DE1933305C3

DE1933305C3 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für Brennstoffelemente

Info

Publication number: DE1933305C3
Application number: DE1933305A
Authority: DE
Inventors: Dieter 8520 Erlangen Groeppel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-01
Filing date: 1969-07-01
Publication date: 1978-04-06
Also published as: FR2050421A1; JPS5012774B1; GB1274338A; US3856573A; DE1933305B2; DE1933305A1; FR2050421B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten, lagerfähigen, Elektroden, Deckschichien und Stützgerüst enthaltenden Bauteils für Brennstoffelemente.

Brennstoffelemente mit flüssigem Elektrolyten mit einem porösen Stützgerüst als Elektrolytträger sind bereits aus der DT-PS 12 67 201 bekannt. Derartige Brennstoffelemente können in der Weise hergestellt werden (vgl. die nicht vorveröffentlichte DT-OS 974), daß als Stützgerüst dienende Metall- und/oder Kunslstoffnelze zunächst in den Einstich eines Kunststoffrahmens eingelegt werden, wobei für den Einstich ein in der Mitte des Kunststoffrahmens vorspringendes Teil vorgesehen ist. Auf die durch den Einstich im vorspringenden Kunststoffteil des Rahmens gebildeten Stege werden anschließend die Deckschichten, beispielsweise Asbestpapier, aufgelegt und auf die mit dem Stützgerüst kontaktierenden Teile der Deckschichten das Katalysatormaterial und die zur Stromableitung bzw. Ausbildung der Gasräume vorgesehenen Netze. Den Abschluß der Brennstoffelemente bilden auf dem Kunststoffrahmen aufliegende Endplatten.

Um einen gas- und flüssigkeitsdichten Abschluß der einzelnen Bauteile gegeneinander und nach außen hin zu erreichen, müssen bei den Brennstoffelementen der genannten Art zwischen den Deckschichten bzw. Kunststoffrahmen einerseits und den Endplatten andererseits Rundschnurringe eingelegt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten, lagerfähigen, Elektroden, Deckschichten und Stützgerüst enthaltenden Bauteils

ίο für Brennstoffelemente zu finden, durch das der Aufbau von Brennstoffbatterien wesentlich vereinfacht wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zunächst ein Metallnetz mit einer Seite eines vorspringenden Teiles eines Kiinststoffrahmens verschweißt wird, daß am Metallnetz das aus einem oder mehreren K-dnststoffnetzen bestehende Stützgerüst angeordnet wird, daß ein zweites Metallnetz mit der anderen Seite des vorspringenden Teiles des Kunststoffrahmens verschweißt wird, daß anschließend auf die Metallnetze zur Bildung der Deckschichten eine einen suspendierten Ionenaustauscher, vorzugsweise in feinkörniger Form, enthaltende Lösung eines Bindemitteis in einer oder mehreren Schichten aufgespritzt wird und daß auf die Deckschichten dann in einer Lösung eines Bindemittels suspendiertes Katalysatormaterial in einer oder mehreren Schichten aufgebracht wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare technische Fortschritt wird vor allem darin gesehen, daß nunmehr die beiden Elektroden, die Deckschichten und das Stützgerüst als kompaktes Bauteil serienmäßig vorgefertigt werden können, wodurch der Aufbau von Brennstoffbatterien wesentlich erleichtert wird. Auch können nunmehr beschädigte Brennstoffelemente leichter durch funktionsfähige Brennstoffelemente ausgewechselt werden.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich daraus, daß die Deckscnichten innerhalb und auf Metallnetzen gebildet werden, die mit einem Kunststoffrahmen fest verbunden sind. Dadurch wird eine Ausdehnung der Deckschichten in Richtung der Deckschichtenebene bei Berührung mit dem Elektrolyten verhindert, so daß Undichtigkeiten infolge Verwerfung der Deckschichten nicht zu befürchten sind. Durch das Einschweißen der Metallnctze in den Kunststoffrahmen und das Aufspritzen der Deckschichten wird weiterhin die geforderte Abdichtung zwischen den Deckschichten und den Gasräumen erreicht, so daß die hierfür früher benötigten Rundschnurringe entfallen. Bei Verwendung des gleichen Bindemittels in den Deckunci Katalysatorschichten kann ferner erreicht werden, daß der Übergang zwischen den beiden Schichten homogen ist. Die Katalysatorschichten sind mit den Deckschichten fest verbunden und infolge ihres Bindemittelgehaltes abriebfest und gegen die bei der Lagerung und beim Batterieaufbau aultretenden Beanspruchungen ausreichend stabil.

Anhand von Ausführungsbeispielen und zwei Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

In Fig. I, die einen Teilschnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil zeigt, ist mit der Bczugsziffer 1 ein Kunststoffrahmen aus Polystyrol angedeutet. In dem in der Mitte vorspringenden Teil I' des Kunststoffrahmens sind beidseitig Metallnetze 2 bzw. 5, beispielsweise Nickelnetze mit einer Mtischenweite von 0,3 mm, einEC-

schweißt. Zwischen den eingeschweißten Nickelnetzen 2 und 5 befinden sich zwei grobmaschige Netze 3 und 4 (Maschenweite etwa 0,5 mm) aus Polypropylen, die das Stützgerüst bilden und den Elektrolytraum aufspannen. Anstelle der Kunststoffnetze können zur Ausbildung des Elektrolytraumes prinzipiell auch Metallnetze verwendet werden, jedoch besteht hierbei die Gefahr, daß bei Beschädigung der elektronisch nicht leitenden Deckschichten die Elektroden kurzgeschlossen werden. Auf den Metnünetzen 2 und 5 befinden sich die aufgespritzten Deckschichten 6 und 7, mit denen die Katalysatorschichten 8 und 9 fest verbunden sind, auf denen beim Batterieaufbau die — in Fig. 1 nicht eingezeichneten — Netze zur Stromabnahme bzw. zur Bildung der Gasräume autgelegt werden.

Bei der Herstellung des Bauteils nach der Erfindung wird zunächst ein Metallnetz in den Kunststoffrahmen eingeschweißt, und zwar in der Weise, daß das Metallnetz mittels eines aufgeheizten Stempels auf eine Seile des vorspringenden Teiles Γ des Rahmens 1 aufgepreßt wird. Anschließend werden die beiden Kunststoffnetze 3 und 4 aufgelegt und durch Einschweißen des zweiten Metallnetzes 5 in die ändert Seite des Rahmenteiles 1' eingeschlossen. Auf die eingeschweißten Metallnetze werden dann die Deckschichten 6 und 7 aus einer Suspension mittels einer Spritzpistole in der gewünschten Dicke aufgetragen, vorzugsweise jedoch in mehreren Schichten, wobei nach jeder Schicht eine vollständige Trocknung erfolgt. Um ein Absinken der suspendierten Teilchen zu verhindern, muß die Suspension während des Aufspritzens ständig gerührt werden. Die Trocknung der Schichten kann in der Weise durchgeführt werden, daß der Rahmen während des Aufspritzens unter Zuführung von Heißluft in einer geeigneten Vorrichtung ständig gedreht wird.

Die für die Deckschichten vorgesehene Suspension besteht aus einem anorganischen und/oder organischen Ionenaustauscher, beispielsweise Asbestmehl oder einem Austauschgruppen enthaltenden Polymerisat oder Copolymerisat, und einem organischen Bindemittel, beispielsweise Polyisobutylen, Polymethacrylsäureester oder Polystyrol, wobei der vorzugsweise in feinkörniger Form vorliegende Ionenaustauscher im Suspensionsmittel unlöslich und das Bindemittel löslich ist. Um eine vollständige Abdichtung zwischen Deckschicht und Rahmen mit Sicherheit zu erreichen, wird als Suspensionsmittel vorzugsweise ein Lösungsmittelgemisch verwendet, das neben dem den Kunststoffrahmen nicht angreifenden Lösungsmittel für das Bindemittel ein Lösungsmittel enthält, in dem der Kunststoff des Rahmens, beispielsweise Polystyrol, löslich bzw. quellbar ist. Dabei wird das zuletzt genannte Lösungsmittel in solchen Mengen zugesetzt, daß während des Aufspritzens der Deckschichten nur die Oberfläche des Kunststoffrahmens Γ angelöst wird und damit die Deckschichten im Kunststoffrahmen fest verankert werden. Für einen Kunststoffrahmen aus Polystyrol ist beispielsweise ein Lösungsmittelgemisch aus Benzin und Xylol geeignet. Zur Erhöhung der Festigkeit und Herabsetzung der Löslichkeit ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Bindemittel nach dem Aufspritzen in an sich bekannter Weise teilweise vernetzt wird. Zu diesem Zweck werden der Suspension vor dem Aufspritzen geeignete Vernetzungsmittel und gegebenenfalls Beschleuniger zugegeben.

Die pulverförmigen Katalysatoren, beispielsweise Raney-Nickel und Raney-Silber, werden zweckmäßigerweise wie die Deckschichten aus der Bindemittel enthaltenden Suspension mittels einer Spritzpistole aufgetragen, wobei nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das gleiche Bindemittel eingesetzt wird, wie in der für die Deckschichtenerzeugung vorgesehenen Suspension.

Die so vorgefertigten Bauteile 10 können gemäß F i g. 2 nach beidseitigem Auflegen von Ableitnetzen 11, Distanznetzen 12 und Endplatte^ ?3, beispielsweise Nickelblechen, in einfacher Weise zu Batterien zusammengebaut werden, wobei die einzelnen Bauteile mittels Bolzen 14 und Muttern 15 zusammengepreßt werden. Die Zu- und Ableitung der Reaktanten und des Elektrolyten erfolgt dabei in an sich bekannter Weise über Kanäle in den Kunststoffrahmen, die jedoch übersichtlichkeitshalber in F i g. 2 nicht dargestellt sind.

Zur Herstellung der Deckschichten werden zunächst I OOg eines handelsüblichen stark basischen Anionenaustauschers auf der Basis von vernetztem Polystyrol bei 110⁰C getrocknet und in einer Kugelmühle zu einem Pulver < 5 μ zermahlen. Das Pulver wird dann mit 11 Benzin (Kp. 100 bis 140⁰C) und 12 g Polyisobutylen versetzt und so lange in der Kugelmühle weiterbehandelt, bis sämtliches Polyisobutylen gelöst ist und der Ionenaustauscher eine gleichmäßige Verteilung aufweist. Nach dem Vermischen mit 0,6 cm³ Methyläthylketonperoxid, 0,6 cm³ einer l%igen Lösung eines Kobalt enthaltenden Beschleunigers und 10Vol.-% Xylol, bezogen auf das Benzin, werden 75 ml der Suspension in der beschriebenen Weise auf die Metallnetze 2 und 5 in drei Schichten aufgetragen.

Zur Herstellung der brennstoffseitigen K?talysatorschicht werden 100 g getrocknetes Raney-Nickel (0,33 g/cm²) in 150 cm³ Benzin (Kp. 50 bis 75°C) aufgeschlämmt und mit 100 g einer Löiung von 2 Gew.-% Polyisobutylen in dem gleichen Benzin versetzt. Die so hergestellte Suspension wird dann in eine Spritzspistole mit Rühraufsatz gegeben und auf die Deckschicht 6 in drei Schichten aufgespritzt. In gleicher Weise wird — zur Bildung der sauerstoffseitigen Katalysatorschicht - auf die Deckschicht 7 eine Suspension aufgespritzt, in der das Raney-Nickel durch Raney-Silber ersetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines kompakten, lagerfähigen, Elektroden, Deckschichten und Stützgerüst enthaltenden Bauteils für Brennstoffelemente, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Metallnetz mit einer Seite eines vorspringenden Teiles eines Kunststoffrahmens verschweißt wird, daß am Metallnetz das aus einem oder mehreren Kunststoffnetzen bestehende Stützgerüst angeordnet wird, daß ein zweites Metallnetz mit der anderen Seite des vorspringenden Teiles des Kunststoffrahmens verschweißt wird, daß anschließend auf die Metallnetze zur Bildung der Deckschichten eine einen suspendierten Ionenaustauscher, vorzugsweise in feinkörniger Form, enthaltende Lösung eines Bindemittels in einer oder mehreren Schichten aufgespritzt wird und daß auf die Deckschichten dann in einer Lösung eines Bindemittels suspendiertes Katalysatormaterial in einer oder mehreren Schichten aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Suspension zum Aufbau der Deckschichten das gleiche Bindemittel verwendet wird wie in der Suspension zum Aufbau der Katalysatorschichten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Polyisobutylen verwendet wird, das gegebenenfalls nach dem Aufspritzen vernetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekernzeichnet, daß zur Auflösung des Bindemittels ein aus zw;i oder mehreren Komponenten bestehendes Lösungsmittelgemisch verwendet wird, wobei der Kunststoff des Rahmens in mindestens einer Komponente löslich bzw. quellbar und in mindestens einer Komponente unlöslich ist. und daß die den Kunststoff des Rahmens lösende Komponente nur in solchen Mengen verwendet wird, daß während des Aufspritzens der Deckschichten nur die Oberfläche des Kunststoffrahmens angelöst wird.