DE1671965A1

DE1671965A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE1671965A1
Application number: DE19681671965
Authority: DE
Inventors: Maurer Anthony Oliphint
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-02-23
Filing date: 1968-02-20
Publication date: 1972-04-06
Also published as: CH486780A; US3533847A; GB1159485A; FR1560668A; DE1671965B2; DE1671965C3; SE328356B

Description

Or. !ng. E₀ Berkenfefd Dipl. Ing. H. Berkenfdd 1 67 1" 9 6

Pafenhanwälre

5 Köln-Lindenfhal 1

Universitätsstraße 3!

Postfach 114?

United Aircraft Corporation, 4OO Main Street, East Hartford, Connecticut 06108, U.S.A.

BRENNSTOFFZELLENEINiIEIT

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika Patentanmeldung vom 23. Februar 1967, Serial No 617, 955

JDie vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und bezieht sich insbesondere auf eine zusammengesetzte Zelleneinheit, welche ein Glied eines Moduls bildet.

Um die von einem Brennstoffzellenmodul erforderliche Leistung zu erzeugen, ist es notwendig eine Anzahl Zellen zu einem Stapel zusammenzufügen und dieselben den Forderungen entsprechend elektrisch zusammenzuschalten. Eine

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solche Anordnung wird durch eine zusammengesetzte Zelleneinheit, welche ein kompaktes- Glied darstellt, wesentlich vereinfacht«

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine kompakte Brennstoffelementeneinheit, in welcher die Elektroden und der sich dazwischen befindende Elektrolytträger (Matrix) ein einziges Element bilden. Diese kompakte Brennstoffzelleneinheit besitzt eine rahmenähnliche Einfassung von gleicher Dicke_f welche nit einem dielektrischen Bindemittel durchtränkt ist, um die verschiedenen Elemente der Brennstoffzelleneinheit miteinander zu verbinden und einen Isolator und Spreizer zwischen den zur Abnahme der von der Zelle erzeugten Elektrizität vorgesehenen Kollektorplätten herzustellen. Die Kollektorplatten wirken mit der Zelleneinheit zusammen und bilden so Brennstoff- und Oxydationsmittelkammern.

Gemäss vorliegender Erfindung wird die den Elektrolyten aufnehmende Matrix von einem Rahmen umgeben, welcher mit einem Bindemittel durchtränkt ist. Eine jede Elektrode, an entgegengesetzten Seiten der Matrix angebracht, besitzt einen ähnlichen Rahmen» welcher die Kanten der. Elektrode überragt und in der Grosse dem Matrixrahmen entspricht,, Die verschiedenen Rahmen werden.zusammengestapelt und in geeigneter Weise miteinander verbundene so dass sie eine Brennstoffzelleneinheit bilden die wirksam in einem Brennstoffzellenmodul verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nun auch an Hand der beiliegenden Abbildungen ausfuhrlich beschrieben, wobei- alle aus der Be-

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Schreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Herkraale zur Losung der Aufgabe im Sinn.e der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden«

Figur 1 zeigt eine perspektivische-Ansicht der verschiedenen Bauelemente der Brennstoffzelle vor dem Zusammenbau. ' ·

Figur 2 ist ein Schnitt durch die Brennstoffzelle M und seigt die an den entgegengesetzten Seiten der Zelle 'angebrachten Spreizerplatten die die Brennstoff- und Oxydationsmittelkamrrier bilden.

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer der Spreizerplatten. ·

Figur'4 ist ein Schnitt durch einen Teil des ■ Brennstoffzellenmoduls.

Die Brennstoffzelleneinheit besitzt.eine zentrisch M angebrachte blattförmige absorbierende Matrix 2* welche während dem Betrieb der Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten durchsetzt ist. Dieser Elektrolyt ist vorzugsweise eine wässerige Kaliumhydroxydlösung, obwohl auch andere basische oder saure Elektrolyten verwendet werden können. Die Matrix kann aus Asbestfibern hergestellt werden,.jedoch wird besonders faseriges Material verwendet, welches nicht mit dem Elektrolyten reagiert. Der Aussenrand der Matrix 2 ist mit einem Bindemittel 4 eines dielektrischen Materials durchtränkt,,welches fur Elektrolyten

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undurchlässig ist und z.B. ein unter Warme und Druck härtbares Epoxy sein kann. Vorzugsweise ist nur ein schmaler Rand der Matrix 2 mit einem Bindemittel durchsetzt.

Die Elektroden ö und S sind an entgegengesetzten Seiten der den Elektrolyten aufnehmenden Matrix angebracht. Diese Elektroden können mit einem Katalysator imprägnierte Nickelnetzelektroden sein, wobei der Katalysator eine Mischung von Polytetrafluorathylen und Platin sein kann. Jedoch können auch andere Elektroden verwendet werden so z.B. gesinterte Nickeloxydelektroden mit einfacher oder doppelter Porosität. Ein schmaler Auösenrand dieser Elektroden ist nicht von einem Katalysator durchsetzt und dieser Teil der Elektrode wird in Rahmenelementen 10 und 12 für die Elektrode 6 und in Rahmenelementen 13 und 14 für die Elektrode 8 festgeklempt. Die Rahmenelemerite sind Ir-reiter als die Aussenrände der Elektrode, so dass sie sich über dieselben erstrecken* wie dies am besten in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Die Rahmenelemente sind aus einem dünnen., porösen Material z.B. Fiberglass oder Papier hergestellt, welches Material absorbierend ist um eine Durchtränkung mit einem geeigneten Bindemittel zu ermöglichen. Dieses Bindemittel wirkt mit dem in dem Aussenrand der absorbierenden Matrix 2 benutzten Bindemittel zusammen. Ein Beispiel ist ein klassisches Filterpapier, und das imprägnierte Bindemittel kann ein mit einem Beschleuniger vermischtes Harz sein, so dass die Rahmen ganz durchtränkt werden und als

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Isolator dienen, wenn die Brennstoffzelleneinheiten zu einem Modul zusammengefügt werden..

Die Asbestmatrix 2 ist mit einem Rahmen Io umgeben, welcher im wesentlichen von der gleichen Dicke wie die Matrix ist. Dieser Rahmen ist ebenfalls mit einem geeigneten Bindemittel durchtränkt, welches mit dem bei den vorhererwähnten Rahmenelementen verwendeten Bindemittel kompatibel ist. Ein besonders nützliches Material für dieses Rahmenelement ist ein Fiberglass, das genügend faserig ist um seine gewünschte Struktur beizubehalten und eine Durchtränkung mit dem zu verwenden Epoxy ermöglicht. Die Innenabmessungen des Rahmens Io entsprechen den Aussenabmessungen der Matrix 2, so dass letzte in den Rahmen eingepasst werden kann. Die obenbeschriebenen Elemente werden gestapelt und dieser Zusammenbau wird dann bei einer Temperatur von 121 C bis 177 C geschmolzen, wobei nur auf die Rahmenelemente ein Druck von 9,84 bis 11,2

lcg/cm ausgeübt wird. Diese angegebenen Temperaturen und Drücke beruhen auf der Verwendung eines besonderen Harzes, welches als Spon 828 (Warenzeichen) im Handel ist,- und'mit einem geeigneten Härtungsmittel im Verhältnis von fünf Teilen Harz zu einem Teil des Härtungsmittels vermischt wird. Jedoch können auch andere dielektrische Bindemittel wie z.B. thermoplastische oder duroplastische Harze verwendet werden.

Die sich ergebend® Struktur bildet eine vollständige Brennstoffzellaneinheit 20 oder zusammehgesetzte Brennstoffzelleneinheit, wie dies im Schnitt in der Figur 2 dargestellt-ist.

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Diese Figur zeigt, dass der sich ergebende Rahmensusammenbau■■"<■* im wesentlichen von der gleichen Dicke ist wie der Teil der Brennstoffzelle, welcher von der Matrix und den darübergelagerten Elektroden gebildet wird. Durch den Härtungsvorgang der imprägnierten Rahmenelemente wird ein einheitliches Rahmenelement erzeugt, welches den wirksamen Teil der Brennstoffzelle umgibt und im wesentlichen dieselbe Dicke aufweist. Die fertige ^ Struktur ist relativ dünn, und mit der besonderen Bauart der '

verwendeten Netzelektrode kann die gesamte Dicke der Brennstoffzelle zwischen 0, 1Ol und 0, 127 cm schwanken. Diese Abmessung wurde für eine Elektrodenabmessung von 12,7 cm mal 14 cm und einer Rahmenbreite von 1,27 bis 1,9cm als wirksam gefunden. Die gesamte Struktur ist bis zu einem bestimmten Bereich flexibel, so dass eine Biegung der Brennstoffzelle in einem beschränkten Masse keine Zerstörung hervorruft« Diese zusammengesetzte Zelleneinheit kann als ganzes in einem Brennstoffzellenmodul fe eingebaut werden. Mittels des dielektrischen Bindemittels,

welches die verschiedenen Elemente der Brennstoffzelle zusammenhalt, wird ein dichter Zusammenbau mit den zusammenwirkenden . SpueLzerplatten hergestellt, und das Bindemittel wirkt als Dichtung zwischen den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten und den anliegenden Teilen des Moduls.

■ Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass an den entgegengesetzten Seiten der einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 20 Spreizerplatten 22 angebracht sind, welche die Brennstoff- und Oxydationsmittelkammern an den entgegengesetzten Seiten der

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Brennstoffzelleneinheit bilden. Jede Platte 22 besitzt einen Rahmenteil 24 von im wesentlichen derselben Grosse wie der zusammengesetzte Rahmen 2ö, welcher die Brennstoffzelle umgibt und aus mehreren der obenbeschriebenen Elementen zusammengesetzt wurde. Henn also die Brennstoffzelleneinheiten und die Spreizerplatten fest zusammengeklenimt werden, so wirken die Rahmenteile 24 mit den .zusammengesetzten Rahmen 26 zusammen und bilden eine gasdichte Konstruktion. Die Brennstoffzellenrahmen dienen desweiteren als Isolator zwischen den Spreizerplatten. .

Der sich von dem Rahmenteil 24 nach innen erstreckende Teil 28 einer jeden Spräzerplatte ist wesentlich dünner und trägt Vorsprünge 30 und 32 an den entgegengesetzten Seiten. Die Enden dieser Vorsprünge verlaufen in der gleichen Ebene wie der Rahmenteil 24 und berühren die Elektroden,- wenn das Brennstoffzellenmodul festgeklemmt wird. Hierdurch werden also von den Spreizerplatten eine Kammer 34 an einer Seite zw .sehen dem mittleren Teil 28 und der betreffenden Elektrode der Brennstoffzelle und eine andere Kammer 36 an der gegenüberliegenden Seite der Spreizerplatte zwischen dem mittleren Teil 28 und der betreffenden Elektrode der anliegenden Brennstoffzelle gebildet. Vorzugsweise wird als Brennstoff Wasserstoff in die verschiedenen Kammern 36 geleitet und als Oxydationsmittel wird den Kammern 34 vorzugsweise Luft zugeführt. Die entsprechenden Anschlüsse werden in der gleichlaufenden amerikanischen Patentanmeldung Nr 586 252 beschrieben, welche

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am 12. Oktober 1966 eingereicht wurde. Da diese Anordnung kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung bildet, wird sie auch nicht im einzelnen beschrieben. Es genügt zu bemerken/ dass die Kanäle zum Zufuhren des Brennstoffes und -des ' Oxydationsmittels zu den verschiedenen Kammern in den Rahiaenteilen 24 der Spreizerplatten angebracht sind.

Diese Spreizerplatten können auch sich nach aussen erstreckende Kühlrippen 38. aufweisen, die dazu beitragen, die gewünschte Betriebstemperatur der Brennstoffzelle beizubehalten, indem ein Kühlluftstrom über diese Rippen geleitet wird. Dies ist jedoch kein Merkmal der vorliegenden Erfindung und wird deshalb auch nicht weiter beschrieben werden.

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Claims

Patentansprüche.

1. Brennstoffzelleneinheit in welcher die Elektroden und die sich dazwischen befindende Matrix ein einzelnes Glied bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von einem Rahmen umgeben ist, welcher im wesentlichen dieselbe Dicke wie die Matrix aufweist, dass an jeder Seite der Matrix ein Elektrodenrahmen von derselben Grosse wie der Matrixrahmen angebracht ist und mit den Elektroden, deren Flachenabmessungen im wesentlichen den Abmessungen der Matrix entsprechen, in Eingriff steht, wobei der Elektrodenrahmen den Rand der Elektrode überlappt, und dass ein dielektrisches Bindemittel die Rahmenelemente durchsetzt und dieselben miteinander verbindet, so dass eine Brennstoffzelleneinheit gebildet wird.

2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixrahmen aus einem faserigen Material hergestellt und mit. einem härtbaren Bindemittel ge- ' tränkt ist welches fur Elektrolyten undurchlässig ist.

3. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Matrixrahmen Fiberglas benützt wird.

4. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenrahmen aus einem dünnen, blattförmigen, faserigen Material hergestellt ist, welches mit einem dielektrischen Bindemittel durchtränkt wird.

5. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 4, dadurch .

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gekennzeichnet, dass für den Elektrodenrahmen aln jV.pxerähnlix .es Material benutzt wird.

o» Brennstoffzelleneinneit nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein :iarz ist, welches für Elektrolyten undurchlässig ist.

7. Brennstoffzelleneinheit nacn Anspruch o* dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Epoxy ist.

fe 8. Brennstoffzelleneinhöit nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen /lahmeneleroente durch Warme- und Druekeinwirkungen auf die Rahmen zu einer Einheit zusammengefügt werden.

9, Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zusararanbau die verschiedenen Rahmen einen 3ellenrahmen von gleichntaaeiger Dicke und int wesentlichen gleichmassiger Breite bilden.

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