DE2026219B2 - Wasserabreicherungseinheit in filterpressenbauweise fuer brennstoffbatterien - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Wasserabreicherungseineit in Filterpressenbauweise zum Entfernen des eaktionswassers aus dem Elektrolytkreisiauf einer rennstotfbatterie mit Wasserabreicherungszellen aus inem Elektrolytraum, wenigstens einem vom Elektro-'traum durch ein Asbestdiaphragma getrennten Gasäum und einer an den Gasraum angrenzenden ühlbaren Fläche. ^S

Beim Betrieb von Brennstoffbatterien mit Wassertoff oder wasserstoffhaltigen Verbindungen als Reakanten entsteht Reaktionswasser, das den Elektrolyten der Brennstoffbatterie verdünnt und daher aus dem Elektrolyten entfernt werden muß.

Durch die österreichischen Patentschriften 2 77 341 und 2 77 342 sind Wasserabreicherungszellen bekannt, die aus einem in den Elektrolytkreislauf der Brennstoffbatterie eingeschalteten Elektrolytraum, wenigstens einem Gasraum und einer an den Gasraum angrenzenden kühlbaren Fläche bestehen. Der Elektrolyiraum ist bei diesen bekannten Wasserabreicherungszellen vom Gasraum durch ein Diaphragma getrennt, das aus porösem Asbestpapier bestehen kann. Die Wasserabreicherung erfolgt in diesen Zellen in der Weise, daß das Wasser durch das Asbestdiiiphragma aus dem den Elektrolytraum durchströmenden Elektrolyten in den Gasraum verdampft und an der an den Gasraum angrenzenden kühlbaren Fläche kondensiert und abgeschieden wird. Das Wasser sammelt sich im Gasraum und wird aus diesem über eine geeignete Schleuse entfernt. Der hydrostatische Druck des Elektrolyten wird dabei durch den Gasdruck im Gasraum bzw. den Kapillardepressionsdruck im Asbestdiaphragma kompensiert, so daß kein Elektrolyt in den Gasraum übertreten kann. Bei einer weiteren Ausführungsform dieser bekannten Wasserabreicherungszellen besteht auch die kühlbare Fläche, die in diesem Fall mit einem Flüssigkeitsstrom gekühlt ist, aus einem porösen Diaphragma. Bei dieser Ausführungsform wird das aus dem Elektrolyten verdampfte und durch den Gasraum diffundierte Wasser an der porösen kühlbaren Fläche kondensiert und unmittelbar durch die Poren dieser Fläche in die Kühlflüssigkeit gedrückt. Das Wasser wird dabei mit der Kühlflüssigkeit abgeführt, so daß zur Ausschleusung des Wassers keine speziellen Vorrichtungen erforderlich sind.

Ferner wurde bereits vorgeschlagen (vgl.: DT-OS 20 22 098), bei Wasseirabreicherungszellen aus einem Elektrolytraum, einem von diesem durch ein Diaphragma getrennten Gasraum und einer kühlbaren Fläche, den Gasraum durch eine weitere poröse Fläche in zwei Teüräume aufzuteilen- Der zwischen der weiteren porösen Fläche und der nichtporösen kühlbaren Fläche liegende Teilraum des Gasraumes bildet dabei einen Kondensatraum. Der aus dem Elektrolyten durch das Diaphragma in den Gasraum diffundierte Wasserdampf wird bei diesen Wasserabreicherungszellen an der weiteren porösen Fläiche kondensiert, das gebildete Wasser wird infolge des Gasdruckes im Gasraum durch die weitere poröse Fläche in den Kondensatraum gedruckt und von dort abgeführt.

Um derartige Wasserabreicherungszellen zu Wasserabreicherungseinheiten für Brennstoffbatterien zusammenzubauen, kann man von der sogenannten Filterpressentechnik Gebrauch machen, bei welcher mehrere Wasserabreicherungszellen zu einem Stapel angeordnet und mit Hilfe von Schraubenbolzen zwischen Endplatten zusammengepreßt werden. Die Elektrolyt-, Gas- und Kühlmittelleitungen durchsetzen dabei den gesamten Stapel. Bisher wurden zu diesem Zweck die Einzelteile der Wasserabreicherungszellen, insbesondere die Asbestdiaphragmen, in Kunststoffrahmen eingebaut, in welche die entsprechenden Zuleitungen zu den Gas- und Elektrolyträumen eingearbeitet waren. Diese Kunststoffrahmen wurden durch eingelegte Rundschnurringe aus Gummi oder Kunststoff gegeneinander bzw. gegen plattenförmige Bauteile abgedichtet.

Die bisherige Filterpressenbauweise ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet, die sich insbesondere bei Wasserabreicherungseinheiten für Brennstoffbat-

terien mil großer Leistung im Bereich von einigen Kilowatt bemerkbar machen. Zur wirksamen Wasserentfernung aus dem Elektrolytkreislauf solcher Brennstoffbatterien ist eine möglichst große Verdampfungsfläche für das Wasser erforderlich. Beim Bau der Wasserabreicherungseinheiten müssen daher in der Regel eine Vielzahl von Wasserabreicherungszellen zu einer Wasserabreicherungseinheit zusammengefaßt werden. Die Verwendung von Kunststoffrahmen, beispielsweise von Plexiglasrahmen, für solche Wasserabreicherungseinheiten ist wegen des zur Herstellung der Kunststoffrahmen und zum Einbau der Asbestdiaphragmen erforderlichen Arbeitsaufwandes kostspielig und zeitraubend. Durch die Vielzahl der erforderlichen Dichtungselemente, beispielsweise Rundschnurringe, die mit erheblichem Arbeitsaufwand zwischen die Kunststoffrahmen eingelegt werden müssen, kann insbesondere bei Wasserabreicherungseinheiten aus einer Vielzahl von Wasserabreiciierungszellen die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden, insbesondere bei Wasserabreicherungseinheiten aus sehr vielen Wasserabreicherungszellen ist ferner zur Verkleinerung des Batterievolumens anzustreben, daß die einzelnen Wasserabreicherungszellen möglichst dünn sind. Dem sind jedoch durch die Kunststoffrahmen Grenzen gesetzt, da die Kunststoffrahmen wegen der erforderlichen Festigkeit eine gewisse Mindestdicke nicht unterschreiten können.

Aus der Schweizer Patentschrift 4 56 704 ist eine Brennstoffbatterie rr.it mehreren plattenförmigen, an den Randzonen miteinander gasdicht verbundenen Einzelteilen bekannt, bei welcher jeweils mehrere benachbarte Einzelteile zu Modulelementen zusammengefaßt sind, wobei die Einzelteile eines Modulelementes an den Randzonen miteinander verklebt oder verschweißt sind. Die Modulelemente werden dabei durch Brennstoffzellen, Gasraumzellen und Wasserabreicherungszellen gebildet, die aneinandergereiht die Brennstoffbatterie bilden. Die Brennstoffzellenmodulelemente der bekannten Brennstoffbatterie weisen zwei plattenförmige Gasdiffusionselektroden auf, die eine mit Elektrolyt getränkte feinfaserige Schicht einschließen. Die Gasdiffusionselektroden bestehen dabei aus porösen Sinterkörpern, deren Randzonen durch Pressen zu einem mechanisch stabilen, gas- und flüssigkeitsdichten Rahmen verdichtet sind. Beim Zusammenbau werden auf die Randzonen der plattenförmigen Einzelteile mehrfach Elastomerschichten aufgebracht, dann wird verpreßt. Zum Aufbau der Wasserabreicherungsmodulelemente werden Wassertransportmembranen in Abdichtrahmen angeordnet und beidseitig mit Abstützplatten versehen. Daran werden dann Rahmenelemente angeordnet, die die Gas- und Elektrolyträume ausbilden. Abdichtrahrnen, Abstützplatten und Rahmenelemente bestehen aus Kunststoff und werden beim Zusammenbau der Wasserabreicherungsmodulelemente miteinander verschweißt oder verklebt. Die Wasserabreicherungsmodulelemente enthalten demnach mehrere Rahmen, die gegeneinander abgedichtet werden müssen. Sie weisen deshalb im wesentlichen die Nachteile auf, auf die vorstehend bereits hingewiesen wurde. Die Brennstoffzellenmoduleleinente der bekannten Brennstoffbatterie weisen den weiteren Nachteil auf, daß eine zuverlässige Abdichtung nach außen nicht gewährleistet ist. In diesen Modulelementen ist nämlich der Elektrolytträger nicht nach außen abgedichtet, so daß die Elektrolytflüssigkeit zumindest ausblühen kann. Die Verwendung flüssiger Elektrolyte anstelle der Elektrolytlräger dürfte deshalb auch wohl ausgeschlossen sein.

Aus der DT-AS 12 38 08J sind Elektroden aus Preßoder Sinterkörpern für Brennstoffelemente bekannt, die eine Randeinfassung aus einem thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Diese Randeinfassung umgibt die Elektrode, erfüllt die Randporen der Elektrodenkante, reicht mindestens einseitig über die Elektrodenfläche hinaus und weist Dichtungsflächen auf. Abgesehen

ίο davon, daß hierbei bei der Aufeinanderstapelung Kunststoffteile gegeneinander abdichten müssen, verlangen derartige Elektroden zwar offensichtlich keine besonderen Dichlungselemente, zur Abdichtung der Elektrolyt- bzw. Gasräume sind aber wohl auch hierbei

'5 Dichtungselemente unentbehrlich. Dasselbe trifft im Prinzip für die aus der GB-PS 9 58 839 bekannter Elektroden zu. Darüber hinaus ist bei dem aus dieser Patentschrift bekannten Elektrodenaufbau nicht ersichtlich, wie eine Abdichtung nach außen dann erreichl werden kann, wenn beispielsweise poröse Gasdiffusionselektroden verwendet werden.

Auch bei der aus der CH-PS 3 84 047 bekannte!] Brennstoffbatterie ist nicht ersichtlich, wie eine zuverlässige Abdichtung nach außen erreicht werden soll. Bei dieser Brennstoffbatterie kann ein sogenanntes Tragorgan, welches entweder ganz aus Elektrolyt besteht oder ein poröses, mit dem Elektrolyter imprägniertes Material ist, am Rand mit einer nichtporösen Leiterschicht versehen sein, welche al;

.10 Dichtungselement zwischen benachbarten Organer dient. Da hierbei eine Abdichtung der Tragorgane nach außen nicht vorgesehen ist, ist deshalb zumindest bei dei Verwendung wäßriger Elektrolyte ein Austreten dei Elektrolytflüssigkeit aus dem Tragorgan nicht zi

.'S verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasserabreiche rungseinheit in Filterpressenbauweise der eingang; genannten Art mit Wasserabreicherungszellen au; einem Elektrolytraum, wenigstens einem vom Elektro lytraum durch ein Asbestdiaphragma getrennten Gas raum und einer an den Gasraum angrenzender kühlbaren Fläche derart auszubilden, daß die mit der bisher verwendeten Kunststoffrahmen verbundener Nachteile entfallen. Insbesondere sollen Dichtungsring< möglichts vermieden und ein möglichst dünner unc einfacher Aufbau der Wasserabreicherungseinheit er möglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Asbestdiaphragma eine in der Dicke verstärkte elektrolytundurchlässige und gasdichte Randzone auf weist, die zur Abdichtung von Elektrolyt- und Gasraun gegen benachbarte Flächen gepreßt ist, daß die in dei Dicke verstärkte Randzone des Asbestdiaphragmas au; drei Schichten aufgebaut ist, daß die mittlere, di< Fortsetzung des zentralen Teils des Asbestdiaphragma; bildende Schicht mit einem elektrolytbeständiger Mehrkomponentenkunstharz getränkt und mit dei beiden äußeren Schichten verklebt ist, daß die beider äußeren Schichten mit einem weicheren, elektrolyse

»J ständigen Kunststoff gefüllt sind und daß in die beidei äußeren Schichten die Zuführungskanäle zum Elektro lyt- und zum Gasraum eingearbeitet sind.

Durch den bei der Filterpressenbauweise durch dii Schraubenbolzen ausgeübten Preßdruck dichten die ii

^h5 der Dicke verstärkten Randzonen der Asbestdiaphrag men die Gas- und Elektrolyträume der Wasserabreiche rungszellen hervorragend nach außen ab, so dal irgendwelche zusätzliche Dichtungselemente, wie Dich

tungsringe, nicht mehr erforderlich sind.

Die bisher erforderlichen Kunststoffrahmen entfallen völlig, da die in der Dicke verstärkten, elektrolytundurchlässigen und gasdichten Randzonen der Asbestdiaphragmen an die Stelle der Rahmen treten. Damit entfallen gleichzeitig alle bisher durch die Kunststoffrahmen verursachten Beschränkungen bezüglich eines möglichst dünnen Aufbaus der einzelnen Wasserabreicherungszellen der Wasserabreicherungseinheit. Außerdem wird der Aufbau der Wasserabreicherungseinheit wesentlich vereinfacht.

Die Wasserabreicherungszellen können vorteilhaft je zwei Gasräume aufweisen, zwischen denen sich der Elektrolytraum befindet. Der Elektrolytraum kann dabei von beiden Gasraumen durch je ein Asbestdia- |₅ phragma mit in der Dicke verstärkter, elektrolytundurchlässiger, gasdichter Randzone gelrennt sein. Durch diesen Aufbau, bei dem der Elektrolytraum beidseitig durch Asbestdiaphragmen begrenzt ist, wird eine große Verdampfungsfläche innerhalb jeder Wasserabreicherungszelle erzielt.

Wenn die an den Gasraum angrenzende kühlbare Fläche in an sich bekannter Weise eine poröse Fläche ist, kann sie ebenfalls vorteilhaft ein Asbestdiaphragma mit in der Dicke verstärkter, elektrolytundurchlässiger _2J und gasdichter Randzone sein, in welche Kanäle für das Kühlmittel zur Kühlung der kühlbarcn Fläche eingearbeitet sind. Eine derartige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wasserabreicherungseinheit bietet den Vorteil, daß die kühlbare Fläche aus billigem Material hergestellt und darüber hinaus leicht, flexibel und bruchbeständig ist. Ferner ergeben sich hierbei Vereinfachungen in fertigungstechnischer und baulicher Hinsicht sowie bezüglich einer zuverlässigen Abdichtung, da im wesentlichen lediglich ein einziges Material, ^₅ nämlich Asbest, verwendet wird.

Bei Wasserabreicherungszellen, bei denen, wie bereits vorgeschlagen, der Gasraum durch eine poröse Fläche in zwei Teilräume geteilt ist, so daß ein eigener Kondensatraum entsteht, kann diese poröse Fläche ebenfalls ein Asbestdiaphragma mit in der Dicke verstärkter, clektrolytundurchlässiger und gasdichter Randzonc sein. Hierbei ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß nicht nur auf eine spezielle Vorrichtung zur Ausschleusung des Kondensationswassers verzichtet werden kann, sondern daß darüber hinar.s der Elektrolytkrcislauf vom Kühlmittel vollständig getrennt ist. Deshalb kann bei möglichen Betriebsstörungen keine Elektrolytflüssigkeit in das Kühlmittel übertreten und es wird auch verhindert, daß es bei einem Stillstand der Anlage zu einer Umkehrung der Diffusionsrichtung kommt, wodurch die Elcktrolytflüssigkeit in unerwünschtem Maße verdünnt würde.

Der Aufbau der in der Dicke verstärkten Randzonen der Asbestdiaphragmen aus drei Schichten bietet den Vorteil, daß hierbei die einzelnen Teile der Asbestdiaphragmen zunächst getrennt bearbeitet werden können, wodurch insbesondere die Herstellung der Zuführungskanälc vereinfacht wird. Durch das Mchrkomponcntenktinstharz wird die Randzonc der mittleren Schicht elektiolytuntlurchläisig und gasdicht. Gleichzeitig dient clas Mehrkomponentenkunstharz zum Verkleben der mittleren Schicht mit den beiden äußeren Schichten. Indem nach dem Verkleben das Mchrkomponcntcnkunsthurz ausgehärtet wird, wird eine ausgezeichnete, (^ dichte Klebeverbindung mit den beiden äußeren Schichten erreicht. Gleichzeitig wird die mittlere Schicht so verfestigt, daß sie beim Zusammenpressen der einzelnen Teile der Wasserabreicherungseinheit nicht in die Zuführungskanälc hineingedrückt werden kann, die in den beiden äußeren Schichten vorgesehen sind. Da die äußeren Schichten mit einem weicheren Kunststoff gefüllt sind, können sie sich beim Zusammenpressen etwas verformen, so daß die Abdichtungswirkung noch weiter verbessert wird.

Als Mehrkomponentenkunstharze eignen sich insbesondere elektrolytbeständigc Epoxidharze. Als weichere clektrolytbeständige Kunststoffe für die äußeren Schichten kommen insbesondere Polytetrafluoräthylen oder Polyvinylchlorid in Frage.

Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele sollen die erfindungsgemäße Wasserabreicherungseinheit und die mit ihr verbundenen Vorteile noch näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wasserabreicherungseinheit,

Fig.2a bis 2c zeigen die einzelnen Schichten der Asbestdiaphragmen für die Wasserabreicherungseinheit nach Fig. 1,

F i g. 3 zeigt ein weiteres Einzelteil der Wasserabreicherungseinheit nach F i g. 1,

F i g. 4 und 5 zeigen schematisch im Schnitt Teile von weiteren beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wasserabreicherungseinheit.

Die in F i g. 1 dargestellte Wasserabreicherungseinheit besteht aus zwei Wasscrabreicherungszellen 1 und 2. Jede Wasserabreicherungszelle enthält einen Elektrolytraum 3, der sich zwischen zwei Gasräumen 4 und 5 befindet. Vom Gasraum 5 ist der Elektrolytraum 3 durch ein Asbestdiaphragma 6, vom Gasraum 4 durch ein Asbestdiaphragma 7 getrennt. An jeden der Gasräume 4 und 5 grenzen kühlbare Flächen 8, beispielsweise Nickelbleche, an. Zwischen den beiden einander gegenüberstehenden kühlbarcn Flächen 8 der Wasserabrcichcrungszellen I und 2 und zwischen den endständigen kühlbarcn Flächen 8 und den Endplatten 9 der Wasserabreicherungseinheit sind Kühlräume 10 vorgesehen. Diese Kühlräume können von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durchströmt werden, das zur Kühlung der kühlbarcn Flächen 8 dient. Die Wasserabrcicherungszellen sind zu einem Stapel angeordnet und werden mil Hilfe von Schraubenbolzen 11 zwischen den beiden Endplattcn 9 zusammengepreßt. Die Endplatten S können beispielsweise aus Plexiglas oder glasfaserver stärktem Epoxidharz oder aus Metall bestehen. Die einzelnen Räume der Wasserabreicherungszellen kön ncn mit Metall oder Kunststoffnetzen ausgelegt sein, die als Abstandhalter insbesondere zwischen den Asbest diaphragmcn dienen. Im Eicktrolytrnum der Wasser übrcichcrungszcllcn 2 ist ein solches Netz ^dargestellt

Die den Elcktroiytraum 3 von den Gasraumen 4 und ί trennenden Asbestdiaphragmen 6 und 7 weisen jewcili eine in der Dicke verstärkte Rnndzonc auf, die aus dre Schichten 13,14 und 15 besteht. Die Reihenfolge diese Schichten ist beim Asbestdiaphragma 7 gegenüber den Asbestdiaphragma 6 umgekehrt. Die Schichten sine verkleinert und in Draufsicht in den Fig.2a bis 2i dargestellt. Fig. 1 zeigt diese Schichten im Schnit entlang der Linie l-l. Die mittlere Schicht 14 de verstärkten Randr.onc bildet die Fortsetzung de zentralen Teiles 16 des jeweiligen Asbestdiaphragma! InFi g. 2b ist dieser zentrale Teil durch die unterbrochc nc Linie 17 von der Randzonc abgegrenzt. Die äußcrci Schichten 13 der Rnndzoncn der Asbestdiaphragmc

umschließen jeweils einen der Gasräume 4 und 5. Die äußeren Schichten 15 der beiden benachbarten Asbestdiaphragmen 6 und 7 umschließen gemeinsam den Elektrolytraum 3.

Zur Abdichtung der Kühlräumc 10 sind rahmenartige Dichtungselemente 18, beispielsweise aus mit Kunststoff gefülltem Asbest, vorgesehen. Ein solches Dichtungselement ist verkleinert in Draufsicht in F i g. 3 dargestellt.

Die Randzonen 13,14 und 15 der Asbestdiaphragmen 6 und 7, das Dichtungselement 18 und, soweit erforderlich, die Endplatten 9 sind mit Löchern versehen, die bei zusammengesetzter Wasserabroicherungseinheit den Stapel durchsetzende Leitungen zur Zu- und Abführung des Elektrolyten, des Gases, des Kühlwassers und des dem Elektrolyten entzogenen Wassers bilden.

Der wasserhaltige Elektrolyt, beispielsweise Kalilauge, wird über den hinter den Kopf eines Schraubenbolzens 11 in F i g. 1 sichtbaren Rohrstutzen 19 der Leitung zugeführt, die durch die Löcher 20 gebildet wird. Er tritt durch die Kanäle 21, die jeweils in den Schichten HS der Randzonen der Asbestdiaphragmen vorgesehen sind, in die Elektrolyträume 3 der einzelnen Wasserabreicherungszellen ein, durchströmt diese parallel und tritt nach Absicherung des Wassers durch die in den Schichten 15 der Randzonen der Asbestdiaphragmen vorgesehenen weiterer Kanäle 22 in die durch die Löcher 23 gebildete Leitung ein und wird durch diese aus der Wasserabreicherungseinheit abgeführt. Das Wasser diffundiert in den Elektrolyträumcn 3 aus dem heißen Elektrolyten durch die Asbestdiaphragmen 6 und 7 in die Gasräume 4 und 5 und wird an den gekühlten Flächen 8 kondensiert. Um den Elektrolytdruck im Elektrolytraum 3 auszugleichen und ein Eindringen des Elektrolyten in die Gasräumc 4 und 5 zu vermeiden, werden diese Gasräume unter einem leichten Überdruck, beispielsweise von 0,4 atü gehalten. Zu diesem Zweck wird den Gasräumen über die durch die Löcher 24 gebildete Leitung und die in den Schichten 13 der Randzonen der Asbestdiaphragmen vorgesehenen Kanäle 25 ein Gas, beispielsweise Sauerstoff oder Wasserstoff zugeführt. Das in den Gasräumen kondensierte Wasser tritt durch die Kanäle 26 in den Schichten 13 der Randzonen der Asbestdiaphragmen in die durch die Löcher 27 gebildete Sammelleitung ein und wird über den Rohrstutzen 28 und eine geeignete Schleuse aus der Wasscrabteichcrungseinhcit entfernt. Das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, wird der Wasserabreicherungseinhcit über den hinter dem Kopf eines Schraubenbolzen 11 sichtbaren Rohrstutzen 29 zugeführt und tritt über die durch die Löcher 30 gebildete Leitung und den im Dichtungselement 18 vorgesehenen Kanal 31 in die Kühlräumc IQ ein, durchströmt diese parallel und wird über die in den Dichtiingsclcimcntcn 18 vorgesehenen Kanäle 32 und die durch die Löcher 33 gebildete Leitung über den Rohrstutzen 34 aus der Wasserabreichcrungseinhcit abgeführt. Die Löcher 35 dienen für die Schraubenbolzen 11.

Der in F·" i g. 2b dargestellte mittlere Teil der Asbestdiaphragmen 6 und 7 kann aus bindcmittclfreicm Asbestpapier bestehen, das beispielsweise nach dem in der FR-PS 15 56 744 angegebenen Verfahren aus mit Kalilauge vorbehandeln Asbestfasern hergestellt und zur Verfestigung bei Temperaturen um etwa 450⁰C getempert sein kann. Der in Fig.2b dargestellte mittlere Teil des Asbestdiaphragmas kann aber auch ein Kunststoffbindemittel enthalten, sofern er dadurch seine hydrophilen Eigenschaften nicht verliert und noch ausreichend porös bleibt, um eine gute Diffusion des aus dem Elektrolyten verdampfenden Wassers zu ermöglichen. Besonders geeignet ist als Bindemittel ein Butadien-Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat. Die Nitrilgruppen werden dabei zur Hydrophilierung des Diaphragmas vorteilhaft im fertigen Diaphragma mittels Kalilauge zu hydratisierbaren Carboxylgruppen verseift. Der Anteil dieses Bindemittels kann 6 bis 15

ίο Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Asbestes, betragen. Auch andere Bindemittel, wie beispielsweise Chloropren in Mengen von 0,5 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Asbestes, sind geeignet. Verfahren zur Herstellung dieser bindemittelhaltigen Asbestdiaphragmen und weitere geeignete Bindemittel sind in der FR-PS 15 46 172 beschrieben.

Die in den F i g. 2a und 2c dargestellten Teile des Asbestdiaphragmas bestehen aus Asbestmaterial, das mit einem verhältnismäßig weichen, elektrolytbeständigen Kunststoff gefüllt ist. Insbesondere sind Polytetrafluoräthylen und Polyvinylchlorid geeignet. Der Kunststoffanteil kann beispielsweise etwa 10 Gew.-%, bezogen auf das Asbestgewicht, betragen. Für das in F i g. 3 dargestellte Dichtungselement 18 eignet sich das gleiche Material. Zur Herstellung können beispielsweise Asbestfasern mit Kunststoffpulvern oder -emulsionen vermischt und anschließend durch Heißpressen oder Abfiltieren und Trocknen ausgeformt werden.

Zur Herstellung der Asbestdiaphragmen mit in der Dicke verstärkten Randzonen kann vorteilhaft folgendermaßen vorgegangen werden. Zunächst werden in die äußeren Schichten 13 und 15 die Kanäle 21,22,25 und 26 eingearbeitet, beispielsweise eingestanzt. Gleichzeitig können auch in die in den F i g. 2a bis 2c dargestellten Teile die erforderlichen Löcher eingestanzt werden. Das Einstanzen der Löcher kann aber auch erst am fertigen Asbestdiaphragma erfolgen. Die durch die unterbrochene Linie 17 begrenzte Randzonc der mittleren Schicht 14 wird dann mit einem elcktrolytbeständigcn Mehrkomponentenkunstharz, beispielsweise einem handelsüblichen Epoxidharz, getränkt. Dabei ist darauf zu achten, daß keine die Randzonc durchsetzenden freien Wege verbleiben, die die Gasdichtigkeit und Elektrolytdichtigkeit der Randzone beeinträchtigen könnten. Das Tränken der Randzone kann durch Tauchen in das Epoxidharz, durch Bestreichen mit dem Epoxidharz oder auch durch Einbringen des Epoxidharzes in anderer Weise, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, erfolgen. Nach dem Tränken der Randzone der miulcrcr Schicht 14 mit Epoxidharz werden die Schichten 13,1Ί und 15 aufeinandergelegt. Dann wird das Epoxidhan bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Nach den Aushärten sind die Schichten 13, 14 und 15 durch dm

5S Epoxidharz elektrolyt- und gasdicht miteinander ver klebt.

Die fertigen Asbestdinpliragmcn 6 und 7 mit in de Dicke verstärkter Randzone werden dann mit dei kühlbarcn Flachen 8 und den Dichtungsclemcntcn 18 zi einem Stapel aufgeschichtet, Gegebenenfalls werdci gleichzeitig in die Elektrolyt-, Gas- und Kühlrüume dii Netze 12 eingelegt. Der fertige Stapel wird zwischei den Endplattcn 9 mit Hilfe der Schraubenbolzen 1 zusammengepreßt. Dnbci werden die verstärkte!

ds Randzonen der Asbestdiaphragmen 6 und 7 fcs gegeneinander bzw. die kühlbarcn Flächen 8 gedrück und dichten die Elektrolyt- und Gnsrttumc de Wasscrabrcichcrungscinheit völlig elektrolyt- und gas

dicht nach außen ab.

Wie bereits erwähnt, können durch diese Bauweise die einzelnen Wasserabreicherungszellen sehr dünn ausgebildet werden. Der Abstand der Diaphragmen 6 und 7 voneinander bzw. von den kühlbaren Flächen 8 kann beispielsweise 0,3 bis 0,5 mm betragen. Die mittleren Schichten 14 der Asbestdiaphragmen und die kühlbaren Flächen 8 können beispielsweise etwa 0,15 bis 0,3 mm dick sein. Der zentrale Teil 16 der Asbestdiaphragmen kann beispielsweise Volumenporositälen zwischen etwa 20 und 80% haben.

Wie bereits erwähnt, können bei der erfindungsgemäßen Wasserabreicherungseinheit auch die kühlbaren Flächen aus Asbestdiaphragmen mit verstärkten Randzonen bestehen. Ein Teil einer solchen Wasserabreicherungseinheit, der aus einem Elektrolytraum 3, zwei Gasräumen 4 und 5 und zwei Kühlräumen 10 besteht, ist in F i g. 4 dargestellt. Die dem Ausführungsbeispiel nach F i g. I entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Die auf beiden Seiten der Kühlräume 10 vorgesehenen kühlbaren Flächen sind Asbestdiaphragmen 40 und 41 mit verständen Randzonen, die jeweils aus den Schichten 42, 43 und 44 bestehen. Die Reihenfolge dieser Schichten ist bei dem Asbestdiaphragma 41 umgekehrt wie bei dem Asbestdiaphragma 40. Die verstärkten Randzonen 42 der Asbestdiaphragmen 40 und 41, die zusammen die Kühlräume 10 umgeben, entsprechen in ihrer Form dem in Fig.3 dargestellten Dichtungselement. Die Schichten 44 der verstärkten Randzonen der Asbestdiaphragmen 40 und 41, die zusammen mit den benachbarten Schichten 13 der Randzonen der Asbestdiaphragmen 6 und 7 die Gasraume 4 und 5 umschließen, entsprechen in ihrer Form den in Fig.2a dargestellten Schichten 13. Die mittleren Schichten 43 der Asbestdiaphragmen 40 und 41 entsprechen in ihrer Form der in Fig. 2b dargestellten mittleren Schicht 14. Die Elektrolyt-, Kühlwasser- und Gaszufuhr erfolgt in gleicher Weise wie bei der Wasscrabrcicherungseinhcit nach F i g. 1. Lediglich das an den kühlbaren Flächen 40 und 41 kondensierte Wasser wird nicht über die Kanäle 26 und die durch die Löcher 27 gebildete Leitung aus der Wasserabreicherungseinheit abgeführt. Dieses Wasser diffundiert vielmehr durch die Diaphragmen 40 und 41 in die Kühlräumc 10 ein und wird mit der Kühlflüssigkeit über die Kanäle 32 und die durch die Löcher 33 gebildete Leitung aus der Wasserabreicherungseinheit abgeführt. Um ein Austreten von Wasser über die Kanüle 26 uiid die durch die Löcher 27 gebildete Leitung zu vermeiden, kann diese Leitung mit einem entsprechenden Ventil verschen werden, das nur eine schwache Strömung des Druckgases durch die Gasräume 4 und 5 erlaubt. Gegebenenfalls können die Kanüle 26 und die Löcher 27 auch völlig entfallen. Die Asbestdiaphragmen 40 und 4H werden durch Zusammenkleben der entsprechenden Teile in gleicher Weise hergestellt wie die Asbestdiaphragmen der Wasserabreicherungseinheit nach Fig. 1. Abgesehen von den Endplattcn ist die in F i g. 4 dargestellte Wasserabreicherungseinheit vollständig aus Asbestdiaphragmen mit verstärkten Rnndzonen aufgebaut.

Ein Teil einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der erfindungisgemäßen Wasserabreicherungseinheit ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Teil, der einen «, durch Asbestdiaphragmen 6 und 7 begrenzten Eleklroiytraum 3 und eine durch nicht poröse kühlbare Flächen 8, beispielsweise Metallbleche, begrenzte Kühlkammer 10 aufweist, ist der Gasraum durch ein Asbestdiaphragma 50 mit verstärkten Randzonen in zwei Teilräume 51

ίο und 52 aufgeteilt. Für der F i g. 1 entsprechende Bauteile sind in F i g. 5 die gleichen Bezugsziffern verwendet wie in Fig. I. Der Teilraum 51 des Gasraumes entspricht dem Gasraum 4 bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Der Teilraum 52 dient als Kondensatraum. Das am Asbestdiaphragma 50 kondensierende Wasser wird durch dieses Asbestdiaphragma in den Kondensatraum 52 gedrückt und von dort aus der Wasserabreicherungseinheit abgeleitet. Die verstärkte Randzone des Asbestdiaphragmas 50 besteht aus drei Schichten 53,54 und 55. Die Schicht 53 umschließt zusammen mit der Schicht 13 des Astbestdiaphragmas 7 den Gasraum 51. Die Schicht 55 umschließt den Kondensatraum 52 und wird gegen die kühlbare Fläche 8 gepreßt. Zur Abführung des Wassers aus dem Kondensatraum 52 ist in der Schicht 55 der Randzone des Asbestdiaphragmas 50 ein Wasserabführungskanal vorgesehen, der in dem in Fig.5 dargestellten Schnitt nicht sichtbar ist. Dieser Wasserabführungskanal mündet in eine durch eine zusätzliche Lochreihe in den Randzonen der Asbestdiaphragmen und in den kühlbaren Flächen 8 gebildete Leitung. Abgesehen von dieser Leitung entsprechen die einzelnen Schichten der Randzonen der Asbestdiaphragmen wiederum den in den Fig.2a bis 2c dargestellten Schichten. Damit das kondensierte Was-

j5 scr nicht aus dem Gasraum 51 über die Kanäle 26 und durch die durch die Löcher 27 gebildete Leitung aus der Wasserabreicherungseinheit austreten kann, werden zweckmäßig die bereits beim Ausführungsbeispiel nach Fig.4 erläuterten Maßnahmen ergriffen. In den Kondensatraum 52 kann ferner als Abstandhalter ein Net/, eingelegt werden. Durch ein solches sowohl das Diaphragma 50 als auch die kühlbare Fläche 8 berührendes Netz wird gleichzeitig die Kühlung des als Kondensationsflächc dienenden Diaphragmas 50 infol-

ge der Wärmeleitung über das Netz verbessert.

Die erfindungsgemäße Wasserabreicherungseinheit kann gegenüber den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen vielfach abgewandelt werden Statt einer quadratischen Form kunn beispielsweise eine

andere rechteckige, eine viclcckige oder eine runde Form gewühlt werden. Statt zweier Gusrüume kann jedem Elektiolytrnum mich nur einseitig ein Gnsraum zugeordnet sein. Die Wasserabreicherungseinheit eignet sich sowohl für Brennstoffbatterien, die mil gasförmigen wnsserstoffhiiltigen Brennstoffen betrieben werden, als auch für Brennstoffbatterien, die mil flüssigen wasscrstoffhnltigen Brennstoffen betrieben werden, die gegebenenfalls dem Elektrolyten beigemischt sein können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   !. Wasserabreicherungseinheit in Füterpressenbauweise zum Entfernen des Reaktionswassers aus dem Elektrolytkreislauf einer Brennstoffbatterie mit Wasserabreicherungs2ellen aus einem Elektrolytraum, wenigstens einem vom Elektrolytraum durch ein Asbestdiaphragma getrennten Gasraum und einer an den Gasraum angrenzenden kühlbaren Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Asbestdiaphragma eine in der Dicke verstärkte, elektrolytundurchlässige und gasdichte Randzone aufweist, die zur Abdichtung von Elektrolyt- und Gasraum gegen benachbarte Flächen gepreßt ist, daß die in der Dicke verstärkte Randzone des Asbestdiaphragmas aus drei Schichten aufgebaut ist, daß die mittlere, die Fortsetzung des zentralen Teils des Asbestdiaphragmas bildende Schicht mit einem clektroiy(beständigen Mehrkomponentenkunstharz getränkt und mit den beiden äußeren Schichten verklebt ist, daß die beiden äußeren Schichten mit einem weicheren, elektrolytbeständigen Kunststoff gefüllt sind und daß in die beiden äußeren Schichten die Zuführungskanäle zum Elektrolyt- und zum Gasraum eingearbeitet sind.
2. 2. Wasserabreicherungseinheit nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserabreicherungszellen je zwei Gasräume aufweisen, zwischen denen sich der Elektrolytraum befindet, und daß der Elektrolytraum von beiden Gasräumen durch je ein Asbestdiaphragma mit in der Dicke verstärkter, elektrolytundurchlässiger, gasdichter Randzone getrennt ist.
3. 3. Wasserabreicherungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Gasraum angrenzende kühlbare Fläche ein Asbestdiaphragma mit in der Dicke verstärkter, elektrolytundurchlässiger und gasdichter Randzone ist, in welche Kühlmittelkanäle eingearbeitet sind.
4. 4. Wasserabreicherungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum durch ein Asbestdiaphragma mit in der Dicke verstärkter, elektrolytundurchlässiger und gasdichter Randzone in zwei Teilräume geteilt ist.
5. 5. Wasserabreicherungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrkomponentenkunstharz ein elektrolytbeständiges Epoxidharz ist.
6. 6. Wasserabreicherungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weichere, elektrolytbeständige Kunststoff Polytetrafluoräthylen oder Polyvinylchloridist.