DE2055988C3 - Verfahren zum Abdichten des Blocks einer Brennstoffbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /um Abdichten des Blocks einer Brennstoffbatterie aus einer Stapelung von Platten (Elektroden und Trennplatten), die unter « Abstand zueinander angeordnet sind, unter Aufrechterhaltimg über wenigstens eines der Blockabschnitte zwischen den Platten von /uführungs- und Ableitungs kanälen für die Reaktanten und den Elektrolyten, wobei die öffnungen mit den entsprechenden Kammern der &o Brennstoffbatterie in Verbindung stehen, und auf diesen Blockabschnitt ein verfestigbares Material in die Räume zwischen den Plätten 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 00 600 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 überhaupt 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 ganz erheblich und nimmt mehrere Stunden in Anspruch, da das Lösungsmittel über die gesanru; Länge die im Harzblock erfaßten Stäbe lösen muß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine rein mechanische Lösung für das Abdichtungsproblem bei der Herstellung der notwendigen Durchgangsöffnungen zwischen den Platten ohne jf>de 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 Ma'erial bestehen; und daß die Dicke άτ Zähne des Kammts 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 Üben, ij» 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 Plektroden und Trenngittern durch Stangen aus löslichem Material ausgespart zu werden, zumal es bei der bekannten Lösung äußerst schwierig gewesen wäre, ein lösliches Material /u finden, welches nicht /u empfindlich für die Feuchtigkeit der umgebenden Atmosphäre ist. dann aber ein Lösungsmittel zu fip'len, 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 vermin den.

Zur Durchführung der Maßnahme nach der Erfindung kann es sich um ein gießfähiges Har/, beispielsweise ein Epoxidharz, ein Polyesterharz, ein Silicon handeln, wobei die Auswahl des für¹ den düß 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 Trennkäfnme zum

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

Kämme können leicht ohne die Gefahr einer s 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 Überzug her, so kann die Entformung aufgrund der hafthemmenden Eigenschaften erleichtert werden. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um Polytetrafluorethylen, ein Siliconöl oder auch Zinkstearat handeln, ohne daß man auf diese Stoffe begrenzt wäre.

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

Fig.! είπε Elektrode zur Verwendung in einer Brennstoffbatterie;

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

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

Fig.4 das Herausziehen eines Trennkamms nach dem Gießen; jo

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

Fig. 5 eine Brennstoffbatterie, nachdem die Fluideintritts und Austrittsleitungen an ihren Ort gebracht sind.

Nach der in den Fig. 1 und 2 dargestellten a Ausführungsform bestehen die Elektroden 2 der Brennstoffbatterie 1 aus Platten geringer Dicke, die aus drei überlagerten Schichten gebildet sind, ['s sind dies eine Schicht 1 aus Sintermetall wie Nickel, die dazu bestimmt ist. in Kontakt mit dem Elektrolyten /u kommen, t.ne Mittelschicht 4 aus pulverisiertem Kohlenstoff mit einem Oxydations- oder Reduktionskatalysator und eine mikroporöse Schicht 5. welche die Gase diffundieren läßt, jedoch eine Barriere fur den Elektrolyten auf der dem oxydierenden oder reduzie- 4> renden Gas ausgesetzten Seite der Elektrode bildet.

Das Sammeln elektrischen Stroms erfolgt über Fahnen 9a. 9b. 12a. 126. die fest mit der Sintermetailschicht jeder Elektrode verbunden sind, wobei diese Fahnen gegebenenfalls auf ein und der gleichen Seite vi der Batterie angeordnet sein können. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, die in einem eine Brennstoffbatene bildenden i-'lektrodenstapel benutzt werden kann. Die aufeinanderfolgenden Elektroden werden unter Abstand voneinander durch Trenn- und elektrische « Isolationsteilc gehalten, diese Teile können aus einer Bahn isolierenden Materials oder auch, wie bei der dargestellten Ausführungsform, aus rechteckigen ge wellten Platten 6 aus einem isolierenden Material bestehen und Ausschnitte oder Kerben auf den Flächen «i der Batterie (beispielsweise der Überseite 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 Zwischeneiektrodenraum begrenzen, in dem der Elektrolyt fließt, bei dem es sich beispielsweise um ein Kaliumhydroxid handelt, wie durch KOH in F ι f. 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 (Hj)- Elektrode und ein oxydierendes Gas, beispielsweise Luft, für die andere Elektrode dieses Paares, die sogenannte Luftelektrode, strömen.

F i g. 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 Spanneiririchtungen verbunden sind, welche Gewindestanger, umfassen können.

Die Sfornsammlerfahnen der l.uftelektruden sind plektrisch untereinander über met· '..sehe Verbindungszapfen. /. B. die Stange JOa für die fvhnen 9a uut die Stange 106 für die ^ahnen 96 verbunden.

In gleicher Weise sind die Stromsammlerfahnen der Wasserstoffelektroden über metallische Stangen, v.,e z. B. d~ Stange 11a f'jr die Fahnen 12a und die Stange 116fur die Fahnen 126 verbunden.

I im die Batterieherstellung mit aus mehreren in R.?ihe geschalteten Teilen gebildeten Zellen zu ermöglichen, wobei der positive Pol eines Teils mit oem negativen Pol eines benachbarten Teils verbunden ist. werden, indem Stangen wie 10a 106, Wa. 116 verwendet werden, die der Anordnung der Teile der Zelle gemeinsam sind, um mechanisch Sammlerfahnen zu tragen, deren Polarität so von einem Teil tier 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 Hül'e. beispielsweise der Hülle 16 (Fig. 2), die jede dieser Stangen umgibt.

Die leitenden Sammlerseheiben werden zwischen den Er.den der Stangen wie beispielsweise 10a durch Flansche 19 gehalten, die beispielsweise durch Quetschen des Stangenendes geformt wurden. Fin einziger dieser Flansche ist an Ende jeder der Stangen 10a. 11a. 106 und 116 dargestellt |ede andere Are von Anschlagseinrichtungen ist selbstverständlich ebenfalls geeignet.

Bei einer solchen Ausführungsform tragen die Stangen 10a. 106. Ua. 116. die nur eine mechanische Trägerrolle spielen, jedoch nicht zum Sammeln von Strom dienen, leitende Stromsammlerscheiben, die zwischen den Sammie.'fahnen, welche diese Stangen durt!,setzen, und an den Enden des Stapels 1 angeordnet sind, wobei diese Scheiben zur elektri'.chen Verbindung zwischen den Sammlerfahneiv 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 dts aus dem Elektrodenstapel gebildeten Blockes durch Vergießen eines elektrisch nicht leitenden, verfestigbaren Materials, beispielsweise ßinem Harz, herbeigeführt, indem bei diesem Vergießen die Fluidein- oder Ausläße zur Zelle zwischen ihren Elektroden mittels Trennkämmen einer besonderen Bauart atiSEesoart werden.

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 Elekirodenslapels verwirklicht werden, weiche keine Slromsammlcrfahne umfassen, ordnet man nach der in Fig. 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 wird durch eine Platte (Platten l3a, 14λ, I5a^ gebildet, welche mit Zähnen (Zähne 130, 146.156,/beselztist.

Der Abstand der Zähne jedes dieser Kämme ist gleich dem der Eleklrodenzwischenräume, 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 dünner 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 Fig.3 dargestellten 4ö 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 Slromsammlcrfahnc aufweisenden Rändern, weiche durch Verbindungsslangcn wie 10a, 106,1 la, 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 parallelepipedförmigen Blockes, wie in Fig.4 dargestellt.

Fig.4 und 4a zeigen die Extraktionsphasc 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 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 Elektrodcnflächen gegenüber jedem Zahn gebildet 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 erhalten wurde, indem man die Trennkämme oder wenigstens die Zähne dieser Kämme aus einem elastischen Material herstellte, wobei dieses Material haflhemmende Eigenschaften 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 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)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abdichten eines Blocks einer Brennstoffbatterie aus einer Stapelung von Platten (Elektroden und Trennplatten), die unter Abstand zueinander angeordnet sind, unter Aufrechterhaltung Ober wenigstens eines der Blockabschnitte zwischen den Platten von Zuführungs- 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 ΐΐ 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, woi-?i diese Zähne eine Höhe aufweisen, die wenigstens gieich der Gießhöhe ist: und daß dieser Trennkamm nach diesem Gießen herausgezogen wird wobei die Grundplatte dieses Kammes aus einem nachgiebigen Material besteht und die Zahne 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, wenr der Block abgedichtet wird, hergestellt wird.

2. Trennktmm zur Burchfül.rung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurai {^kennzeichnet, daß das » diesen Kamm bildende Materi-I gegenüber dem isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendbaren Material die Haftung hemmende Eigenschaf ten aufweist.

3. Trennkamm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Siliconelastomer besteht.

4. Trennkamm nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Polyamid besteht, das mit einem Überzug versehen ist. der gegenüber dem 4ί isolierenden verfestigbaren für jeden Guß verwendbaren Material die Haftung hemmende Eigenschaf ten aufweist.