DE2101569C3 - Galvanisches Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element geschlossener Bauart, bei dem in den zwischen plattenförmigen Elektroden gebildeten und ein dünnes, grob-poröses Diaphragma enthaltenden Elektrodenraum unterschiedliche Gase entstehen, welche durch den den Elektrodenraum durchströmenden Elektrolyten abgeführt werden.

Es ist bekannt, daß Diaphragmen bei galvanischen Elementen zur Trennung des Kathodenraumes und des Anodenraumes verwendet werden. Sie verhindern eine Vermischung der Gase, welche in den Elektrodenräumen entstehen und einen Übertritt von Feststoffen in den jeweils anderen Elektrodenraum. Entsprechende Reaktionsgase müssen aus Elektrolysezellen, Brennstoffzellen und allgemein aus Akkumulatoren abgeführt ⁶S werden, bei welchen die Reaktionsgase in die Elektrolyt- bzw. die Elektrodenräume eintreten können. Feststoffe können beim Betrieb von galvanischen Zellen in

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die Elektrodenräume auch durch Erschütterung, Verbrauch von Elektrodenmaterial usw. gelangen. Ein Diaphragma verhindert dabei einen Kurzschluß innerhalb der Zelle, welcher durch einen elektrisch leitenden Festkörper entstehen kann.

Wenn die in den jeweiligen Elektrodenräumen entstehenden Gase in Form der im Elektrolyten vorhandenen Gasbläschen getrennt aus der Batterie herausgeführt werden sollen, so muß einerseits ein Diaphragma in der Zelle vorgesehen sein, und andererseits muß der Elektrolytstrom durch die Anoden- und die Kathodenräume getrennt aus der Batterie abgeführt werden.

Es ist bekannt, für den Elektrolyten an einer bestimmten Stelle einen für den Anoden- und den Kathodenraum gemeinsamen Eintritt anzuordnen. Dabei werden die Austrktsöffnungen für den Elektrolyten aus den jeweiligen Elektrodenräumen dann in unterschiedlichen Ecken der Batterierahmenteile angeordnet, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß der Druckabfall zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung für die einzelnen Elektrodenräume möglichst gleich ist.

Nach einer anderen bekannten Anordnung sind für die einzelnen Elektrodenräume getrennte, und zwar üblicherweise einander diagonal gegenüberliegende Ein- und Austrittsöffnungen für den jeweiligen Elektrolytstrom vorgesehen.

Derartige bekannte Anordnungen in galvanischen Zellen mit dauernder hoher Belastung der Elektroden erweisen sich mit den üblicherweise benutzten Diaphragmen insofern als nachteilig, da diese Zellen einen verhältnismäßig hohen Innenwiderstand aufweisen. Insbesondere ist der Innenwiderstand dieser Zellen bei Stromdichten oberhalb von 100 mA pro cm² besonders störend, so daß damit nur eine technische unvollkommene Ausnutzung der betreffenden Zelle ermöglicht ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine galvanische Zelle der eingangs genannten Art so auszulegen, daß der innere Widerstand der Zelle auf einem besonders geringen Wert gehalten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Diaphragma derartig dünn und grob-porös ausgebildet ist, daß der elektrische Innenwiderstand der Zelle durch das Diaphragma praktisch nicht erhöht wird und daß die Elektrolytströmung in den auf beiden Seiten an das Diaphragma angrenzenden Elektrodenräumen in bezug auf das Diaphragma in der Weise symmetrisch geführt ist, daß an beliebigen zum Diaphragma symmetrischen Punktepaaren in den angrenzenden Elektrodenräumen alle die Strömung in dieser Punkten beschriebenen Strömungsparameter jeweils gleich sind.

Das galvanische Element der Erfindung ist dadurcr gekennzeichnet, daß der Elektrodenraum durch da; dünne, grob-poröse Diaphragma (1) in zwei Teil-Elek trolyträume (2, 3) getrennt ist, daß ein separater Elek trolytstrom für jeden dieser Teil-Elektrolyträume vor gesehen ist, daß jeder Teil-Elektrolytraum eine eigen« Zufluß- und Abflußöffnung für den jeweils zugehörigei Elektrolytstrom besitzt und daß die Strömung in dei beiden aneinandergrenzenden Elektrolyträumen zi beiden Seiten des Diaphragmas (1) im wesentlichei parallel geführt ist und an beliebigen, zum Diaphragm; symmetrischen Punktepaaren der gleiche Drucl herrscht.

Selbstverständlich hat man immer schon versuch den Widerstand des Elektrolytraums zwischen den bei den Elektroden möglichst gering zu halten. So zeigt di

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FR-PS 20 08 107 Abstandsstücke bzw. Separatoren zwischen den beiden Elektroden, wobei jedoch der Elektrolytraum zv/ischen den beiden Elektroden nicht durch ein Diaphragma in zwei getrennte Teil-Elektrolyträume unterteilt wird und auch keine zwei voneinander völlig getrennte Elektrolytströme Verwendung finden. Auch die FR-PS 15 28 057 und 15 12 606 zeigen lediglich zwischen Elektroden angeordnete Separatoren, die nur den Abstand der Elektroden festlegen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle zeichnet sich dadurch aus. daß ein gemeinsamer Zuführungskanal im Bereich einer der Ecken durch die um die Anodenräume herum angeordneten Rahmen, durch die Diaphragmarahmen und durch die um die Kathodenräume herum angeordneten Rahmen verläuft, daß aus dem gemeinsamen Zuführungskanal jeweils Einlaßkanäle in die Anoden- und in die Kathodenräume abzweigen und daß für die Anoden- und die Kathodenräume zwar getrennte, jedoch im Bereich der zu den Einlaßkanälen diagonal gegenüberliegenden Ecke eng benachbart angeordnete Auslaßkanäle und deren anschließende Sammelkanäle zur Abführung des Elektrolyten vorgesehen sind.

Die Strömungsführung kann durch parallele Stege im Elektrolytraum unter Umständen vorteilhaft beeinflußt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Diaphragmas zeichnet sich dadurch aus, daß das Diaphragma eine Netzstruktur mit einer Maschenweite von 85 μιη aufweist.

Die Verwendung grob-poröser und sehr dünner Diaphragmen, welche beispielsweise netzartig ausgebildet sein können, besitzt den Vorteil, daß der Innenwiderstand der Zelle durch das Diaphragma praktisch nicht erhöht wird. Die Schwierigkeit bei der Verwendung solcher grob-poröser und sehr dünnen Diaphragmen besteht jedoch darin, daß die Trennwirkung des Diaphragmas hinsichtlich der Vermischung der in den einzelnen Elektrodenräumen vorhandenen Gase sehr gering ist. Bei einer herkömmlichen Elektrolytführung führt die Verwendung eines grob-porösen und sehr dünnen Diaphragmas dazu, daß parasitäre Elektrolytströmungen durch das Diaphragma hindurch erfolgen. Eine Vermischung der Gase aus beiden Elektrodenräumen ist die Folge.

Durch die Führung der Elektrolytströmung gemäß der Erfindung werden derartige parasitäre Erscheinungen jedoch vermieden.

Beispielsweise beträgt bei einer erfindungsgemäßen Elektrolytströmung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Diaphragmas, welches aus einem Netz mit einer Maschenweite von 85 μηι gebildet ist, der Gasdurchsatz des im Kathodenraum entwickelten Gases durch das Diaphragma etwa 0,01 ^o/o des im Kathodenraum entwickelten Gases gegenüber einem Durchsatz von etwa 40% bei einer herkömmlichen Elektrolytströmung.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt F i g. 1 das Schema einer galvanischen Zelle,

F i g. 2 und 3 jeweils Rahmenteile und Anordnung einer herkömmlichen galvanischen Zelle mit Elektrolytzu- und -abführungen und

Fig.4 Rahmenteile und erfindungsgema'ße Anord- &5 nung der Elektrolytzu- und -abführungen.

Aus dem Schema der F i g. 1 geht hervor, in welcher Weise die jeweiligen Elektrodenräume, und zwar der Anodenraum 2 und der Kathodenraum 3 durch ein Diaphragma 1 getrennt sind. Weiterhin ist aus dem Schema der F i g. 1 die Zuführung des Elektrolyten von unten durch einen gemeinsamen Zuführungskanal und seine getrennte Abführung aus dem Anoden- und dem Kathodenraum nach verschiedenen Seiten am oberen Ende der Zelle ersichtlich.

In der auseinandergezogenen Darstellung der F i g. 2 sind ein Rahmen 7 des Anodenraumes, anschließend ein Diaphragma 1 und dahinter ein Rahmen 7 des Kathodenraumes dargestellt. An der unteren Rahmenkante ist die gemeinsame Zuführungsöffnung des Elektrolyten 4 dargestellt. Die Austrittsöffnungen 5 und 6 für den Elektrolyten aus den jeweiligen Elektrodenräumen sind in den einander gegenüberliegenden Ecken im oberen Rahmenteil der Batterierahmenteile 7 angeordnet.

Eine weitere Möglichkeit der Anordnung von Zuführungs- und Abführungskanälen für den Elektrolyten ist aus der Darstellung in der F i g. 3 ersichtlich. In diesem Fall sind für die einzelnen Elektrodenräume getrennte, und zwar üblicherweise diagonal gegenüberliegende Ein- und Austrittsöffnungen für den jeweiligen Elektrolytenstrom vorgesehen. Die Darstellung der F i g. 3 entspricht im übrigen der auseinandergezogenen schematischen Darstellung der F i g. 2 und zeigt in gleicher Weise einen Rahmen des Anodenraumes 7, einen Diaphragmarahmen la und einen Rahmen des Kathodenraumes 7.

In der F i g. 4 sind die entsprechenden Rahmen sowie das Diaphragma ebenfalls in analoger auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Das Teil 7 stellt wiederum einen Rahmen dar, welcher den Anodenraum umschließt, während der Rahmen 8 den Kathodenraum umgibt. Zwischen diesen beiden Rahmen ist das Diaphragma im Diaphragmarahmen la angeordnet. Der Elektrolyt strömt aus einem gemeinsamen Zuführungskanal 4 durch die jeweiligen Einlaßkanäle 9 und 10 in die entsprechenden Elektrodenräume ein. Den Anodenraum verläßt der Elektrolyt durch den Auslaßkanal 5 und fließt in den Sammelkanal 11 ab, während die Elektrolytströmung aus dem Kathodenraum durch den Auslaßkanal 6 in den Sammelkanal 12 einmündet. Die Führung der Elektrolytströmung innerhalb der Elektrodenräume kann erforderlichenfalls durch Führungsund Leitelemente in Form von Stegen unterstützt werden.

Aus der F i g. 4 ist weiterhin ersichtlich, daß die gemeinsame Zuführung des Elektrolyten in der rechten unteren Rahmenecke erfolgt, während die Abführung im Bereich der linken oberen Rahmenecke durch die eng benachbart angeordneten Sammelkanäle 11 (für den Anodenraum) und 12 (für den Kathodenraum) geschieht.

Durch diese gemäß der Erfindung vorgesehene Anordnung der Einlaß- und der Auslaßkanäle wird eine im wesentlichen in bezug auf das Diaphragma 1 symmetrische Strömung in den beiderseitigen Elektrodenräumen gewährleistet.

Damit ist weiterhin gewährleistet, daß an jeder Stelle des Diaphragmas auf beiden Seiten der gleiche Druck herrscht, so daß die Elektrolytströmung keine Veranlassung besitzt, eine durch das Diaphragma hindurch gerichtete parasitäre Elektrolytströmung auszubilden. Auf diese Weise wird die Vermischung der Gase aus beiden Elektrodenräumen vermieden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 21 Ol

1. Galvanisches Element geschlossener Bauart, bei dem in dem zwischen plattenförmigen Elektroden gebildeten und ein dünnes, grob-poröses Diaphragma enthaltenden Elektrodenraum unterschiedliche Gase entstehen, welche durch den den Elektrodenraum durchströmenden Elektrolyten abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, ίο daß der Elektrodenraum durch das dünne, grob-poröse Diaphragma (1) in zwei Teil-Elektrolyträume (2,3) getrennt ist, daß ein separater Elektrolytstrom für jeden dieser Teil-Elektro!yträume vorgesehen ist, diiß jeder Teil-Elektrolytraum eine eigene Zufluß- und Abflußöffnung für den jeweils zugehörigen Efektrolytstrom besitzt und daß die Strömung in den beiden aneinandergrenzenden Elektrolyträumen zu beiden Seiten des Diaphragmas (1) im wesentlichen parallel geführt ist und an beliebigen, zum Diaphragma symmetrischen Punktepaaren der gleiche Druck herrscht.

2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Zuführungskanal (4) im Bereich einer der Ecken durch die um die Anodenräume (2) herum angeordneten Rahmen (7), durch die Diaphragmarahmen (la) und durch die um die Kathodenräume (3) herum angeordneten Rahmen (8) verläuft, daß aus dem gemeinsamen Zuführungskanal (4) jeweils Einlaßkanä-Ie (9) in die Anoden- und (10) in die Kathodenräume abzweigen und daß für die Anoden- und die Kathodenräume zwar getrennte, jedoch im Bereich der zu den Einlaßkanälen (9,10) diagonal gegenüberliegenden Ecke eng benachbart angeordnete Auslaßkanä-Ie (5,6) und daran anschließende Sammelkanäle (U, 12) zur Abführung des Elektrolyten vorgesehen sind.

3. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma (1) eine Netzstruktur mit einer Maschenweite von 85 μηι aufweist.

4. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein alkalischer Elektrolyt verwendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma (1) aus einem Teflon-Netz besteht.