DE2316067A1

DE2316067A1 - Brennstoffbatterie in filterpressenbauweise

Info

Publication number: DE2316067A1
Application number: DE2316067A
Authority: DE
Inventors: Hans Kohlmueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1973-03-30
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FR2223844B2; US3960598A; GB1418243A; DE2316067B2; JPS5642107B2; DE2316067C3; JPS49129839A; FR2223844A2

Description

Brennstoffbatterie in Filterpressenbauweise

Zusatz zu Patent (Anmeldung Akt.Z.

P 20 26 220.8, VPA 70/7528).

Das Hauptpatent (deutsche Offenlegungsschrift 2 026 220) betrifft eine Brennstoffbatterie in Filterpressenbauweise für flüssigen Elektrolyten und wenigstens einen gasförmigen Reaktanten, bei welcher die Elektrolyt- und Gasräume der einzelnen Brennstoffelemente durch Asbestdiaphragmen und die einzelnen Brennstoffelemente durch Trennbleche voneinander getrennt sind.

Gemäß dem Hauptpatent ist eine solche Brennstoffbatterie derart ausgebildet, daß'die Asbestdiaphragmen in der Dicke verstärkte, elekt^olytundurchlässige und gasdichte Randzonen aufweisen, die unmittelbar aneinander bzw. gegen die Trennbleche gepreßt sind, und daß die Zuführungskanäle zu den Elektrolyt- und Gasräumen in die verstärkten Randzonen eingearbeitet sind.

!Öurch die Ausbildung der Brennstoffbatterie gemäß dem Hauptpatent werden die mit den bislang bei Brennstoffbatterien in Filterpressenbauweise verwendeten Kunststoffrahmen verbundenen Nachteile vermieden. Insbesondere entfallen irgendwelche zusätzlichen Dichtungselemente, wie Dichtungsringe, und darüber hinaus entfallen auch die bislang erforderlichen Kunststoffrahmen selbst, so daß ein möglichst dünner und einfacher Aufbau der Brennstoffelemente der Brennstoffbatterie erreicht wird.

In die zwischen aufeinanderfolgenden Asbestdiaphragmen bzw. zwischen Asbestdiaphragmen und Trennblechen liegenden, nach

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außen durch die verstärkten Randzonen abgedichteten Elektrolyt- bzw. G-asräume der einzelnen Brennstoffelemente werden beim Zusammenbau der Batterie Elektroden und Stützgerüste eingelegt.

Eine Ausführungsform einer Brennstoffbatterie nach dem Hauptpatent enthält Brennstoffelemente mit flüssigem Elektrolyten zur Umsetzung von gasförmigen Reaktanten, wie Wasserstoff und Sauerstoff. Bei diesen Brennstoffelementen ist in jedem der beiden Gasräume eine pulverförmige Elektrode angeordnet, die mit Hilfe von Metallnetzen gegen ein den Elektrolytraum aufspannendes Stützgerüst gepreßt wird. Die Elektroden sind dabei von diesem Stützgerüst und damit vom Elektrolytraum durch je ein Asbestdiaphragma getrennt.

Eine andere Ausführungsform der Brennstoffbatterie nach dem Hauptpatent enthält Brennstoffelemente, bei denen ein im flüssigen Elektrolyten gelöster Brennstoff, wie Hydrazin, mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, umgesetzt wird. Bei diesen Brennstoffelementen sind in dem vom Gasraum durch ein Asbestdiaphragma getrennten Elektrolytraum eine Brennstoffelektrode (Anode), beispielsweise in Form einer Netzelektrode, und ein Stützgerüst angeordnet; im Gasraum befindet sich, der Brennstoffelektröde benachbart und von dieser durch das Asbestdiaphragma getrennt, eine Oxidationsmittelelektrode (Kathode), beispielsweise in Form einer Op-Gasdiffusionselektrode.

Bei beiden Ausführungsformen sind die Brennstoffelemente beidseitig mit Trennblechen abgeschlossen, welche mit den benachbarten Elektroden in elektrisch leitender Verbindung stehen.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei der Fertigstellung der einzelnen Bauteile derartiger Batterien, wie Asbestdiaphragmen, Elektroden und Stützgerüste, fast immer mit gewissen

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Toleranzen bezüglich der Abmessungen dieser Bauteile gerechnet werden muß. Dies gilt insbesondere beim Bau von Brennstoffbatterien mit großer Leistung im Bereich von einigen Kilowatt, da hierzu in der Regel mehrere hundert Brennstoffelemente zu einer Batterie zusammengefaßt werden müssen. Bei der dabei erforderlichen großen Anzahl von einzelnen Bauteilen wäre es wirtschaftlich kaum vertretbar, die zulässigen Toleranzen übermäßig klein zu wählen, weil sonst der erforderliche fertigungstechnische Aufwand viel zu hoch wäre.

Bei Brennstoffbatterien herrscht nun aber in den Gasräumen im allgemeinen ein höherer Druck als in den Elektrolyträumen. In einer Hydrazin/Sauerstoff-Batterie kann beispielsweise

der Druck im Elektrolytraum etwa 15 N/cm und im Gasraum, der vom Elektrolytraum durch ein elektrolytgetränktes, gasdichtes

Asbestdiaphragma getrennt ist, etwa 20 N/cm betragen. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Gasraum und im Elektro-Iyträum wird durch die Druckdifferenz kompensiert, die durch den unterschiedlichen Anpreßdruck der etwa gleich großen Elektroden und/oder der Stützgerüste entsteht. Das Asbestdiaphragma wird demnach nur auf Druck beansprucht und zwar auf der gesamten zwischen den angrenzenden Bauteilen liegenden Fläche; Scherkräfte treten nicht auf.

Die erwähnten fertigungstechnisch erforderlichen Toleranzen bringen hier nun eine Schwierigkeit mit sich. Im allgemeinen wird nämlich die in den Gas- bzw. Elektrolyträumen für die Elektroden und Stützgerüste zur Verfügung stehende Querschnittsfläche von den Elektroden bzw. Stützgerüsten aufgrund der ungenauen Passung nicht vollständig ausgefüllt werden, sondern zwischen diesen Bauteilen und der verstärkten Randzone des zugehörigen Asbestdiaphragmas werden Spalten mit einer Breite von etwa 0,1 bis 3 mm verbleiben.

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Im Bereich dieser Spalte ist nun aufgrund der dort fehlenden Elektroden bzw. Stützgerüste das erwähnte Kräftespiel nicht mehr ausgeglichen und es tritt ein Druck in Richtung auf den Elektrolytraum auf« Es ergeben sich hierbei Scherkräfte, die abhängig sind von der Spaltbreite und von der herrschenden Druckdifferenz. Diese Scherkräfte können bei läi©rer Einwirkungszeit zu Schäden am Asbestdiaphragma führen, insbesondere zum Abreißen im Bereich der Spalte..

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennstoffbatterie in Filterpressenbauweise nach dem Hauptpatent, bei welcher die Elektroden bzw, Stützgerüste enthaltenden Gas- und Elektrolyträume der einzelnen Brennstoffelemente durch Asbestdiaphragmen mit in der Dicke verstärkter Randzone voneinander getrennt sind,, die Schwierigkeiten zu beseitigen, die sich durch die Verwendung, gewisse Toleranzen aufweisender Bauteile ergeben» Insbesondere soll verhindert werden, daß bei längerem Betrieb eine Schädigung der Asbestdiaphragmen erfolgt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Breite des elektrolytseitig zum zentralen T.eil liegenden Teiles der Randzone kleiner als die Breite des gasseitig liegenden Teiles ist und daß die in den Elektrolyträumen angeordneten Stützgerüste bzw. Elektroden flächenmäßig über den Innenrand des gasseitigen Teiles der Randzone hinausragen» Unter dem zentralen Teil der Randzone bzw. dem mittleren Teil der Randzone wird der Teil verstanden, der die Fortsetzung des jeweils zwischen dem Elektrolytraum und dem Gasraum liegenden zentralen Teiles des Asbestdiaphragmas bildet»

Vorteilhaft ragen die in den Elektrolyträumen angeordneten Stützgerüste bzw. Elektroden wenigstens um einen Betrag über , den Innenrand des gasseitigen Teiles der Randzone hinaus.

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der ihrem Abstand vom umgebenden elektrolytseitigen Teil der Randzone entspricht. Bezeichnet man mit Spaltbreite den Abstand zwischen einem Bauteil und dem den zugehörigen Elektrolyt- bzw. Gasraum nach außen abdichtenden Teil der verstärkten Randzone des Asbestdiaphragmas, so wird man demnach die in den Elektrolyträumen angeordneten Bauteile wenigstens um die doppelte Spaltbreite größer wählen als die in den Gasräumen angeordneten Bauteile. Im allgemeinen wird die Spaltbreite etwa 0,1 bis 3 mm betragen. Vorzugsweise können die in den Elektrolyträumen angeordneten Stützgerüste bzw. Elektroden in ihrer flächenmäßigen Ausdehnung allseitig um wenigstens 4 mm über den Rand, d.h. den äußeren Umfang, der in den Gasräumen angeordneten Elektroden hinausragen.

Bei Brennstoffbatterien zur Umsetzung von in einem flüssigen Elektrolyten gelösten Brennstoff mit einem gasförmigen Oxidationsmittel weist die im Elektrolytraum angeordnete Brennstoff elektrode (Anode) eine größere Fläche auf als die benachbarte, im angrenzenden Gasraum angeordnete und von der Brennstoffelektrode durch das Asbestdiaphragma getrennte Oxidationsmittelektroae (Kathode). Das zusätzlich im Elektrolytraum angeordnete Stützgerüst hat dieselbe flächenhafte Ausdehnung wie die Brennstoffelektrode. Bei Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffbatterien beispielsweise sind demnach die Hydrazinelektroden und die zugehörigen Stützgerüste größer als die Sauerstoffelektroden.

Bei Brennstoffbatterien zur Umsetzung eines gasförmigen Brennstoffes mit einem gasförmigen Oxidationsmittel weist das im Elektrolytraum angeordnete Stützgerüst eine größere Fläche auf als die benachbarten, in den angrenzenden Gasräumen angeordneten und vom Stützgerüst durch je ein Asbestdiaphragma getrennten Elektroden für den Brennstoff (Anode) bzw. das Oxidationsmittel (Kathode). In den Gasräumen kann

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ferner zur Abstützung der Elektroden je ein Metallnetz mit derselben flächenhaften Ausdehnung wie die Elektroden vorhanden sein. Bei Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffbatterien beispielsweise sind demnach die in den Elektrolyträumen angeordneten Stützgerüste größer als die Wasserstoff- bzw. Sauerstoff- oder Luftelektroden."

Wie im Hauptpatent bereits ausgeführt, können die Asbestdiaphragmen mit verstärkten Randzonen an sich durch Verwendung entsprechender Formen bei der Herstellung des Asbestpapiers für die Diaphragmen in einem Stück hergestellt und in den Randzonen durch Tränken mit geeigneten elektrolytbeständigen Kunststoffen elektrolytundurchlässig und gasdicht gemacht werden. . .

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die in der Dicke verstärkten Randzonen der Asbestdiaphragmen aus drei Schichten aufzubauen, wobei die mittlere, die Portsetzung des zentralen Teiles des Asbestdiaphragmas bildende Schicht mit einem elektrolytbeständigen Mehrkomponentenkunstharz getränkt und mit den beiden äußeren Schichten verklebt ist, und wobei die beiden äußeren, die eingearbeiteten Zuführungskanäle enthaltenden Schichten mit einem weicheren, elektrolytbeständigen Kunststoff gefüllt sind»

Bei diesem Aufbau können die einzelnen Teile der Asbestdiaphragmen zunächst getrennt bearbeitet.werden, wodurch insbesondere die Herstellung der Zuführungskanäle vereinfacht wird. Durch das Mehrkomponentenkunstharz wird die Randzone der mittleren Schicht elektrolytundurchlässig und gasdicht. Gleichzeitig dient das Mehrkomponentenkunstharz zum Verkleben der mittleren Schicht mit den beiden äußeren Schichten. Indem nach dem Verkleben das Mehrkomponentenkunstharz ausgehärtet wird, wird eine ausgezeichnete, dichte Klebeverbindung mit den beiden äußeren Schichten erreicht. Gleichzeitig wird die mittlere Schicht so verfestigt, daß

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sie beim Zusammenpressen der einzelnen Teile der Brennstoffbatterie nicht in. die Zuführungskanäle hineingedrückt werden kann, die in den beiden äußeren Schichten vorgesehen sind. Da die äußeren Schichten mit einem weicheren Kunststoff gefüllt sind, können sie sich beim Zusammenpressen etwas verformen, so daß die Abdichtungswirkung noch weiter verbessert wird.

Als Mehrkomponentenkunstharz eignen sich insbesondere elektrolytbeständige Epoxidharze. Als weichere elektrolytbeständige Kunststoffe für die äußeren Schichten kommen insbesondere Polytetrafluoräthylen oder Polyvinylchlorid in Frage.

Bei der Herstellung der in der Dicke verstärkten Randzone aus drei Schichten ergibt sich der weitere, wesentliche Vorteil, daß dabei der geforderte Aufbau der Randzonen, unterschiedliche Breite der beiden Außenbereiche, in einfacher Weise verwirklicht werden kann. In diesem Fall ist es nämlich lediglich erforderlich, auf ein Asbestpapier mit den erforderlichen Abmessungen auf beiden Seiten je eine Schicht aufzukleben, wobei die Breite der elektrolytseitig zum zentralen Teil liegenden Schicht der Randzone kleiner ist als die Breite der gasseitig liegenden Schicht. Auf diese Weise werden beidseitig des Asbestdiaphragmas Räume unterschiedlicher Ausdehnung gebildet, wobei der Raum mit der größeren Querschnittsfläche in der fertigen Batterie als Elektrolytraum dient.

Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele sollen die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie und die mit ihr verbundenen Vorteile noch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie zur Umsetzung eines im Elektrolyten gelösten flüssigen Brenn-

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stoffes mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, Figuren 2 bis 4 zeigen die einzelnen Schichten der Asbestdiaphragmen für die Brennstoffbatterie nach Fig. 1, Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie zur Umsetzung zweier gasförmiger Reaktanten, Figuren 6 bis 9 zeigen verschiedene Schichten der Asbestdiaphragmen für die Brennstoffbatterie nach Fig. 5, Fig. 10 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Brennstoffbatterie nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennstoffbatterie ist zur Umsetzung eines im Elektrolyten gelösten flüssigen Brennstoffes mit einem gasförmigen Oxidationsmittel bestimmt. Als flüssiger Brennstoff dient beispielsweise Hydrazin, das in einem Elektrolyten aus 6 η Kalilauge gelöst ist. Als gasförmiges Oxidationsmittel dient beispielsweise Sauerstoff. Die Brennstoffbatterie besteht aus fünf Brennstoffelementen 11 bis 15, die durch beispielsweise aus Nickel bestehende Trennbleche 16 voneinander getrennt sind. Die Brennstoffelemente 11 bis 15 und die dazwischen angeordneten Trennbleche 16 sind zu einem Stapel angeordnet und werden mit Hilfe von Schraubenbolzen 17 zwischen zwei Endplatten 18 zusammengepreßt, die beispielsweise aus Plexiglas oder glasfaserverstärktem Epoxidharz bestehen können. Zwischen den Endplatten 18 und den Brennstoffelementen 11 und 15 ist je ein weiteres !Tickelblech 19 vorgesehen, das als Kontaktblech dient. Die Kontaktbleche 19 sind in ihrer Mitte mit Stromabführungen 20 verbunden, die durch die Endplatten 18 nach außen geführt sind. Jedes einzelne Brennstoffelement besteht aus einem Elektrolytraum 21 und einem Gasraum 22, die durch ein Asbestdiaphragma 23 voneinander getrennt sind.

Im Elektrolytraum 21 befindet sich angrenzend an das Asbestdiaphragma 23 die als Hydrazin-Elektrode dienende Anode 24.

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Die Anode 24 besteht beispielsweise aus einem feinmaschigen Niekelnetz (Drahtdicke etwa 0,13 mm), das beispielsweise mit 1 mg Platin/cm als Katalysator beschichtet ist. An diese Anode 24 schließt sich ein grobmaschiges Metallnetz 25» beispielsweise ein Nickelnetz, an, das als Stützgerüst bzw. Abstandhalter und als Stromabnehmer für die Anode 24 dient. Anstelle von Platin können auch andere Katalysatormaterialien vorgesehen sein, beispielsweise kann das Nickelnetz auch mit Raney-Nickel beschichtet sein. Das Metallnetz 25 steht mit rippen- oder wellenförmigen Ausbuchtungen 26 des Kontaktbleches 19 bzw. - im Falle der Brennstoffelemente 12 bis 15 eines Trennbleches 16 in Kontakt.

In den Gasräumen 22 der Brennstoffelemente 11 bis 15 ist jeweils eine als Sauerstoffelektrode dienende Kathode 27 vorgesehen. Diese besteht beispielsweise aus pulverförmigem Raney-Silber, das vorteilhaft mit Hilfe eines hydrophilen Bindemittels, beispielsweise eines hydrophilen Kunststofflatex, gebunden sein kann. Auch andere Katalysatormaterialien, beispielsweise mit Silber aktiviertes Kohlepulver, sind geeignet. Durch ein verhältnismäßig feinmaschiges Metallnetz 28, beispielsweise ein Nickelnetz, wird die Kathode 27 an das Asbestdiaphragma 23 angedrückt. Das Metallnetz 28, das gleichzeitig als Stromabnehmer dient, steht wiederum mit rippen- oder wellenförmigen Ausbuchtungen 29 eines Trennbleches 16 bzw. - im Falle des Brennstoffelementes 15 - des Kontaktbleches 19 in Berührung. Die Brennstoffelemente 11 bis 15 sind auf diese Weise elektrisch in Reihe geschaltet.

Das in jedem der Brennstoffelemente 11 bis 15 vorgesehene Asbestdiaphragma 23 weist eine in der Dicke verstärkte Randzone auf, die aus drei Schichten 30, 31 und 32 besteht, und zwar aus einer mittleren Schicht^ und zwei äußeren Schichten 31 und 32. Diese Schichten sind verkleinert und in Draufsicht in den Figuren 2 bis 4 dargestellt. Die mittlere

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Schicht bzw. der zentrale Teil 30 der verstärkten Randzone bildet die Fortsetzung des zentralen Teiles 44 des Asbestdiaphragmas 23j d.h. des Teiles des Asbestdiaphragmas, der zwischen dem Elektrolytraum 21 und dem Gasraum 22 angeordnet ist. In Fig. 3 ist der zentrale Teil 44 durch die unterbrochene Linie 45 bzw. die strichpunktierte Linie 46 von der Randzone abgegrenzt. Die von der unterbrochenen Linie 45 umgrenzte Fläche entspricht etwa der Fläche der Anode 24, die von der strichpunktierten Linie 46 umgrenzte Fläche entspricht etwa der Fläche der Kathode 27.

Die äußere Schicht 31 der Randzone umschließt den Elektrolytraum 21 . Diese Schicht bzw. dieser Teil der Randzone weist, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, eine geringere Breite auf als die äußere Schicht 32 der Randzone, d.h. der Teil der Randzone, welcher den Gasraum 22 des Brennstoffelementes umschließt. Wie aus Fig. 1 bzw. Figo 3 weiterhin ersichtlich ist, weist die im Elektrolytraum 21 am .Asbestdiaphragma 23 angeordnete Brennstoffelektrode (Anode) 24 eine größere Fläche auf als die im Gasraum 22 auf der anderen Seite des Asbestdiaphragmas angeordrEbeOxidationsmittelelektroUe (Kathode) 27. Das im Elektrolytraum 21 angeordnete Stützgerüst 25 entspricht in seiner flächenhaften Ausdehnung der Anode 24. Das im Gasraum 22 angeordnete Metallnetz 28 weist vorteilhaft die gleiche Fläche auf wie die Kathode 27.

Die Randzonen 30 bis 32 der Asbestdiaphragmen 23 sowie die Trennbleche 16 und, soweit erforderlich, die Endplatten 18 und die Kontaktbleche 19 sind mit Löchern versehen, die bei zusammengesetzter Brennstoffbatterie den Batteriestapel durchsetzende Leitungen zur Zu- und Abführung der Betriebsstoffe der Brennstoffbatterie bilden.

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Der Sauerstoff wird über einen Rohrstutzen 33 einer leitung zugeführt, die durch Löcher 34 gebildet wird. Er tritt durch Kanäle 35,"die jeweils in den Schichten 32 der Randzonen der Asbestdiaphragmen 23 vorgesehen sind, in die Gasräume 22 der einzelnen Brennstoffelemente ein, durchströmt diese parallel und tritt, soweit er nicht verbraucht ist, im oberen Bereich der Batterie durch in den Schichten 32 der Randzonen der AsbesÜiaphragmen 23 vorgesehene weitere Kanäle 36 in die durch die Löcher 37 gebildete Leitung ein und wird durch diese aus der Brennstoffbatterie abgeführt.

Das Elektrolyt/Hydrazin-Gemisch wird im unteren Bereich der Batterie durch eine durch Löcher 38 gebildete Leitung über in den Schichten 31 der Randzonen der Asbestdiaphragmen 23 vorgesehene Kanäle 39 parallel den Elektrolyträumen 21 der Brennstoffbatterie zugeführt. Das verbrauchte Gemisch wird im oberen Bereich der Batterie durch in den Schichten 31 der Randzonen der Asbestdiaphragmen vorgesehene Kanäle 40 aus den Elektrolyträumen 21 entfernt und verläßt die Brennstoffbatterie durch eine Leitung, die durch Löcher 41 gebildet wird, über einen Rohrstutzen 42. Die Löcher 43 dienen für die Schraubenbizen 17.

Der in Mg. 3 dargestellte mittlere Teil des Asbestdiaphragmas 23 kann aus bindemittelfreiem Asbestpapier bestehen, das beispielsweise nach dem in der französischen Patentschrift 1 556 744 angegebenen Verfahren aus mit Kalilauge vorbehandelten Asbestfasern hergestellt und zur Verfestigung bei Temperaturen um etwa 450 C getempert sein kann. Der mittlere Teil des Asbestdiaphragmas 23 kann aber auch ein Kunststoffbindemittel enthalten, sofern er dadurch seine hydrophilen Eigenschaften nicht verliert·. Besonders geeignet ist als Bindemittel ein Butadien-Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat. Die Nitrilgruppen werden dabei zur Hydrophilierung des Diaphragmas vorteilhaft im fertigen Diaphragma mittels

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Kalilauge zu hydratisierbaren Carboxylgruppen verseifte Der Anteil dieses Bindemittels kann 6 bis 15 Gew„-$, bezogen auf das Gewicht des Asbestes, betragen» Auch andere Bindemittel, wie beispielsweise Chloropren in Mengen von 0,5 bis 6 6ew.-^, bezogen auf das Gewicht des Asbestes, sind geeignet» Verfahren zur Herstellung dieser bindemittelhaltigen Asbestdiaphragmen und weitere geeignete Bindemittel sind in der französischen Patentschrift 1 546 172 beschrieben,,

Die in den Figuren 2 und 4 dargestellten beiden äußeren Schichten 31 und 32 der Randzone des Asbestdiaphragmas 23 bestehen aus Asbestmaterial, das mit einem verhältismäßig weichen, elektrolytbeständigen Kunststoff gefüllt ist« Insbesondere sind Polytetrafluorethylen und Polyvinylchlorid geeignet. Der Kunststoffanteil kann beispielsweise etwa 10 Gew.-$, bezogen auf das Asbestgewicht,'betragen. Zur Herstellung können beispielsweise Asbestfasern mit Kunststoffpulvern oder -emulsionen vermischt und anschließend durch Heißpressen oder Abfiltrieren und Trocknen ausgeformt werden.

Zur Herstellung,der Asbestdiaphragmen mit in der Dicke verstärkten Randzonen, wobei die Randzonen jeweils zwei Bereiche mit unterschiedlicher Breite aufweisen, kann vorteilhaft folgendermaßen vorgegangen werden ο Zunächst werden in die äußeren, den Kunststoff enthaltenden Schichten 31 und 32 die erforderlichen Kanäle, 35 und 36 bzw. 39 und 40» eingearbeitet, beispielsweise eingestanzt. Gleichzeitig können in sämtliche Schichten, d.h. in die in den. Figuren 2 bis 4 dargestellten Teile, auch die erforderlichen Löcher eingestanzt werden. Das Einstanzen der Löcher kann aber auch erst am fertigen Asbestdiaphragma erfolgen. Die durch die strichpunktierte Linie 46 begrenzte Randzone der mittleren Asbestschicht wird dann mit einem elektrolytbeständigen Mehrkomponentenkunstharz, beispielsweise einem handelsüblichen Epoxidharz,

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getränkt. Dabei ist darauf zu achten, daß keine die Randzone durchsetzenden freien Wege verbleiben, die die Grasdichtigkeit und Elektrolytdichtigkeit der Randzone beeinträchtigen könnten. Das franken der Randzone kann durch Tauchen in das Epoxidharz, durch Bestreichen mit dem Epoxidharz oder auch durch Einbringen des Epoxidharzes in anderer Weise, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, erfolgen. Nach dem Tränken der Randzone der mittleren Schicht 30 mit Epoxidharz werden die Schichten 31, 30 und 32 aufeinandergelegt und dann wird das Epoxidharz bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Nach dem Aushärten sind die Schichten 31 und 32 durch das Epoxidharz elektrolyt- und gasdicht mit der Schicht 30 verklebt, d.h. mit dem Asbestdiaphragma 23·

Die fertigen Asbestdiaphragmen 23 mit in der Dicke verstärkter Randzone werden dann mit den Trennblechen 16 und den Kontaktblechen 19 zu einem Stapel aufgeschichtet. In die Elektrolyt- und Gasräume werden gleichzeitig die Elektroden 24 und 27 sowie die Stützgerüste 25 und die Netze 28 eingelegt. Der fertige Stapel wird zwischen den Endplatten 18 mit Hilfe der Schraubenbolzen 17 zusammengepreßt. Dabei werden die verstärkten Randzonen der Asbestdiaphragmen 23 fest gegen die Trennbleche 16 bzw, die Kontaktbleche 19 gedrückt und dichten die Elektrolyt- und Gasräume der Brennstoffbatterie völlig elektrolyt- und gasdicht nach außen ab. Die im Aufbau sehr einfache Brennstoffbatterie hat den weiteren Vorteil, daß sie erforderlichenfalls zum Auswechseln von Teilen leicht zerlegt werden kann.

Wie bereits erwähnt, können durch diese Bauweise die einzelnen Brennstoffelemente 11 bis 15 sehr dünn ausgebildet werden. Der Abstand der Trennbleche 16 und der Kontaktbleche 19 von den mittleren Schichten 30 der Asbestdiaphragmen 23 kann beispielsweise 0,5 mm betragen. Die mittleren Schichten

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30 der Asbestdiaphragmen sowie die Trennbleche 16 und die Kontaktbleche 19 können beispielsweise etwa 0,3 mm dick sein. Die Dicke der verstärkten Randzonen der Asbestdiapiiragmen beträgt dann 1_?3 mm. Der zentrale Teil der Asbestdiaphragmen kann beispielsweise Volumenporositäten von etwa 20 bis 50 fo aufweisen. Die als Hetzelektroden ausgebildeten Hydrazin-Elektroden 24 und die Stützgerüste 25 sind jeweils etwa 190 mm χ 190 mm groß_s die aus Raney-Silber bestehenden Sauerstoff elektroden 27 jeweils etwa 180 mm χ 180 mm. Der Druck

im Elektrolytraum beträgt etwa 15 l/cm ? der Druck im Gas-

raum etwa 20 IT/cm .

In Fig. 10, welche einen vergrößerten Ausschnitt aus der Brennstoffbatterie nach Mg« 1 zeigt, ist die unterschiedliche Größe der Elektroden bzw» die unterschiedliche Breite der Randzone beiderseits der die Fortsetzung des zentralen Teiles des Asbestdiaphragmas, bildenden Schicht der Randzone nochmals verdeutlicht. Das Asbestdiaphragma 100 weist eine in der Dicke verstärkte Randzone auf, welche aus drei Schichten besteht« Die mittlere Schicht 101 ist die Fortsetzung des zentralen Teiles des Asbestdiaphragmas 100» Beidseitig der mittleren Schicht 101 ist je eine äußere Schicht 102 bzw. 103 angeordnet« Die Breite 106 der den Elektrolytraum nach außen abdichtende Schicht 102 ist kleiner als die Breite 107 der den Gasraum nach außen abdichtenden Schicht 103. Andererseits weist die im Elektrolytraum am Asbestdiaphragma 100 angeordnete Hydrazinelektrode 104 eine größere Fläche auf als die im Gasraum am Asbestdiaphragma angeordnete Sauerstoff elektrode 1O5₉. d.h. die Elektrode 104 (und entsprechend auch das zugehörige Stützgerüst) ragt über den Innenrand 108 des gasseitigen Teiles 103 der Randzone hinaus. Mit 109 ist der Innenrand des elektrolytseitigen Teiles 102 der verstärkten Randzone des Asbestdiaphragmas bezeichnet, welcher den Elektrolytraum nach außen begrenzt.

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In Fig. 5 sind zwei Brennstoffelemente 51 und 52 einer Brennstoffbatterie 50 dargestellt, bei der ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, umgesetzt wird. Als Elektrolyt kann beispielsweise Kalilauge verwendet werden. Jedes Brennstoffelement besteht aus einem Gasraum für den Wasserstoff, einem G-asraum 54 für den Sauerstoff und einem Elektrolytraum 55- Der Wasserstoffraum 53 ist vom Elektrolytraum 55 durch ein Asbestdiaphragma 56 getrennt. Zur Trennung des Sauerstoffraumes 54 vom Elektrolytraum dient ein Asbestdiaphragma 57. Zur Trennung der Brennstoffelemente voneinander dienen Trennbleche 58, die ebenso ausgebildet sind wie die Trennbleche bei der Brennstoffbatterie nach Fig. 1. Im Gasraum 53 ist eine als Wasserstoffelektrode dienende Anode 59 angeordnet, welche beispielsweise aus gegebenenfalls mit Bindemittel versehenem -Kaney-Nickel-Pulver bestehen kann. Sie wird durch ein feinmaschiges Mckelnetz 60 elektrisch kontaktiert und an das Asbestdiaphragma 56 angedrückt. Im Gasraum 54 ist eine als Sauerstoff elektrode dienende Kathode 61 angeordnet, welche beispielsweise aus gegebenenfalls, mit Bindemittel versehenem Raney-Silber-Pulver bestehen kann. Sie wird durch ein feinmaschiges Nickelnetz 62 kontaktiert und an das Asbestdiaphragma 57 angedrückt. Im Elektrolytraum 55 ist als Abstandhalter zwischen den Asbestdiaphragmen 56 und 57 ein Stützgerüst 63 in Form eines grobmaschigen Netzes, beispielsweise aus Wickel oder einem elektrolytbeständigen Kunststoff, vorgesehen. Die Wasserstoffelektrode 59 und die Sauerstoffelektrode 61 sind flächenmäßig etwa gleich groß, beide Elektroden sind aber kleiner als das im Elektrolytraum 55 angeordnete Stützgerüst 63.

Die verstärkte Randzone des Asbestdiaphragmas 56 besteht aus drei Schichten 64, 65 und 66, die verstärkte Randzone des

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Asbestdiaphragmas 57 aus drei Schichten 67, 68 und 69· Die mittleren Teile 65 und 68 der Asbestdiaphragmen 56 und 57 sind gleichartig aufgebaut und. verkleinert in Draufsicht in Fig. 7 dargestellt. Die Randzone ist dabei vom zentralen Teil 83 des Asbestdiaphragmas durch die unterbrochene Linie 84 bzw. die strichpunktierte Linie 85 abgegrenzt. Die von der unterbrochenen Linie 84 umgrenzte Fläche entspricht der Fläche der Elektroden, d'.h. der Anode 59 und der Kathode 61 , und die von der strichpunktierten Linie 85 umgrenzte Fläche entspricht der Fläche des Stützgerüstes 63.

Die äußere Schicht 64 der Randzone des Asbestdiaphragmas 56, die in Fig. 6 dargestellt ist-, umschließt den Wasserstoffraum 53 und die äußere Schicht 69 der Randzone des Asbestdiaphragmas 57, die in Figo 9 dargestellt ist, den Sauerstoffraum 54. Die äußeren Schichten 66 und 67 der Randzonen der Asbestdiaphragmen 56 und 57, die gemeinsam den Elektrolytraum 55 umschließen, sind gleichartig ausgebildet und in Fig. 8 dargestellt. Der in Fig. 5 sichtbare Schnitt der Asbestdiaphragmen verläuft entlang der Linie V-Y in den Figuren 6 bis 9·

Zur Zuführung des Wasserstoffes dienen die durch die Löcher 70 gebildete Leitung und die in den Schichten 64 vorgesehenen Kanäle 71· Das nicht umgesetzte Gas wird aus den Wasserstoffräumen 53 der Brennstoffbatterie über in den Schichten 64 im oberen Bereich der Batterie vorgesehene Kanäle 72 und eine Leitung abgeführt, die durch die Löcher 73 gebildet wird. Zur Zu- bzw. Abführung des Sauerstoffes dienen entsprechende, durch Löcher 74 bzw. 75 gebildete Leitungen und in den Schichten 69 vorgesehene Kanäle 76 bzw. 77. Die Abführung des Sauerstoffes erfolgt dabei, wie in Fig. 5 dargestellt ist, durch die Kanäle 77 und. durch die durch die Löcher 75 gebildete Leitung. Zur Zu- bzw. Abführung des Elektrolyten dienen schließlich durch Löcher 78 bzw. 79 gebildete Leitungen und in den Schichten 66 und 67 vorgesehene Kanäle 80

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bzw. 81. Die Löcher 82 sind für Schraubenbolzen zum Zusammenpressen der Einzelteile der Brennstoffbatterie bestimmt. An den Enden der Brennstoffbatterie nach Pig. 3 werden Kontaktbleche und Endplatten entsprechend Fig. 1 vorgesehen.

Die Asbestdiaphragmen bei der Brennstoffbatterie nach Pig. können aus den gleichen Materialien bestehen und in gleicher Weise hergestellt werden, wie die Asbestdiaphragmen für die Brennstoffbatterie nach Pig. 1. Die Asbestdiaphragmen 56 werden aus den Schichten 64., 65 und 66, die Asbestdiaphragmen 57 aus den Schichten 67, 68 und 69 zusammengeklebt. In der fertigen Brennstoffbatterie werden sowohl verstärkte Randzonen der Asbestdiaphragmen 56 und 57 gegeneinander als auch gegen die Trennbleche 58 gepreßt. An beiden Anpreßstellen wird eine hervorragende Dichtung erzielt.

Die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie kann gegenüber den in den Figuren dargestellten Beispielen vielfach abgewandelt werden. Statt einer quadratischen Form kann beispielsweise eine andere rechteckige, eine vieleckige oder eine runde Form gewählt werden. Ebenso können andere Elektroden, beispielsweise Sintermetallelektroden, und andere Katalysatormaterialien verwendet werden. Bei Verwendung von hinreichend säurebeständigem Asbest, beispielsweise Blauasbest, ist die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie auch für saure Elektrolyten geeignet. Ebenso können andere Brennstoffe, beispielsweise Methanol, verwendet werden.

3 Patentansprüche
10 Figuren

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Claims

YPA 73/7548 Patentansprüche

1. Brennstoffbatterie in Mlterpressenbauweise für flüssigen Elektrolyten und wenigstens einen gasförmigen Reaktanten, bei welcher die Elektroden bzw» Stützgerüste enthaltenden Gas- und Elektrolyträume der einzelnen Brennstoffelemente durch Asbestdiaphragmen und die einzelnen Brennstoffelemente durch Trennbleche voneinander getrennt sind und die Asbestdiaphragmen in der Dicke verstärkte, elektrolytundurchlässige, gasdichte Randzonen aufweisen, welche unmittelbar aneinander bzw. gegen die Trennbleche gepreßt sind und eingearbeitete Zuführungskanäle zu den Gas- und Elektrolyträumen enthalten, nach Patent -.. .-..._e...."..". ο «...."* (Anmeldung Akt.Z. P 20 26 220.8), dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des elektrolytseitig zum zentralen Teil (30) liegenden Teiles (31) der Randzone kleiner als die Breite des gasseitig liegenden Teiles (32) ist und daß die in den Elektrolyträumen (21) angeordneten Stützgerüste (25) bzw. Elektroden (24) flächenmäßig über den Innenrand des gasseitigen Teiles (32) der Randzone hinausragen. -

2. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Elektrolyträumen (21) angeordneten Stützgerüste (25) bzw. Elektroden (24) wenigstens um einen Betrag über den Innenrand des gaieitigen Teiles (32) der Randzone hinausragen, der ihrem Abstand vom umgebenden elektrolytseitig liegenden Teil (31) der Randzone entspricht,,

3. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Elektrolyträumen (21) angeordneten Stützgerüste (25) bzw. Elektroden (24) in ihrer fläohenmäßigen Ausdehnung allseitig um wenigstens 4 mm über den Rand der in den Gasräumen (22) angeordneten Elektroden (27) hinausragen.

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