DE2129187C3 - Brennstoffbatterie aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen - Google Patents

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.

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

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

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

Epichlorhydrinbasis.

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)

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, 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.