DE1671867B2 - Gasdepolarisiertes galvanisches element mit feinem anodenmaterial - Google Patents

Description

Es hat sich gezeigt, daß eine verbrauchte erfindungsgemäße Anoden-Halbzelle durch elektrochemische Umkehr ohne Dendritenbildung rückgebildet werden kana Selbst wenn das verbrauchte feine Material bei der Rückbildung zur Dendritenbüdung neigt, hat dies keine nachteiligen Folgen, weil dabei keine der Zellen kurzgeschlossen werden kann.

Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von feinteiligem Material liegt darin, daß der reaktionsfähige Berech des Anoden- oder Kathodenmaterials um ein Vielfaches größer ist als der Obertlächenbereich von Schüttmaterial mit gleichem Volumen, selbst wenn ein solches Schürmaierial dicht gepackt ist. Gegebenenfalls auftretende Dendrite können sogar die gesamte reaktionsfähige Fläche der Teilchen vergrößern.

Die erfindungsgemäße Halbzelle beansprucht wenig Volumen je Oberflächeneinheit des reaktionsfähigen Materials, wodurch zwar je Volumeneinheit eine hohe Stromstärke ereieJt wird, jedoch gleichzeitig der Vorteil der niederen Stromdichte je Flächeneinheit des Materials erhalten bleib;. Innere Stromverluste können durch geeignte Konstruktion auf das Mindestmaß verringert werden.

Ein weiteres Merkmal liegt darin, daß zum Unterschied von bekannten Halbzellen mit großen Oberflächen durch feines reaktionsfähiges Material kein Trager dafür erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Halbzelle läßt sich in ein Kreissystem einfügen in dem die Teilchen in der Halbzelle und in einem Außenkreis in Umlauf gehalten werden. Die Teilchen können im Außenkreis wiedergewonnen oder regeneriert werden. Sie brauchen riichi kontinuierlich in Umlauf gehalten zu werden; die Regenerierung kann intermittierend erfolgen oder die Halbzelle kann solange arbeiten, bis das Anodenmaterial vollständig verbraucht ist, worauf die Teilchen abgezogen und durch neue ersetzt werden können. Selbstverständlich kann das Abziehen der verbrauchten Teilchen aus dem Kreissystem auch kontinuierlich erfolgen und mit dem Wiedernuffüllen mit frischen Teilchen gekoppelt werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbzelle;

F i g. 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen von zu Batterien zusammengestellten gasdepolarisier- ten Zellen mit erfindungsgemäßen Anodenhalbzellen gemäß Fig. 1.

F i g. 1 zeigt einen Behälter 1, dessen eine Wand eine permeable oder semipermeable Membran 2 ist und in dessen Boden sich ein Einlaufstutzen 3 für den Elektrolyt, /.. B. 5 n-KaliUiuge. und unter dein Deckel der Ablaufstutzen 4 befindet. In dem Behälter befindet sich als Anodenrnaterial eine bestimmte Menge mit Zink beschichtete Glaskügelchen. Der Zufluß des Elektrolyts wird so eingestellt, daß das Anodenmaterial verwirbelt oder fluidisiert wird. Andere Materialien, z. B. organische Polymerisate, können ebenfalls die Kerne solcher

Teilchen bilden.

In der Nähe der Membran 2, aber weit genug davon entfernt, um das Verwirbeln nicht zu stören, ist ein Drahtnetz 5 angeordnet, das die elektrische Verbindung mit den Teilchen darstellt Das Drahtnetz ist mit einer Anschlußklemme 6 außerhalb der Zelle verbunden.

Am Behälterboden befindet sich ein poröser Verteiler (Fritte) 7, mit dessen HiJfe der zuströmende Elektrolyt gleichmäßig über den horizontalen Querschnitt des Behälters verteilt wird. Auf diese Weise werden die Teilchen gleichmäßig verwirbelt

Die erfindungsgemäße Zelle kann in Verbindung mit jeder beliebigen Kathode verwendet werden.

Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Halbzellen in sogenannten Metall-Luft(Luftsauerstoff-)Batterien verwendet, in denen ein anodisches Material, z. B. Zink, in mehreren luftdepolarisierten Zellen verbraucht wird. Wird die erfindungsgemäße Anoden-Halbzelle verwendet und Luft (oder Sauerstoff) einer Kathode zugeführt, die von dieser Halbzelle elektrisch isoliert, aber ionisch mil ihr verbunden ist. so bildet diese Kombination eine Zelle für eine solche Batterie, die alle oben beschriebenen Vorteile aufweist, die sich aus der Verwendung von Anodenmaterial in der Wirbelschicht ergeben.

Fig. 2 zeigt eine Batterie, in der Einzelzellen Cl. C2, C3 ... hintereinandergeschaltet sind. Die Zellen Cl, Cl und C3... umfassen Anoden-Halbzellen gemäß Fig. 1. wobei jeweils zwei Anodenkammern 8 und 8,? mit einer Kathodenkammer 9 verbunden sind, die eine gasdepolarisierte Kathode 9s enthalt, die als Bikathode für die beiden Anoden-Halbzellen dient. Die gezeigte Bikathode 9a besteht aus einem porösen Körper, der eine beliebige bekannte form haben kann. Durch das Rohr 10 wird Gas, gewöhnlich Luft oder Sauerstoff, an die Kathode geführt und gelangt an ihre Oberfläche, wo die Oxidationsreaktion stattfindet. Drahtnetze 11 und Ua stellen die elektrische Verbindung mit den Anodenteilchen her und sind mit Ableitungen 12 und 12a verbunden. Die elektrische Verbindung mit der Kathode 9a erfolgt über die Klemme 13. Der Elektrolyt wird durch die Einfüllstutzen 14 und 14a in die Anodenkammern 8 und 8a und durch den Einfüllstutzen 15 in die Kathodenkammer 9 eingespeist; Katholyt und Anolyt können gleich sein. Jede Zellenkammer hat oben einen Ablaufstuizen für den Elektrolyt.

In der F i g. 2 gezeigten Batterieanordnung sind die beiden Anoden jeder Zelle parallel geschaltet und jeweils mit der Kathode der nächsten Zelle verbunden usw.

In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung sind die Kathoden nicht Bikathoden, sondern es sind einfache 7.wcieleklrodenzellen hintereinander geschaltet.

Um die gemäß F i g. 2 und 3 beschriebenen Batterien in wiederaufladbare Systeme umzuwandeln, müssen Hilfseleketroden, z. B. in die Kathodenkammer 9 zwischen Diaphragma und Kathode 9a, vorgesehen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ι 2 in der Anoden-Halbzeüe. Patentansprüche: Der anodische Reaktionsteilnehmer kann ergänzt werden, indem das verbrauchte Material entfernt und

1. Gasdepolarisiertes galvanisches Element mit durch frischen Reaktionsteilnehmer ersetzt wird oder es einer Anodenkammer mit feinem im Elektrolyt 5 wird regeneriert, indem man die elektrochemische suspendiertem Anodenmaterial, einer Kathoden- Reaktion umkehrt Der Ersatz des Anodenmatenais ist kammer und einer permeaDlen oder semipermea- mit Schwierigkeiten verbunden, da die Zelle jedesmal blen Membran zwischen beiden Kammern und auseinandergenommen und wieder zusammengebaut gegebenenfalls Zu- und Ableitungen für den werden muß. Da man im allgemeinen nicht mit Elektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß io Einzelzellen sondern mn Zeälenbattenen arbeitet, ist mit den Teilchen des Anodenmaterials eine Stro- dies sehr umständlich. Andererseits wurde auch mableitung in Verbindung steht und daß eine festgestellt, daß bei der Regenerierung des Reaktions- Vorrichtung zum Verwirbeln der Teilchen vorhan- produktes, z. B. des Oxids oder Halogenids, zum den ist Anodenmaterial durch Aufladen der Batterie die

2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, da- 15 Rückbildung des Rekationsteilnehmers nicht immer durch gekennzeichnet, daß mindestens einige Teil- gleichmäßig an der Oberfläche des Anodenkörpers chen aus einem zumindest teilweise mit elektrisch erfolgt. Das Matenal neigt zu Dendntenbildung und leitendem Material bedeckten Kern bestehen. einzelne Dendriten können den Abstand zwischen der

3. Galvanisches Element nach Anspruch 2, da- Anoden-und Kathoden-Halbzelle kurzschließen. Es ist durch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial eine 20 jedoch einleuchtend, daß an sich ein Wiederaufladen in geringere Dichte aufweist als das leitende Material. situ sehr viel vorteilhafter ist, vorausgesetzt, daß die

4. Galvanisches Element nach Anspruch 3, da- genannten Nachteile nicht auftreten.

durch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial Glas Ein weiterer Nachteil von gasdepolarisierten Zellen

oder Kunststoff ist. für die Umwandlung von chemischer Energie in

5. Galvanisches Element nach einem der Ansprü- 25 elektrische Energie liegt darin, daß die Stromstärke ehe 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern begrenzt ist, weil die Stromdichte auf die aktive porös ist. Oberflache der Halbzellen begrenzt ist.

Aus der US-PS 32 94 586 ist eine Brennstoffzelle in

Form eines gasdepolarisierten galvanischen Elementes

30 bekannt, in dessen Anodenkammer suspendiert sich ein

Die Erfindung betrifft Zellen, in denen chemische Anodenmaterial befindet. Es ist jedoch nicht zu Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. erkennen, wie bei dieser Brennstoffzelle das Anodenmainsbesondere die Verbesserung des Betriebes der terial in Bewegung und in Kontakt mit der Anode für Anodenhalbzellen, d. h. die Anodenreaktion. Die Halb- gleichmäßigen Zellenbetrieb gehalten werden soll.
zelle kann Teil einer Zelle mit gasförmigen Reaktions- 35 Aufgabe der Erfindung ist nun die Verbesserung des teilnehmern sein. So kann der Reaktionsteilnehmer in Verhältnisses von Stromdichte zu Zellengröße bei der Anodenhalbzelle z. B. Wasserstoff und der Reak- üblichen galvanischen Elementen mit gasdepolarisierten tionsteilnehmer in der Kathoden-Halbzelle Sauerstoff Elektroden, wobei auch dafür gesorgt ist, daß das (oder Luft) oder ein Halogen sein. Die Reaktionsteilneh- Anodenmaterial innerhalb der Anodenkammer gleichmer werden verbraucht und, falls sie nicht ergänzt 40 mäßig verteilt und konstant in Schwebe gehalten wird, werden, werden die Halbzeilen polarisiert und die Das erfindungsgemäße gasdepolarisierte galvanische

Reaktion hört auf. Wenn aber die Reaktionsteilnehmer Element mit einer Anodenkammer, enthaltend feines, im nachgeliefert werden, bleiben die Halbzellen depolari- Elektrolyt suspendiertes Anodenmateriai, einer Kaihosiert und die Zelle (Brennstoffzelle) arbeitet weiter und denkammer und einer permeablen oder semipermealiefert elektrische Energie für einen äußeren Stromkreis. 45 blen Membran zwischen den beiden Kammern und Da in der Brennstoffzelle die Reaktionsteilnehmer gegebenenfalls Zu- und Ableitung für den Elektrolyt ist beiden Halbzellen von außen zugeführt und die nun dadurch gekennzeichnet, daß mit den Teilchen des Reaktionsprodukte und möglicherweise auftretenden Anodenmaterials eine Stromableitung in Verbindung vergiftenden Verunreinigungen im allgemeinen aus der steht und daß eine Vorrichtung zum Verwirbeln oder Zelle entfernt werden, ändert sich hier das Verhalten 50 Fluidisieren der Teilchen vorhanden ist.
der Halbzellen nicht. Der Behälter kann Einlauf- und Ablaufstutzen

Wenn jedoch der anodische Reaktionsteilnehmer fest aufweisen für den Elektrolytumlauf, um das feine ist (z. B. ein Metall wie Zink, Magnesium, Blei, Cadmium Material in Wirbelschicht zu halten. Die Teilchen oder Eisen), wie in den sogenannten gasdepolarisierten können aus festem aber dennoch porösem Anoden-Zellen, wird der Feststoff durch die Reaktion in situ 55 oder Kathodenmaterial bestehen. Vorzugsweise besteumgewandelt und das Verhalten der Anodenhalbzelle hen sie aber aus einem Kern, der teilweise oder ganz mit ändert sich. Je mehr Energie aus der Zelle entnommen porösem oder nicht porösem Anodenmaterial bedeckt wird, um so mehr Reaktionsteilnehmer werden umge- ist und insbesondere die Beweglichkeit und damit das wandelt und daher verbraucht, bis früher oder Verwirbeln erleichtert. Er kann aus Glas oder später — je nach der ursprünglich vorhandenen Menge 60 Kunststoff bestehen und ist gegebenenfalls porös. Wenn an Reaktionsteilnehmer — die Zelle erschöpft ist und die Teilchen nicht nur verwirbelt sondern auch gerührt keine weitere elektrische Energie liefert, so lange der werden sollen, ist ein Rührwerk vorzusehen,
verbrauchte Reaktionsteilnehmer nicht wieder aufge- Die erfindungsgemäßen Halbzellen können jede

füllt wird. Das Verhalten der Kathoden-Halbzelle beliebige Form aufweisen, z. B. planparallel, zylindrisch/ ändert sich im allgemeinen nicht, weil der oxidierende 65 planparallel oder konzentrisch zylindrisch sein. Das Depolarisator im allgemeinen gasförmig ist und das Gas elektrisch leitende Teil kann ein Draht und/oder Stab ständig nachgeliefert werden kann. In der Kathoden- oder mehrere Drähte und/oder Stäbe, ein Netz oder Halbzelle treten daher nicht dieselben Probleme auf wie Metallstreifen sein.