DE2129187C3 - Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen - Google Patents
Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von BrennstoffelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie zur Umsetzung von gasförmiger! 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 Zusatzpatent 89 422, Zusatz vom obengenannten
Patent ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Stützgerüst wenigstens an einer Seite mit einer im
elektrolytgetränkten Zustand gasdichten, ionenleitenden Deckschicht zu versehen (vgL auch die österreichischen
Patentschriften 2 66 948 und 2 74 081). Das
ίο 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 Deck-5
schichten sowie der in einer Brennstoffbatterie vereinigten und mittels Bolzen zusammengespannten Brennstoffelemente
werden meistens Rundschnurringe verwendet
Aus der Schweizer Patentschrift 4 56 704 ist eine Brennstoffbatterie mit mehreren plattenförmigen, an den Randzonen 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 Wasseren'zugszellen 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.
Aus der Schweizer Patentschrift 4 56 704 ist eine Brennstoffbatterie mit mehreren plattenförmigen, an den Randzonen 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 Wasseren'zugszellen 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 Gasdiffusionselektroden 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 Brennstoffzellenmoduleiementen
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
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
h5 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 800C, betrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffbatterie der eingangs genannten Art zur Umsetzung von
gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektroly- s
ten — aus von Kunststoffrahmen umschlossenen Brennstoffelementen mit einem zwischen Asbestdiaphragmen
angeordneten Stützgerüst, pulverförmigem Katalysatormaterial und Abstandsnetzen — 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 erfiridungsgemäß dadurch erreicht, daß is
zum Aufbau von Bauteilen die Asbestdiaphragmen am Rand in Aussparungen der Kunststoffrahmen 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 dem 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.
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 Gasräume 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 Wärmeaus- so
dehnungen zwischen Metall und Kunststoff als auch Dickentoleranzen der Einzelteile durch diesen elastischen
Puffer ausgeglichen werden können. Durch die in Filterpressentechnik aufeinandergestapelten Baugruppen
und das Verkleben dieser Baugruppen untereinander entsteht ein 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 μ
die Versorgungskanäle für die Reaktanten vorteilhaft in Form von schrägen. Aussparungen in die Kunststoffrahmen
eingearbeitet Dadurch kennen die Strömungswiderstände in den Gasversorgungskanälen auf ein
Minimum beschränkt werden. Fernser sind in die Kontaktbleche vorteilhaft Hohlräume für die Gasversorg
λ 7. i. h. Gasleitwege, eingeprägt
Weiterhin können bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie
die Endplatten, die aus Metall bestehen, das mit einem Kunststoffüberzug versehen ist 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 Anpreßdruck ausgeübt wird, weil sich die Endplatten unter dem
ausgeübten Druck verformen und in der Mitte nach außen durchbiegen. Durch die vorgeformte 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 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 Elektrolytflüssigkeit Aus der Figur ist ein Elektrolythauptkanal 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 Figur 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 ensprechende 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 Stiitzgeriiste
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 pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtem 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 13 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
Elektrolytflüssigkeil 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 übe die Kontaktbleche, in die vorteilhaft Hohlräume für dii
Gasversorgung eingeprägt sind, in Reihe geschaltet. Di< Kontaktbleche trennen jeweils die Gasräume, d. h. dei
Wasserstoffraum vom Sauerstoffraum des jeweiliger Brennstoffelementes.
Vor dem Umpressen des Kontaktbleches mit den Elastomeren kann das Kontaktblech in ein Harz
beispielsweise Epoxidharz, als Haftvermittler einge
ίο taucht werden, dann wird das Harz vorgehärtet un<
anschließend mit dem Elastomeren verpreßt. Al: Kontaktbleche werden vorteilhaft Nickelbleche mi
eingeprägten Hohlräumen oder Strömungskanälen füi die Reaktanten verwendet
Die Kunststoffrahmen bestehen, wie bereits ausge führt, vorzugsweise aus einer Preßmasse auf Epoxid
harzbasis. Die verwendete Klebemasse ist vorzugsweis<
eine Klebemasse auf Epoxidharzbasis. Das verwendet« Elastomere ist vorzugsweise ein Elastomeres au
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Brennstoffbaue rie aus einzelnen Baugruppen kann sinngemäß auch au
Brennstoffbatterien übertragen werden, bei denen eir
Reaktant in der Elektrolytflüssigkeit gelöst ist beispiels weise auf Hydrazin/Luft- oder Hydrazin/Sauerstoff
Brennstoffbatterien.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
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, pulverförmiger«, gegebenenfalls mit Bindemitteln
verfestigten Katalysatormaterial an den vom Stützgerüst abgewandten Seiten der Asbestdiaphragmen
und Abstandsnetzen zur Abstützung des Katalysatormaterials, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Aufbau von Bauteilen die Asbestdiaphragmen am Rand in Aussparungen der Kunststoffrahmen 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 Endpiatten
gekrümmt ausgebildet sind, und daß die Krümmung zum Batterieinneren hinweist, im Sinne der Ausübung
eines gleichmäßigen Anpreßdruckes nach Zusammenbau der Batterie.
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---|---|---|---|
DE2129187A DE2129187C3 (de) | 1971-06-11 | 1971-06-11 | Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen |
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GB2718072A GB1358243A (en) | 1971-06-11 | 1972-06-09 | Fuel cell battery |
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Publication Number | Publication Date |
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DE2129187C3 true DE2129187C3 (de) | 1978-08-31 |
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ID=5810567
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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DE (1) | DE2129187C3 (de) |
FR (1) | FR2140664B1 (de) |
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