DE1596241B1

DE1596241B1 - Gasdichte asbestmembran fuer brennstoffelemente

Info

Publication number: DE1596241B1
Application number: DE19661596241
Authority: DE
Inventors: Gerlinde Dipl-Ing Buerklin; Erich Dr Phil Kasten; Hans Pokorny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-12-03
Filing date: 1966-12-03
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1213472A; CA845032A; SE335190B; DE1671902B2; DE1671902A1; DE1671902C3; CH510333A; US3583891A

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdichte, hochreine ·; Asbestfasern und Kunststoff enthaltende Asbestmembran für Brennstoffelemente. . ■-

Es ist bereits bekannt, in. Brennstoffelementen Asbestmembranen als Diaphragmen zu verwenden. So sind beispielsweise bei dem in der französischen Zusatzpatentschrift 87 850 beschriebenen Brennstoffelement Asbestdiaphragmen zwischen ein den Elektrolyten enthaltendes Stützgerüst und den beidseitig angrenzenden Elektroden eingebaut, um dadurch die Gefahr eines Durchtritts der Reaktionsgase in den Elektrolyten zu verringern;

Es hat sich nun gezeigt, daß die handelsüblichen Asbestmembranen den an Brennstoffelemente gestellten Anforderungen nur unter bestimmten Betriebsbedingungen genügen. Unter dem Einfluß von alkalischen Elektrolyten quellen nämlich die Asbestfasern bzw. Asbestpapiere stark auf und es wird ein aus ungebundenen Fasern-bestehendes Vlies gebildet, das beim Betrieb des Brennstoffelements beträchtliehe Störungen verursachen kann.

Durch die britische Patentschrift 1045 999 ist eine kunststoffhaltige Asbestmembran bekannt, die als Elektrolytträger in einem Brennstoffelement benutzt werden soll. Diese Membran besteht aus gereinigten Asbestfasern, denen wasserunlöslich gemachte PoIyvinylalkoholfasern in Mengen von 2 bis 25 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Membran, beigemischt sind. Durch einen Elektrolytträger aus diesem Material soll das an der Anode bei der elektrochemischen Umsetzung gebildete Wasser leicht diffundieren können und dem sich zwischen Kathode und Anode ausbildenden Elektrolytkonzentrationsgefälle rasch entgegenwirken. Auch bei diesen bekannten Membranen besteht jedoch die Gefahr, daß sie insbesondere bei längerer Betriebsdauer des Brennstoffelements und bei höheren Elektrolyttemperaturen nicht genügend beständig sind. Durch Einwirkung des alkalischen oder sauren Elektrolyten des Brennstoffelements können nämlich die zunächst wasserunlöslichen Polyvinylalkoholfasern in wasserlösliche Produkte umgewandelt werden bzw. sich im Elektrolyten auflösen. Die mechanische Stabilität und Gasdichtigkeit der Membran ist dann nicht mehr gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochreine Asbestfasern und Kunststoff enthaltende Asbestmembran für Brennstoffelemente so auszubilden, daß ihre mechanische Stabilität erhöht wird und sie vor allem auch noch nach längerer Betriebszeit gasdicht ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Kunststoff ein Bindemittel aus Methacrylsäureester, Polysulfonen,' chlorsulfoniertem Polyäthylen oder Chloropren in Mengen von 0,5 bis 6 Gewichtsprozent, insbesondere 1,5 bis 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Asbestfasern, ist.

Der als Bindemittel dienende, gegenüber dem Elektrolyten beständige Kunststoff wird bei dieser Membran den Asbestfasern in Form einer Dispersion beigemischt.

Die gefundene Lösung ist vor allem deshalb überraschend, weil die bisher mit Kunststofflatices, insbesondere Gummilatices, vorbehandelten und hauptsächlich als Dichtungen eingesetzten Asbestpapiere, die einen wesentlich größeren Kunststoffgehalt aufweisen, für den angegebenen Verwendungszweck völlig ungeeignet sind. Derartige Asbestpapiere haben eine sehr geringe Volumenporosität und dichten deszwar/gegenüber den.'Reaktionsgasen" gut ab, jedoch wird gleichzeitig damit der elektrische Widerstand untragbar ho„ch,,Das Eindringen des Elektrolyten wird noch zusätzlich dadurch erschwert, daß die Asbestpapiere einen relativ hohen Kunststoffgehalt aufweisen (mindestens 15 Gewichtsprozent) und damit stark hydrophob werden.

Die neuen Asbestmembranen für Brennstoffelemente zeichnen sich vor allem dadurch aus, daß ihr elektrischer Widerstand sehr klein ist. So wurden z. B. an Äsbestmembranen, die 3 Gewichtsprozent Chloropren enthalten und eine Dicke von 0,27 bis 0,65 mm haben, unterhalb 0,3 Ω · cm² liegende elektrische Widerstände gemessen. Daß bei einer derart großen Volumenporosität noch eine gute und ausreichende Gasdichtigkeit erreicht wird — bei einer Druckbelastung von 2 atü erfolgt noch kein Gasdurchtritt — war nicht zu erwarten. -

Eine nennenswerte Quellung der neuen Asbestfasermembranen konnte auch nach längerer Betriebsdauer bei Temperaturen bis zu 60° und Verwendung von 6 η KOH nicht beobachtet werden. Beispielsweise wurde eine Membran mit 5 Gewichtsprozent Chloropren in einem Brennstoffelement bei einer Elektrolyttemperatur von 6O⁰C über 3000 Stunden lang störungsfrei betrieben.

Die Herstellung der Asbestmembranen erfolgt in an sich bekannter Weise durch Aufziehen von wäßrigen Dispersionen von Methacrylsäureestern, Polysulfonen,, .chlorsulfonierten Polyäthylenen oder Chloropren. Diese werden von wäßrigen Alkalilösungen nicht angegriffen und zeigen gegenüber Luft bzw. Sauerstoff eine gute Stabilität. Mit Polysulfonen und chlorsulfonierten Polyäthylenen ausgerüstete Asbestmembranen eignen sich besonders für Brennstoffzellen, die oberhalb 60° C betrieben werden.

Um gasdichte Membranen mit guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, werden hochreine Asbestfasern als Ausgangsmaterial eingesetzt, die frei von Verunreinigungen und nicht aufgeschlossenen Faserbündeln sind. Die Reinigung erfolgt am besten in an sich bekannter Weise durch Aufschlämmen in Wasser, wobei es vorteilhaft ist, oberflächenaktive Mittel zuzusetzen. Nach Abdekantieren und Trocknen der Asbestfasern können noch anhaftende Verunreinigungen im Windsichter entfernt werden. Die in destilliertem Wasser aufgeschlämmten Asbestfasern werden anschließend unter kräftigem Rühren mit 0,5_ bis 6 Gewichtsprozent einer der Kunststoff disjgejfe=== sionen, bezogen auf das Gewicht un^TFlststoffgeiialt der Dispersion, versetzt und in einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise in einem Blattbildner, weiterverarbeitet. Nach Trocknung bei 80° C und Verdichten, z. B. im Kalander oder Pressen bei den verwendeten Kunststoffen angepaßten Temperaturen, können die hergestellten gasdichten Membranen sofort in Brennstoffelementen eingesetzt werden.

Bei Verwendung von Dispersionen aus Chloropren als Bindemittel, müssen den wäßrigen Asbestfaseraufschlämmungen noch die üblichen Vulkanisationsmittel zugegeben werden.

Die Beständigkeit der Membranen kann in vielen Fällen noch durch Zugabe eines Alterungsschutzmittels erhöht werden, z. B. durch Zugabe von Di-ß-naphthyl-p-phenylen-diamin.

Die gasdichten Asbestmembranen können auch in Brennstoffelementen, die einen sauren Elektrolyten, beispielsweise H₂SO₄ enthalten, eingesetzt werden,

Claims

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wenn als Asbest sogenannter Blauasbest verwendet Stoffelemente, dadurch gekennzeichnet,
wird, der gegenüber Säuren beständiger ist. daß der Kunststoff ein Bindemittel aus Methacrylsäureester, Polysulfonen, chlorsulfoniertem
Patentanspruch: Polyäthylen oder Chloropren in Mengen von 0,5
5 bis 6 Gewichtsprozent, insbesondere 1,5 bis 3 Ge-

Gasdichte, hochreine Asbestfasern und Kunst- wichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der As-

stoff enthaltende Asbestmembran für Brenn- bestfasern, ist.