DE2055988A1

DE2055988A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abdichten eines Blockes aus einem Stapel von Platten, beispielsweise einer Brennstoffzelle unter Beibehaltung von Durchlaßoffnungen zwischen diesen Platten

Info

Publication number: DE2055988A1
Application number: DE19702055988
Authority: DE
Inventors: Jacques Rueil Malmaison Cheron (Frankreich)
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1969-11-13
Filing date: 1970-11-13
Publication date: 1971-05-19
Also published as: NL7016634A; CA970828A; BE758494A; GB1303307A; JPS509971B1; DE2055988B2; FR2067700A5; DE2055988C3

Description

DIPL. ING. DIETRICH LEWALD

8 MÜNCHEN 13

FÜRSTENBERGSTHASSE 2« TELEFON SO SO 14

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Äff. 1006

TSBTITXTE ERAIfCAIS DIT PETROLE DES CARBÜRAITTS ET LÜBRIEIANTS,

RUEII-MAIMAISOF/Prankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Abdichten eines Blockes aus einem Stapel von Platten, beispielsweise einer Brennstoffzelle unter Beibehaltung von Durchlaßöffnungeri zwischen diesen Platten.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das insbesondere dazu dienen soll, die Abdichtung einer Brennstoffzelle sicherzustellen, indem die Pluideinlässe und Auslässe zu dieser Brennstoffzelle ausgespart werden. Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu« Gegenstand.

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BAD ORJG)NAL

Im folgenden wird zwar Insbesondere die Anwendung der erfindu&gsgemäßen Maßnahme auf die Herstellung von Brennstoffzellen betrachtet; dem Fachmann ist jedoch klar, daß die Erfindung überall dort anwendbar ist, wo es sich darum handelt, die Abdichtung eines aus einem Stapel von Platten gebildeten Blockes sicherzustellen, wobei die Platten gegeneinander unter Abstand angeordnet sind und hierbei Durchgange öffnungen zwischen mehreren Platten auf wenigstens einem der Ränder oder Abschnitte dieses Blockes beibehalten werden.

Eine Brennstoffzelle wird gebildet durch Stapelung von Platten geringer Dicke, welche die Elektroden der Zelle bilden, wobei die Platten unter Abstand voneinander durch !Drennelemente gehalten werden, die es ermöglichen, daß zwischen zwei benachbarten Electroden Fluide strömen, welche von Fall zu Fall aus einem Elektrolyten, einem oxydierenden Gas (beispielsweise Luft oder Sauerstoff) oder einem reduzierendem Gas (beispielsweise Wasserstoff) bestehen,

Biese Elektroden sind elektrisch miteinander derart verbunden, daß eine Reihen- und/oder Parallelschaltung ermöglicht wird, wobei die Verbindung beispielsweise durch metallische Stangen herbeigeführt wird, die im übrigen dazu dienen können, die mechanische Kohäsion des Stapels dieser Elektroden sicherzustellen.

Erfindungsgemäß soll vor allem ein Verfahren vorgeschlagen werden, welches die Abdichtung des durch Stapelung der Elektroden gebildeten Blockes ermöglicht, indem die Fluidein- oder Auslässe der Brennstoffzellen zwischen ihren Elektroden ausgespart werden. Erreicht wird dies erfindungsgemäß» indem man auf jedem der Ränder des Blockes ein Isolierendes Harz in die Zwischenelektrodenräume über eine begrenzte Höhe ausgehend vom Rand dieser Elektroden vergießt, nachdem man

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Erennlcamrae an Ilireio Ort eingesetzt hat» deren Zähne in den ■Jäwiscaeiielektr-odenräumea angeordnet werden, wobei die Höhe dieser Kähne wenigstens gleich dieser Grießhöhe und ihre Breite wenigstens gleich der Burchlaßbreit© ist, die frei für jedes swisehen den Elektroden strömende Fluid gelassen werden soll.

Beim verwendeten Harz kann ©s sich um ein gießfähiges Harz hanöSLn, beispielsweise ein Epoxyharz, ein Polyesterharz, sin Silicon, wobei die Auswahl des für den Guß verwendeten Harzes nicht €twa als begrenseM ansusehen ist*

Bach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls nicht als begrenzend anzusehen ist, verwendet man unterschiedliche Treniikämine zum Einlaß der verschiedenen Fluide In die Brennstoffzelle sowie unterschiedliche Trennkämme zum Auslaß dieser verschiedenen Pluide, wobei der Abstand der Zähne jedes Kammes somit gleich dem der Zwischenelektrodearäuroe wird, in denen das diesem Kamm entsprechende Eluid zirkuliert*

Erfindungsgemäß werden insbesondere Trennkärame zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die leicht und ohne Gefahr einer Beschädigung der Elektroden herausgesehen werden können, sobald das zur Abdichtung dienende Vergießen vorgenommen wurde.

Nach eiaor bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann dies vor allem dadurch erreicht werden, daß man die Zähne der Kämme aus einem elastischen zerreißfesten Material herstellt»

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Nach, einer zweckmäßigen Ausftihrungsform der Erfindung stellt ■an die Käme aus einem Material der obenjangegebenen Art her welches hafthem«ende Eigenschaften gegenüber dem zum Gießen für die Abdichtung verwendeten Material aufweist. Beispielsweise wählt man ein Siliconelastomer.

Stellt man die Zähne der Trennkämme aus einem solchen Material her, so wird das Herausziehen der Zähne nach dem Vergießen des Harzes auf-grund der Tatsache erleichtert, daß der Zug, der ausgeübt wird, um nacheinander diese Zähne los zu reißen, sich als Verminderung Ihres Querschnittes ihre Laugung be» gleitend darstellt. Es wird jedoch auch Möglich, die Zähne der Kämme aus irgendeinem anderen nachgiebigen Material mit einer guten Zerreißfestigkeit herzustellen, beispielsweise einem plastifIfzierten Polyamid , welches in der Lage ist, sich elastisch zu längen, selbst wenn ein solches Material keine hafthemmenden Eigenschaften aufweist, und zwar dann, wenn mman die Zähne des Kamms vor dem Vergießen mit Harz mit einem Film eines Materials überzieht oder überdeckt, welches die Entformung aufgrund seiner hafthemmenden Eigenschaften erleichtert. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um Polytetrafluorethylen oder ein Siliconöl oder auch Zinkstearat handeln; dlepe Liste von das Entformen erleichternden Produkten ist auf keinen F?11 ale begrenzend anzusehen.

Beispielsweise Ausftihrungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 eine Elektrodenbauart, die In einer Brennstoffzelle verwendet werden kann, zeigt;

Fig. 2 zeigt in der Kavalier-perapektive. eine Brennstoffzelle während der Heretellung beim Einsetzen der Trennkämme, bevor der Abdichtungsguß vorgenommen wird;

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Fig. 3 ist ein Teilschnitt durch die Zelle an der Stelle, in der Form, wo äas Gießen erfolgt;

ig, 4 zeigt das Herausssiehen eines Trennkammes nach dem Gießen;

Fig. 4a ist eine vergrößerte Detailansicht der Fig. 4 und

Flg. 5 zeigt die Brennstoffzelle, nachdem die Fluideintritts- und Austritteleitungen an ihren Ort gebracht worden sind.

In dieser beispielsweise in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden 2 der Brennstoffzelle 1 Platten geringer Dicke, die aus drei überlagerten Schichten gebildet sind, nämlich einer Schicht 3 aus Sintermetall wie Nickel, die dazu bestimmt ist in Kontakt mit dem Elektrolyten zu kommen, eine Mittelschicht 4 aus pulverisiertem Kohlenstoff mit einem Oxydations- oder Reduktionskatalysator und eine mikroporöse Schicht 5, welche die Gase diffundieren läßt, jedoch eine Barriere für den Elektrolyten auf der Seite der Elektrode bildet, die dem oxydierenden oder reduzierenden Gas ausgesetzt ist.

Das Sammeln elektrischen Stroms erfolgt über Sammlerflansche 9a, 9b, 12a, 12b, die fest mit der Sintermetallschicht jeder Elektrode verbunden sind, wobei diese Flansche gegebenenfalls auf ein und der gleichen Seite der Zelle angeordnet sein können. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, die in einem eine Brenn stoffzelle bildenden Elektrodenstapel benutzt werden kann. Die aufeinanderfolgenden Elektroden werden unter Abstand voneinander durch Trenn- und elektrische Isolationselemente gehalten; diese Elemente können aus einer Bahn isolierenden Materials oder auch wie bei der dargestellten Ausführungsform aus rechteckigen gewellten Platten 6 aus einem Isolierenden

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Material bestehen und Ausschnitte oder Kerben auf den Flächen der Zelle (beispielsweise der Oberseite Pig. 2) aufweisen, wo die Fluidein- und auslasse an den Stellen vorgesehen sind, wo die Trennkämme nach der Erfindung wie weiter unten gezeigt werden wird, eingesetzt werden sollen. Die Elektroden sind paarweise einander zugeordnet, wobei jedes Paar aus zwei benachbarten Elektroden gebildet ist, deren Flächen aus gesintertem Metall einander gegenüber angeordnet sind und einen Zwischenelektrodenraum begrenzen, in dem der Elektrolyt fließt, bei dem es sich beispielsweise um eine Kaliumlösung handelt, wie durch KOH in Fig. 2 angegeben.

Auf den Flächen der Elektroden jedes Paares, die ihren metallischen Flächen gegenüberliegen, läßt man ein reduzierendes Gas, beispielsweise Wasserstoff, für eine der beiden Elektroden, die sogenannte Wasserstoff (Hp)-Elektrode und ein oxydierendes Gas, beispielsweise Luft, für die andere Elektrode dieses Paares, die sogenannte Luftelektrode, strömen. '

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Luftelektroden und der Wasserstoff elektroden nacheinander im Stapel, der die Brennstoffzelle bildet. Dieser Stapel befindet sich zwischen swei Endplatten 7 und 8 aus einem elektrisch isolierenden Material, wobei diese beiden Platten mechanisch untereinander durch nicht dargestellte Spanneinrichtungen verbunden sind, welche Gewindeetangen umfassen können.

Die Stromsammlerflansche der Luftelektroden sind elektrisch untereinander über metallische Verbindungsstangen, z.B. die Stange 10a für die Flansche 9a und die Stange 10b für die Flansche 9b verbunden.

In gleicher Weise sind die Stromsammlerflansche der Wasserptoffelektroden über metallische Stangen, wie z.B. die Stange 11a für die Flansche 12a und die Stange 11b für die Flansche 12b verbunden.

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um die Batterieherstellung mit aus mehreren in Reine geschalteten Elementen gebildeten Zellen zu ermögliche* wobei der positive Pol eines Elementes mit dem negativen Pol eines benachbarten Elementes verbunden ist, werden, indem Stangen wie 10a, 10b, 11a, 11b verwendet werden, die der Anordnung der Elemente der Zelle gemeinsam sind, tan mechanisch Sammlerflansche zu tragen, deren Polarität so von einem Element der Zelle zum benachbarten Element sich ändert, die Stangen 10a, 10b, 11a und 11b elektrisch gegen die Sammlerflansche, die sie durchsetzen isoliert, beispielsweise mittels einer isolierenden Hülle, beispielsweise der Hülle 16 (Fig. 2),, die jede dieser Stangen umgibt.

Bei einer solchen Ausftihrungsform tragen die Stangen 10a, 10b, 11a, 11b, die nur eine mechanische Trägerolle spielen, jedoch nicht zum Sammeln von Strom dienen, leitende Stromsammlerscheiben, die zwischen den Saramlerflansehen, welche diese Stangen durchsetzen, und an den Enden des Stapels 1 angeordnet sind, wobei diese Scheiben zur elektrischen Verbindung zwischen den Sammlerflanschen und dem elektrischen äußeren Kreis dienen.

Die Anordnung aus metallischen Stromsammlerflanschen und -scheiben ist Über eine elektrische (nicht dargestellte) Verbindungseinrichtung mit dem elektrischen von der Zelle gespeisten Kreis verbunden.

Erfindungsgemäß wird die Dichtung des aus dem Elektrodenptapel gebildeten Blockes durch Vergießen eines elektrisch nicht leitenden, verfestigbaren Materials, beispielsweise einem Harz, herbeigeführt, indem bei diesem Vergießen die Pluidein- oder Ausläße zur Zelle zwischen ihren Elektroden mittels Trennkämmen einer besonderen Bauart ausgespart werden.

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Nach den nur beispielsweise in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen, wonach man wünscht, daß die Fluidein- und Auslässe der Zelle auf zwei sich gegenüberstehenden . Rändern des Elektrodenstapels verwirklicht werden, welche keine Stromsammlerflansche umfassen, ordnet man nach der in Fig. 5 dargestellten Ausführungform auf jedem der Abschnitte des Stapels vor dem Gießen drei Trennkämme, z.B. die Kämme 13»14,15 (Fig. 2), die jeweils dem Durchgang des Elektrolyten, dem der Luft und dem des Wasserstoffs entsprechen, an wobei Ziel dieser Kämme darin besteht, Kanäle für jeden dieser drei Elektrolyten jeweils beim Gießen freizuhalten.

Jeder dieser Kämme wird durch eine Platte (Platten 13a, 14a, 15a) gebildet, welche mit Zähnen (Zähne 13b, 14b, 15b) besetzt ist.

Der Abstand der Zähne jedes dieser Kämme ist gleich dem der Elektrodenzwischenräume, wo ein und das gleiche Fluid entsprechend diesem Kamm zirkuliert. Die Höhe dieser Kämme ist höchstens gleich der Gießhöhe des Harzes im Zwischenelektrodenraum und ihre Breite gleich der des Durchlasses den man frei für jedes Fluid lassen will, welches zwischen den Elektroden strömt. Diese Breite wird also in jedem Fall als Funktion der Menge festgelegt, die man durch die Zelle für das Fluid entsprechend dem betrachteten Trennkamm zu schicken wünscht.

Die Dicke der Zähne wird geringfügig kleiner als die der Zwisehenelektrodenräume gewählt, in die, einerseits um ihre Einführung in diese Räume zu erleichtern, andererseits um es zu ermöglichen, daß ein sehr dünner Harzfilm beim Gießen zwischen jedem Zahn und die eich gegenüberstehenden Flächen der Elektroden zu beiden Seiten dieses Zahnes tritt, sie eingreifen sollen.

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Sind die Trennkämme an ihrem Ort auf einem der Ränder des Blockes, der dazu bestimmt ist, die Zelle 1 zu bilden, eingesetzt worden, so kann das Vergießen des Abdichtungsharzes auf diesem Rand vorgenommen werden, beispielsweise in der in Pig. 3 dargestellten Weise, indem man den Block in eine Form 26 einsetzt, in der das Niveau 21 flüssigen Harzes, welches die Gießhöhe auf dem betrachteten Rand des Blockes 1 definiert, für jeden der vier Ränder des Blockes 1 eingestellt werden kann, indem man Keile 22a, 22b, 25a, 23b verwendet.

Man sorgt so für ein Vergießen des Harzes auf jedem Abschnitt des Blockes, d.h. nicht nur auf denen, die die Kanäle für die verschiedenen Fluide aufweisen, sondern auch auf den beiden die Stromsammlerflansche aufweisenden Rändern, welche durch Verbindungsstangen wie 10a 10b, 11a, 11b vereinigt sind.

Das Vergießen erfolgt über Gießlager 20a, 20b, die in der Form ausgespart sind.

Ist das Vergießen über die vier Ränder des Stapels erfolgt, so präsentiert sich die Zelle in Form eines parallelepipedförmigen Blockes, wie in Fig. 4 dargestellt.

Fig. 4 und 4a zeigen die Extraktionsphase eines Trennkammes wie z.B. des Kammes 15, wenn der Rand des diesen Kamm tragenden Blockes einen Harzguß empfangen hat, der die Dichtungsschicht 24 abgeschieden hat. Diese Extraktion erfolgt, indem man an der Trägerplatte 15b des Kammes 15 derart zieht, daß nacheinander die Zähne dieses Kammes freigegeben werden.

Diese Extraktion erfolgt leicht und ohne Gefahr eines Zerreißen? der Harzfilme 25a_f 25b (Fig, 4A) die sich beim Gießen auf den Elektrodenflächen gegenüber jedem Zahn ge-

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bildet "haben, indem das Harz in den Raum geringer Dicke eindrang, welcher frei zwischen diesem Zahn und den Elektroden belassen war, wobei diese Leichtigkeit in der Extraktion erfindungsgemäß erhalten wurde, indem man die Trennkämiae oder wenigstens die Zähne dieser Kämme aus einem elastischen Material herstellte, wobei dieses Material hafthemmende Eigenschaften aufwies oder mit einem feinen, gegenüber dem für den ßießvorgang verwendeten Harz hafthemmenden Film überdeckt wurde,

unter diesen Bedingungen stellt sich der Zug, der ausgeübt wird, um nacheinander die Zähne jedes Kammes herauszuziehen, * in einer Querschnittsverminderung des die Zähne bildenden Materials dar, wie bei 23 in Fig. 4A angedeutet und der Zahn, der nicht an den Harzfilmen 25a, 25b haftet wird so leicht abgerissen.

Nach Entfernung der Trennkämrae werden die beiden Oberflächen des die Kanäle für die Fluide aufweisenden Blockes gleich gerichtet und man klebt oder schraubt auf jede dieser beiden Flächen die Platten 27 bzw. 28 (Fig. 5), die mit Einlaßoder AuslaSrohrleitungen für die verschiedenen Fluide versehen sind, wobei diese Rohrleitungen gegeriiber den Kanälen angeordnet sind, die im Block durch die Trennkämme nach der Erfindung ausgespart wurden.

Patentansprüche

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Claims

• 11-Patentansprüclie

Ί, Verfahren zur Herstellung der Abdichtung eines aus einem Stapel unter Abstand zueinander angeordneter Platten gebildeten Blocks, in dem Durchgangsöffnungen zwischen mehreren Platten auf weiiigetens einem der Ränder dieses Blockes belassen werden, dadurch gekennzeichnetj daß auf diesem Abschnitt des Blockes ein in den Bäumen zwischen diesen Platten-verfestigbares Harz über eine begrenzte Höhe ausgehend von deren Rändern vergossen wird, nachdem wenigstens ein Trennkamm eingesetzt wurde, der dazu bestimmt ist, diese Durchgangsöffnungen zu bewahren, wobei der Kamm Zähne aufweist, die in die Räume zwischen den Platten eindringen, wobei diese Zähne eine Höhe wenigstens gleich der der Grießhöhe und eine Breite gleich der der aufrecht zu erhaltenden Durchlaßöffnungen aufweisen; und daß man nach dem Gießen diesen Trennkamm herauszieht.

(2^ Verfahren zur Herstellung der Abdichtung einer Brennstoffzelle, indem die Fluidein- und Auäässe dieser Brennte t off zelle ausgespart werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einem der Abschnitte des Blocks, der durch Stapelung der Elektroden der Brennstoffzelle gebildet wird, ein isolierendes in den Elektrodenzwischenräumen verfeetigbares Material über eine begrenzte Höhe ausgehend von einem Rand der Elektroden vergossen wird, nachdem Trennkämme eingesetzt wurden, die dazu bestimmt sind, die Hin- und Auslässe der Fluide der Brennstoffzelle zu bewahren, wobei die Kämme. Zähne besitzen, die in die Zwischenelektrodenräume eindringen und diese Zähne eine Höhe wenigstens gleich der Gießhöhe aufweisen und ihre Breite wenigstens gleich der Durchgangsbreite ist, die für jedes Fluid freigelassen werden muß, welches zwischen den Elektroden aufließt;

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- 12 - und daß nan diese Irennkäiime nach dieses Vergießen herauszieht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man für dieses Vergießen ein Epoxyharz verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man für dieses Vergießen ein Polyesterharz verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß «an für dieses Vergießen ein Silicon verwendet.

f 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Gießen die Zähne dieses Trennbamraes mit einen das Entformen erleichternden Produkt überdeckt.

7. Vorrichtung sur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch gekennzeichnet durch wenigstens einen Trennkamm, dessen Zähne aus eine« nachgiebigen elastischen gegen Zerreißen beständigen Material gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch soviel Trennkämme wie in der Zelle für verschiedene Fluide auszusparende Einlasse und Auslässe vorhanden sind.

" 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das diesen Kamm bildende Material hafthemmende Eigenschaften gegenüber diesem isolierenden, verfestigbaren für jeden Gießvorgang,verwendeten Material aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Trennkamm aus einem Siliconelastomer besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Trennkamm aus einem Polyamid besteht, welches von einer gegenüber diesem isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendeten Material hafthemmenden Masse tiberdeckt ist.

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12. Vorrlehtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zähne dieses Kammes geringfügig kleiner als die Breite des Intervalls zwischen benachbarten Platten gewählt ist.

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