DE2129187A1

DE2129187A1 - Brennstoffbatterie aus einer mehrzahl von brennstoffelementen

Info

Publication number: DE2129187A1
Application number: DE2129187A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Strasser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-11
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1973-01-04
Also published as: FR2140664A1; GB1358243A; JPS566111B1; DE2129187B2; FR2140664B1; DE2129187C3

Description

SIEMENS AKTIEIiGESEILSCHAFT Erlangen, den 9.6.1971 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeichen:· YPA 71/7549 Bh/Koe

Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen, die einzeln von Kunststoffrahmen umschlossen sind, zur Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten.

Brennstoffelemente mit beidseitig eines Stützgerüstes ange- · ordneten Elektroden sind bereits aus der französischen Patentschrift 1 419 577 bekannt. In dem französischen Zusatzpatent 89 422, Zusatz zum obengenannten Patent, ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Stützgerüst wenigstens an einer Seite mit einer im elektrolytgetränkten Zustand gasdichten, ionenleitenden Deckschicht zu versehen. Das Stützgerüst und die Elektroden werden hierbei meistens in einem Rahmen aus Kunststoff eingebettet, über den durch Einzelbohrungen die Elektrolytflüssigkeit dem Stützgerüst bzw. die Reaktanten den Elektroden zugeführt werden können. Zur Abdichtung der Deckschichten sowie der in einer Brennstoffbatterie vereinigten und mittels Bolzen zusammengespannten Brennstoffelemente werden dabei meistens Rundschnurringe verwendet.

Es hat sich nun gezeigt, daß beim Betrieb von Brennstoffelementen und insbesondere von Brennstoffbatterien mit in Kunststoffrahmen eingegossenen Stützgerüsten und/oder Elektroden infolge von thermischen und mechanischen Druckbelastungen Deformierungen zu befürchten sind, so daß Spannungsrisse auftreten können und der Kunststoff für die Elektrolytflüssigkeit bzw. die Reaktanten durchlässig werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Brennstoffelemente bzw. die Brennstoffbatterie bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen oberhalb 8O⁰G, betrieben werden!

• 209881 /0242

, VPA 71/7549.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen, die einzeln von Kunststoffrahmen umschlossen sind, zur Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten weiter zu verbessern. Insbesondere sollen die bei den bisher bekannten Brennstoffbatterien infolge von; thermischen und mechanischen Druckbelastungen auftretenden Schwierigkeiten, die aus Undichtigkeiten resultieren, vermieden werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zum Aufbau von Bauteilen Asbestdiaphragmen am Rand in Aussparungen der Kunststoffrahmen eingeklebt sind, die sowohl Hauptkanäle als auch Versorgungskanäle für die Reaktanten und den Elektroly-

" ten aufweisen^ daß zwei solche:- Bauteile zur Bildung einer Baueinheit spiegelbildlich zueinander angeordnet und miteinander verklebt sind, wobei zwischen den Diaphragmen ein Stützgerüst angeordnet ist, daß an den vom Stützgerüst abgewandten Seiten der Diaphragmen pulverförmiges, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtes Katalysatormaterial angeordnet ist, das durch Abstandsnetze abgestützt ist, daß zwischen je zwei Baueinheiten jeweils ein am Rand mit einem Elastomeren umpreßtes Kontaktblech angeordnet ist/ wobei die Elastomerenschicht mit öffnungen für die Hauptkanäle für die Reaktanten und die Elektrolytflüssigkeit versehen und mit den Kunststoffrahmen der beiden Baueinheiten verklebt ist, und daß an den Batterieenden, jeweils nach einem Kontaktblech, Endplatten

W angeordnet sind. ·

Bei der Brennstoffbatterie nach der Erfindung treten keine Schwierigkeiten durch Undichtigkeiten mehr auf. Durch die konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie,, den Aufbau aus einzelnen Baugruppen, ist sowohl die Dichtigkeit der Grasräume untereinander und gegenüber den Elektrolyträumen als auch die Abdichtung der Gas- und Elektrolyträume gegenüber der Umgebung gewährleistet. Das Umpressen der Kontaktbleche mit einer Elastomerenschicht hat den Vorteil, daß sowohl unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen Metall und Kunststoff als auch Dickentoleranzen der Einzelteile durch diesen elastischen Puffer ausgeglichen werden können. Durch die in Filterpressentechnik aufeinandergestapelten Baugruppen

209 88 1/0242 _ ₃

YPA 71/7549

und das Verkleben dieser Baugruppen untereinander entsteht eine vollkommen geschlossene, dichte Brennstoffbatterie. Die Öffnungen in den Elastomerenschichten sind dabei so angebracht, daß sie mit den entsprechenden Kanälen in den Kunststoffrahmen fluchten, so daß beim Zusammenbau der Brennstoffbatterie nebeneinanderliegende und voneinander getrennte Hauptkanäle für die Reaktanten und die Elektrolytflüssigkeit entstehen und zwar sowohl zu deren Zuführung als auch zur Ableitung.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie sind die Versorgungskanäle für die Reaktanten vorteilhaft in Form von schrägen Aussparungen in die Kunststoffrahmen eingearbeitet. Dadurch können die Strömungswiderstände in den Gasversorgungskanälen auf ein Minimum beschränkt werden.

Weiterhin können bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie die Endplatten vorteilhaft aus Metall bestehen, das mit einem Kunststoffüberzug versehen ist, und gekrümmt sein, wobei die Endplatten in der Brennstoffbatterie so angeordnet sind, daß die Krümmung zum Batterieinneren hinweist. Durch die vorgegebene Krümmung der Endplatten wird erreicht, daß nach Zusammenbau der Batterie .auf jedes einzelne Flächenelement innerhalb der Batterie ein gleichmäßiger Anpreßdruck ausgeübt wird, was insbesondere bei den Elektroden wichtig ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß beim Zusammenpressen von Brennstoffbatterien mit Hilfe von Zugbolzen, was am Rand der Endplatten erfolgt, auf die einzelnen Flächenelemente ein unterschiedlicher Anpreßdruek ausgeübt wird, weil sich die Endplatten unter dem ausgeübten Druck verformen und in der Mitte nach außen durchbiegen. Durch die vorgeförmte Krümmung der Endplatten können diese Schwierigkeiten vermieden werden.

Anhand einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen Teilschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie.

In Aussparungen von Kunststoffrahmen 1, die mit 24 bezeichnet sind, sind Asbestdiaphragmen 2 eingeklebt. Die Klebeflächen sind mit 3 bezeichnet. Die Asbestdiaphragmen, die im flüssigkeitsgetränkten Zustand gasdicht sind, dienen zur Trennung der ■

2 0 9 8 8 1/0242

VPA 71/7549

" Elektrolyträume von den Gasräumen. Die Asbestdiaphragmen dienen weiterhin als elektrische Isolatoren.· Die Kunststoffrahmen 1 bestehen.vorzugsweise aus Preßmassen auf Epoxidharzbasis. Die Kunststoffrahmen enthalten sowohl Hauptkanäle als auch Versorgungskanäle zur Zu- und Abführung der Reaktanten und der Elektroly tflüssigkeit. Aus der Figur ist ein Elektrolythauptkanal-, der mit 4 bezeichnet ist, und ein Elektrolytversorgungskanal 6 ersichtlich. Mit 5 ist ein Hauptkanal für eines der Reaktionsgase bezeichnet. Wie aus den.Darstellungen für die Hauptkanäle 4 und 5 klar hervorgeht, ist die 5¹XgUr kein Schnitt in einer Ebene, sondern der Schnitt ist so gelegt, daß sowohl ein Elektrolythauptkanal als auch ein Hauptkanal für einen Reaktanten ersichtlich ist. Entsprechendes gilt für die Versorgungskanäle. Der Elektrolytversorgungskanal 6 verbindet den Hauptkanal 4 mit dem Elektrolytraum 15 eines Brennstoffelementes. Ein Gasversorgungskanal 7 verbindet den Hauptkanal 5 für das entsprechende Reaktionsgas mit einem Gasraum 16. Je zwei Bauteile aus einem Kunststoffrahmen mit angeklebtem Asbestdiaphragma sind spiegelbildlich zueinander angeordnet und miteinander verklebt. Die Klebeflächen sind mit 8 angedeutet. Zwischen den Diaphragmen 2 sind jeweils Stützgerüste 9 angeordnet, die die Diaphragmen gegen den Gas- und Kontaktdruck abstützen. Die Stützgerüste füllen gleichzeitig die Elektrolyträume aus. An den den Stützgerüsten abgewandten Seiten der Diaphragmen sind Elektroden in Form- von pulverfö'rmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln ver-. festigtem Katalysatormaterial angeordnet. Als Bindemittel " können dabei sowohl Asbestfasern als auch Kunststoffbindemittel verwendet werden. Die Elektroden, die mit 10 bzw. 11 bezeichnet sind, werden durch Abstandsnetze -12 abgestützt. Zwischen Baueinheiten, die jeweils aus zwei Stütznetzen 12, zwei Elektroden 10 und 11, zwei Diaphragmen 2, einem Stützgerüst 9 und zwei Kunststoffrahmen 1 bestehen, ist jeweils ein Bauteil aus einem am Rand mit einem Elastomeren umpreßten Kontaktblech 14 angeordnet. Die Elastomerenschicht 15 dieses Bauteils ist beidseitig mit den Kunststoffrahmen der genannten Baueinheiten verklebt. Die Klebestellen sind mit 17 bezeichnet. Die Elastomerenschichten sind mit Öffnungen versehen, die als Hauptkanäle sowohl für die Elektrolytflüssigkeit als auch die Reaktanten dienen. Die öffnung 25 ist Bestandteil eines Elektrolythauptkanals,- die öffnung 26 bildet einen Teil eines der Hauptkanäle., für ,einen der gasförmigen Reaktanten. ^ ^ _? ^ /_{Q m} ; f ΤΓ

VPA 71/7549

Die Versorgungskanäle zum Elektrolytraum 18 und zu den Gasräumen 19» 20 und 21 sind in dem in der Figur dargestellten Schnitt durch die Brennstoffbatterie nicht ersichtlich. Mit 22 ist schematisch ein Teilschnitt einer gekrümmten Endplatte gezeigt. Die Endplatte besteht aus Metall, beispielsweise aus Stahl. Sie ist mit einem Kunststoffüberzug 23» beispielsweise aus einem Elastomeren, überzogen. Die Bohrungen in der Endplatte sind ebenfalls mit diesem,Kunststoff überzogen. Der Kunststoffüberzug der metallischen Endplatte dient zur elektrischen Isolierung. Die Krümmung der Endplatte ist zum Batterieinneren hin gerichtet.

Durch Aufeinanderstapelung der einzelnen Baugruppen, d.h. der genannten Bauteile aus Kontaktblech und Elastomerenschicht und der genannten Baueinheiten (aus Stütznetzen, Elektroden, Diaphragmen, Stützgerüst und Kunststoffrahmen) wird eine Brennstoffbatterie gebildet. Sämtliche Brennstoffelemente sind über die Kontaktbleche, in die vorteilhaft Hohlräume für die .Gasversorgung eingeprägt sind, in Reihe geschaltet. Die Kontaktbleche trennen jeweils die Gasräume, d.h. den Wasserstoffraum vom Sauerstoffraum des jeweiligen Brennstoffelementes.

Vor dem Umpressen des Kontaktbleches mit dem Elastomeren kann das Kontaktblech in ein Harz, beispielsweise Epoxidharz, als Haftvermittler eingetaucht werden, dann wird das Harz vorgehärtet und anschließend mit dem Elastomeren verpreßt. Als Kontaktbleche werden vorteilhaft Nickelbleehe mit eingeprägten Hohlräumen oder Strömungskanälen für die Reaktanten verwendet.

Die Kunststoffrahmen bestehen, wie bereits ausgeführt, vorzugsweise aus einer Preßmasse auf Epoxidharzbasis. Die verwendete Klebemasse ist vorzugsweise eine Klebemasse auf Epoxidharzbasis. Das verwendete Elastomere ist vorzugsweise ein Elastomeres auf Epichlorhydrinbasis.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie aus einzelnen Baugruppen kann sinngemäß auch auf Brennstoffbatterien übertragen werden, bei denen ein Reaktant in der Elektrolytflüssigkeit gelöst ist, beispielsweise auf Hydrazln/Luft- oder Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffbatterien.

3 Patentansprüche '2 09881/0242 1 Pigur

Claims

VPA 71/7549

Paten t anspräche

njj Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen, die einzeln von Kunststoffrahmen umschlossen sind, zur Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau von Bauteilen Asbestdiaphragmen am Rand in Aussparungen der Kunststoffrahmen eingeklebt sind, die sowohl Hauptkanäle als auch Versorgungskanäle für die _oReaktanten und den Elektrolyten aufweisen, daß zwei solche. Bauteile zur Bildung einer Baueinheit spiegelbildlich zueinander angeordnet und miteinander verklebt sind, wobei zwischen den Diaphragmen ein Stützgerüst angeordnet ist, daß an , ' den dem Stützgerüst abgewandten Seiten der Diaphragmen pulverförmiges, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtes Katalysatormaterial angeordnet ist, das durch Abstandsnetze abgestützt ist, daß zwischen je zwei Baueinheiten jeweils ein am Rand mit einem Elastomeren umpreß.tes Kontaktblech angeordnet ist, wobei die Elastomerenschicht mit Öffnungen für die Hauptkanäle für die Reaktanten und die Elektrolytflüssigkeit versehen und mit den Kunststoffrahmen der beiden Baueinheiten verklebt ist, und daß an den Batterieend en, jeweils nach einem Kontaktblech, Endplatten angeordnet sind.

2, Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungskanäle für die Reaktanten in Form von

" schrägen Aussparungen in die Kunststoffrahmen eingearbeitet sind. ' ' ^x

3. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten aus Metall bestehen, das mit einem Kunststoffüberzug versehen ist, und daß sie gekrümmt sind, wobei "die Endplatten in der Brennstoffbatterie so angeordnet sind, daß die. Krümmung zum Batterieinneren hinweist, im Sinne der Ausübung eines.gleichmäßigen Anpreßdrucks nach Zusammenbau der Batterie. .. . '

209 8 8 1 /02