DE2303137C2 - Vorrichtung zur Herstellung der Abdichtung eines Brennstoffzellenblocks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung, durch Vergießen eines verfestigbaren Produktes, der Abdichtung eines Brennstoffzellenblocks aus einem Stapel unter Abstand zueinander angeordneter Platten, die beim Gießen an ausgewählten Stellen über wenigstens eine der Flächen des Blockes Durchgangsöffnungen zwischen benachbarten Platten für die die Zelle speisenden Fluide belassen, mit einem Satz von Trennkeilen, die zwischen die Platten vor dem Vergießen an den gewählten Stellen eingeführt und nach dem Vergießen herausziehbar sind.

Eine solche Vorrichtung ist durch die DE-OS 55 988 bekanntgeworden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabt; zugrunde, eine Vorrichtung der vorgenannten Art so weiterzubilden, daß nach dem Herausziehen der Trennkeile die so belassenen Durchlässe im Block mil den I mtritts- und Aiistiittsleilungen der verschiedenen Fluide möglichst verbunden sind Nach drr Dl- C)S 20)5 988 war e<- so. daß nach Entfernen iler Trennkämnie die beiden Oberflächen des die Kanäle fiir die Fluide aufweisenden Blocks gleich gerichtet wurden und auf jede dieser Flächen die Platten geklebt oder geschraubt wurden, wobei die Platten mit Einlaß- oder Auslaßleitungen für die verschiedenen Fluide versehen sind. Hierbei waren die Rohrleitungen genau gegenüber den durch die Trennkämme nach der Erfindung im Block ausgesparten Kanälen angeordnet.

Die bekannte Maßnahme ist zwar einfach, stellte aber an den Arbeiter erhöhte Anforderungen, insbesondere

in beim Einsetzen der Trennkämme, um es zu ermöglichen, daß beim Einsetzen der Eintritts- und Austriusieitungen für die verschiedenen Fluide sich diese Rohrleitungen genau gegenüber den im Block durch die Trennkeile ausgesparten Durchlässe befänden. Absätze, schlechte

t j Übergänge etc. vereitelten dies allerdings oft.

Die oben genannte Aufgabe löst man nun überraschend einfach durch eine Montageanordnung für den Zellenblock mit einem Trägersockel für zwei für den Gießvorgang ausgelegte seitliche Flankenteile, von denen wenigstens eines Organe zur Genaupositionierung der Keile bei der Montage des Stapels aufweist, wobei Extraktionsorgane sich gegen die benachbarte Fläche des Blocks abstützen und Organe vorgesehen sind, welche die Trennkeile zurückhalten, wenn der Zellenblock und diese seitlichen Flankenteile voneinander durch die Abziehorgane getrennt sind.

Vorteilhaft sind diese Genaupositionierungsorgane der Keile durch Nuten mit Schwalbenschwanzquerschnitt gebildet; die Trennkeile weisen eine komplementäre Gestalt zum Gingriff in diese Nuten auf.

Zweckmäßig ist der Sockel so ausgebildet, daß er lösbare Positionierungsstangen zum Einsetzen von elektrischen Anschlußfahnen und Verbindungszwischenstücken zwischen die Elektroden der Zelle auf wenigstens einer Seitenfläche des Stapels zwischen diesen seitlichen Flankenteilen aufnimmt.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung erreicht man also eine genaue Positionierung der Trennkeile und deren genaues Herausziehen iuch dem Gießen:

-to Präzisionspositionierungsorgane wie Nuten sind vorgesehen, in welche man diese Keile in Kombination mit den Herausziehorganen für die Keile nach dem Gu3 einsetzt.
Tatsächlich wird also die Herstellung einer solchen Brennstoffzelle wesentlich weniger arbeitsaufwendig gemacht; es ist möglich, daß auch relativ ungeschultes Bedienungspersonal ohne große Sorgfalt arbeiten kann, was andererseits bedeutet, daß der Ausschuß wesentlich geringer wird, da die Rohrleitungen sich nunmehr genau gegenüber den im Zellenblock durch die Trennkeile ausgesparten Durchlässen befinden.

Allgemein ist die Lehre nach der Erfindung auch auf abzudichtende Plattenstapel mit entsprechenden Anschlüssen anzuwenden.

Die Trennkeile bestehen aus einem Material, das das Haften gegenüber dem zum Vergießen verwendeten Material verhindert. Sie bestehen beispielsweise aus Teflon. Sie können aber auch aus einem anderen Material hergestellt sein, wenn sie nur vor dem w Vergießen des Harzes mit einem Film ans einem das [iniformen erleichternden Material abgedeckt oder überzogen werden.

Beispielsweise Ausfiihningsformcii der Erfindung sollen nun mit Bezug auf dir Zeichnungen näher >-■'' erläutert wellen. Diese zeigen in

I" ig. I eine (icsatntansichi einer Brennstoffzelle w ihrond der I lerstelliing;

I· i g. IA eine Tcilansichi in grellerer Darstellung

dieser Brennstoffzelle gemäß dem Pfeil A in F i g. 1;

F i g. IB einen Trennkeil;

F i g. 2 ein Beispiel für den Anschluß der Elektroden;

Fig.3 eine Ausführung, wie man das Verschweißen der Verbindungen gegpn die Sammelfahnen der Elektroden vornehmen kann;

Fig.4 im Schnitt längs einer Vertikalebene (Ebene A-A der Fig.5) den aus den Komponententeilen der Brennstoffzelle gebildeten Block während der ersten Phase des ersten Vergießens des Harzes; \o

F i g. 5 einen solchen Block in der Draufsicht, wobei die Brennstoffzelle längs einer horizontalen Ebene geschnitten ist;

F i g. 6 einen der Keile, die für das erste Vergießen des Harzes verwendet werden können;

Fig.7 das Herausziehen der Trennkeile aus dem durch die Brennstoffzelle gebildeten Block nach dem ersten Vergießen des Harzes; und

F i g. 8 die erste Phase des endgültigen Vergießens.

Nach der beispielsweise in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die E'cktroden der Brennstoffzelle Platten von geringer Dicke, die aus drei einander überlagerten Schichten gebildet sind, nämlich: einer Schicht aus gesintertem Metall wie Nickel oder Streckmetall, welches mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen soll; einer Mittelschicht aus pulverisiertem Kohlenstoff mit einem Oxydations- oder Reduktionskatalysator; einer mikroporösen Schicht, die das Gas diffundieren läßt, jedoch eine Sperre für den Elektrolyten auf der dem oxydierenden oder reduzierenden Gas jo ausgesetzten Seite der Elektrode bildet.

Der elektrische Strom wird über Sammelfahnen gesammelt, die fest mit der Schicht aus gesintertem Metall oder Streckmetall jeder Elektrode verbunden sind, wobei diese Anschlußfahnen gegebenenfalls auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet sind.

Um die Montage der Zelle erleichtern zu können, verwendet man einen Montageblock, bestehend aus einer Grundplatte 1 zwei Flankenteilen la und \b und einem Deckel Ic, die hierfür ausgelegt sind. Die Grundplatte I und der Deckel ic umfassen drei Sacklöcher: die Löcher 2 (F ig. IA) auf der Grundplatte 1 und die Löcher 2a im Deckel. Diese Löcher 2 und 2a sind einander gegenüber angeordnet, wenn der Deckel Ic auf den Flanken la und ih befestigt ist. Sie ermöglichen das Einfädeln der Stangen 3 und 3a (F i g. 1 und IA). Die Flankentei'e la und Xbumfassen Nuten mit T-Querschnitt 4a, Ab, 5a, 5b, 6a, 6b, welche Trennkeile 4, 5, 6 aufnehmen. Diese Trennkeile sind dazu bestimmt, beim Vergießen des Harzes Durchlässe für die verschiedenen Fluide freizuhalten: mit Sauerstoff angereichertes Gas (wie Luft), Wasserstoff, Elektrolyt (beispielsweise Kaliumhydroxid). Wie in F i g. 1B dargestellt, bestehen diese Trennkeile aus einem Körper 12 von T- oder Schwalbenschwanzgestalt mit einer Dicke Λ, die als Funktion der Zuordnung dieses Keils rechnet und kalibriert ist (der Keil sieht den Durchlaß für Luft oder Wasserstoff oder Kalilauge vor). Die Keile besitzen weiterhin einen Zahn 13 in Verlängerung des Körpers 12 von der Gestalt eines abgestumpften V mit ho einer Dicke e entsprechend dem Abstand der Elektroden und einer Länge /, die wenigstens gleich der Gießeindringtiefe in den von der Zelle gebildeten Block ist. Jeder Keil umfaßt eine Bohrung 14. die so ausgelegt ist, daß sie eine Versteifung 15 aufnimmt, die den Stapü von Trennkeilen bei.?.j Entformen der Brennstoffzelle zurückhält.

Die Elektroden werden unter Abstand voneinander durch Trenn- und Isolierelemente gehalten, wobei diese Elemente gebildet werden können aus einer Folie isolierenden Materials oder auch wie nach dem dargestellten Beispiel aus Platten rechteckförmiger Gestalt, welche aus ausgehöhlten Rauten aus einem isolierenden Material gebildet sind und Ausschnitte am Ort des Fluideintritts und Austritts umfassen. Die Dicke dieser Trenneinrichtungen ist im wesentlichen größer oder gleich der Dicke e der Zähne 13 der Trennkeile 4,5 und 6.

Der aus Grundplatte 1 und den Flankenteilen la und 1 b bestehende Block wird wie dargestellt ohne den Deckel Ic angeordnet Dann werden die Stangen 3 und 3a in die Löcher 2 positioniert. Auf die Stangen 3, 3a fädelt man Beilagscheiben 16, 16a sowie Anschlußfahnen 17, die auf den Beilagscheiben 16 aufruhen. Eine untere Platte 7 ordnet man an, die als positiver Pol für die Zelle dient und die auf den Stangen 3a vermittels der Sammelansatzplatten 7a, die na^ oben gezogen sind, gleitet und die in Anschlag auf d>s Beilagscheiben 16a kommen. Man kann dann mit dem Stapeln der den Zellenblock bildenden Elemente beginnen.

Ein Separator 9 mit zweckmäßigen Ausschnitten ist auf der Platte 7 positioniert.

Zwei Trennkeile sind in den Nuten 4b bzw. 4a positioniert. Eine Wasserstoffelektrode 10, vom Typ H, wird angebracht, die Stromsammelansatzplatten 10a für diese Elektrode ruhen auf den Brücken 17, die, da sie durch die Stangen 3 gehalten sind, die Elektrode 10 genau positionieren. Vier elektrische Verbindungszwischenstücke 18 (Fig. I) werden durch Verschieben auf den Stangen 3 angebracht, diese Zwischenstücke ruhen auf den Ansatzschienen 10a der Elektrode 10.

Ein neuer Separator 9 wird auf die Elektrode 10 angeordnet, zwei Trennkeile 5 werden in die Nuten 5a und 5b gebracht. Eine Luftelektrode 11 (oder Elektrode vom Typ A) deckt den vorher positionierten Separator ab; diese Elektrode ist vermittels dieser Sammelansätze 11a positioniert, welche auf den Stangen 3a gleiten und ;uf den Sammelansätzen 7a der unteren Plane 7 ruhen, die als positiver Pol für die Zelle dient.

Ein Separator 9a mit adäquaten Ausschnitten ist auf der Elektrode 11 angebracht und positioniert. Vier Keile 6 werden in die Nuten 6a und 6b (zwei auf jedem der Flankenteile la und \b)gesetzt. Eine neue Elektrode 11 vom Typ A wird angeordnet; ihre Sammelansätze Ha ruhen auf den Sammelansätzen der vorhergehenden Elektrode. Dann werden vier Zwischenstücke 18 auf die Stangen 3a aufgeschoben; diese Zwischenstücke ruhen auf den Sammelansätzen 1 la der letzten positionierten Elektrode 11 vom Tyo A.

Ein neuer Separator 9 wird eingebracht und zwei Trennkeile 5 werden in die Nuten 5a bzw. 5b gesteckt; eine neue Elekfode 10 vom Typ HdecLt den Separator 9 ab und wird durch die Sammelansätze 10a positioniert, welche durch die Stangen 3 gehalten sind und auf dem vorher positionierten Zwischenstück 18 aufruhen.

Ein andere Separator 9 wird auf die vorher angebrachte Elektrode gesetzt und auf dieser positioniert und zwei Trennkeile 4 werden in die Ni'ten 4a bzw. 4b gesteckt. Eine Elektrode 10 vom Typ H deckt diesen Separator ab und wird mittels ihrer Sammelansätze Wa positioniert, die in den Stangen 3 gleiten und auf den Sammclansätzen »0a der vorher positionierten Elektroden 10 ruhen. Vier Verbindungszwischenstücke 18 gleiten auf den Stangen 3 und ruhen auf den vorher positionierten Sammelansätzen 10a auf.

Die Anordnung der Elektroden nach diesem Ausfüh-

rungsbc'spiel (hierauf ist die Erfindung nicht begrenzt) wird klarer, wenn man sich die sehematische Darstellung der I i g. 2 vor Augen führt. Man sieht, daß der aus diesen Elektroden bestehende Stapel nacheinander in jedem Element umfaßt: eine Elektrode 10 vom Typ //. zwei Elektroden Il vom Typ A. zwei Elektroden 10 vom Typ H. /wci Elektroden 11 vom Typ A und eine Elektrode 10 vom Typ /■/.

Bezüglich Einzelheiten wird auf die Γ i g. 1Λ Bezug genommen. Die letzte Elektrode 10 vom Typ // des ersten Elements wird durch die die Sammelansälze 10,/ durchsetzenden Stangen 3 gehalten und positioniert:die folgende Elektrode 10 vom Typ //gehört zum zweiten Element: deren .Sammelansätze sind bezüglich denen der vorhergehenden versetzt: sie wird durch ihre von den Stangen In durchsetzten Sammelansiit/e 10,/ gehalten und positioniert. Das gleiche gilt für die relative Anordnung der letzten Elektrode Il vom Typ A des ersten Elements und für die erste Elektrode 10 vom Typ Λ des zweiten Elements.

Es ist möglich. Versteifungen 15 in die Löcher 14 der verschiedenen Trennkeile einzusetzen, wenn ein Element des /ellcnbloeks fertig gestapelt ist. Man kann auch die Versteifungen 15 einfädeln, wenn der Stapel der Anordnung aus den den Zellenblock bildenden Elementen fertig ist. Der Zellenblock wird in ihrem oberen T oil durch eine Platte 8. die als negativer Pol dient, abgeschlossen.diese Platte ist durch die Stangen 3 mittels Sammelansäi/e 8;/ positioniert.

Der Deckel Ic· deckt die Elemente des /.ellcnblocks ab und druckt die Anordnung leicht zusammen, um die reelle Hohe dos Stapels zu geben. Die Stangen 3 und 3a duit-hicizen den Deckel an den Löchern 2a.

Der elektrische Anschluß wird wie folgt vorgenommen:

Die Elektroden gleicher Polarität eines Elemente¹· werden 'ni'einander verbunden, was zu einer Parallel schaltung 'iihrt. Wenn man im übrigen von einem [■.lenient der Brcnnstoffzellenbatterie zum folgenden Element geht. s<. ist der negative Pol des ersten Elementes mit dem positiven Pol des /wetten Elementes uber ein Zwischenstuck, wie nach F ι g. 2 dargestellt, verbunden- Man erhalt so einen Brenstoffzellenblock mit Reihen Parallelschaltungen. Nach dem beschriebenen -Visfuhrungsbeispiel ist der positive Pol des ersten Elementes gegen den negativen Pol des /weiten Elementes in folgender Weise isoliert: auf dem letzten Sarnmelansat/ 1 la der letzten Elektrode 11 vom Typ A des erster Elementes, wenn man die Elektroden und Elemente in der Reihenfolge ihrer Stapelung betrachtet, ist eine Brücke i7 angeordnet und durch die Stangen 3a gehalten. Auf dieser Brücke 17 sind zwei Beilagscheiben \βί> auf die Stangen 3a gefädelt und gesetzt. Eine neue Brücke 17 wird auf die Stangen 3a eingefädelt und ruht auf den Beilagscheiben 16a. Auf dieser Brücke 17 wird ein Sammelansjtz 10a einer Elektrode 10 vom Typ H positioniert. Die Verbindung wird durch Punktschweißer: der Brücken 17 mit den verschiedenen Sammelansätzen und Zwischenstücken 18. wie in Fig. 3 angegeben, versteift. Dieser Vorgang wird vorgenommen, wenn der Deckel ic auf dem Montageblock positioniert istist der Vorgang beendet, so zieht man lediglich die Stangen 3 und 3a heraus. Die Beilagscheiben 16 und 16a '-erden freigegeben und fallen frei Der Block ist dann bereit für die Gießvorgänge.

Die F : g. 4 und 5 erläutern eine erste Phase beim ersten Versießen des Harzes um den hergestellten Stapel: dieses erste Vergießen erfolgt in zwei Stufen. In tier ersten positioniert man die Brennstoffzelle vertikal; sie ruht also auf den I lankenteilen I,/ und l/i(l ig. 4). Eine Montageabdeckung 19 wird gegen das Elankenteil , 1,/ mittels Schrauben 20 geschraubt die in Bohrungen 21 (Fig. I) eingeschraubt werden. Ein Harzbehältcr 22 wird auf jeder Seite des Stapels auf der Abdeckung 19 angeordnet und mil dieser fest verbunden. Dieser Behaltet umfaßt zwei Ausnehmungen 23 (Fig. .5)

in welche einen Keil 24 aufnehmen und positionieren, nachdem das Vergießen vorgenommen ist. Ein vorbestimmtes I lar/volumcn 25 wird zur Hälfte in jedes Gefäß 22 geschüttet. Dieses Harz 25 dringt in die Brennstoffzelle bis auf eine bestimmte Höhe ein. Glaubt

ii man. daß die Eindringhöhe des Harzes 25 an ihrem maximalen Punkt angekommen ist und befindet sich das I lar/ 25 noch im flüssigen oder halbteigigen Zustand, so steckt man den Keil 24 (Fig. 4. 5 und b) in die Ausnehmungen 23. Ist das Harz 25 fest geworden, so

;ii nimmt man die Abdeckungen 19 sowie den Behälter 22 ab und gewinnt den Keil 24 zurück. Der gleiche Vorgang wird dann auf dem gegenüberliegenden Flankcntcil vorgenommen.

Der Keil 24 ist von parallelepipcdförmiger Gestalt

:=i (F i g. 6): er umfaßt zwei Zellen 26. Der zentrale Teil 27 ermöglicht es. den Durchlaß für die beiden Phasen des abschließenden im folgenden beschriebenen Vergicßens zu belassen. Zweck dieses Keils ist es. genau die Außenabmessungen der Brennstoffzelle festzulegen.

in Nachdem der erste Gießvorgang abgeschlossen ist. werden der Deckel Ir und die Grundplatte 1 des Montageblocks abgenommen (F"ig. 1). Man muß dann die Flanktenteile la und I b. welche die Trennkeile 5,4,6 umfassen herausnehmen. Um dies zu erreichen.

j-, verwendet man Extraktoren (Fig. 1 und 7). Die f.xtraktoren 28. die in Lagerungen 28a gehalten sind, sind mit an einer Achse 30 festsitzenden Schrauben 29 verbunden. Die Achse 30 ist fest in Translation mit dem Extraktor 28 über beliebige Einrichtungen verbunden

4fi und kann sich bezüglich dessen frei drehen. Wenn man gleichmäßig und alle auf einmal schraubt, wobei die Schrauben 29 in den Gewindelöchern 31 positioniert sind, treten die Extraktoren 28 aus ihren Lagerungen aus und verschieben die Brennstoffzellen vermittels des Har/blockes 25. Die Trennkeile 4, 5, 6 kommen so aus ihren Lagerungen 32 im Harz frei.

F i g. 8 zeigt die erste Phase beim endgültigen Vergießen. Die Brennstoffzellen sind auf der Seite der Sammelansatzschienen auf eine Grundplatte 33 gesetzt

so und auf dieser zentriert. Zwei Behälter 34 sind z" beiden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet und fest mit der Grundplatte 33 über Schrauben verbunden, leder Behälter umfaßt zwei nicht dargestellte Ausnehmungen, die den Keil 35 aufnehmen. Dieser Keil 35 besteht aus einem einfachen rechtwinkligen Parallelepiped. Die auf der Grundplatte 33 vermittels Füßen 26a aufruhenden Brennstoffzellen, wobei die Füße anläßlich des ersten Gießvorgangs (F i g. 5) durch die Zellen 26 des Keils 24 gebildet wurden können jetzt das Harz 25 aufnehmen.

Ein bestimmtes Volumen dieses Harzes wird zur Hälfte in die beiden Behälter 34 geschüttet, tritt durch den zwischen den Füßen 26a auf der gleichen Seite der Zelle verbleibenden Schlitz und dringt in die Brennstoffzellen auf einer berechneten Höhe ein. Nimmt man an. daß das F.indringen maximale Höhe erreicht hat. wobei das Harz 25 sich noch im flüssigen oder halbteigigen Zustand befindet, so positioniert man den Keil 35. Nachdem das Harz 25 fest geworden ist. nimmt man den gleichen

Vorgang auf der letzten Seite der Brennstoffzellen vor Ist das Vergießen auf den vier Abschnitten oder Seiten des Stapels vorgenommen, so liegen die Brennstoffzellen in Form eines parallelepipedförmigen Blocks vor.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung, durch Vergießen eines verfestigbaren Produktes, der Abdichtung eines Brennstoffzellenblocks aus einem Stapel unter Abstand zueinander angeordneter Platten, die beim Gießen an ausgewählten Stellen über wenigstens eine der Flächen des Blockes Durchgangsöffnungen zwischen benachbarten Platten für die die Zelle speisenden Fluide belassen, mit einem Satz von Trennkeilen, die zwischen die Platten vor dem Vergießen an den gewählten Stellen eingeführt und nach dem Vergießen herausziehbar sind, gekennzeichnet durch eine Montageanordnung für den Zellenbiock mit einem Trägersockel (1) für zwei für den Gießvorgang (Figi4) ausgelegte seitliche Flankenteile (la; 16Jl von denen wenigstens eines Organe (Nuten 4a, 46; 5a, 56; 6a, 6b) zur Genauposnionierung der Keile (4, 5, 6) bei der Montage des Stapels aufweist wobei Extraktionsorgane (28, 29) sich gegen die benachbarte Fläche des Blocks abstützen und Organe (Stangen 15) vorgesehen sind, welche die Trennkeile (4, 5 und 6) zurückhalten, wenn der Zellenblock und diese seitlichen Flankenteile (la, ib) voneinander durch die Abziehorgane (28,29) getrennt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Genaupositionierungsorgane der Keile durch Nuten (4a, 46; 5a, 56; 6a, 6b) mit Schwalbenij'nwanzquerschnitt (F i g. 1) gebildet sind und daß die Trennkeile eine !-omplementäre Gestalt (F i g. 1 B) zum Eingriff in diese Nuten aufweisen.

3. Vorrichtung nach Aiispnrh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (1) so ausgebildet ist (F i g. IA und 3), daß er lösbare Positionierungsstangen (3, 3a,/ zum Einsetzen von elektrischen Anschlußfahnen und Verbindungszwischenstücken (17, 18) zwischen die Elektroden der Zelle auf wenigstens einer Seitenfläche des Stapels zwischen diesen seitlichen Flankenteilen (la, !^aufnimmt.