DE2055988B2 - Verfahren zum Abdichten des Blocks einer Brennstoffbatterie - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdichten des Blocks einer Brennstoffbatterie aus einer Stapelung von Platten (Elektroden und Trennplatten), die unter Abstand zueinander angeordnet sind, unter Aufrechterhaltung über wenigstens eines der Blockabschnitte zwischen den Platten von ZufUhrungs- und Ableitungskanälen für die Reaktanten und den Elektrolyten, wobei die öffnungen mit den entsprechenden Kammern der Brennstoffbatterie in Verbindung stehen, und auf diesen Blockabschnitt ein verfestigbares Material in die Räume zwischen den Platten über eine begrenzte Höhe ausgehend von deren Rändern vergossen wird, nachdem die öffnungen freilassende Teile, die nach dem (>·> Vergießen herausgezogen werden, eingesetzt wurden.

Ein solches Verfahren ist in der GB-PS 11 CO 600 beschrieben. Bei dem bekannten Verfahren werden die Hauptkanäle für die Gase und den Elektrolyten durch Einlegen von Stäben vor dem Vergießen hergestellt; die Elektrolyträume werden durch Einlegen später lösbarer Kerne erzeugt

Wenn Oberhaupt ist die Lösung nach der bekannten Maßnahme nur äußerst schwierig zu realisieren, da es dort erforderlich ist, die die Kanäle bildenden Stäbe aufzulösen, Die Dauer einer solchen Auflösung ist aber ganx erheblich und nimmt mehrere Stunfon in Anspruch, da das Lösungsmittel über die gesamte Länge die im Harzblock erfaßten Stäbe lösen muß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine rein mechanische Lösung für das Abdjichtungsproblem bei der Herstellung der notwendigen ;burchgangsöffnungen zwischen den Platten ohne jede; negative Beeinflussung des Katalysators zu schaffen, .

Überraschend wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens einen Trennkamm bildende Teile; mit Zähnen verwendet werden, die in die Räume zwischen den Platten eingeführt werden, wobei diese Zähne eine Höhe aufweisen, die wenigstens gleich der Gießhöhe ist; und daß dieser Trennkamm nach diesem Gießen herausgezogen wird, wobei die Grundplatte dieses Kammes aus einem nachgiebigen Material besteht und die Zähne des Kammes aus einem nachgiebigen elastischen reißfesten Material bestehen; und daß die Dicke der Zähne des Kammes geringfügig kleiner als die Breite des Zwischenraums zwischen benachbarten Platten gewählt wird, derart, daß ein Film aus verfestigbarem Material zwischen jedem Zahn und diesen Platten, wenn der Block abgedichtet wird, hergestellt wird.

Vorzugsweise weist das diesen Trennkamm bildende Material gegenüber dem isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendbaren Material die Haftung hemmende Eigenschaften auf. Es kann aus einem Siliconelastomer bestehen.

Wahlweise kann es aber auch aus einem Polyamid bestehen, das dann mit einem Überzug versehen ist, der gegenüber dem isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendbaren Material die Haftung hemmende Eigenschaften aufweist

Es wird also tatsächlich die rein mechanische Lösung erreicht Die Eintritts- und Austrittsöffnungen für die Kammern der Brennstoffbatterie brauchen nicht mehr zwischen den Elektroden und Trenngittern durch Stangen aus löslichem Material ausgespart zu werden, zumal es bei der bekannten Lösung äußerst schwierig gewesen wäre, ein lösliches Material zu finden, welches nicht zu empfindlich für die Feuchtigkeit der umgebenden Atmosphäre ist, dann aber ein Lösungsmittel zu finuen, das nicht nur ausreichend schnell wirkt, sondern bei dem auch nicht die Gefahr einer Vergiftung des Katalysators besteht, zumal die Elektroden mit stark adsorbierenden Stoffen überzogen sind.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird zudem die katalytische Aktivität der Elektrode nicht vermindert.

Zur Durchführung der Maßnahme nach der Erfindung kann es sich um ein gießfähiges Harz, beispielsweise ein Epoxidharz, ein Polyesterharz, ein Silicon handeln, wobei die Auswahl des für den Guß verwendeten Harzes nicht als begrenzend anzusehen ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verwendet man unterschiedliche Trennkämme zum Einlaß der verschiedenen Fluide in die Brennstoffbatterie sowie unterschiedliche Trennkämme zum

Auslaß dieser verschiedenen Fluide, wobei der Abstand der Zlhne jedes Kammes somit gleich dem der ZwischeneleRtrodenräume wird, in denen das diesem Kamm entsprechende Fluid zirkuliert.

Kimme können leicht ohne die Gefahr einer Beschädigung der Elektroden herausgezogen werden, sobald das zur Abdichtung dienende Vergießen abgeschlossen ist: der Zug, der ausgeübt wird, um nacheinander die Zähne loszureißen, stellt als Folgerung der Verminderung ihres Querschnittes eine Längung her.

Stellt, man den Trennkamm aus Polyamid mit dem oben erwähnten Oberzug her, so kann die Entformung aufgrund der hafthemmenden Eigenschaften erleichtert werden. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um Polytetrafluorethylen, ein Siüconöl oder auch Zinkstearat handeln, ohne daß man auf diese Stoffe begrenzt wäre.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigt in

F i g. 1 eine Elektrode zur Verwendung in einer Brennstoffbatterie;

F i g. 2 in der Kavalierperspektive eine Brennstoffbatterie während der Herstellung beim Einsetzen der Trennkämme vor dem Abdichtungsguß;

F i g. 3 einen Teilschnitt durch die Brennstoffbatterie an der Stelle, in der Form, wo das Gießen erfolgt;

Fig.4 das Herausziehen eines Trennkamms nach dem Gießen;

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

F i g. 5 eine Brennstoffbatterie, nachdem die Fluideintritts- und Austrittsleitungen an ihren Ort gebracht sind.

Nach der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform bestehen die Elektroden 2 der Brennstoffbatterie 1 aus Platten geringer Dicke, die aus drei überlagerten Schichten gebildet sind. Es sind dies eine 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 dem oxydierenden oder reduzierenden Gas ausgesetzten Seite der Elektrode bildet.-

Das Sammeln elektrischen Stroms erfolgt über Fahnen 9a, 96, 12a, 126, die fest mit der Sintermetallschicht jeder Elektrode verbunden sind, wobei diese Fahnen gegebenenfalls auf ein und der gleichen Seite so der Batterie angeordnet sein können. F i g. 2 zeigt eine Anordnung, die in einem eine Brennstoffbaterie bildenden Elektrodenstapel benutzt werden kann. Die aufeinanderfolgenden Elektroden werden unter Abstand voneinander durch Trenn- und elektrische Isolationsteile gehalten; diese Teile können aus einer Bahn isolierenden Materials oder auch, wie bei der dargestellten Ausführungsform, aus rechteckigen gewellten Platten 6 aus einem isolierenden Material bestehen und Ausschnitte oder Kerben auf den Flächen der Batterie (beispielsweise der Oberseite Fig,2) aufweisen, wo die Fluidein- und Fluidauslässe 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 sieh beispielsweise um uin Kaliumhydroxid handelt, wie durch KOH in F ί g, 2 angegeben,

Auf den Flächen der Elektroden jedes Paares, die ihren metallischen Rächen gegenüberliegen, läßt man ein reduzierendes Gas, beispielsweise Wasserstoff, für eine der beiden Elektroden, die sogenannte Wasserstoff (H2)-EJektrode 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 Wasserstoffelektroden nacheinander die Brennstoffbatterie bildenden Stapel, Dieser Stapel befindet sich zwischen zwei Endplatten 7 und 8 aus einem elektrisch isolierenden Material, wobei diese beiden Platten mechanisch untereinander durch nicht dargestellte Spanneinrichtungen verbunden sind, weiche Gewindestangen umfassen können.

Die Stroaisammlerfahnen der Luftelektroden sind elektrisch untereinander über metalltsy^e Verbindungsstangen, z. B. die Stange 10a für die Fahnen 9a und die Stange 106 für die Fahnen 96 verbunden.

In gleicher Weise sind die Stromsammlerfahnen der Wasserstoffelektroden über metallische Stangen, wie z. B. die f-jiange 11a für die Fahnen 12a und die Stange 116fürdie Fahnen 126 verbunden.

Um die Batterieherstellung mit aus mehreren in Reihe geschalteten Teiler, gebildeten Zellen zu ermöglichen, wobei der positive Pol eines Teils mit dem negativen Pol eines benachbarten Teils verbunden ist, werden, indem Stangen wie 10a, 106, 11a, 116 verwendet werden, die der Anordnung der Teile der Zelle gemeinsam sind, um mechanisch Sammlerfahnen zu tragen, deren Polarität so von einem Teil der Zelle zum benachbarten Teil sich ändert, die Stangen 10a, 106, 11a und 116 elektrisch gegen die Sammlerfahnen, die sie durchsetzen isoliert, beispielsweise mittels einer isolierenden Hülle, beispielsweise der Hülle 16 (Fig.2), die jede dieser Stangen umgibt

Die leitenden Sammlerscheiben werden zwischen den Enden- der Stangen wie beispielsweise 10a durch Flansche 19 gehalten, die beispielsweise durch Quetschen des Stangenendes geformt wurden. Ein einziger dieser Flansche ist an Ende jeder der Stangen 10a. 11a, 106 und 116 dargestellt Jede andere Art von Anschlagseinrichtungen ist selbstverständlich ebenfalls geeignet

Bei einer solchen Ausführungsform tragen die Stangen 10a, 106, Ha, 116, die nur eine mechanische Trägerrolle spielen, jedoch nicht zum Sammeln von Strom dienen, leitende Stromsammlerscheiben, die zwischen den Sammlerfahnen, welche diese Stangen durchsein, und an den Enden des Stapels 1 angeordnet sind, wobei diese Scheiben zur elektrischen Verbindung ζwischeu den Sammlerfahnen und dem elektrischen äußeren Kreis dienen.

Die Anordnung aus metallischen Stromsammlerfahnen 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 Elektrodenstapel gebildeten Blockes durch Vergießen eines elektrisch nicht leitenden, verfestigbaren Materials, beispielsweise einem Harz, herbeigeführt, indem bei diesem Vergießen die Fluidein- oder Ausläße zur Zelle zwischen ihren Elektroden mittels Trennkämmen einer besonderen Bauart ausgespart werden.

Nach den nur beispielsweise in den F i g. 2 bis 5 dargestellten Aiisführungsformen, wonach man wünscht, daß die Fluidein- und Auslässe der Zelle auf zwei sich gegenüberstehenden Rändern des Elektrodenstapels verwirklicht werden, welche keine Stromsammlerfahne umfassen, ordnet man nach der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform 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 v/ird durch eine Platte (Platten 13a, 14a, i5a) gebildet, welche mit Zähnen (Zähne 136. 14b, 156,/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 schikken wünscht.

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

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 F i g. 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, 226, 23a, 236 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 Stromsammlerfahne aufweisenden Rändern, welche durch Verbindungsstangen wie 10a, 106, Ha, 116 vereinigt sind.

Das Vergießen erfolgt über Gießlager 20a, 206, die in der Form ausgespart sind.

Ist das Vergießen über die vier Ränder des Stapels erfolgt, so präsentiert sich die Zelle in Form eines

ίο parallelepipedförmigen Blockes, wie in Fig.4 dargestellt.

Fig. 4 und 4a zeigen die Extraktionsphase eines Tcennkammes wie z. B. des Kammes 15, wenn der Rand des diesen Kamm tragenden Blockes einen Harzguß

f> empfangen hat, der die Dichtungsschicht 24 abgeschieden hat. Diese Extraktion erfolgt, indem man an der Trägerplatte 15a des Kammes 15 derart zieht, daß nacheinander die Zähne dieses Kammes freigegeben werden.

Das Herausziehen erfolgt leicht und ohne Gefahr eines Zerreißens der Harzfilme 25a, 256 (Fig. 4A) die sich beim Gießen auf den Elektrodenflächen gegenüber jedem Zahn gebildet haben, indem das Harz in den Raum geringer Dicke eindrang, welcher frei zwischen

2-. diesem Zahn und den Elektroden belassen war, wobei diese Leichtigkeit in der Extraktion erhalten wurde, indem min die Trennkämme oder wenigstens die Zähne dieser Kämme aus einem elastischen Material herstellte, wobei dieses Material hafthemmende Eigenschaften

jo aufwies oder mit einem feinen, gegenüber dem für den Gießvorgang verwendeten Harz hafthemmenden Film überdeckt wurde.

Unter diesen Bedingungen stellt sich der Zug, der ausgeübt wird, um nacheinander die Zähne jedes

η Kammes herauszuziehen, in einer Querschnittsverminderung des die Zähne bildenden Materials dar, wie bei 23 in F i g. 4A angedeutet und der Zahn, der nicht an den Harzfilmen 25a, 256 haftet, wird so leicht abgerissen.
Nach Entfernung der Trennkämme 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 (F i g. 5), die mit Einlaß- oder Auslaßrohrleitungen für die verschiedenen Fluide versehen sind, wobei diese Rohrleitungen gegenüber den Kanälen angeordnet sind, die im Block durch die Trennkämme nach der Erfindung ausgespart wurden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche;

   J_t Verfahren zum Abdichten eines Block? einer Brennstpffbatterie aus einer Stapelung von Platten (Elektroden und Trennplatten), die unter Abstand s zueinander angeordnet sind, unter Aufrechterhaltung über wenigstens eines der Blockabschnitte zwischen den Platten von Zuführung?.- und Ableitungskanälen für die Reaktanten und den Elektrolyten, wobei die öffnungen mit den entsprechenden Kammern der Brennstoffbatterie in Verbindung stehen, und auf diesen Blockabschnitt ein verfestigbares Material in die Räume zwischen den Platten über eine begrenzte Höhe ausgehend von deren Rändern vergossen wird, nachdem die öffnungen is freilassende Teile, die nach dem Vergießen herausgezogen werden, eingesetzt wurden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einen Trennkamm bildende Teile mit Zähnen verwendet werden, die in die Räume zwischen den Platten eingeführt werden, wob»i diese Zähne eine Höhe aufweisen, die wenigstens gleich der Gießhöhe ist; und daß dieser Trennkarom nach diesem Gießen herausgezogen wird wobei die Grundplatte dieses Kammes aus einem nachgiebigen Material besteht und die Zähne 2s des Kammes aus einem nachgiebigen elastischen reißfesten Material bestehen; und daß die Dicke der Zähne des Kammes geringfügig kleiner als die Breite des Zwischenraums zwischen benachbarten Platten gewählt wird, derart, daß ein Film aus verfestigbarem Material zwischen jedem Zahn und diesen Platten, wenn der Block abgedichtet wird, hergestellt wird.
2. 2. Trennkamm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekeA zeichnet, daß das diesen Kamm bildende Material gegenüber dein isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendbaren Material die Haftung hemmende Eigenschaften aufweist
3. 3. Trennkamm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Siliconelastomer besteht
4. 4. Trennkamm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Polyamid besteht, das mit einem Oberzug versehen ist, der gegenüber dem isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendbaren Material die Haftung hemmende Eigenschaften aufweist.