströme in mit umlaufenden Elektrolyten betriebenen
elektrochemischen Vorrichtungen.
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Schaltet man elektrochemische Vorrichtungen, die mit Zirkulationsleitungen
für den Elektrolyten versehen sind, in Reihe zu einer Batterie zusammen, so ist
die Gesamtleistung der Batterie erheblich geringer als die Summe der Leistungen
der Binselsellen Dieses Problem tritt sowohl bei Akkumulatoren mit Flektrolytumlauf
als auch bei anderen elektrochemischen Vorrichtungen, insbesondere bei Brennstoffzellenbatterien
auf.
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Besonders bei letzteren ist fast immer ein gemeinsamer Elel£trolytumlauf
vorgesehen, der die Batterieleistung erheblich herab-.
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setzt. Der Grund liegt darin, daß infolge. der erhöhten Betriebsspannung
der Batteric durch die gemeinsamen Elektrolytleitungen beträchtliche Strommengen
verlorengehen; größenordnungsmäßig beträgt die elektrische, durch sogenannte vagabundierende
oder parasitäre Ströme verursachte Verlustleistung etwa 10% der Nutzleistung der
Batterie.
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Zwar kann man aufgrund der bekannten Kirchhoff'schen Gleichungen durch
passende Schaltung den lieistu.ngsverlust verringern, aber er bleibt immer noch
im Bereich von ganzen Prozenten. Abgesehen von der Energie'bilanz stören diese parasitären
Strompfade auch
dadurch, daß nach Überschreiten der reversiblen
Spannung der Einzelzellen unvermeidlich eine Elektrolyse einsetzt; die Entstehung
von Knallgas kompliziert und gefährdet den Betrieb einer Brennstoffzellenbatterie.
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Macht man in bekannter Weise die Elektrolytleitungen möglichst lang
und dünn, um den Ob.rij'schen Widerstand zu vergrößern
= -spezifischer Widerstand des Elektrolyten L - Länge der Elelctrolytleitung q =
gleichmäßiger Querschnitt der Leitung), so erhöht man etwa in gleichem Maße den
Strömungswiderstand für die Elektrolyti'lüssigkeit und muß nun zur Erzielung des
notwendigen Umlaufs den Betriebsdruck der Pumpe erhöhen, wodurch eziederum die Batterieleistung
als solche absinkt.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung aufzufinden, die
diese Nachteile nicht aufweist und deshalb zu einer merklichen Erhöhung der Batterieleistung
gegenüber dem bekannten Stand der Technik führt.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß die zwischen
den elektrisch in Reihe geschalteten Zellen oder Zellenblöcke angeordneten Elektrolytleitungen
mechanisch bewegliche Quetschsperren aufweisen, die zwar den Elektrolyten durchlassen,
aber dennoch eine ganz wesentliche Erllöhung des elektrischen Widerstandes hervorrufen.
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In Ausführung der Erfindung gelingt es, die die Leistung vermindernden
Ströme auf einen bedeutungslosen Bruchteil herabzusetzen oder sogar völlig zu unterdrücken.
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Bei den erfindungsgemäßen Quetschsperren handelt es sich um geeignete
Ausführungsformen bekannter rumpentypen, die aber insofern von der üblichen Pumpendefinition
abweichen, als sie grundsätzlich#nicht von außen angetrieben werden müssen, sondern
schon durch den strömenden Elektrolyten bewegt werden können.
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Der Erfindungsgedanke sei zuerst anhand der Fig. 1 an einem
einfachen
Beispiel, nämlich der bekannten Roots-Pumpe erläutert, in der zwei achtförnige Flügel
1 und 2 in einem dicht passenden Gehäuse 3 mit gleicher Geschwindigkeit in einander
entgegengesetztem Sinne rotieren. Dreht sich der untere Flügel 2 im Uhrzeigersinn
und der obere Flügel 1 im entgegengesetzten Sinne, so wird die Flüssigkeit bei 4
angesaugt und bei 5 ausgestoßen.
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Mit dieser Pumpenart erreicht man bekanntlich bei hohen Umdrehungszahlen
einen sehr großen Durchsatz, wenn man auf eine enge Passung der Flügel verzichtet.
Dafür ist beispielsweise ein gegenseitiger Abstand der beiden Flügel an der Stelle
6 sowie an den Engestellen 7 des Flügels 2 am C ebäuse 3 und den Engestellen 8 und
9 des Flügels 1 am Geha.:llse 5 von 0,01 cm erforderlicl.i, gemittelt über eine
Länge der Engestelle von beispielsweise 1 cm. Die Dicke der Pumpenflügel bzw. die
lichte Weite des Pumpengehäuses sei einfachheitshalber zu 1 cm angenommen.
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Beträgt nun der spezifische Widerstand des Elektrolyten (#) 2 Ohm
~ cm - das entspricht im konkreten Fall 20%iger Kalilauge -dann ist der Widerstand
jeder Enge stelle R6 = R7 = R8 = R9 = # . L/q = 2 ~ 1/0,01 = 200 Ohm.
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Der Gesamtwiderstand R des Elektrolyten beträgt weniger als 50%, denn
dem Widerstand R6 an der Hauptdurchflußstelle ist der Widerstand R7 parallel geschaltet,
der R6 halbiert; in der oberen Pumpenhälfte ist ihm der Widerstand R8 + R9 parallelgeschaltet,
wodurch allein der Widerstand R6 auf 2/3 seines Wertes erniedrigt würde. Berechnet
man durch Addition der Kehrwerte der Einzelwiderstände den Gesamtwiderstand, so
findet man ihn zu 5 ~ R/2, im hier vorliegenden Beispiel also 50 Ohu.
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Dieser Engewiderstand muß verglichen~werden mit. dem Widerstand einer
typischen Elektrolytumlaufleitung, die sich praktisch aus vielen verschiedenen Schlauchstücken,
Bohrungen, Zellen teilen, Pumpen usw. zusammensetzt. Eine den praktischen Verhältnissen
entsprechende vergleichsweise Länge von 100 cm 2 bei 0,5 cm Querschnitt besitzt
einen Widerstand von 100 2/0,5 = 400 Ohm, also achtmal größer als der angegebene
Engewiderstand der Roots-Pumpe. Erst wenn man 15 Zellenblöcke von je 0,8 V Klemmenspannung
in Serie schaltet, um die
Normspannung von 12 V zu erhalten, und
dann die Zellenblöcke durch 15 Roots-Pumpen miteinander verbiiidet, wird der Widerstand
des Elektrolytumlaufes um 15 x 50 = 750 Ohm vermehrt auf 400 + 750 = 1150 Ohm, womit
der parasitäre Strom auf rund 1/3 seines sonstigen Wertes absinkt.
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Dieser Vergleich zeigt zwar, daß die einfache, große Flüssig keitsmengen
fördernde Roots-Pumpe nicht geeignet ist, den Erfindungsgedanken zu realisieren,
weist jedoch gleichzeitig den richtigen Weg zur Verbesserung. Der Engewiderstand
in jeder einzelnen Sperre muß vervielfacht werden, wenn auf innige Berührung zwischen
rotierenden und still stehenden Teile verzichtet wird, oder man muß einen flüssigkeitsdichten
Abschluß zwischen beiden Teilen erzwingen, wie es ja in jeder rotierenden Vakuumpumpe
vom Drehschieber- oder Wälztypus sogar mit verdünnten Gasen gelingt.
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Folgt man der ersten Möglichkeit durch Vermehrung der Zahl der im
Zylindergehäuse 3 hintereinander geschalteten Engewider stände, so kommt man zur
Zahnradpumpe, die als billige, anspruchslose und zuverlässige Börderpumpe, beispielsweise
für Kühlwasser, bekannt ist. Hier befinden sich an der Hauptdurch flußstelle stets
mehrere Zähne miteinander im Eingriff, so daß der dem Widerstand 6 in Fig. 1 entsprechende
Engewiderstand vervielfacht wird, auch wenn die Zähne sich nicht berühren; allbekannt
ist der Begriff der in Fig. 2 schwarz geeeiehneten Quetschflüssigkeit ?? 10, die
bei mehr als einem Eingriffspus t infolge der Bildung eines allseitig geschlossenen
Raumes entsteht.
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Für die Quetschflüssigkeit werden üblicherweise hinreichende Abfluß-
und Zufluß- Möglichkeiten geschaffen, um unnötige Drucksteigerungen zu vermeiden;
die Zahnradpumpen besitzen Löcher in den Zahnlücken eines Rades oder Aussparungen
i den Stirnflächen des Gehäuses in Verbindung mit Ausnehmungen im Zahugrund, in
beiden Fällen mit Verbindungen zum freien 5aug-bzw. Druckraum.
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Diese Allsgleichslcanäle sind für die vorliegende Erfindung nicht
nur
unnötig, sondern sogar schädlich, weil nur ein flüssigkeitsdichter Abschluß zwischen
zwei oder mehreren Zähnen den Erfindungsgedanken wiedergibt, zwar den Flüssigkeitsstrom
durchsulasæen, aber den elektrischen Strom zu sperren.
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Wie Fig. 2 anschaulich zeigt, sind hier mehrere Engestellen hintereinander
geschaltet, im Falle der hier gezeichneten Zahnräder mit je nur zwölf Zähnen acht
solcher Enge stellen entsprechend den Bezeichnungen 11 bis 18. Durch Wahl von Zahnrädern
mit höherer Zahnzahl läßt sich die Anzahl der elektrisch in Reihe geschalteten Engewiderstände
leicht vermehren, so daß der Zahlenwert im Beispiel der Flügelpumpe ohne weiteres
um eine Zehnerpotenz erhöht werden kann.
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Dem Maschinenbauer ist bekannt, daß man die Zahnräder in das Gehäuse
einzuschleifen pflegt, wobei die Ecken in der Ausdrehung des Gehäuses scharf sein
müssen, weil die Zähne an der Kante des Gehäuses nicht gebrochen werden dürfen;
das Spiel zwischen Zahnrädern und Gehäuse soll etwas größer sein als das LagerS
spiel, so daß man ca. + 0,001 cm erreichen kann. Vergegenwärtigt man sich, daß die
Lurchflußstelle zwischen Gehäuse und Rädern wegen des Zahnrädereingriffes praktisch
unendlich hohen Engewiderstand erreichen kann, und daß die Engewiderstände zwischen
Gehäuse und Rädern mindestens eine Zehnerp^otenz zahlreicher und pro Stück 10mal
enger sein können, so ist das auch durch Widerstandsmessungen des Erfinders bestätigte
Ergebnis verständlich, daß der elektrische Engewiderstand um mindestens zwei Größenordnungen
gegenüber dem der Flügelpumpe nach Sig. 1 wächst, also mindestens 5000 Ohm beträgt.
Schon durch die erfindungsgemäße Zwischenschaltung nur einer einzigen derartigen
Sperre würde also der eingangs zu 400 Ohm geschätzte Widerstand verzehnfacht, die
parasitäre Leistung unter 10% des bisherigen Betrages gedrückt, und eine Elektrolyse
mit Gewißheit unterdrückt.
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Die Zahl der Sperren in einer Brennstoffzellenbatterie ist ein einfaches
Optimierungsproblem; nimmt man sehr viele solcher Sperren, so kann man zwar den
parasitären Strom beliebig vermindern, erhöht aber umgekehrt die Investitions und
Abschreibungskosten
ebenso wie die dann erforderlich werdenden Leistungen für die Elekt'rolytumwälzung.
Man setzt deshalb soviel Stromsperren ein, daß deren Amortisation und Beistungsverbrauch
billiger sind als die anderenfalls vergeudete parasitäre Leistung. Wenn es darauf
ankommt, der Bildung von Elektrolysegasen unbedingt vorzubeugen, wird man etwas
mehr aufwenden. Im Maximalfall wurde man dann zwischen zwei, Zellen blöcken, insbesondere,
wenn diese mit Janus-Elektroden und/oder für den iEl.O?LUX-Betrieb (Elektrolytströmung
durch die Elektroden) ausgerüstet sind, eine erfindungsgemäße Quetschsperre legen.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß auch die bishersverven dete,
für Ströme durchlässige Umlaufpumpe für die Elektrolytzirkulation durch eine erfindungsgemäße
Quetschsperre mit Außenantrieb ersetzt wird.
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Von der Wirtschaftlichkeit einmal abgesehen, kann es einen allzu hohen
Bedienungsaufwand bedeuten, eine Vielzahl solcher Sperren von außen anzutreiben,
falls diese wegen enger Passung nicht von selbst im Flüssigkeitsstrom mitlaufen.
In diesem Fall wäre die Verwendung einer Schlauchpumpe vorteilhaft, wie sie in Fig.
3 dargestellt ist. Die einzelne Flüssigkeitsleitung 19 besteht in diesem Falle aus
einem elastisch verformbaren Plastikschlauch, der von außen durch eine am Schlauch
entlang wandernde Rolle zusammengedrückt wird; wie Fig. 3 zeigt, kann dies durch
einen verhältnismäßig langsam rotierenden größeren Zylinder 20 geschehen, der an
seinem Umfang ebenfalls drehbare kleinere Walzen 21 aufweist. An sich pflegt man
zugunsten einer verminderten Walkarbeit und verlängerten Lebensdauer den Flüssigkeitsfaden
im Schlauch nicht auf verschorindenden Durchmesser zusammenzudrücken; für die Zwecke
dieser Erfindung wird aber der Schlauch an der Engstelle pra#tisch völlig zusammengedrückt,
um einem unendlich hohen Engewiderstand möglichst nahezukommen. Fig. 3 zeigt, wie
einfach sich in diesem Fall der Antrieb einer Vielzahl von Schläuchen durch eine
einzige Walze gestaltet, wofür im Handel Vielfach-Schlauchpumpen mit etwa 20 Schlauchkreisen
erhältlich sind.
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In diesem Fall bedarf es sogar nicht einmal einer besonderen
Umlaufpumpe
zusätzlich zu den Stromsperren.
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Messungen unter Verwendung von 6n-KOH als Elektrolyt ergaben, daß
die Flüssigkeit in den engen Plastikschläuchen im offenen Zustand einen Widerstand
von 100 Ohm zeigte. Wurde der Schlauch durch eine Walze 21 zusammengepreßt, so stieg
der Widerstand auf 120 000 Ohm; beim Zusammenpressen mit zwei Walzen erhöhte er
sich nochmals um 60 000 auf 180 000 Ohm.
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Die Verwiri1#ichung dieser Erfindung beschränkt sich keineswegs auf
die bisher erwähnten Typen der Roots-, Zahnrad- und Schlauchpumpen, sondern umfaßt
alle Typen, die die Schaffung von Engewiderständen ermöglichen. In diesem Zusammenhange
seien auch die Wälzpumpen genannt, die noch bis vor kurzem wegen der Anforderungen
an exaktes Einschleifen des Wälzkolber# im Zylindergehäuse zu aufwendig waren; neuerdings
gibt es aber in Massenfabrikation aus elastischen Kunststoffen hergestellte Wälzpui#en,
die sich für die Verwirklichung der Erwindung wegen ihrer Billigkeit, geringen Volumens
und Gewichts sowie Korrosionsfestigkeit gegen Laugen und Säuren ebenso wie durch
bescheidene Wartungsansprüche auszeichnen.
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Dagegen müssen wegen ihrer andersartigen Wirkung die Membranpumpen
noch erwähnt werden, bei denen eine biegsame Membran von außen rythmisch eingedrückt
wird, und welcher ein EinZ und Auslaßventil gegenüberstehen. Prinzipiell sind auch
diese Bauarten erfindungsgemäß zu verwenden, denn theoretisch ist wenigstens eines
der beiden als Quetschsperren wirkende Ventile immer dicht verschlossen, und unterbricht
damit den elektrischen Strompfad. Es kann aber, im praktischen Betrieb vorkommen,
daß beim Umschalten über Duckänderung eines der beiden Ventile sich schon etwas
öffnet, wenn das andere noch nicht fest geschlossen ist; indessen ist dann der zeitliche
Mittelwert des parasitären Stromflusses so gering, daß er nicht ins Gewicht fällt,
Allerdings läßt sich bei dieser Bauart die Entstehung von Elektrolysegasen in den
Umschaltstadien nicht sicher vermeiden.
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Von Einfluß auf die Wirksamkeit der Stromsperren ist wegen der lonenbeweglichkeit
auch die Elektrolyt-Temperatur.
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Man ist deshalb bestrebt, durch ausreichende Elektrolytumlaufgeschwindigkeit
die sogenannte " Abfall ~-Wärme aus der Batterie zu entfernen.
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Bisher war einfachheitshalber stillschweigend angenommen worden, daß
die erfindungsgemäßen rotierenden oder vibrierenden Stromsperren aus einem Isolator
bestehen, genauer aus einem Werkstoff, dessen spezifischer Widerstand um Größenordnungen
höher liegt als derjenige des zu transportierenaen Elektrolyten, bzw. der Trägerflfissigkeit
von Brennstoff für die Anoden und/oder Sauerstoff für die Kathoden. Tatsächlich
kann man die erfindungsgemäßen Sperren für die meisten Verwendungsbedingungen auch
aus genllgend korrosionsfesten Metallen herstellen. Das rührt daher, daß an der
Grenzfläche Metall/Elektrolyt der Strom nicht ungehemmt vom Leiter 1. Klasse zum
Leiter 2. Klasse oder umgekehrt fließen kann, sondern, daß hierbei Potentialdifferenzen
aufgebaut werden, die im wesentlichen denen entsprechen, die in den Brennstoffzellen
die gewünschten Potentiale aufbauen. Erst wenn die Verdünnung des Elektrolyten so
hoch und seine Leitfähigkeit so gering werden, daß in ihm ca. 1 Volt überschreitende
Spannungsunterschiede über die Länge eines solchen Metallkörpers auftreten, verbietet
sich die Verwendung von metallischen Werkstoffen für die vorliegende Erfindung.
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Praktisch bedeutet dies, daß man bei Elektrolytleitfähigkeiten entsprechend
0,1 n KOH durchaus noch metallische Werkstoffe einsetzen kann, sofern die einzelnen
Sperren gegeneinander isoliert sind, so daß sie nicht als Elektroden wirken.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen beweglichen
Stromsperren auch in anderen elektrolytischen Anlagen mit Vorteil eingesetzt werden
können.
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Es wird vor allem bei Metall/Sauerstoff-Elementen, beispielsweise
Zink/Luft-Batterien, der Elektrolyt umgepumpt, um das in Lösung gegangene Zink aus
den einzelnen Zellen zu entfernen; durch Verwendung der erfindungsgemäßen Sperren
gelin#gt es, auch hier die Leistung ganz merklich zu steigern.
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Neuerdings ist man bestrebt, unter Gleichhaltung des Gewichtes, Stromsammler
mit einer höheren Anzahl dünnerer Platten'auszurüsten, um höhere Stromdichten zu
erzielen. Dabei empfiehlt es sich, den Elektrolyten wegen der beim Laden und Entladen
auftretenden Konzentrationsänderungen umzupumpen. Mittels der mechanisch beweglichen
Sperren, beispielsweise der Vielfach-Schlauchpumpe, gelingt es, nicht nur die parasitären
Ströme zu unterdrücken, sondern gleichzeitig auch den Elektrolyten in Umlauf zu
halten; Ferner sin#d die erfindungsgemäßen Stromsperren nützlich bei elektrochemischen
Zellen für die Chloralkali-Fabrikation, wenn wie üblich, eine Vielzahl solcher Zellen
zur Erzielung einer elektrotechnisch ökonomischen höheren Gesamt-Gleichspannung
in Serie geschaltet werden.
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Außerdem ist die Anwendung der Erfindung nützlich bei bekannten Elektrolyse-Anlagen,
etwa für die Gewinnung von Wasserstoff oder die Herstellung metallischer Oberflächen-Überzüge.
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- Patentansprüche -