DE1902392C3 - Verfahren zur Herstellung von mit Kunststoff vergossenen Brennstoffelementen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von mit Kunststoff vergossenen Brennstoffelementen

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Description

SS ÄpSeS; «» Polyvinylalkohol, auf den E ektrodenstapel auf- oder in diesen einlegt und diese Formkörper nach erfolgter Verfestigung w.eder herauslöst oder herausschmilzt (österreichische Patent-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Kunststoff vergossenen Brennstoffelementen, bestehend aus einem mit flüssigem Elektrolyten gefüllten Stützgerüst und beidseitig davon angeordneten Diaphragmen, Elektroden und Abstandshaltern sowie eeeebenenfalls daran anschließenden Trennplatten.
Au.gaoe uu Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von mit Kunststoff vergossenen Brennstoffe ementen, bestehend aus einem mit flüssigem Elektrolysen gefüllten Stützgerüst und beidseitig davon angeordneten Diaphragmen, Elektroden und Abstandshaltern JowTe gegebenenfalls daran anschließenden Trennplaten zu finden, bei dem nach erfolgter Aushärtung des Gießharzes ein Herauslösen oder Herausschmelzen Sn zum Verschließen der Elektrolyt- oder Gasräume oder zur Ausbildung der Verbindungskanale benougten Massen nicht mehr erforderlich ist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein mit Fahnen versehenes Stützgerüst zw.schen zwei mit Fahnen versehenen Diaphragmen angeordnet wird daß im Anschluß an die Diaphragmen Elektroden und mit Fahnen versehene Abstandsnetze sowie Trennplatten angeordnet werden, daß die Ränder der mit Fahnen versehenen Diaphragmen mittels eines Bindemittels miteinander verklebt werden, daß diese Te.le zu einem Brennstoffelement oder mehrere Brennstoffelemente zu einer Brennstoffbatterie zwischen Endplatten gestapelt und verspannt werden, wobei die nicht mit Diaphragmen bezogenen Fahnen der Abstandsnetze mit Taschen aus Asbestpapier überzogen werden daß die noch offenen Gasräume mit einem gegebenenfalls Füllstoff enthaltenden Bindemittel versiegelt werden, daß anschließend das Brennstoffelement bzw. die Brennstoffelemente der Brennstoffbatterie mit einem Gießharz vergossen werden und daß die Fahnen der Diaphragmen und der Abstandsnetze nach der Aushärtung des Gießharzes für die Zu- und Abführung des Elektrolyten und der Reaktanten mit Bohrungen versehen
werden. _. ,
Die Ränder der mit Fahnen versehenen Diaphragmen können aber auch mit den Trennplatten verklebt werden wodurch die Gasräume nach außen abgeschlossen werden. In diesem Fall werden die nicht mit Diaphragmen bezogenen Fahnen der Stützgerüste mit Taschen aus Asbestpapier überzogen und die nicht yer-60 klebten Elektrolyträume mit einem gegebenenfalls Füllstoff enthaltenden Bindemittel versiegelt. Nach dem Vergießen mit Gießharz und der Aushärtung des Gießharzes werden die Fahnen der Stützgerüste und der Diaphragmen mit Bohrungen versehen.
Als Bindemittel sind alle gegenüber dem Elektrolyten beständigen Kunststoffe geeignet, beispielsweise Polyurethane. Vorteilhaft kann als Bindemittel ein Epoxidharz oder eine Lösung des Epoxidharzes verwen-
det werden. Zweckmäßigerweise entspricht das Bindemittel dem beim nachfolgenden Vergießen verwendeten Gießharz.
Die Aushärtung des Bindemittels kann unter Druck und Wärme erfolgen und hängt von der Art des jeweils eingesetzten Bindemittels ab. Bei der Verwendung eines Bindemittels aus Epoxidharz erfolgt die Aushärtung beispielsweise innerhalb von 2'/2 Stunden bei 600C.
Als Füllmittel kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft Asbestmehl oder ein ausgehärtetes pulverförmiges Epoxidharz verwendet werden.
An Hand mehrerer Ausführungsbeispiele und Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung,
Fig. la das Brennstoffelement nacn F i g. 1 im Schnitt,
F i g. 2 schematisch eine Ausführungsform einer mehrere Brennstoffelemente enthaltenden Brennstoffbatterie,
F i g. 3 schematisch im Schnitt eine Ausführungsform eines Brennstoffelementes gemäß der Erfindung,
Fig.4 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffbatterie und F i g. 5 schematisch ein weiteres Brennstoffelement.
F i g. 1 zeigt ein gemäß der Erfindung hergestelltes Brennstoffelement. Fig. la zeigt — in vergrößerter Form — einen durch die Fahnen der Diaphragmen verlaufenden Schnitt dieses Brennstoffelementes. Die quadratischen Endplatten (Trennplatten) 1 und 2 bzw. 101 und 102 bestehen aus Epoxidharz, haben eine Kantenlänge von 100 mm und sind etwa 10 mm dick. Auf der Innenseite der Endplatten befindet sich jeweils ein 0,3 mm dickes, die Gasräume 120 und 121 bildendes Abstandsnetz 103 bzw. 111 aus Polypropylen mit einer Maschenweite von etwa 0,3 mm und zwei diametral gegenüberliegenden Fahnen für die Zu- bzw. Abführung des gasförmigen Reaktanten. In F i g. 1 ist das an die Endplatte 1 anschließende Abstandsnetz durch die Bezugsziffer 3 gekennzeichnet, dessen beide Fahnen sind mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet. Mit der Bezugsziffer 7 ist eine Fahne des auf der Endplatte 2 b/w. 102 aufliegenden Abstandsnetzes 111 bezeichnet. Auf die beiden Gasraumabstandsnetze folgt jeweils eine pulverförmige Elektrode 8 bzw. 108 und 112, deren Teilchen mit Hilfe eines Bindemittels in an sich bekannter Weise untereinander verbunden sind. Die Brennstoffelektrode 8 bzw. 108 besteht beispielsweise aus Raney-Nickel und hat die Abmessungen 100 ■ 100 · 1,2 mm. Die aus pulverförmigem Raney-Silber bestehende positive Elektrode 112 ist ebenfalls mit Bindemitteln verklebt und 100 · 100 ■ 0,7 mm groß. Mit den Bezugsziffern 5 und Φ sind Kontaktierungsfahnen mit Steckbuchsen zur Spannungsabnahme bezeichnet.
Den beiden Elektroden ist jeweils ein Diaphragma 9 bzw. 109 und 10 bzw. 110 benachbart, und zwischen den Diaphragmen ist ein Stützgerüst angeordnet. Die Fahnen der Diaphragmen sind mit den Bezugsziffern 116 und 117 bzw. 126 und 127 bezeichnet. Das Stützgerüst besteht aus einem Nickelnetz 113 (100 ■ 100 ■ 0,6 mm) mit einer Maschenweite von 0,6 mm, an das beidseitig ein feinmaschiges Nickelnetz 114 (Maschenweite 0,15 mm) punktförmig aufgeschweißt ist. Die Dicke der feinmaschigen Nickelnetze 114 beträgt 0,15 mm. Samtliehe Nickelnetze sind mit je zwei Fahnen 115 versehen, die sich in der Mitte zweier gegenüberliegender Seiten befinden und der Zu- bzw. Abführung des Elektrolyten dienen. Die Ränder 118 und 119 der Diaphragmen sind miteinander verklebt, und das Stützgerüst ist in die beiden aus Asbestpapier bestehenden Diaphragmen vollständig eingeschlossen, so daß ein nach außen abgeschlossener, das Stützgerüst enthaltender Elektroiytraum 123 gebildet wird. Die Abmessungen der Diaphragmen betragen 106-106-0,4 mm.
Das zwischen den Diaphragmen eingeschlossene Stützgerüst, die Elektroden, die Abstandsnetze und die Endplatten werden aufeinandergestapelt und mittels einer Vorrichtung zusammengespannt. Nach Überziehen der Fahnen 4 und 7 der Abstandsnetze 3 bzw. 103 und 111 mit Taschen aus Asbestpapier werden die noch offenen Gasräume 120 und 121 mit einem geeigneten Bindemittel 122, beispielsweise einem Gemisch aus 5 Gewichtsteilen Asbestmehl, 3 Gewichtsteilen Epoxidharz und 60 Gewichtsteilen Aceton, mit Hilfe einer Spritzpistole versiegelt. Dabei werden nicht nur die Gasräume abgedichtet, sondern gleichzeitig werden zwischen den Diaphragmen und den Elektroden einerseits und dem später aufgebrachten Gießharz andererseits Übergangsschichten gebildet, die ein Eindringen des Gießharzes in die Elektroden verhindern. Außerdem sind die zwischen Gießharz und Elektroden gebildeten Übergangsschichten in der Lage, thermisch bedingte Dehnungsunterschiede zu kompensieren.
Durch das Aufspritzen des Bindemittelgemisches wird die aktive Fläche der Elektroden nicht vermindert, da das Bindemittelgemisch in die Elektroden nicht in nennenswertem Umfang eindringt. Selbstverständlich kann die Versiegelung der Gasräume auch nach anderen Methoden erfolgen, beispielsweise durch Aufspachteln des mit Füllstoffen eingedickten Bindemittels. Als Füllstoffe können alle nichtleitenden, gegenüber dem Elektrolyten beständigen pulverförmigen Materialien verwendet werden, wie ausgehärtetes pulverförmiges Epoxidharz.
Nach Aushärtung des aufgespritzten Bindemittels wird das Brennstoffelement in an sich bekannter Weise in einer Gießform mit Epoxidharz vergossen und ausgehärtet. Abschließend werden sämtliche Fahnen für die Zu- und Abführungskanäle angebohrt, und das Brennstoffelement kann nach Einführung des Elektrolyten und der Reaktanten sofort in Betrieb genommen werden.
Die vorstehende Ausführungsform der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf den Verguß eines einzelnen Brennstoffelementes beschränkt und kann in gleicher Weise auch für den Verguß mehrerer, zu einem Batterieblock aufgestapelter Brennstoffelemente angewendet werden. Ein derartiger Batterieblock ist in F i g. 2 schematisch dargestellt.
Mit 11 sind in F i g. 2 die Brennstoffelektroden und mit 12 die positiven Elektroden bezeichnet. Das in den Diaphragmen 13 und 14 eingeschlossene Stützgerüst trägt die Bezugsziffer 15. Die den Gasraum bildenden Abstandsnetze 16 liegen an den Trennplatten 17 an. Die aufgespritzte Versiegelungsmasse ist mit 18 bezeichnet und das Gießharz mit 19.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können, wie bereits ausgeführt, die Diaphragmen auch zum Verschließen der Gasräume eingesetzt werden, und zwar derart, daß gemäß der schematischen F i g. 3 die Diaphragmen 20 mit den Trennplatten 21 verklebt werden. Innerhalb der derart abgeschlossenen Räume befindet sich jeweils eine Elektrode 22 und ein Abstandsnetz 23. Der zwischen den Diaphragmen befindliche und ein Stützgerüst 24 enthaltende Elektrolyt-
sr
raum wird hierbei analog den Gasräumen in F i g. I mit einem Bindemittel 25 versiegelt.
Bei der Herstellung von Brennstoffzellenbatterien kann es in vielen Fällen weiterhin von Vorteil sein, an Stelle der einseitig arbeitenden Elektroden doppelseitig arbeitende Elektroden einzusetzen. Eine derartige Ausführungsform ist in F i g. 4 schematisch wiedergegeben. Bei dieser Ausführungsform sind die Gasräume durch gegenseitige Verklebung der Diaphragmen 26 versiegelt. Innerhalb der Gasräume befinden sich jeweils mindestens ein Abstandsnetz 27 und zwei Brennstoffelektroden 28 bzw. zwei positive Elektroden 29. Der das Stützgerüst 30 enthaltende Elektrolytraum ist mit einer Bindemittelschicht 31 versiegelt. Die endständigen Elektroden 32 sind als einseitig arbeitende Elektroden ausgebildet, und die Versiegelung der zugehörigen Gasräume wird durch Verklebung der Diaphragmen 26 mit den Endplatten 33 bewirkt. Die Vergußmasse ist durch die Ziffer 44 angedeutet.
In analoger Weise können bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform auch die Elektrolyträume durch Verklebung der Diaphragmen miteinander verschlossen und die Gasräume durch Aufspachteln oder Aufspritzen eines Bindemittels versiegelt werden.
Wie in der schematischen F i g. 5 dargestellt ist, kann das Verfahren nach der Erfindung auch bei der Herstellung von solchen Brennstoffelementen bzw. daraus aufgebauten Batterien angewendet werden, bei denen ein gasförmiges Oxidationsmittel und ein im Elektrolyten gelöster Brennstoff als Reaktanten eingesetzt werden. Der Elektrolytraum 34 und die Elektrode 35 sind dabei mit dem Bindemittel 36 versiegelt, und der ein Drahtnetz enthaltende Gasraum 37 ist mit der Endplatte 38
ίο und dem Diaphragma 39 verschlossen. 40 stellt die positive Elektrode dar, 41 das Stützgerüst und 42 das Abstandsnetz. Die zweite Endplatte ist mit 43 bezeichnet.
Das neue Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß es leicht durchzuführen ist und aufwendige Nachbehandlungen der vergossenen Brennstoffelemente wegfallen. Ein Herauslösen oder Herausschmelzen der bisher zum Versiegeln verwendeten Massen ist nicht mehr erforderlich. Durch Wegfall der Nachbehandlung wird weiterhin bewirkt, daß eine Beeinträchtigung der Katalysatoren durch Benetzung mit Lösungsmitteln oder Erwärmung nicht stattfindet. Auch wird vermieden, daß nicht herausgelöste Rückstände der Versiegelungsmasse die Elektroden verstopfen oder mit den Reaktanten b,zw. Katalysatoren reagieren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 902 392
Patentansprüche:
i. Verfahren zur Herstellung von mit Kunststoff vergossenen Brennstoffelementen, bestehend aus einem mit flüssigem Elektrolyten gefüllten Stützgerüst und beidseitig davon angeordneten Diaphragmen, Elektroden und Abstandshaltern sowie gegebenenfalls daran anschließenden Trennplatten d a durch gekennzeichnet, daß ein mit Fahnen 1 ο (115) versehenes Stützgerüst (113) zwischen zwei mit Fahnen (116, 117; 126, 127) versehenen Diaphragmen (9,10; 109,110) angeordnet wird, daß im Anschluß an die Diaphragmen (9,10· 109,110) Elektroden (8; 108,112) und mit Fahnen (4, 7) versehene Abstandsnetze (3; 103,111) sowie Trennplatten (17) angeordnet werden, daß die Ränder (118, 119) der mit Fahnen versehenen Diaphragmen mittels eines Bindemittels miteinander verklebt werden, daß diese Teile zu einem Brennstoffelement oder mehrere Brennstoffelemente zu einer Brennstoffbatterie zwischen Endplatten (1, 2; 101, 102) gestapelt und verspannt werden, wobei die nicht mit Diaphragmen bezogenen Fahnen (4, 7) der Abstandsnetze (3; 103, 111) mit Taschen aus Asbestpapier überzogen werden, daß die noch offenen Gasräume (120. 121) mit einem gegebenenfalls Füllstoff enthaltenden Bindemittel (122) versiegelt werden, daß anschließend das Brennstoffelement bzw. die Brennstoffelemente der Brennstoffbatterie mit einem Gießharz vergossen werden und daß die Fahnen der Diaphragmen (9, 10; 109, 110) und Abstandsnetze (3; 103, 111) nach der Aushärtung des Gießharzes für die Zu- und Abführung des Elektrolyten und der Reaktanten mit Bohrungen versehen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein Epoxidharz oder eine Lösung des Epoxidharzes verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmittel Asbestmehl verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmittel ein ausgehärtetes pulverförmiges Epoxidharz verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dahingehend abgeändert, daß an Stelle der Elektrolyträume die Gasräume durch Verklebung der Ränder der mit Fahnen versehenen Diaphragmen (20) mit den Trennplatten (21) nach außen abgeschlossen werden, daß die nicht mit Diaphragmen bezögenen Fahnen der Stützgerüste (24) mit Taschen aus Asbestpapier überzogen und die noch offenen Elektrolyträume mit einem gegebenenfalls Füllstoff enthaltenden Bindemittel (25) versiegelt werden und daß nach dem Vergießen mit Gießharz und der Aushärtung des Gießharzes die Fahnen der Stützgerüste (24) und der Diaphragmen (20) mit Bohrungen versehen werden.
Es ist bereits bekannt, doppelseitig arbeitende Gas-Diffusionselektroden von Brennstoffelementen m einer Batterie mittels Kunststoffen zu vereinigen. Dies kann Sielsweise derart erfolgen, daß positive und negative Elektroden in abwechselnder Reihenfolge aufemandergestapC! und in einer Form mit Gießharzen vergösse" "erden, wobei zw.schen den Elektroden Abstand*- ranmen die den Raum zur späteren Aufnahme des Bektro yten ausbilden und ein Eindringen der G.eßhar-•Te in den Elektrolytraum verändern, eingelegt und nach der Aushärtung der Gießharze w.eder entfernt werden Die für den Elektrolyten oder die Gase vorges Zuleitungs- bzw. Verbindungskanale können
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