DE2129187B2 - Brennstoffbatterie aus einer mehrzahl von brennstoffelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie zur Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten aus einer Mehrzahl einzeln von Kunststoffrahmen umschlossener Brennstoffelemente mit einem zwischen Asbestdiaphragmen angeordneten Stützgerüst, pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtem Katalysatormaterial an den vom Stützgerüst abgewandten Seiten der Asbestdiaphragmen und Abstandsnetzen zur Abstützung des Katalysatormaterials.

Brennstoffelemente mit beidseitig eines Stützgerüstes angeordneten Elektroden sind bereits aus der französischen Patentschrift 14 19 577 bekannt. In dem französischen Zjsatzpatent 89 422, Zusatz vom obengenannten Patent, ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Stützgerüst wenigstens an einer Seile mit einer im elektrolytgetränkten Zustand gasdichten, ionenleitenden Deckschicht zu versehen (vgl. auch die österreichischen Patentschriften 2 66 948 und 2 74 081). Das Stützgerüst und die Elektroden werden hierbei meistens in einem Rahmen aus Kunststoff eingebettet, über den durch Einzelbohrungen die Hlektrolytflüssigkeit dem Stützgerüst bzw. die Reaktanten den Elektroden zugeführt werden können. Zur Abdichtung der Deck· schichten sowie der in piner Brennstoffbatterie vereinigten und mittels Bolzen zusammengespannten Brennstoffelemente werden meistens Rundschnurringe ver wendel.

Aus der Schweizer Patentschrift 4 56 704 ist eine Brennstoffbatterie mit mehreren plattenförmigen, an den Ramizonen miteinander gasdicht verbundenen Einzelteilen bekannt, bei der jeweils benachbarte Einzelteile zu Modulelementen zusammengefaßt sind, wobei die Einzelteile eines Modulelementes an den Randzonen miteinander verklebt oder verschweißt sind. Die Modulelemente sind an den Randzonen ferner mit Lochungen versehen, die Kanäle zur Zu- und Abführung der beteiligten Medien bilden. Die Modulelemente werden durch Brennstoffzellen, Gasraumzellen und Wasserentzugszellen gebildet, die aneinandergereiht die Brennstoffbatterie bilden. Dazu sind die Modulelemente an den Randzonen mit einem elastischen Dichtungsmaterial beschichtet, das nach der Montage der Batterie zur gegenseitigen Abdichtung der Modulelemente dient. Der Zusammenbau erfolgt dabei in der Weise, daß die einzelnen Modulelemente mit Hilfe von Spannbolzen gegeneinandergepreßt werden.

In der bekannten Batterie sind bei den Brennstoffzellenmodulelementen keine Kunststoffrahmen vorgesehen. Die Brennstoffelemente weisen vielmehr lediglich zwei plattenförmige Gasdiffusionselektroden auf, die eine mit Elektrolyt getränkte feinfaserige Schicht einschließen. Die Gasdiffusionselektrodcn bestehen dabei aus porösen Sinterkörpern, deren Randzonen durch Pressen zu einem mechanisch stabilen, gas- und flüssigkeitsdichten Rahmen verdichtet sind. In diese Randzonen sind auch die Lochungen für die beteiligten Medien eingearbeitet. Die bekannte Batterie weist deshalb den Nachteil auf, daß bei den Brennstoffzellenmodulelementen eine zuverlässige Abdichtung nach außen nicht gewährleistet ist. Hierbei ist nämlich der Elektrolytträger zwischen den Elektroden bis nach außen durchgezogen und nicht gegenüber der Umgebung abgedichtet, so daß die Elektrolytflüssigkeit zumindest ausblühen kann. Es können hierbei also weder flüssige Elektrolyte verwendet werden, noch können Pulverelektroden, d. h. aus pulverförmigem Material bestehende Elektroden, eingesetzt werden.

Es hat sich ferner 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 [ fiii[niiiuncii, beispielsweise Hi-i I i-t iipcr .ι 111

_ri-ii oberhalb WvC, betrieben werden

Aufgabe (lcr ΓΙ r f 111 ί 111 ϊ ι ^- ist es, eine Brennstoffbatterie der eingangs genannten Λιι /πι ! !insei/ung von gasförmigen Kraktaiiieu und einen· flüssigen llektiolv U-n aus von Kunststoff ahmen umschlossenen

UrtTinstoffelemeiilcii mn einem /wischen Asbestdia phragnien angeordneten Slü!/ge:usl. pnlverfo ungern Katalysalorinaleiial und Ahstandsnet/eri weiier /ii vt-rlii-SM-r i. Insbesondere sollen die hei den bisher bekannten Brcnnsiolfhallericii infolge von !heimischen und inechiinisclien Druckbclostungen ,iiilireienden Schwierigkeiten du· ;ms Hndichiigkeilen resultieren, vermieden werden.

Dies wild erfmdiingsgemai.l dadurch erreicht, dall /um Aufbau vmi llauleilen die Asbesldiaphiagmeu am Hund in Aussparungen der Kunststoffrahmen einge klebt sind, die sowohl I laiiptkanale ;»';, auch Versor giiritfskaniile für die ReakJanlen und den Fleklrolylen aufweisen, daß zwei solche Bauteile zur Bildung einer Baueinheit spiegelbildlieh zueinander angeordnet und an ilen Kunststoffrahmen miteinander verklebt sind, wobei /wischen den Asbesidiaphragmen innerhalb der verklebten Kunststoffrahmen das Stützgerüst und an den davon abgewandten Seiten der Ashestdiaphragmen das durch das Abslaiulsnel/ abgestützte Katalysaloi ma tcrial angeordnet ist, daß /wischen den Abslandsnet/en von je zwei aiieinander angeordneten Kaueinheiten jeweils ein am Kami mit einem Elastomeren ui;,prellies Kontaklblech angeordnet ist, wobei du- Ilaslomeren schicht mit Öffnungen für die llauplkanäle fur die Reaktanlen und den I lektrolyteu versehen und mil den Kunststoffrahmen der beiden benachbarten Baiiemhei ten verklebt ist, dall an den Batleneenden jeweils ein einsprechendes Kontaktbleeh mit dem Kunststoffrad men der endständigen Baueinheit verklebt ist, dall an diesen Koiitaklblechen jeweils eine aus mit einem Kunststoffüberzug versehenen Metall bestehende Endplatte angeordnet ist und dall die Bohrungen in den Endplalten mit Kunststoff überzogen sind.

Hei der Brennstoffbatterie nach der Erfindung treten keine Schwierigkeiten durch Undichtigkeiten mehr auf. Durch die konstruktive Ausgestaltung der erfindungs gemiUkn Brennstoffbatterie, den Aufbau ims einzelnen Baugruppen, ist sowohl die Dichtigkeit der C.asiäume untereinander und gegenüber ilen F.lekirolylraumeii als auch die Abdichtung der das und Elektrolyiräume gegenüber der Umgebung gewährleistet. Das Umpressender Kontaklbleche mit einer Elastomerenschichl hat den Vorteil, dall sowohl unterschiedliche Würmeaus dehiHingen zwischen Metall und Kunststoff als auch Diekentoleianz.en der Einzelteile durch diesen elasli sehen Puffer ausgeglichen weiden können, Durch die in Filterpressentechnik aufeinanderges'apellen Baugrup pen und das Verkleben dieser Baugruppen untereinander entsteht ein vollkommen geschlossene, dichte Itrennsloffballene. Die Öffnungen in den Elastomeren schichten sind dabei so angebracht, dal.l sie mit den entsprechenden Kanülen in den Kunststoffrahmen fluchten, so dall heim Zusammenbau der Brennstoffbatterie nebeneiuandei liegende und voneinander gelrenn te Ilaupikanüle für die Ueaktanten und die Elektrolyt· flüssigkeit entstehen und /war sowohl zu deren Zuführung als auch zur Ableitung.

Bei der erfiiulungsgemäßen Brennstoffbatterie sind die Versorgungskanüle für die Ueaktanten vorteilhaft in Form von schlügen Aussparungen in die Kunststoffrad men eingearbeitet. Dadurch können die Strömlingswiderstände iri den (iasversorgungskanälen auf e:n Minimum beschrankt werden. I ernset sind in die Kontaklbleche vorteilhaft Hohlräume fur die Cjasvc. sorgung, d. h. (iasleil wuge, eingeprägt.

Weiterhin können bei der erfindungsgemäßen Brennstdffbalteriü die l.ndplalten, die aus Metall bestehen, das mn einem Kunststoffüberzug versehen ist, gekrümmt '.ein, wobei die tiidplatien in der Brennstoffbatterie so .ingeordnet sind, daß die Krümmung zum Battcrieinneren hinweist. Durch die vorgegebene Krümmung der l.ndpliitten wird erreicht, dall nach Zusammenbau der Buttern· auf jedes einzelne I lachenelemeni innerhalb dei Batterie ein gleichmäßiger Aripreßdruck ausgeübt wild, was insbesondere bei den Elektroden wichtig ist. I λ Im sich nämlich gezeigt, daü beim Zusammenpressen von Brennsioffbatterieu mit Hilfe von Zugbolzen, was am Rand der l.ndplatien erfolgt, auf die einzelnen I l.uhenelemente ein unterschiedlicher Anpreßdruck ,ius);eiibi wird, weil sich die flndplattcn unter dem ausgeübten Druck verformen und in der Mitte nach außen durchbiegen. Durch die vorgeformte Krümmung der Hndplatten können diese Schwierigkeiten vermieden werden.

Anhand einer I igur soll die llrlindung noch naher erläutert werden. Die figur zeig! einen Teilschnitt der erfindungsgemäüen Brennstoffbatterie.

In Aussparungen von Kunststoffrahmen I, die mit 24 bezeichnet sind, sind Asbestdiaphragmen 2 eingeklebt. Die Klebeflachen sind mit 3 bezeichnet. Die Asbestdiaphragmen, die im flüssigkcitsgetränkten Zustand gasdicht sind, dienen zur Trennung der HlL-ktrolyträume von den (iasräumen. Die Asbestdiaphragmen dienen weiterhin als elektrische Isolatoren. Die Kunststoffrahmen I bestehen vorzugsweise aus l'reßmasscn auf I poxidhaivbasis. Die Kunststoffrahmen enthalten sowohl I lauptkanäle als auch Versorgungskanäle zur Zu- und Abführung der Reaktanten und der lllektrolytflüssigkeit. Aus der l^;igur ist ein Ivlektrolylhauptkanal b ersichtlich. Mit 5 ist ein llauptkanal für eines der Reaklionsgase bezeichnet. Wie aus den Darstellungen fur dii I lauptkanäle 4 und 5 klar hervorgeht, ist die Figur kein Schnitt in einer lübene, sondern der Schnitt ist so gelegt, dal.l sowohl ein lilcktrolylhauptkanal als auch ein llauptkanal für einen Reaktanten ersichtlich ist. Fntsprechendes gilt für die Versorgungskanäle. Der Fleklrolytvcrsorgimgskanal 6 verbindet den llauptkanal 4 mit dem F.leklrolytraum 15 eines Brennstoffelementes. I-Iin (iasversorgiingskanal 7 verbindet den llaupikanal 5 für das ensprechende Reaktionsgas mit einem Ciasraum 16. )e 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 Stiitzgerüste 4 angeordnet, die die Diaphragmen gegen den Gas- und Kontaktdruck abstützen. Die Stiitzgerüste füllen gleichzeitig die Flektrolylrüume aus. An den den Stiit/gerüsten abgewandten Seiten der Diaphragmen sind I lektroden in Form von pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtem Katalysatormaterial angeordnet. Als Bindemittel können dabei sowohl Asbestfaser!) als auch Kunststoffbindemittel verwendet werden. Die Ilektroden, die mil 10 bzw. 11 bezeichnet sind, werden durch Abstandsnetze 12 abgestützt, /.wischen Baueinheiten, die jeweils aus zwei Siütznetzen 12. /wei Elektroden 10 und 11, zwei Diaphragmen 2, einem Stützgerüst 9 und zwei Kunststoffrahmen 1 bestellen, ist jeweils ein Bauteil aus einem am Rand mit

einem Elastomeren umpreßten Kontaktblech 14 angeordnet. Die Elastomerenschicht 13 dieses Bauteils ist beidseitig mit den Kunststoffrahmen der genannten Baueinheiten verklebt. Die Klobestellen 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.

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 undElastomerenschicht 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 Nickelbleche mit eingeprägten Hohlräumen oder Strömlingskanälen für die Reaktanten verwendet.

is Die Kunststoffrahmen bestehen, wie bereits ausgeführt, vorzugsweise aus einer Preßmasse auf Epoxid harzbasis. Die verwendete Klebemasse ist vorzugsweise eine Klebemasse auf Epoxidharzbasis. Das verwendet« Elastomere ist vorzugsweise ein Elastomeres au Epichlorhydrinbasis.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Brennstoffbatte rie aus einzelnen Baugruppen kann sinngemäß auch au Brennstoffbatterien übertragen werden, bei denen eil Reaktant in der Elektrolylflüssigkeit gelöst ist, beispiels weise auf Hydrazin/Luft- oder Hydrazin/Sauerstoff Brennstoffbatterien.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbatterie zur Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten aus einer Mehrzahl einzeln von Kunststoffrahmen umschlossener Brennstoffelemente mit einem zwischen Asbestdiaphragmen angeordneten Stützgerüst, pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigten Katalysatormaterial an den vom Stützgerüst abgewandten Seiten der Asbestdiaphragmen und Abstandsnetzen zur Abstützung des Kalalysatormaterials, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau von Bauteilen die Asbestdiaphragmen am Rand in Aussparungen uer i"> Kunslstolirahmen eingeklebt sind, die sowohl Hauptkanäle als auch Versorgungskanäle für die Reaktanten und den Elektrolyten aufweisen, daß zwei solche Bauteile zur Bildung einer Baueinheit spiegelbildlich zueinander angeordnet und an den Kunststoffrahmen miteinander verklebt sind, wobei zwischen den Asbestdiaphragmen innerhalb der verklebten Kunststoffrahmen das Stützgerüst und an den davon abgewandten Seiten der Asbestdiaphragmen das durch das Abstandsnetz abgestützte Katalysatormaterial angeordnet ist, daß zwischen den Abstandsnetzen von je zwei aneinander angeordneten Baueinheiten jeweils ein am Rand mit einem Elastomeren umpreßtes Kontaktblech angeordnet ist, wobei die Elastomerenschicht mit öffnungen für die Hauptkanäle für die Reaktanten und den Elektrolyten versehen und mit den Kunststoffrahmen der beiden benachbarten Baueinheiten verklebt ist, daß an den Batterieenden jeweils ein entsprechendes Kontaktblech mit dem Kunststoffrahmen der endständigen Baueinheit verklebt ist, daß an diesen Kontaktblechen jeweils eine aus mit einem Kunststoffüberzug versehenen Metall bestehende Endplatte angeordnet ist und daß die Bohrungen in den Endplatten mit Kunststoff überzogen sind.

2. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kontaktbleche Gasleitwege eingeprägt sind.

3. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungskanäle für die Reaktanten in Form von schrägen Aussparungen in die Kunststoffrahmen eingearbeitet sind.

4. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten gekrümmt ausgebildet sind, und daß die Krümmung zum Batterieinneren hinweist, im Sinne der Ausübung eines gleichmäßigen Anpreßdruckes nach Zusammenbau der Batterie.