DE1938044C3

DE1938044C3 - Bauteil für Brennstoffelemente und mittels dieses Bauteils hergestellte

Info

Publication number: DE1938044C3
Application number: DE691938044A
Authority: DE
Inventors: Dieter 8521 Bubenreuth Kuehl; Hubert 8523 Baiersdorf Poppa
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-26
Filing date: 1969-07-26
Publication date: 1979-03-01
Also published as: JPS5031934B1; GB1318974A; DE1938044B2; DE1938044A1; US3775184A; CA945205A; FR2053181B1; FR2053181A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für Brennstoffelemente mit einem elektrisch leitenden Trcnnblech, auf dem an einer Seite ein metallisches Abstandsnetz, eine Elektrode und ein Diaphragma angeordnet sind, dessen Rand mit dem Trennblech fest verbunden ist, sowie aus derartigen Bauteilen aufgebaute Batterien.

In der DE-PS 19 02 392 ist ein Bauteil für Brennstoffelemente vorgeschlagen, bei dem einer Seite eines elektrisch leitenden Trennbleches ein metallisches Abstandsnetz, eine Elektrode und ein Diaphragma angeordnet sind, wobei der Rand des Diaphragmas mit dem Trennblech fest verbunden ist. Bei Brennstoffelementen bzw. Brennstoffbatterien, die derartige Anordnungen enthalten, sind zwischen den Diaphragmen zweier Bauteile Stützgerüste zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyten angeordnet. Aus der US-PS 31 26 302 ist es bekannt, mehrere Teile eines Brennstoffelementes durch Rahmung zu einem Modul zu vereinigen.

Aus der DE-AS !2 38 083 ist es ic-rner bereits bekannt, cu einer Brennstoffbatterie stapelbare Elektroden aus Preß- oder Sinterkörpern mit einer Randeinfassur.g aus einem thermoplastischen Kunststoff zu versehen, die die Elektroden umgibt, die Randporen der Elektrodenkante erfüllt, mindestens einseitig über die Elektrodenfläche hinausreicht und Diehtungsflächen aufweist. Dadurch entfallen zwar die ansonsten benötigten besonderen Dichtungen für die Elektroden, die Abdichtung der Elektrolyt- und Gasräume sowie das Anbringen der Zu- und Ableitungen für den Elektrolyten und die Reaktanten erfordert jedoch noch einen erheblichen technischen und zeitlichen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil für Brennstoffelemente der eingangs genannten Art mit Trennblech, Abstandsnetz, Elektrode und Diaphragma zu finden, das mit einem Stützgerüst bzw. mit Stützgerüst und Elektrode in abwechselnder Aufeinanderfolge so angeordnet werden kann, daß es mittels Vergußmasse zu einer Batterie vergossen werden kann, ohne daß die Vergußmasse in die Gas- oder Elekirolyträume oder in die Elektroden eindringt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf wenigstens einer Seite des Trennbleches — jeweils neben der (den) Eleklrode(n) und dem Diaphragma (den Diaphragmen) — ein oder mehrere Abstandsnetze angeordnet sind, daß der Rand des Diaphragmas (der Diaphragmen) in einen Kunststoffrahmen eingegossen ist, der mit Kunststoffolien abgeschlossene Kanäle zur Zu- und Abführung des Elektrolyten aufweist, wobei der Rahmen auf der Seite der Elektrolytkanäle einen Vorsprung zur Bildung des Elektrolytraumes aufweist, und daß Trennblech, Abstandsnetz und Diaphragma mit diametral angeordneten Fahnen versehen sind.

Mittels des erfindungsgemäßen Bauteils für Brennstoffelemente kann der Aufbau von Brennstoffbatterien wesentlich erleichtert und verbessert werden. Brennstoffbatterien, die aus den erfindungsgemäßen Bauteilen aufgebaut sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren soll die F.rfindung noch näher erläutert werden.

Fig. la zeigt einen Seitenriß eines Bauteils, das in

besonderer Weise zum Aufbau solcher Brennstoffbatterien geeignet ist, die mit in der Elektrolytflüssigkeit gelöstem Brennstoff, beispielsweise Hydrazin in KOH, betrieben werden. Mit der Bezugsziffer 1 ist ein quadratisches Trennblech aus Nickel bezeichnet, dessen Seitenlänge 106 mm und dessen Dicke 0,3 mm beträgt. Die diametral gegenüberliegenden Fahnen (4 χ 23 mm) des Trennbleches sind im Seitenriß nicht zu sehen und im Grundriß gemäß Fig. Ib mit 2 und 3 bezeichnet. Das den Gasraum bildende Abstandsnetz 4 ist, wie das iu Trennblec!, mit diametral angeordneten Fahnen (4 χ 17 mm) versehen und hat eine Seitenlänge von 100 mm und eine Dicke von 0,3 mm. Auf das Abstandsnetz 4 folgt die Elektrode 5, die beispielsweise aus Raney-Silber besteht, dessen Teilchen mittels einer Kunststoffdispersion untereinander verbunden sind. Die Dicke der Elektrode beträgt etwa 0,9 mm und die Seitenlänge 100 mm. 6 stellt ein Asbestpapierdiaphragma dar, das längs des Randes mit dem Trennblech 1 verklebt und ebenfalls mit zwei diametral angeordneten Fahnen versehen ist. Das Diaphragma 6 ist etwa 0,35 mm dick und hat eine Seitenlänge von 106 mm. Der das Nickellrennblech und das Asbestdiaphragma aufnehmende Gießrahmen ist mit 7 bezeichnet und die die Elektrolytkanäle 8 abdeckenden Kunststoffolien mi«. 2ί 9. Der zur Bildung des Elektrolytraumes dienende Vorsprung des Kunststoffrahrnens 7 ist mit T bezeichnet.

Die Verklebung des Diaphragmas 6 mit dem Trennblech 1 erfolgt am besten unter Druck und mit tu dem gleichen Gießharz, das anschließend zum Umgießen der Einzelteile verwendet wird, beispielsweise mit einem Epoxidharz. Nach Aushärtung der Klebung wird das Bauteil in eine Gießform gelegt und mit Epoxidharz derart umgössen, daß sich im Rahmen zwei nach oben π offene Elektrolytkanäle 8 ausbilden, die nach der Aushärtung des Gießharzes mil je einer Expoxidharzfolie 9 abgedeckt und verklebt werden.

Fig. Ic zeigt das Bauteil nach der Erfindung in der Aufsicht, wobei 7 wiederum den Gießrahmen darstellt, 8 je einen Elektroiytkanal, 10 die Eintrittsöffnung und 11 die Ableitung für den Elektrolyten. Das vom Epoxidharz umgossene Trennblech ist, wie in Fig. la, mit 1 bezeichnet.

Beim Aufbau einer Batterie wird nun auf die andere '" Seite des Trennbleches 1 des Bauteils nach Fig. la ein aus ein oder mehreren Netzen bestehendes und den Elektrolytraum aufspannendes Stützgerüst 12 sowie eine mit Raney-Nickel beschichtete und die Anode bildende Netzelektrode 13 aufgelegt. Durch Aneinan- 5» derreihung derartiger Bauteile ergibt sich eine Vielzahl von Brennstoffelementen, die nach außen derart abgeschlossen sind, daß beim anschließenden Vergießen kein Gießharz in die Brennstoffelemente eindringen kann. An den beiden Enden der aufeinandergestapelten Brennstoffelemente befindet sich jeweils nur ein halbes Brennstoffelement, so daß die Endplatten gemäß den Fig. Id und Ie entweder nur die Kathode und einen Gasraum oder nur die Anode und einen Elektrolytraum aufnehmen. mi

Fig. Id zeigt ein die Kathode 14, das Abstandsnetz 15, das Diaphragma 16, das Trennblech 17 und eine Endplatte 18 enthaltendes Bauteil, in dem das Diaphragma 16 direkt mit der Endplatte 18 verklebt ist. Der Kunststoffrahmen ist hierbei mit 19 bezeichnet. >.">

Ein die Elektrolytseite eines Brennstoffelementes enthaltendes Bauteil zeigt Fig. Ie, in der die Endplatte mit 20, das Trennblech mit 21, das Stützgerüst mit 22 und die mit Raney-Nickcl beschichtete Elektrode mit 23 bezeichnet sind, in dem Gießrahmen 24 befinden sich die Elektrolytkanale 25. die mit den Epoxidharzfolien 26 verklebt sind und entweder zur Zu- oder Abführung des Elektrolyten benutzt werden.

Nach Stapelung der Bauteile mit Hilfe einer Positioniervorrichtung in einer Gießform und Zusammenpressen der Bauteile wird die Batterie mit einer Epoxidharzmasse zu einem Block vergossen, ausgehärtet, entformt und in der Wärme zwei Stunden bei etwa 70" C nachgehärtet. Anschließend werden die hintereinanderliegenden Fahnen der Trennbleche, Abstandsnetze und Diaphragmen für die Gas- bzw. Elektrolytzuführung angebohrt. Nach dem Ansetzen der Rohranschlüsse und dem Einfüllen der Reaktanten bzw. des Elektrolyten kann die Batterie in Betrieb genommen werden.

Nach der in den F i g. 2a, 2b und 2c gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils kann das im Gießrahmen des Bauteiles befindliche Trennblech auch beidseitig mit je einem Abstandsnetz, einer Elektrode und einem Diaphragma versehen sein, so daß ein komplettes Bauteil zwei Gasräume und zwei Elektroden enthält. Das Trennblech ist in F i g. 2a mit 30, das Abstandsnetz mit 31 bzw. 32, die Anode mit 33. die Kathode mit 34 und das mit dem Trennblech verklebte Diaphragma mit 35 bzw. 36 bezeichnet.

37 stellt den Gießrahmen mit den Elektrolytkanälen 38 und den darauf aufgeklebten Gießharzfolien 39 dar. Der Elektrolytraum wird nach Aushärtung des Gießrahmens und Verklebung der Elektrolytkanale in einfacher Weise durch Einlegen eines Sützgerüstcs 40 in den vorspringenden Teil 37' des Rahmens 37 gebildet.

Die Fig. 2b und 2c zeigen die zur Ergänzung der endständigen halben Brennstoffelemente im Stapel erforderlichen Bauteile mit der Gasseile bzw. Elektrolytseile eines Brennstoffelementes. Im Bauteil nach Fig. 2b befindet sich auf der Expoxidplatte 41 (Endplatte) ein Abstandsnetz 42, eine Elektrode 43 und ein mit der Endplatte 41 verklebtes Diaphragma 44, das am Rand mit dem Rahmen 45 umgössen ist.

Die endständige Elektrolytseite der Brennstoffbatterie zeigt Fig. 2c. Mit der Epoxidplatte 46 ist dabei ein Diaphragma 47 verklebt, das eine Elektrode 48 und den von einem Abstandsnetz 49 gebildeten Gasraum umschließt. 50 stellt den Gießrahmen mit den Elektrolytkanälen 51 und den Abdeckfolien 52 dar. Der Elektrolytraum wird wiederum von einem vorspringenden Teil des Kunststoffrahmens 50 gebildet, in den ein Stützgerüst 53 lose eingelegt ist. Das Vergießen der aufeinandergestapelten Brennstoffelemente und die Herstellung der Gas- und Elektrolytkanäle geschieht wie im vorhergehenden Beispiel durch Umgießen mit Expoxidharz und Anbohren der Fahnen an den Diaphragmen, Abstandsnetzen und Trennblechen.

Die aus den Bauteilen nach den Fig. 2a, 2b und 2c gefertigte Brennstoffbatterie ist besonders für mit gasförmigen Reaktanten, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, betriebene Brennstoffelemente vorgesehen.

F ig. 3 zeigt eine aus den Bauteilen nach den Fig. la, Id und Ie aufgebaute Brennstoffbatterie. Mit 55 und 56 sind darin Stromabnehmer, mit 37 die Endplatten und mi; 58 die Trennbleche aus Nickel bezeichnet. 59 stellt jeweils ein Stützgerüst im Elektrolytraum dar und 60 eine mit Raney-Nickel aktivierte Netzelektrode. Zwischen der Sauerstoffelektrode 62 und der Netzelektrode 60 befindet sich jeweils ein Diaphragma 61 und

d an die Sauersloffelektrode ein Gasraumnelz 63 mit einem Kontaktblech 64. Der Klckirolyt wird durch Kanäle 65, die mit lipoxidhar/plattcn 66 verkleb: sind, eingeleitet. In dieser Batterie erfolgt die Ziil'üh; iin^ des Brennstoffes, wie Hydrazin, über den Klektrol>tcn.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bauteil für Brennstoffelemente mit einem elektrisch ieitenden Trennblech, auf dem an einer Seite ein metallisches Abstandsnetz, eine Elektrode und ein Diaphragma angeordnet sind, dessen Rand mit dem Trennblech fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einer Seite des Trennbleches (1, 30) — jeweils neben der (den) Elektrode(n) (5, 33, 34) und dem Diaphragma (6) (den Diaphragmen 35, 36) — ein oder mehrere Abstandsnetze (4, 31, 32) angeordnet sind, daß der Rand des Diaphragmas (6) (der Diaphragmen 35,36) in einen Kunststoffrahmen (7, 37) eingegossen ist, der mit Kunststoffolien (9, 39) abgeschlossene is Kanäle (8, 38) zur Zu- und Abführung des Elektrolyten aufweist, wobei der Rahmen (7, 37) auf der Seite der Elektrolytkanäle (8, 38) einen Vorsprung (7', 37') zur Bildung des Elektrolytraumes aufweist, und daß Trennblech, Abslandsnetz und Diaphragma mit diametral angeordneten Fahnen (2, 3) versehen sind.

2. Brennstoffbatterie zum Betrieb mit gasförmigen Reaktanten, aufgebaut aus Bauteilen nach Anspruch 1, wobei diese Bauteile mittels Gießharz 2^r> vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bauteile enthält, bei denen auf beiden Seüen eines Trennbleches aufeinanderfolgend jeweils wenigstens ein Abstandsnetz, eine Elektrode und ein Diaphragma angeordnet sind, daß jeweils auf einer to Seite eines Bauteils am Diaphragma ein Stützgerüst angeordnet ist, daß die Bauteile mit den eingelegten Stützgerüsten aufeinandergestapelt und zwischen zwei Endplatten angeordntt sind, die Halbzellen mit Elektroden unterschiedlicher Polarität enthalten, Γ) wobei die eine Halbzelle aus wenigstens einem Abstandsnetz, einer Elektrode und einem Diaphragma und die andere Halbzelle aus wenigstens einem Abstandsnetz, einer Elektrode, einem Diaphragma und einem Stützgerüst besteht, und daß die Endplatten mit den Halbzellen und die dazwischen angeordneten Bauteile samt Stützgerüsten zu einem Batterieblock vergossen sind, der mit Bohrungen für die Zu- und Abführung des Elektrolyten und der Reaktanten sowie mit Stromabnehmern versehen ist.

3. Brennstoffbatterie zum Betrieb mit einem im Elektrolyten gelösten Brennstoff, aufgebaut aus Bauteilen nach Anspruch 1, wobei diese Bauteile mittels Gießharz vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bauteile enthält, bei denen auf einer Seite eines Trennbleches aufeinanderfolgend wenigstens ein Abstandsnetz, eine Elektrode und ein Diaphragma angeordnet sind, daß jeweils auf der anderen Seite des Trennbleches ein Stützgerüst und daran anschließend eine Elektrode angeordnet ist, daß die Bauteile mit den eingelegten Stützgerüsten und Elektroden aufeinandergestapelt und zwischen zwei Endplatten angeordnet sind, die Halbzellen mit Elektroden unterschiedlicher Polarität enthalten, bo wobei die eine Halbzelle aus einem Trennblech, wenigstens einem Abstandsnetz, einer Elektrode und einem Diaphragma und die andere Halbzelle aus einem Trennblech, einem Stützgerüst und einer Elektrode besteht, und daß die Endplatten mit den '>> Halbzellen und die dazwischen angeordneten Bauteile samt Stützgerüsten und Elektroden zu einem Batterieblock vergossen sind, der mit Bohrungen für die Zu- und Abführung des Elektrolyten und der Reaktanten sowie mit .Stromabnehmern verschen ist.