DE1671965B2

DE1671965B2 - Brennstoffzelle mit Elektrolytträger

Info

Publication number: DE1671965B2
Application number: DE1671965A
Authority: DE
Inventors: Anthony Oliphint Glastonbury Conn. Maurer (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-02-23
Filing date: 1968-02-20
Publication date: 1974-04-18
Also published as: DE1671965A1; CH486780A; US3533847A; GB1159485A; FR1560668A; DE1671965C3; SE328356B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem den Elektrolyten aufnehmenden Elektrolytträger und auf dessen beiden Seiten angeordneten Elektroden.

Um mit einer Brennstoffzelle die gewünschte Leistung zu erzeugen, müssen mehrere Zellen oder Elektroden in einer räumlichen Anordnung, z. B. einem Stapel, zusammengefaßt und in diesem Stapel elektrisch zusammengeschaltet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung einer solchen Brennstoffzelle, derart, daß sie ein kompaktes einheitliches Gebilde ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung die im Kennzeichen des Anspruches 1 genannte Bauweise vorgesehen. Diese Bauweise gewährleistet einen mechanisch robusten und elektrisch einwandfreien Aufbau.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine perspektivische auseinandergezogene Dar-'.ellung der Einzelteile der Brennstoffzelle,
Fig. 2 ein Schnitt durch die Brennstoffzelle unter besonderer Darstellung von Trennplatten,

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung einer Trennplatte und

Fig.4 ein Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle.

Die Brennstoffzelle besitzt zentrisch einen Elektrolytträger 2, der mit Elektrolyt getränkt ist. Dieser Elektrolyt ist vorzugsweise eine wäßrige Kaliumhydroxydlösung. Auch audere basische oder saure Elektrolyten können verwendet werden. Der Elektrolytträger kann aus Asbestfibem bestehen. Besonders wird faseriges Material verwendet, welches nicht mit dem Elektrolyten reagiert. Der Außenrand des Elektrolytträgers 2 ist mit einem Bindemittel 4 aus dielektrischem Material durchtränkt, welches für Elektrolyten undurchlässig ist und z. B. ein unter Wärme und Druck härtbares Epoxyharz sein kann. Vorzugsweise ist nur ein schmaler Rand des Elektrolytträgcrs 2 mit einem Bindemittel durchsetzt.

Die Elektroden 6 und 8 sind an entgegengesetzten Seiten des den Elektrolyten aufnehmenden Elektrolytträgers 2 angebracht. Diese Elektroden können mit einem Katalysator imprägnierte Nickelnetzelektroden sein. Der Katalysator kann eine Mischung von PoIytetrafluorethylen und Platin sein. Jedoch können auch andere Elektroden verwendet werden: zum Beispiel gesinterte Nickeloxydelektroden mit einfacher oder doppelter Porosität. Ein schmaler Außenrand 9 dieser Elektroden ist nicht von Katalysator durchsetzt, und dieser Teil der Elektrode wird im Rahmen 10 und 12 für die Elektrode 6 und in Rahmen 13 und 14 für die Elektrode 8 festgeklemmt. Die Rahmen sind breiter als die Außenränder der Elektrode, so daß sie sich über diese erstrecken, v.ie dies am besten in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Rahmen bestehen aus einem dünnen, porösen Material, z. B. Fiberglas oder Papier. Dieses ist absorbierend und ermöglicht eine Durchtränkung mit einem geeigneten Bindemittel. Das Bindemittel wirkt mit dem in dem Außenrand des Elektrolytträgers 2 benutzten Bindemittel zusammen. Ein Beispiel für das Material des Elektrolytträgers ist Filterpapier. Das Bindemittel kann ein mit einem Beschleuniger vermischtes Harz sein, so daß die Rahmen ganz durchtränkt werden und als Isolator dienen, wenn die Brennstoffzellen zu einem Modul zusammengefügt werden.

Der Elektrolytträger 2 ist mit einem Rahmen 16 umgeben, welcher im wesentlichen die gleiche Stärke hat. Der Rahmen ist ebenfalls mit einem Bindemittel durchtränkt, welches mit dem bei den vorhererwähnten Rahmen verwendeten Bindemittel verträglich ist. Ein besonders nützliches Material für diesen Rahmen ist ein Fiberglas, das genügend faserig ist, um seine gewünschte Struktur beizubehalten und eine Durclitränkung mit dem zu verwendenden Epoxy ermöglicht. Die Innenabmessungen des Rahmens 16 entsprechen den Außenabmessungen des Elektrolytträgers 2, so daß dieser in den Rahmen eingepaßt werden kann. Die oben beschriebenen Elemente werden gestapelt, und dieser Zusammenbau wird dann bei einer Temperatur von 121 bis 177° C geschmolzen, wobei nur auf die Rahmen ein Druck von 9,84 bis 11,2 kg/cm² ausgeübt wird. Diese angegebenen Tem-

peraturen und Drücke gelten bei Verwendung eines besonderen Harzes, nämlich des Epoxydharzes der Klasse der Diglycidyläth^r von Bisphenol A und eines Härtungsmittei im Verhältnis von fünf Teilen Harz zu einem Teil Härtungsmittel, jedoch können auch andere dielektrische Bindemittel wie z. B. thermoplastische oder duroplastische Harze verwendet werden.

Die rieh ergebende Struktur bildet eine vollständige Brennstoffzelle 20, die im Schnitt in F i g. 2 dargestellt ist. Diese Figur zeigt, daß der sich ergebende Rahmenzusammenbau im wesentlichen von der gleichen Dicke ist wie der Teil der Brennstoffzelle, welcher vom Elektrolytträger und den darübergelagerten Elektroden gebildet wird. Durch den Härtungsvorgang der imprägnierten Rahmen wird ein einheitlicher Rahmen erzeugt, welcher den wirksamen Teil der Brennstoffzelle umgibt und im wesentlichen dieselbe Dicke aufweist. Die fertige Struktur ist relativ dünn. Mit der besonderen Bauart der verwendeten Netzelektrode kann die gesamte Dicke der Brennstoffzelle zwischen 0,101 und 0,127 cm schwenken. Diese Abmessung wurde bei einer Hlektrodenabmessung von 12,7 mal 14 cm und einer Rahmenbreite von 1,27 bis 1,9 cm gefunden. Die gesamte Struktur ^z ist bis zu einem bestimmten Bereich flexibel, so daß eine Biegung der Brennstoffzelle in einem beschränkten Maße keine Zerstörung hervorruft. Diese zusammengesetzte Zelle kann als ganzes in einen Brennstoffzellenmodul eingebaut werden. Mit dem dielekfrischer. Bindemittel, welches die verschiedenen Elemente der Brennstoffzelle zusammenhält, wird ein dichter Zusammenbau mit den zusammenwirkenden Trennplatten hergestellt. Das Bindemittel wirkt als Dichtung zwischen den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten und den anliegenden Teilen des Moduls.

Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß an den entgegengesetzten Seiten der einzelnen Brennstoffzellen 20 ■>-» angebracht sind, welche in Zusamnlt" der" Brennstoffzelle 20 die Brennixvdationsmittelkemmern an den enige-ζιρπ Seiten der Brennstoffzellenemheit bil-(e Patte 22 besitzt einen Rahmente.l 24 von

S3säS3=5

T?ennSen fest zusammengeklemmt werden, so Sen Se Rahmenteile 24 mit den zusammengesetzen Rahmen 26 zusammen und bilden eine gasdichte KonstrSn Die Brennstoffzellenrahmen d.enen i Ts soiator zwischen den Trennplatten.

de ι Brennstoffzellenmodul

Hier-

Z S ite der Tonplatte zwischen dem mittleren Teil 28 und der betreffenden Elektrode der anliegenden Brennstoffzelle gebildet. Vorzugsweise wird als Brennstoff Wasserstoff in die verschiedenen KammSn 36 Uitet, und als Oxydationsmittel wird den Kammern 34 vorzugsweise Lutt zugeführt Zum Zu-E des Brennstoffes und des Oxydaüonsmi eis zu den verschiedenen Kammern in den Rahmenteil 24 der Trennplatten sind Kanäle vorgesehen.

Diese Trennplatten können auch sich nach außen erstreckende Kühlrippen 38 aufweisen. Diese tragen dazu bei, die gewünschte Betriebstemperatur der Brennstoffzelle beizubehalten, indem ein Kuhlluftstrom über diese Rippen geleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

I 671 965 Patentansprüche:

1. Brennstoffzelle mit einem den Elektrolyten aufnehmenden Elektrolytträger und auf dessen beiden Seiten angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytträger (2) in einem aus nichtleitendem porösem Material bestehenden Rahmen (16) von gleicher Stärke eingeschlossen ist, die Elektroden (6, 8) aufnehmende, aus einem nichtleitenden porösen Material bestehende und die Elektroden (6,8) seitlich überragende Rahmen (10, 12, 13, 14) auf beiden Seiten des den Elektrolytträger (2) einschließenden Rahmens (16) angeordnet und sämtliche Rahmen (12, 13, 16) mit einem dielektrischen, für den Elektrolyten undurchlässigen Bindemittel getränkt sind.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Elektrolytträger (2) einschließende Rahmen (16) aus einem faserigen Material besteht.

3. Brennstoffzelle nach A.nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Elektrolytträger (2) einschließende Rahmen (16) aus Fiberglas besteht.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektroden (6,8) aufnehmenden Rahmen (10, 12, 13, 14) aus blattförmigem, faserigem Material bestehen.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektroden (6,8) aufnehmenden Rahmen (10, 12, 13, 14) aus einem papierähnlichen Material oestehen.

6. Brennstoffzelle nach A.nsp uch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Epoxyharz ist.

7. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (10, 12, 13, 14, 16) unter Einwirkung von Wärme und Druck zusammengefügt werden.