NO760075L - - Google Patents

Description

Elektrokjemisk brenselcelle.

Foreliggende oppfinnelse gjelder en elektrokjemisk celle, fortrinnsvis av luft/sink-type.

Elektrokjemiske celler av (en sådan type er vel kjente og er

for nærværende gjenstand for tallrike forskningsprosjekter med tanke på drift av ikke-forurensende kjoretoyer.

Hvert brenselelement i en sådan celle omfatter en katalytisk

aktiv del samt en alkalisk losning med innhold av oppslemmet sinkpulver, idet losningen ved hjelp av pumper bringes til gjennomstromning gjennom de elementære brenselelementer for på grunnlag av oksydering av sink^materialet og forbruk av atmosfærisk oksygen og frembringe en elektromotorisk kraft.

For å opprette en fullstendig brenselcelle vil det derfor være nodvendig å sammenkoble sådanne elementer elektrisk og hydraulisk.

Ved sådan sammenkobling vil det naturligvis være mulig å tilfore vedkommende losning til elementene i parallell, men i dette tilfelle er det funnet at hvis elementene sammenkobles elektrisk i serie, vil det opptre sirkulerende strommer som kan forstyrre cellens arbeidsoperasjon.

Sådanne forhold har derfor fort til at elementene også seriekobles med hensyn tilnnevnte tilforsel av alkalisk losning i de tilfeller det er påkrevet å sammenkoble nevnte elementer elektrisk i serie.

På denne måte kan det dannes elementgrupper eller moduler som

hver omfatter et begrenset antall elementer, og det vil naturligvis være mulig å koble sådanne moduler sammen med tanke på å fremskaffe

celler med forut besteme elektriske egenskaper.

Celler fremstilt på denne måte har imidlertid likevel et antall ulemper. En forste sådan ulempe skriver seg fra det forhold at det for sirkulasjon av nevnte pulveroppslemning gjennom de forskjellige elementer i brenselcellen er påkrevet med et stort antall pumper og rorledninger, og dette vil i samme forhold gjore cellene dyrere.

En annen ulempe ligger i at det ved stans av cellens drift etterlates i elementene én viss mengde alkalisk losning og sinkpulver. Resultatet av dette er en betraktelig lekkasje av nevnte alkaliske losning utover mot omgivelsene gjennom brenselelementenes porose elektroder, og det vil være vanskelig å erstatte den losning som har gått tapt med en regenerert losnings-mengde.

Foreliggende oppfinnelse gjor det mulig å overkomme i ovenfor angitte hoved-ulemper, og har således som formål å fremskaffe en elektrokjemisk luft/sink~celle som omfatter et minst mulig antall pumper og rorledninger og hvis omfang for en gitt elektrisk utgangseffekt likeledes er redusert til et minimum.

I en sådan brenselcelle i henhold til oppfinnelsen er det

likeldes sorget for effektiv uttapning av den alkaliske losning med oppslemmet sinkpulver så snart cellens aktive drift opphorer, idet det er sorget for at uttapningen finner sted umiddelbart og utfores raskt og fullstendig.

Oppfinnelsen gjelder således en elektrokjemisk brenselcelle av

den type som omfatter flere brenselelementer som tilfores en elektrolytt-losning med oppslemmet aktivt material, fortrinnsvis i form av sink-pulver, ved tvungen stromning gjennom nevnte elementer, idet grupper av sådanne elementer er sammenstilt til moduler samt seriekoblet innenfor hver modul både elektrisk og med hensyn til nevnte væskestromning.

På denne bakgrunn består cellens særtrekk i henhold til oppfinnelsen i at den inneholder minst en enhetlig blokk som omfatter to hovedsakelig identiske moduler anordnet den ene over den annen samt elektrisk parallellkoblet, idet den overste modul mottar nevnte strommende elektrolytt-losning gjennom innlopet til sitt overste element, hvorpå losningen etter stromning gjennom hele nevnte ovre modul overfores tillinnlopet til det overste element i den nederste modul, for stromning gjennom denne modul og endelig utstromning gjennom utlopet fra det nederste element i nevnte nederste modul.

Andre særtrekk og fordeler ved oppfinnelsens brenselcelle vil fremtre klart ved folgende beskrivelse av et ikke£begrensende utforelseseksempel under henvisning til de vedfoyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser oppbygningen av en modul som anvendes i oppfinnelsens brenselcelle, Fig. 2 viser en enhetlig celleblokk i henhold til oppfinnelsen, Fig. 3 viser en forste utforelse av en celle i henhold til oppfinnelsen, Fig. 4 viser en annen utforelse av en brenselcelle i henhold til oppfinnelsen, Fig. 5 viser en ytterligere utforelse av en elektrokjemisk brenselcelle i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 6 viser et fordelaktig arrangement av brenselcellene i en elektrokjemisk generator i henhold til oppfinnelsen.

I fig. 1 er det vist en modul 1 som utgjores av et antall elementer 2 av hovedsakelig samme art og som hver frembringer en elektromotorisk kraft u samt i serie tilfores en kaliumhydroksyd-losning med innhold av oppslemmet sink-pulver, idet nevnte tilforsel finner sted ved hjelp av rorledninger 3 slik det er antydet ved

hjelp av piler F.

De anvendte brenselelementer kan f.eks. være av den type

som er beskrevet i ansokerens franske patentansokning nr. 71.45734 samt tilleggsansokningene nr. 72.22961 og 73.14765. For nærmere forklaring av elementenes oppbygning kan det angis at hvert element 2 omfatter et negativt kollektorgitter a,

en poros skillevegg b, et porost aktivt katalytisk skikt c, samt et positivt kollektorgitter d belagt med et vaniteavvisende

belegg e. Opplosningen av kaliumhydroksyd og sink-pulver passeres således gjennom elementene i deres lengderetning på

den måte som er vist. Oksyderingen av sink og opptak av oksygen fra den ytre atmosfære i nivå med det katalytiske skikt c frembringer en elektromotorisk kraft mellom gitterne a og d. De viste brenselelementer er naturligvis sammenkoblet i serie ved hjelp av ledere 4, mens den samlede elektromotoriske kraft som frembringes av en sådan modul påtrykkes modulens ytre forbindelsesklemmer 5.

I denne forbindelse skal det angis at det i sokerens franske patentansokning*nr. 74.12152 er angitt midler for elektrisk seriekobling av brenselelementene på sådan måte at det unngås skadelige og forstyrrende elektriske- fenomener.

Det vil imidlertid"bemerkes at antallet brenselelementer 2

i en og samme modul er begrenset som folge av trykktapet i nevnte eleementer på grunn av losningens stromningsmotstand.

Således losningstrykket på inngangssiden betegnet; med po og trykktapet i et brenselelement betegnes med /\ p, vil det innses at det i det siste element (i dette tilfelle elementet nederst i fig. 1)/vil trykket være po -n A p, hvor n er antallet elementer i modulen. Det er imidlertid nodvendig at dette trykk befinner seg innenfor visse grenser for at en poros luftelektrode skal kunne arbeide korrekt. Det vil derfor forstås at den praktisk anvendbare verdi av n er begrenset av dette forhold.

I fransk patentansokning nr. 73*44188 har imidlertid sokeren fastlagt årsakene til og virkningene av denne vanskelighet og har beskrevet en fremgangsmåte og en anordning for hensiktsmessig elektrolytt-sjtromning og'som muliggj or" f olgende trekk: Anvendelse av en hydraulisk seriekobling av et teoretisk ubegrenset antall moduler, samt

anbringelse av elementenes luftelektroder under optimale trykkforhold, samtidig som fordelene ved den ovenfor angitte elektriske seriekobling bibeholdes ved nevnte fremgangsmåte og anordning.

Det er en stor fordel at væskestromningen mottas gjennom modulens overste brenselelement og strommer ut fra modulen gjennom den nederste element slik det er vist i figuren^

Hvis således modulens totale hoyde betegnes med h og losningens tetthet angis ved <J> , vil dens statiske trykkforskjell melcLom modulens topp og bunn være lik ( > h. Trykktapet som tidligere er angitt å være n p, vil således nedsettes til tiA p h. Trykktapet n Ap vil således delvis kompenseres ved nevnte statiske trykkforskjell h, og dette er en fordel idet antallet n elementer pr. modul på denne måte kan være litt hoyere enn i det tilfelle motsatt stromningsretning hadde vært valgt.

For opprettelse av en brenselcelle er det derfor nodvendig å sammenkoble sådanne moduler elektrisk og hydraulisk.

En sådan elektrisk sammenkobling kan med stor fordel utfores

som beskrevet av sokeren i fransk patentansokning nr. 73.43591. Denne ansokning angår en elektrisk sikkérhetskobling for en elektrokjemisk celle av den type som omfatter flere elementer som i serie gjennomstrdmmes av en elektrolytt-losning med oppslemmet aktivtmmateml, særlig i form av sink-pulver,idet nevnte losning ved tvungen stromning fores gjennom nevnte elementer fra en lagringstank og bringes til å stromme tilbake til nevnte tank etter å ha passert det siste element. Grupper av nevnte elementer er sammensatt til moduler og elektrisk seriekoblet

innenfor nevnte moduler, idet nevnte moduler i seg selv tilfores losning i serie, og brenselcellen er egnet for frembringelse av en elektromotorisk kraft mU og en fastlagt strom I ved at nevnte moduler er gruppert i p sammenstillinger og innbyrdes elektrisk seriekoblet innenfor hver sammenstilling.

Et arrangement av denne art har som særtrekk at antallet p sammenstillinger ér et jevnt tall og fortrinnsvis lik 2, .

idet hver av sammenstillingene omfatter samme antall m moduler som hver er i stand til å frembringe en elektromotorisk kraft U og en forut bestemt stromstyrke I/p, hvorunder nevnte sammenstillinger videre er sammenkoblet i parallell, således at potensialet for den losning som strommer ut fra tanken mot cellens forste element vil være lik potensialet for den losning som strommer ut av cellens siste element og tilbake til tanken.

I henhold til foreliggende oppfinnelse opprettes imidlertid

en enhetlig generatorblokk, slik det er vist i fig. 2.

For dette formål anvendes to~moduler IA og IB, som er av hovedsakelig identisk utforelse og hver frembringer en elektromotorisk kraft U samt en forut bestemt stromstyrke 1/2. Disse moduler sammenkobles således elektrisk i parallell ved hjelp av sine ytre tilslutnings-k&emmer 5. En sådan utforelse tilsvarer det tilfelle - hvor ra = 1 og p = 2, idet m og p har samme betydning som angitt ovenfor.

Som vist, er disse to moduler anordnet den ene over den annen

og tilfort en alkalisk losning 7 fra-en tank 8.

Denne tilforsel finner sted-ved hjelp av en forste pumpe 10 sorti utligner den statiske trykkforskjell ^h og forer nevnte losning fra tanken 8 til innlopet for det overste element i modulen IA

ved hjelp av en rorledning 11, mens en annen pumpe 12 bringer losningen 7 til å strprrme tilbake gjennom rorledningen 13 til tanken 8 etter at den har passert gjennom to moduler, ved den annen pumpe kompenserer for trykkforskjellen (2 n/\p - h).

Rorledningen 14 sikrer videre stromning av losningen 7 fra modulen IA over ti"l modulen IB slik det er vist i fig. 2.

Det vil derfor innses at et sådant arrangement i henhold

til oppfinnelsen gjor det mulig å unngå bruk av en mellomliggende pumpe mellom modulene IA og IB, med det formål å kompensere for trykktapet n A p i modulen IA. I overensstemmelse med beskrivelsen i nevnte franske patentansokning nr. 73.43591 bringes videre den losning 7 som strommer ut gjennom roret 13

fra modulen IB til samme potensial som den losning som fores gjennom roret 11 til innlopet for modulen IA. Det vil derfor innses at all losning 7 i tanken 8 befinner seg på samme potensial, og dette gjor det mulig å unngå de ulemper som tidligere er nevnt i den ovenfor angitta ansokning.

Den alkaliske losning 7 fremfores således med andre ord til modulene -IA og IB på sådan måte at dens potensial som oker inrfenfor modulen IA derpå bringes til å avta innenfor modulen IB for gjennopprettelse av den opprinnelige verdi.

Fig. 3 viser en utforelse av et cellearrangement i henhold til oppfinnelsen og som oppnås ved sammenstilling av to enhetlige celleblokker av samme art som tidligere beskrevet . 'under henvisning til fig*2. Fig. 3 viser således at en annen identisk blokk med samme antall elementer og forsynt med samme henvisningtall,

men utstyrt med et:indeksmerke, er anordnet i tillegg til den enhetlige celleblokk som er beskrevet i fig. 2.

Disse enhetlige celleblokker er elektrisk sammenkoblet i

serie Med hjelp av forbindelsen 18.

I en sådanssammeristilling av celler kan det observeres at

den losning som fremfores i rorene 11, 11', 13 og 13' befinner seg på samme potensial, nemlig U, mens sammenstillingen som helhet er i stand til å frembringe en spenning lik 2U.

Det vil derfor være logisk å sorge for den hydrauliske tilforsel til en sådan eellesammenstilling utelukket ved hjelp av en tank og to pumper samt to rorledninger, slik det ervvist i fig. 3. Fig. 4 viser imidlertid to enhetlige celleblokker som består av modulene IA, l'A, hehhv. IB og l'B, slik det også tidligere er vist, for opprettelse av en sammenstilling som innebærer en meget fordelaktig utforelse av oppfinnelsens cellearrangement.,

Fra elektrisk synspunkt er modulene IA og IB på den ene side

og modulene og l'B på den annen side sammenkoblet i parallell ved hjelp av ledningsforbindelsene 5, 5', samtidigssom de to enhetlige celleblokker i sin tur er sammenkoblet i serie ved hjelp av endeforbindelsene 20, og den frembragte spenning fra cellearrangementet som helhet påtrykkes mellom forbindelsene 5, 5'.

Fra et hydraulisk synspunkt fores den alkaliske losning 7 med innhold av oppslemmet, sink-pulver fra en enkelt, tank 21 ved hjelp av en enkelt pumpe 22 gjennom en rorledning 23, hvis ovre ende er delt i to grener 23' og 23", mot de ovre innlop for henhv. modulene IA og l'A.

Nevnte pumpe 22 er hensiktsmessig anordnet for samtidig å kompensere den statiske trykkforskjell og trykktapene i modulene.

Ved det nedre utlop fra modulene IB og l'B loper losningen

gjennom de to grener 24', som loper sammen til en rorledning 24 for tilbakeforing av losningen til tanken 21.

Som i det forutgående tilfelle, er innlopspotensialet for elektrolytten til modulene IA og l<f>A det samme som utlopspotensialet fra modulene IB og l'B.

Innenfor oppfinnelsens ramme vil det også være mulig å sammenkoble cellesammenstillinger av den art som er beskrevet i fig. 4, på

den måte som er angitt i fig. 5.

Som antydet i fig. 5, finnes det ingen prinsippiell grense for antallet tidligere beskrevede cellesammenstillinger 30 som kan elektrisk seriekobles ved hjelp av ledningsforbindelsene 5 for dannelse a<y>en elektrokjemisk celle..

Fra et hydraulisk synspunkt tilfores losningsvæsken som

angitt ovenfor, men på sådan måte av væskestromningen mellom inntilliggende celler krysskobles ved hjelp av rorledninger 31 mellom modulene.

Nærmere bestemt overfores således nevnte elektrolytt~16sning

i hver céllesammenstilling etter passasje gjennom modulene i overste nivå til inngangssiden for de nærmest liggende moduler i det nedre nivå fordi enhetlige celleblokker på hver side,

mens modulene i nevnte cellesammenstillinger i det nedre nivå mottar elektrolytt^losning fra de ovre moduler i de inntilé-liggende enhetlige celleblokker for..de to cellesammenstillinger på hver sin side av vedkommende sammenstilling, slik det er vist i fig. 5.

Det vil bemerkes at en sådan krysning av elektrolytt-stromningene muliggjores ved det forhold at nevnte elektrolytt-losning ikke er gjenstand for potensåalforandring ved passasje fra en céllesammenstilling til en annen, og heller ikke for vesentlige trykkvariasjoner.

På denne måte oppnås jevnere fordeling av den alkaliske losning

1 cellesammenstillingene 30 samt utjevnede driftsforhold sett fra elektrisk synspunkt.

Fig. 6 viser et særlig fordelaktig arrangement av brenselelementer 2 (fig. 1) som inngår i moduler for en generatorsammenstilling, idet disse elementer inngår i moduler IA og l'A samt IB og l'B, som danner den generatorsammenstilling som er beskrevet under henvisning til fig. 4.

Et sådant arrangement gjor det mulig på den ene side å sikre

en umiddelbar og fullstendig uttapning av den alkaliske losning fra elementene så snart driftstans av celler inntrer, samtidig som dette ikke medforer noen okning av arrangementete omfang.

For dette formål er en cellegruppe avssamme art som i fig. 4,, sammenstilt i fig. 6 på folgende måte:

De elementer 2A som utgjor modulen IA samt de elementer 2B

som utgjor modulen IB, er hydraulisk sammenkoblet i serie samt elektrisk parallellkoblet (forbindelsen 51), samtidig som brenselelementene er slråstilt i forhold til horisontalplanet.

De elementer 2'A som danner modulen l'A samt de elementer 2'B

som utgjor modulen l'B, er likeledes koblet hydraulisk i serie og elektrisk i parallell (forbindelsen 52), samtidig som de også er skråstilt i forhold til horisontalplanet, men i motsatt retning i forhold til de ovenfor nevnte elementer. Videre er nevnte brenselelementer 2A og 2B på den ene side og elementene 2'A og 2<*>B på den annen side sammenflettet som vist i figuren.

Fig. 6 viser også den pumpe 22 som forer losningen 7 fra tanken 21 gjennom rorledningene 23,23' og 23", likesom rorledningene

24, 2424" som sorger for at losningen 7 strommer tilbake til tanken etter at den har passert gjennom de sammenstilte elementer i den foreliggende elektrokjemiske generator.

De elektriske forbindelser 20 mellom modulene IA og 1'A på

den ene side samt IB og l'B på den annen side er vist på

figuren likesom overgangsforbindelsene 5 (fig. 4), som i foreliggende figur har fått betegnelsene 51 og 52, slik det er nevnt ovenfor.

Det vil imidlertid bemerkes at det for å lette uttapningen

er anordnet et ror 35 med liten diameter på rorledningen 23 i nærheten av pumpen 22. Dette ror, hvis endeåpning befinner seg over overflatenivået for losningen 7, avgir en liten mengde av losningen under driftsperiodene. Så snart pumpen 22 stanses,

vil på den annen side pumpen bli fylt med luft, således at det sikres fullstendig uttapning av losning fra brenselelementene i de moduler som danner foreliggende céllesammenstilling.

Det vil forstås at oppfinnelsen på ingen måte er begrenset ved de utforelser som er beskrevet og vist, idet disse bare er ment som eksempler på praktisk utforelse av eppfinnelsegjenstanden. Uten å overskride oppfinnelsens ramme kan således visse konstruksjonsdetaljer modifiseres, visse sammenstillinger forandres eller visse komponenter erstattes med tilsvarende utstyr.

Claims (8)

1. Elektrokjemisk brenselcelle av den type som omfatter flere brenselelementer som tilfores en elektrolytt-losning med oppslemmet aktivt material, fortrinnsvis i form av sink-pulver, ved tvungen stromning gjennom nevnte elementer, idet grupper av sådanne elementer er sammenstilt til moduler samt seriekoblet innenfor hver modul både elektrisk og med hensyn til nevnte stromning; karakterisert ved at cellen inneholder minst en enhetlig celleblokk som omfatter to hovedsakelig identiske moduler (IA, IB).anordnet den ene over den annen samt elektrisk parallellkoblet, idet den overste modul (IA) mottar nevnte strommende elektrolytt-losning (7) gjennom innlopet til sitt overste element, hvorpå losningen etter stromning gjennom hele nevnte ovre modul overfores til innlopet til. det overste element i den nederste modul (IB), for stromning gjennom denne modul og endelig utstromning gjennom utlopet fra det nedesste element i nevnte nederste modul.

2. Brenselcelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en enhetlig celleblokk, hvortil nevnte elektrolytt-losning (7) tilfores fra en tank (8)mot nevnte overste modul (IA) ved hjelp av en forste pumpe (10) anordnet for utligning av den statiske trykkforskjell for nevnte losning (7), mens en annen pumpe (12) bringer losningen til å stromme tilbake til nevnte tank (8) etter passasje gjennom nevnte nederste mddul, idet nevnte annen pumpe er innrettet for å overvinne et trykk tilsvarende forskjellen mellom trykktapet i modulene og nevnte statiske trykkforskj ell.

3..Brenselcelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en sammenstilling, dannet av to enhetlige celleblokker elektrisk sammenkoblet i serie, mens nevnte elektrolytt-losning (7, 7') tilfores hver enhetlige celleblokk fra en tank (8, 8') med innlop til den overste modul (IA, l'A) ved hjelp av en forste pumpe (10, 10') innrettet for å overvinne den statiske trykkforskjell i nevnte losning (7, 7'), mens losningen bringes til å stromme tilbake til nevnte tank (8, 8'X etter passasje gjennom den nedeuste modul (IB, l'B) ved hjelp av en annen pumpe (12^ 12') innrettet for å overvinne et trykk tilsvarende forskjellen mellom trykktapet i modulene og nevnte statiske trykkforskjell.

4. Brenselcelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en sammenstilling dannet avtto enhetlige celleblokker (20) som elektrisk er sammenkoblet i serie, idet nevnte elektrolytt-losning (7) tilfores fra en enkelt tank (21) til blokkenes ovre moduler (IA, l'A), samt bringes til å stromme tilbake til tanken (21) etter passasje gjennom samtlige moduler (IA, l'A, IB, l'B) ved hjelp av en enkelt pumpe (22) innrettet for samtidig å overvinne den statiske trykkforskjell i losningen (7) samt trykktapet ved stromning gjennom modulene.

5. Brenselcelle som angitt i krav 4, karakterisert ved at den omfatter minst to modulsammenstillinger (30) som'er elektrisk sammenkoblet i serie, idet nevnte elektrolytt-losning (7) etter atdden har passert gjennom de ovre moduler i hver modulsammenstilling overfores til innlopssidene for de inntilliggende nedre moduler (IB, l'B) for de enhetlige eelleblokker for de to modulsammenstillinger anordnet på hver sin side av vedkommende sammentilling, samtidig som de nedre moduler (IB, l'B) for nevnte modulsammenstillinger mottar elektrolytt-losning (7) fra de inntilliggende ovre moduler (IA, l'A) for de enhetlige celleblokker i nevnte modulsammenstillinger som befinner seg på hver sin side av vedkommende sammenstilling.

6. Brenselcelle som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at i hver modulsammenstilling elementene (2A, 2'A,2B, 2'B) i de to enhetlige celleblokker er innbyrdes sammenflettet og skråstilt i forhold til horisontalplanet.

7. Brenselcelle som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at innlopspotensialet for elektrolytt-losningen (7) i brenselcellen er lik losningens utlopspotensial.

8. Brenselcelle som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at den rorledning (23) som forer nevnte elektrolytt-losning (7) fra tanken (21) , i nærheten av pumpen (22) er utstyrt med et grenror (35) hvis ytterende befinner seg over overflatenivået for nevnte elektrolyttlosning.(7).