DE3623854A1

DE3623854A1 - ELECTROCHEMICAL ALKALI FUEL CELL

Info

Publication number: DE3623854A1
Application number: DE3623854A
Authority: DE
Inventors: Ronald E Martin
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1985-07-18
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1987-01-29
Also published as: FR2585188A1; GB8616021D0; GB2178223A; NL8601748A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Alkali-Zellen, und insbesondere Rahmenteile für das Gehäuse von Alkali-Brennstoffzellen.The present invention relates to electrochemical Alkali cells, and especially frame parts for that Housing of alkali fuel cells.

Alkali-Brennstoffzellen kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, zu denen Unterwasser- und Raumfahrtanwendungen gehören, beispielsweise bei dem Raumgleiter Space Shuttle. Bei einer Anwendung im Raumfahrtbereich ist ein störungsfreier Langzeitbetrieb von höchster Bedeutung.Alkaline fuel cells come in a variety of sizes Applications for use, including underwater and Space applications include, for example, the Space shuttle. When used in space is a trouble-free long-term operation of of paramount importance.

Gegenwärtig existierende Alkali-Brennstoffzellenkonstruktionen bestehen aus Zellenstapeln von etwa 30 bis etwa 150 Zellen, wobei die Zahl von der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Spannungsabgabe abhängt. Herkömmliche Alkali-Brennstoffzellen weisen eine Anordnung von in zahlreichen Schichten angeordneten Bauteilen auf, die ein Sauerstoffströmungsfeld, eine Kathode, eine Matrix, eine Anode, einen Elektrolytspeicher und ein Wasserstoffströmungsfeld bilden. Diese Brennstoffzellenkonstruktionen benötigen normalerweise einen Behälter (ein Zellengehäuse), das die Zellen und die Zellenbauteile zu einer einheitlichen starren Struktur verbindet. Außerdem muß das Zellengehäuse den Austausch der Reaktanten, Produkte und Kühlmittel ermöglichen. Das Gehäusematerial muß mit dem Alkali- Brennstoffzellenmilieu verträglich sein, um seinen Teil zu dem störungsfreien Betrieb und der langen Lebensdauer beizutragen, die für Alkali-Brennstoffzellen bei Raumfahrtanwendungen erforderlich sind. Das Gehäuse sollte auch leicht sein, um ein vorteilhaftes Gewichts/ Energie-Verhältnis zu ermöglichen.Currently existing alkali fuel cell designs consist of cell stacks from about 30 to about 150 cells, the number of which is for each Application required voltage output depends. Conventional alkali fuel cells have one arrangement of components arranged in numerous layers on which is an oxygen flow field, a Cathode, a matrix, an anode, an electrolyte storage and form a hydrogen flow field. These Fuel cell designs usually require a container (a cell housing) that holds the cells and the cell components rigid to a uniform Structure connects. In addition, the cell housing must Allow exchange of reactants, products and coolants. The housing material must be Fuel cell milieu to be compatible to its part for trouble-free operation and a long service life to contribute that for alkali fuel cells Space applications are required. The housing should also be easy to get an advantageous weight / Allow energy ratio.

Derzeitig stellt eine Lösung für dieses Problem ein Rahmen dar, der aus einem Mehrfachlaminat aus einem Glasfasergewebe besteht. Die Glasfaserlaminate können bis zur gewünschten Dicke übereinander gelegt werden, auf die gewünschte Form zugeschnitten werden und in den Brennstoffzellenstapel eingearbeitet werden. Diese Laminate funktionieren im Hinblick auf die Aufnahme der Zellenbauteile gut und ermöglichen den erforderlichen Austausch von Reaktanten, Produkten und Kühlmitteln. Angesichts der Bedeutung einer über lange Zeiträume störungsfrei arbeitenden Alkali-Brennstoffzelle für Raumfahrtanwendungen ist jedoch stets Raum für eine Verbesserung der Konstruktionsteile einer Brennstoffzelle.It is currently solving this problem Frame that consists of a multiple laminate from a Glass fiber fabric is made. The glass fiber laminates can overlaid to the desired thickness, cut to the desired shape and in the Fuel cell stacks are incorporated. These laminates work with regard to the inclusion of the Cell components well and enable the necessary Exchange of reactants, products and coolants. Given the importance of long periods of time trouble-free alkali fuel cell for However, space applications are always room for improvement the construction parts of a fuel cell.

Die Entwicklung auf diesem Gebiet wird daher kontinuierlich vorangetrieben, um noch zuverlässigere, dauerhafte Bauteile für Alkali-Brennstoffzellen für Raumfahrtanwendungen zu schaffen.The development in this area is therefore continuous advanced to more reliable, lasting Components for alkali fuel cells for space applications to accomplish.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine über eine lange Lebensdauer zuverlässigere Alkali-Brennstoffzelle zu schaffen.The invention has for its object one over long life more reliable alkali fuel cell to accomplish.

Diese Aufgabe wird durch eine Alkali-Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This task is accomplished through an alkali fuel cell solved according to claim 1. Advantageous configurations can be found in the subclaims.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle ist eine, bei der die Zellenbauteile für die Kathode, die Matrix und die Anode im Innenraum eines Zellengehäuses angeordnet sind. Das Zellengehäuse weist eine Vielzahl von geformten übereinander gestapelten Rahmenteilen auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten die Rahmenteile ein Polyphenylsulfidharz, ein Polyethersulfonharz oder Mischungen davon sowie einen Füllstoff.The electrochemical cell according to the invention is one where the cell components for the cathode, the matrix and the anode is arranged in the interior of a cell housing are. The cell housing has a variety of molded frame parts stacked on top of each other. According to the present invention, the frame parts include a polyphenyl sulfide resin, a polyether sulfone resin or mixtures thereof and a filler.

Ein solches geformtes polymeres Rahmenteil stellt der Alkali-Brennstoffzellenindustrie ein Bauteil zur Verfügung, das einen Beitrag zu einer dauerhaften Zelle mit einer Langzeit-Lebensdauer leistet. Es bedeutet daher einen erheblichen Fortschritt für das Gebiet der Alkali-Brennstoffzellen, daß neue haltbare Bauteile für Raumfahrtanwendungen zur Verfügung gestellt wurden.Such a shaped polymer frame part is the Alkali fuel cell industry one component is available that contributes to a permanent cell with a long-term lifespan. It therefore means significant progress in the field of Alkali fuel cells that new durable components for Space applications have been made available.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren noch näher erläutert, wobei der nachfolgenden Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung zu entnehmen sind.The invention is illustrated below using exemplary embodiments explained in more detail with reference to the figures, with the following description further features and advantages of the subject matter of the present application can be seen.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen beispielhaften Satz von geformten Rahmenteilen; FIG. 1 is a plan view of an exemplary set of molded frame members;

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines Teils eines solchen Rahmenteils mit einer der Öffnungen (Verteilern); und Figure 1A is a perspective view of a portion of such a frame member with one of the apertures (manifolds). and

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teils einer Brennstoffzelle, die den beispielhaften Satz von geformten Rahmenteilen aus Fig. 1 enthält. FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion of a fuel cell that includes the exemplary set of molded frame parts of FIG. 1.

Als Material für die Rahmenteile wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Polyphenylensulfidpolymer, ein Polyethersulfonpolymeres oder eine Mischung davon verwendet. Derartige Harze können zu Rahmenstrukturen (z. B. Bilderrahmenstrukturen) geformt werden, die beispielsweise eine Seitenlänge von etwa 15,3 bis etwa 38,1 cm aufweisen und eine Dicke von etwa 0,64 cm. Zusätzlich ist ein derartiges Harz in der Lage, der Umgebung einer Alkali-Brennstoffzelle zu widerstehen und führt zu keiner Verschmutzung der Kathode, der Matrix, der Anode und des Elektrolyten. Es ist dabei besonders bevorzugt, im Rahmen der vorliegenden Erfindung Polyphenylensulfid zu verwenden.As a material for the frame parts according to the present Invention a polyphenylene sulfide polymer, a polyether sulfone polymer or a mixture thereof. Such Resins can form frame structures (e.g. picture frame structures) are shaped, for example, one side length from about 15.3 to about 38.1 cm and one Thickness of about 0.64 cm. In addition is such a resin capable of surrounding an alkali fuel cell resist and does not contaminate the cathode, the matrix, the anode and the electrolyte. It is there particularly preferred in the context of the present invention To use polyphenylene sulfide.

Verschiedene andere Polymere zeigen nicht die Eigenschaften, die für das Rahmenmaterial erforderlich sind, wie sie oben beschrieben sind (beispielsweise können sie nicht umgeformt werden). Wenn beispielsweise Polysulfonharze in den für typische Alkali-Brennstoffzellen erforderlichen Größen verformt werden, d. h. bei Verhältnissen von Rahmenlänge zu -breite von etwa 4 oder größer, bricht das Harz und wird rissig. Wenn Teflon (Warenzeichen der E. I. DuPont DeNemours, Wilmington, Delaware) in der Rahmenkonfiguration verformt wird, neigt es dazu, sich wie ein Kartoffelchip zu verziehen. Die Familie der Epoxid-Novolac-Polymeren korrodiert unter den Umgebungsbedingungen einer Alkali- Brennstoffzelle und führt zu Verschmutzungen der Kathode, der Matrix, der Anode und des Elektrolyten. Beispielsweise kann Kohlendioxid gebildet werden, und wenn dieses mit dem Zellenelektrolyten reagiert, bildet sich Kaliumcarbonat. Kaliumkarbonat ist aber ein schlechter Elektrolyt und erhöht den Innenwiderstand der Zelle, wodurch sich deren Wirkungsgrad erniedrigt.Various other polymers do not show the properties that are required for the frame material as above are described (for example, they cannot be reshaped will). For example, if polysulfone resins in the required for typical alkali fuel cells Sizes are deformed, d. H. at frame length ratios width of about 4 or larger, the resin breaks and becomes cracked. If Teflon (trademark of E.I. DuPont DeNemours, Wilmington, Delaware) in the frame configuration is deformed, it tends to look like a potato chip to warp. The family of epoxy novolac polymers corrodes under the environmental conditions of an alkali Fuel cell and leads to contamination of the cathode, the matrix, the anode and the electrolyte. For example carbon dioxide can be formed and if this with the When cell electrolytes react, potassium carbonate forms. However, potassium carbonate is a poor electrolyte and increased the internal resistance of the cell, which Efficiency reduced.

Ein beispielhaftes Polyphenylensulfid kann durch die folgende empirische Formel beschrieben werden: Wie in Band 18 der Encyclopedia of Chemical Technology von John Wiley and Sons, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird, beschrieben wird, beträgt das Molekulargewicht von Polyphenylensulfid vor dem Verformen typischerweise etwa 18 000. Typische Eigenschaften für ein geeignetes Harz (bei 135°C verformt, wie in der obigen Literaturstelle beschrieben) werden nachfolgend angeführt. An exemplary polyphenylene sulfide can be described by the following empirical formula: As described in Volume 18 of the Encyclopedia of Chemical Technology by John Wiley and Sons, which is incorporated by reference, the molecular weight of polyphenylene sulfide before molding is typically about 18,000. Typical properties for a suitable resin (molded at 135 ° C) as described in the above reference) are listed below.

Typische Eigenschaften von Polyphenylensulfid Typical properties of polyphenylene sulfide

Polyphenylensulfid kann dadurch hergestellt werden, daß man p-Dichlorbenzol und Natriumsulfid bei erhöhten Temperaturen in einem polaren Lösungsmittel polymerisiert. Natriumsulfid kann durch Abdestillation von Wasser aus dem Reaktionsprodukt von wäßriger Lauge und wäßrigem Natriumhydrogensulfid hergestellt werden. Während der Reinigung von Polyphenylensulfid kann Natriumchlorid, ein Reaktionsnebenprodukt, durch Waschen entfernt werden. Dieses Verfahren führt zu einem linearen Polymeren von mäßigem Molekulargewicht (ca. 18 000) und von einer mechanischen Festigkeit, die es zum Ausgangsmaterial für die Herstellung von verschiedenen Harzen von Preßharzqualität machen. Die Harze von Preßharzqualität der vorliegenden Offenbarung können nach einem Härtungsverfahren hergestellt werden, bei dem das ursprüngliche Polymere bei erhöhter Temperatur mit einer geringen Menge Luft auf solche Weise in Berührung kommt, daß ein höher molekulargewichtiges Harz erzeugt wird und niedriger molekulargewichtige Polymere durch Verflüchtigung entfernt werden. Das Ausmaß der Härtung wird durch die Verweilzeit und die Reaktionstemperatur gesteuert, die durch eine Messung der Schmelzviskosität verfogt werden können. Polyphenylensulfid ist im Handel unter der Handelsbezeichnung Ryton R-4, R-7, R-8 und R-10-Polymeren von der Phillips Chemical Company, Bartlesville, Oklahoma erhältlich.Polyphenylene sulfide can be produced in that p-dichlorobenzene and sodium sulfide at elevated temperatures polymerized in a polar solvent. Sodium sulfide can be removed by distilling water from the Reaction product of aqueous lye and aqueous sodium hydrogen sulfide getting produced. During cleaning of polyphenylene sulfide, sodium chloride, a reaction by-product, be removed by washing. This method leads to a linear polymer of moderate molecular weight (approx. 18,000) and of mechanical strength, which made it the starting material for the manufacture of various Make resins of molding resin quality. The resins from Resin quality of the present disclosure can be according to a curing process in which the original polymers at elevated temperature with a small amount of air comes into contact in such a way that a higher molecular weight resin is produced and lower molecular weight polymers due to volatilization be removed. The extent of curing is determined by the residence time and controlled the reaction temperature by a measurement of the melt viscosity can be made. Polyphenylene sulfide is commercially available under the trade name Ryton R-4, R-7, R-8 and R-10 polymers from the Phillips Chemical Company, Bartlesville, Oklahoma.

Ein beispielhaftes Polyethersulfon kann empirisch durch die folgende Formel beschrieben werden: Typische Eigenschaften eines geeigneten Polyethersulfons, wie sie der Literatur entnehmbar sind, werden nachfolgend angegeben.An exemplary polyether sulfone can be described empirically by the following formula: Typical properties of a suitable polyether sulfone, as can be found in the literature, are given below.

Typische Eigenschaften von Polyethersulfon Typical properties of polyethersulfone

Polyethersulfone können durch eine Umsetzung von organischen Bis-sulfochloriden mit Diarylethern hergestellt werden. So liefert die Kondensation von Diphenylether mit dem Disulfochlorid des Diphenylethers Polyethersulfon. Die Reaktion kann in der Schmelze oder in einem inerten Lösungsmittel, wie beispielsweise Acetonitril, durchgeführt werden. Eisen(III)chlorid ist der bevorzugte Katalysator, während andere Halogenide wie Antimonpentachlorid und Indiumtrichlorid auch verwendbar sind. Beispiele für geeignete Polyethersulfone sind PES-200P, PES-300P, PES- 420P und PES-430P-Polymere, die von ICI Americas (Wilmington, Delaware) erhältlich sind.Polyethersulfones can be converted by organic Bis-sulfochlorides made with diaryl ethers will. So the condensation of diphenyl ether provides the disulfochloride of the diphenyl ether polyether sulfone. The reaction can be in the melt or in an inert Solvents such as acetonitrile performed will. Iron (III) chloride is the preferred catalyst while other halides like antimony pentachloride and indium trichloride can also be used. examples for suitable polyether sulfones are PES-200P, PES-300P, PES- 420P and PES-430P polymers manufactured by ICI Americas (Wilmington, Delaware) are available.

Grundsätzlich kann irgendein organischer oder anorganischer Füllstoff bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, der die eingangs beschriebenen Eigenschaften des geformten Rahmens nicht verschlechtert. Es ist jedoch bevorzugt, Fasern wie Kieselglasfasern, Teflonpolymere, Kaliumtitanat, Zirconiumoxid oder Ceroxid zu verwenden. Es ist dabei bevorzugt, Kieselglas zu verwenden, da dieser Füllstoff in der Polymere verarbeitenden und verformenden Industrie eine breite Anwendung gefunden hat und es sich gezeigt hat, daß damit dimensionsstabile gepreßte Rahmen erhalten werden. Obwohl die Glasfasern eine Quelle für Verunreinigungen sein können, wenn sie in Laminatstrukturen verwendet werden, setzen die gepreßten Rahmen der vorliegenden Erfindung keine Verunreinigungen frei, da in ihnen die eingearbeiteten Fasern durch das Harz verkapselt sind. Außerdem werden bei den Rahmen der vorliegenden Erfindung etwa 30 bis etwa 80% weniger Glasfaserfüllstoff verwendet als in Laminatstrukturen. Schon allein dadurch verringert sich die mögliche Verschmutzung der Zelle. Kieselglas ist von Uniglass Industries, Statesville, North Carolina, erhältlich. Als Alternative ist es bevorzugt, Teflonpolymere, Kaliumtitanat oder Zirconiumoxid als Füllstoffe zu verwenden, da sie eine hohe Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion in der Umgebung einer Alkali-Brennstoffzelle aufweisen. Teflon ist von E. I. DuPont DeNemours, Wilmington, Delaware erhältlich. Kaliumtitanat ist von Otsuka Chemical Company, Osaka, Japan erhältlich, und Zirconiumoxidfasern sind von der Transelco Division of Ferro Corporation, New York, New York erhältlich.Basically, any organic or inorganic Filler in realizing the present Invention can be used, which described the above Properties of the molded frame did not deteriorate. However, it is preferred to use fibers such as silica glass fibers, Teflon polymers, potassium titanate, zirconium oxide or cerium oxide to use. It is preferred to use silica glass since this filler is used in the polymer processing and deforming industry found wide application and it has been shown that it is dimensionally stable pressed frames can be obtained. Although the glass fibers can be a source of contaminants when in Laminate structures are used to set the pressed No impurities within the scope of the present invention free, because the incorporated fibers in them through the Resin encapsulated. In addition, the framework of the present invention about 30 to about 80% less glass fiber filler used as in laminate structures. Nice this alone reduces the possible pollution the cell. Pebble glass is from Uniglass Industries, Statesville, North Carolina, available. As an alternative it is preferred, teflon polymers, potassium titanate or zirconium oxide to be used as fillers because they are highly resistant against high temperature corrosion in the environment of a Have alkali fuel cell. Teflon is from E.I. DuPont DeNemours, Wilmington, Delaware available. Potassium titanate is available from Otsuka Chemical Company, Osaka, Japan, and zirconia fibers are from the Transelco Division of Ferro Corporation, New York, New York.

Unter typischen Bedingungen werden etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% Füllstoffe in der fertigen Preßmischung verwendet. Es ist dabei bevorzugt, daß etwa 25 bis 35 Gew.-% Füllstoffe verwendet werden, wobei etwa 30 Gew.-% Füllstoffe in der End-Preßmischung ganz besonders bevorzugt sind. Grundsätzlich kann auch irgendein beliebiges Verhältnis von Polyphenylensulfidharz zu Polyethersulfonharz verwendet werden. Zur Formung des Rahmens kann irgendein Formverfahren verwendet werden, das zu einem polymeren geformten Rahmen mit den oben beschriebenen Eigenschaften führt. Diese herkömmlichen Formgebungsverfahren umfassen das Spritzgießen, das Formpressen, das Extrusionsformen und das Blasformen. Es ist dabei bevorzugt, ein Spritzgießverfahren bei Schmelzentemperaturen von etwa 302°C bis etwa 357°C anzuwenden. Dabei werden außerdem Formtemperaturen von etwa 135°C bis etwa 149°C bevorzugt, wobei besonders bevorzugt ist, daß die Formtemperatur etwa 143°C beträgt. Die Formdrucke betragen vorzugsweise von 492 kg/cm² bis etwa 844 kg/cm², wenn eine Form-Zykluszeit von etwa 25 s bis etwa 45 s angewandt wird. Nach dem Formen wird das Harz bei etwa 204°C bis etwa 232°C ausgehärtet und ausgeheizt, wobei die bevorzugte Temperatur 218°C beträgt und die Erhitzungszeit 2 h bis etwa 4 h, wobei 3 h bevorzugt sind. Die speziellen Merkmale des nachfolgend beschriebenen bevorzugten Rahmens können unter Verwendung einer komplizierten Form, die die gewünschten Merkmale bereits aufweist, in den Rahmen während seiner Herstellung eingeformt werden, oder diese Merkmale können in einen geformten Grundrahmen spannabhebend eingeschnitten werden.Under typical conditions, about 10 to about 40% by weight fillers are used in the finished press mix. It is preferred that about 25 to 35% by weight of fillers are used, with about 30% by weight of fillers being very particularly preferred in the final press mixture. In principle, any ratio of polyphenylene sulfide resin to polyether sulfone resin can also be used. Any molding process that results in a polymer molded frame having the properties described above can be used to form the frame. These conventional molding processes include injection molding, compression molding, extrusion molding and blow molding. It is preferred to use an injection molding process at melt temperatures from about 302 ° C to about 357 ° C. Mold temperatures of approximately 135 ° C. to approximately 149 ° C. are also preferred, it being particularly preferred that the mold temperature be approximately 143 ° C. The mold pressures are preferably from 492 kg / cm ² to about 844 kg / cm ² when a mold cycle time from about 25 s to about 45 s is used. After molding, the resin is cured and baked at about 204 ° C to about 232 ° C, with the preferred temperature being 218 ° C and the heating time being from 2 hours to about 4 hours, with 3 hours being preferred. The particular features of the preferred frame described below can be molded into the frame while it is being manufactured using a complicated shape that already has the desired features, or these features can be cut into a molded base frame in a tension-cutting manner.

Die angegebenen Polymeren werden zu Rahmenteilen verformt, die die verschiedenen Zellenbauteile der elektrochemischen Zelle (z. B. Anode, Kathode, Matrix) in einer vereinheitlichten starren Konstruktion aufnehmen können. Die Zahl und der Typ der Zellenbauteile hängt dabei vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Der Bereich der Rahmenformen und somit der Zellformen (auch Stapelformen) können unterschiedlich sein und hängen von dem speziellen Anwendungsfall ab.
Beispielsweise kann bei einem einfachen Muster für eine herkömmliche Nickel-Cadmium-Batteriezelle einen Rahmen verwenden, der Bilderrahmenform aufweist. Ein solcher Rahmen wäre im wesentlichen eine ebene Platte mit einer Öffnung. Die Öffnung könnte dabei quadratisch, rund, rechteckig usw. sein. Die Zellenbauteile wären innerhalb und zwischen wenigstens zwei der Rahmen gestapelt, und zwischen den Rahmen würde ein Dichtungsmaterial angeordnet. Diese Zellen werden dann in einen Behälter gegeben, der eine Größe aufweist, die ausreicht, die Zelle (n) und den Reaktanten zu halten. Außerdem sollte der Behälter in der Lage sein, die Drücke auszuhalten, die bei elektrochemischen Zellen üblich sind. Wenn sie für Brennstoffzellen verwendet werden, müssen diese Behälterrahmen (Halter) zusätzlich in der Lage sein, einen Austausch der Reaktanten, Produkte und Kühlmittel zu gestatten. Wenn jedoch einmal die Grundparameter eingehalten sind, ist die Zahl der Rahmenteile und somit der Zellen- und Stapelformen zahlreich. Die nachfolgenden Absätze beschreiben eine beispielhafte Rahmenkonstruktion, bei der drei unterschiedliche Rahmen verwendet werden, und das Beispiel illustriert auch eine alternative Stapelkonstruktion, bei der zwei unterschiedliche Rahmen verwendet werden.The specified polymers are shaped into frame parts which can accommodate the various cell components of the electrochemical cell (e.g. anode, cathode, matrix) in a unified rigid construction. The number and type of cell components depends on the respective application. The area of the frame shapes and thus the cell shapes (also stack shapes) can be different and depend on the specific application.
For example, in a simple pattern for a conventional nickel-cadmium battery cell, a frame having a picture frame shape can be used. Such a frame would essentially be a flat plate with an opening. The opening could be square, round, rectangular, etc. The cell components would be stacked within and between at least two of the frames, and a sealing material would be placed between the frames. These cells are then placed in a container large enough to hold the cell ( s ) and reactant. The container should also be able to withstand the pressures common to electrochemical cells. If they are used for fuel cells, these container frames (holders) must also be able to allow the reactants, products and coolants to be exchanged. However, once the basic parameters are observed, the number of frame parts and thus the cell and stack shapes is numerous. The following paragraphs describe an example frame construction using three different frames, and the example also illustrates an alternative stack construction using two different frames.

Ein besseres Verständnis eines solchen Rahmens kann durch Bezug auf Fig. 1 vermittelt werden, die einen Sauerstoffrahmen, einen Wasserstoff/Sauerstoff (H₂/O₂)-Rahmen und einen Wasserstoffrahmen zeigt. Die bevorzugten Rahmen sind flache Quadrate, die an Bilderrahmen erinnern, die zwei handgriffartige Ringstrukturen an jeder von drei Seiten aufweisen, wobei diese Ringe (Verteiler) alle in der Ebene des Rahmens liegen. Die Innenabmessungen dieser Rahmen betragen typischerweise von etwa 21,6 cm mal 21,6 cm mal 0,64 cm. Ein solches Rahmendesign ermöglicht die Aufnahme einer Zellenkonstruktion, die zu einem leichten Stapel führt, der eine einfache Form aufweist und trotzdem eine hocheffektive alkalische Brennstoffzelle darstellt. Genauer gesagt, weist der Sauerstoffrahmen 101 eine Vertiefung (z. B. Stufe, Einkerbung) 102 auf, die die innere Umfangskante des Rahmens 101 begrenzt. Diese Vertiefung ist typischerweise etwa 127 µm bis etwa 508 µm tief und etwa 0,2 cm bis 1,2 cm breit. Der Sauerstoffrahmen 101 weist Wasserstoffeinlaßverteiler 103 und Wasserstoffauslaßverteiler 104 (Öffnungen), Sauerstoffeinlaßverteiler 105 und Sauerstoffauslaßverteiler 106 und Kühlmitteleinlaßverteiler 107 und Kühlmittelauslaßverteiler 108 auf. Wenn die Rahmen zu einem Gehäuse gestapelt werden, sollten die Öffnungen so fluchten, daß langgestreckte Fluidleitungen entstehen, die einen Austausch der Reaktanten, Produkte und Kühlmittel ermöglichen. Die Verteiler weisen typischerweise Abmessungen von 8 mal 4 cm auf und weisen Innenabmessungen von etwa 5 mal etwa 2,5 cm auf. Fig. 1A zeigt einen typischen Verteiler. Obwohl bei dem gezeigten Zellenmuster Rahmen mit 6 Öffnungen verwendet werden, sind typischerweise für Brennstoffzellenverwendungen wenigstens 4 Öffnungen erforderlich. Diese 4 Öffnungen ermöglichen den Eintritt und Austritt der beiden Reaktanten. Bei einem derartigen System würde dann ein separates Kühlsystem verwendet.A better understanding of such a frame can be given by reference to FIG. 1, which shows an oxygen frame, a hydrogen / oxygen (H ₂ / O ₂ ) frame and a hydrogen frame. The preferred frames are flat squares, reminiscent of picture frames, which have two handle-like ring structures on each of three sides, these rings (distributors) all lying in the plane of the frame. The internal dimensions of these frames are typically approximately 21.6 cm by 21.6 cm by 0.64 cm. Such a frame design enables the inclusion of a cell structure that results in a light stack that is simple in shape and yet is a highly effective alkaline fuel cell. More precisely, the oxygen frame 101 has a recess (z. B. stage, notch) 102, which defines the inner circumferential edge of the frame 101. This depression is typically about 127 microns to about 508 microns deep and about 0.2 cm to 1.2 cm wide. Oxygen frame 101 has hydrogen inlet manifold 103 and hydrogen outlet manifold 104 (openings), oxygen inlet manifold 105 and oxygen outlet manifold 106, and coolant inlet manifold 107 and coolant outlet manifold 108 . When the frames are stacked into a housing, the openings should be aligned so that elongated fluid lines are formed which allow the reactants, products and coolants to be exchanged. The manifolds typically have dimensions of 8 by 4 cm and have internal dimensions of approximately 5 by approximately 2.5 cm. Figure 1A shows a typical manifold. Although 6-hole frames are used in the cell pattern shown, at least 4 holes are typically required for fuel cell uses. These 4 openings allow the two reactants to enter and exit. A separate cooling system would then be used in such a system.

Typischerweise stehen wenigstens zwei der Öffnungen in Strömungsverbindung mit dem Innenraum des Gehäuses. Das ermöglicht den Austausch von Fluiden aus den Öffnungen (Verteilern) zu den Zellenbauteilen, z. B. der Anode oder der Kathode. Die Fluidverbindung erfolgt durch Fluiddurchlässe (Dosieröffnungen), die im allgemeinen senkrecht zu der längs angeordneten Fluidleitungen orientiert sind. Diese Fluiddurchlässe sind vorzugsweise Kanäle oder Nuten, die sich quer zum Rahmen erstrecken und typischerweise eine Tiefe von etwa 1,27 mm bis etwa 5,08 mm und eine Breite von 1,27 mm bis etwa 5,08 mm aufweisen. Sie sind auf derselben Seite des Rahmens angeordnet wie die Vertiefung oder Stufe 102. Es ist jedoch auch möglich, daß andere sehr vorteilhafte Rahmen die Durchlässe an der Unterseite aufweisen, und zwar infolge der zahlreichen möglichen Variationen der Gestalt einer Alkali-Brennstoffzelle und der Ausführung der Kühlung. Durch ein in die Nickel-Strömungsfeldbarriere 201 eingepreßtes Muster wird der Sauerstoff durch das Sauerstoffströmungsfeld 203 der Barriere geleitet, und das Kühlmittel wird durch das Kühlmittelströmungsfeld 205 der Barriere 201 geleitet. Wenn sie das Sauerstoff-bzw. Kühlmittel- Strömungsfeld passiert haben, werden der Sauerstoff und das Kühlmittel zu ihren jeweiligen Auslaßöffnungen geleitet. Die bevorzugte Ausführungsform dieses Rahmens enthält Dosieröffnungen 109, die den Sauerstoff-Einlaßverteiler 105 mit einem Sauerstoff-Strömungsfeld 203 verbinden, sowie Dosieröffnungen 110, die den Sauerstoff- Auslaßverteiler 106 mit einem Sauerstoff-Strömungsfeld 203 verbinden. Dieser Rahmen enthält auch Dosieröffnungen 111, die den Kühlmittel-Einlaßverteiler 107 mit einem Kühlmittel- Strömungsfeld 205 verbinden, sowie Dosieröffnungen 112, die den Kühlmittel-Auslaßverteiler 108 mit einem Kühlmittel- Strömungsfeld 205 verbinden.Typically, at least two of the openings are in flow communication with the interior of the housing. This enables the exchange of fluids from the openings (distributors) to the cell components, e.g. B. the anode or the cathode. The fluid connection takes place through fluid passages (metering openings) which are generally oriented perpendicular to the longitudinally arranged fluid lines. These fluid passages are preferably channels or grooves that extend across the frame and typically have a depth of about 1.27 mm to about 5.08 mm and a width of 1.27 mm to about 5.08 mm. They are arranged on the same side of the frame as the depression or step 102 . However, it is also possible that other very advantageous frames have the passages at the bottom, due to the numerous possible variations in the shape of an alkali fuel cell and the design of the cooling. Through a pattern pressed into the nickel flow field barrier 201 , the oxygen is directed through the oxygen flow field 203 of the barrier, and the coolant is directed through the coolant flow field 205 of the barrier 201 . If you have the oxygen or. Coolant flow field have passed, the oxygen and the coolant are directed to their respective outlet openings. The preferred embodiment of this frame includes metering orifices 109 that connect oxygen inlet manifold 105 to an oxygen flow field 203 and metering orifices 110 that connect oxygen outlet manifold 106 to an oxygen flow field 203 . This frame also includes metering orifices 111 that connect coolant inlet manifold 107 to a coolant flow field 205 and metering orifices 112 that connect coolant outlet manifold 108 to a coolant flow field 205 .

Der H₂/O₂-Rahmen 131 weist eine Vertiefung 132 auf, die der oben beschriebenen ähnlich ist und die Innenkante des Rahmens 131 umgibt. Der H₂/O₂-Rahmen 131 enthält Wasserstoff- Einlaßverteiler 133 und Wasserstoff-Auslaßverteiler 134, Sauerstoff-Einlaßverteiler 135 und Sauerstoff-Auslaßverteiler 136 sowie Kühlmittel-Einlaßverteiler 137 und Kühlmittel-Auslaßverteiler 138. Diese Verteiler sind dabei den oben beschriebenen ähnlich. Der Rahmen weist ebenfalls Dosieröffnungen 139 auf, die den Sauerstoff-Einlaßverteiler 135 mit einem Sauerstoff-Strömungsfeld 221 verbinden, sowie Dosieröffnungen 140, die den Sauerstoff-Auslaßverteiler 136 mit dem Sauerstoff-Strömungsfeld 221 verbinden. Der Rahmen weist ferner Dosieröffnungen 141 auf, die den Wasserstoff- Einlaßverteiler 133 mit einem Wasserstoff-Strömungsfeld 219 verbinden, sowie Dosieröffnungen 142, die den Wasserstoff- Auslaßverteiler 134 mit einem Wasserstoff-Strömungsfeld 219 verbinden. Diese Dosieröffnungen sind den oben beschriebenen ähnlich. Wie oben werden durch in die Nickel-Strömungsfeldbarriere 217 eingepreßte Muster die beiden Fluide, diesmal Wasserstoff und Sauerstoff, quer über die Oberflächen der Anode bzw. Kathode zu ihren jeweiligen Auslaßöffnungen geleitet.The H ₂ / O ₂ frame 131 has a recess 132 which is similar to that described above and which surrounds the inner edge of the frame 131 . H ₂ / O ₂ frame 131 includes hydrogen inlet manifold 133 and hydrogen outlet manifold 134 , oxygen inlet manifold 135 and oxygen outlet manifold 136, and coolant inlet manifold 137 and coolant outlet manifold 138 . These distributors are similar to those described above. The frame also has metering openings 139 that connect the oxygen inlet manifold 135 to an oxygen flow field 221 and metering openings 140 that connect the oxygen outlet manifold 136 to the oxygen flow field 221 . The frame also has metering openings 141 that connect the hydrogen inlet manifold 133 to a hydrogen flow field 219 , and metering openings 142 that connect the hydrogen outlet manifold 134 to a hydrogen flow field 219 . These metering openings are similar to those described above. 217 pressed-in patterns are as above into the nickel flow field barrier the two fluids, this time, hydrogen and oxygen, transversely directed over the surfaces of the anode and cathode to their respective outlet ports.

Der Wasserstoffrahmen 161 weist ebenfalls eine Vertiefung (z. B. eine Stufe oder Einkerbung, die der mit Bezugszeichen 102 ähnlich ist) 162 auf, die den Innenumfang des Rahmens 161 umgibt. Der Wasserstoffrahmen 161 weist Wasserstoff- Einlaßverteiler 163 und Wasserstoff-Auslaßverteiler 164, Sauerstoff-Einlaßverteiler 165 und Sauerstoff-Auslaßverteiler 166 sowie Kühlmittel-Einlaßverteiler 167 und Kühlmittel-Auslaßverteiler 168 auf. Diese Verteiler sind den oben beschriebenen ähnlich. Dieser Rahmen weist ebenfalls Dosieröffnungen (Durchlässe, Kanäle) 169 für die Strömungsverbindung auf, die den Wasserstoff-Einlaßverteiler 163 mit einem Wasserstoff-Strömungsfeld 235 verbinden, sowie Dosieröffnungen 170, die den Wasserstoff- Auslaßverteiler 164 mit einem Wasserstoff-Strömungsfeld 235 verbinden. Durch ein in die Nickel-Strömungsfeldbarriere 233 gepreßtes Muster wird der Wasserstoff über die Oberflächen der Anode zu den Wasserstoff-Auslaßöffnungen geleitet. Dieser Kantenrahmen enthält ferner Dosieröffnungen 171, die den Kühlmittel-Einlaßverteiler 167 mit einem Kühlmittel-Strömungsfeld 237 verbinden, sowie Dosieröffnungen 172, die den Kühlmittel-Auslaßverteiler 168 mit einem Kühlmittel-Strömungsfeld 237 verbinden. Wiederum wird das Kühlmittel durch ein Muster, das in die Nickel-Strömungsfeldbarriere 233 eingepreßt ist, durch das Kühlmittel-Strömungsfeld 237 der Barriere 233 geleitet. Nach dem Durchströmen des Kühlmittel-Strömungsfeldes 237 wird der Wasserstoff zu seiner Ausgangsöffnung geleitet. Diese Öffnungen oder Durchlässe sind dabei den oben beschriebenen ähnlich.The hydrogen frame 161 also has a recess (z. B. a step or notch, which is similar to by reference numeral 102) 162 which surrounds the inner circumference of the frame 161. The hydrogen frame 161 has hydrogen inlet manifold 163 and hydrogen outlet manifold 164 , oxygen inlet manifold 165 and oxygen outlet manifold 166, and coolant inlet manifold 167 and coolant outlet manifold 168 . These distributors are similar to those described above. This frame also has metering openings (passages, channels) 169 for the flow connection which connect the hydrogen inlet distributor 163 to a hydrogen flow field 235 , and metering openings 170 which connect the hydrogen outlet distributor 164 to a hydrogen flow field 235 . Through a pattern pressed into the nickel flow field barrier 233 , the hydrogen is directed over the surfaces of the anode to the hydrogen outlet openings. This edge frame also includes metering orifices 171 that connect the coolant inlet manifold 167 to a coolant flow field 237 and metering orifices 172 that connect the coolant outlet manifold 168 to a coolant flow field 237 . Again, run the coolant through a pattern that is pressed into the nickel flow field barrier 233 by the coolant flow field 237 of the barrier 233rd After flowing through the coolant flow field 237 , the hydrogen is directed to its exit opening. These openings or passages are similar to those described above.

Der erfindungsgemäße Formrahmen kann dazu verwendet werden, Stapel von herkömmlichen Alkali-Brennstoffzellen aufzunehmen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt die näheren Einzelheiten eine Seitenansicht einer alternativen Alkali-Brennstoffzellenkonstruktion. Bei diesem Schema werden aufeinanderfolgende Brennstoffzellen-Bauteile schichtweise angeordnet, so daß eine Brennstoffzelle gebildet wird, und anschließend werden die folgenden Brennstoffzellen schichtweise angeordnet, um einen Stapel zu bilden. In Fig. 2 enthält ein Sauerstoffrahmen 101 eine Nickel-Strömungsfeldbarriere 201, die ein Sauerstoff- Strömungsfeld 203 und ein Kühlmittel-Strömungsfeld 205 schafft. Die Nickel-Strömungsfeldbarriere 201 ist unter einer herkömmlichen Kathode 207 angeordnet, und eine herkömmliche Brennstoffzellenmatrix 209 ist über der Kathode 207 angeordnet. In der Stufe 102 des Sauerstoffrahmens 101 umgibt eine Schicht aus Butylkautschuk die Kanten der Kathode und der Matrix und schafft eine positive Reaktantenabdichtung, die ein gegenseitiges Vermischen von Wasserstoff und Sauerstoff verhindert. Eine polymere Dichtung 211 ist angrenzend an die Matrix 209 zwischen dem Sauerstoffrahmen 101 und dem H₂/O₂-Rahmen 131 angeordnet. Die polymere Dichtung über den Sauerstoff-, Wasserstoff- und Kühlmittel- Durchlässen kann zugeschnitten werden, um ein Eindringen der Dichtung in die Durchlässe (Dosieröffnungen) zu verhindern. Eine andere Möglichkeit zur Verhinderung des Eindringens des Materials der Dichtung bestünde darin, zwischen dem Durchlaß und dem Dichtring über dem Durchlaß eine dünne Nickelfolie anzuordnen.The mold frame according to the invention can be used to hold stacks of conventional alkali fuel cells, as shown in FIG. 2. Fig. 2 shows the details of a side view of an alternative alkali fuel cell construction. In this scheme, successive fuel cell components are layered to form a fuel cell, and then the following fuel cells are layered to form a stack. In FIG. 2, an oxygen frame 101 contains a nickel flow field barrier 201 that creates an oxygen flow field 203 and a coolant flow field 205 . The nickel flow field barrier 201 is disposed under a conventional cathode 207 , and a conventional fuel cell matrix 209 is disposed over the cathode 207 . In step 102 of oxygen frame 101 , a layer of butyl rubber surrounds the edges of the cathode and matrix and creates a positive reactant seal that prevents hydrogen and oxygen from mixing together. A polymeric seal 211 is disposed adjacent to the matrix 209 between the oxygen frame 101 and the H ₂ / O ₂ frame 131 . The polymeric seal over the oxygen, hydrogen and coolant passages can be cut to prevent the seal from penetrating into the passages (metering openings). Another way to prevent the material of the seal from penetrating would be to place a thin nickel foil between the passage and the sealing ring over the passage.

An Stelle der Verwendung einer polymeren Dichtung können die Rahmenkanten, die H₂/O₂-Rahmenkante und die Sauerstoff- Rahmenkante miteinander verbunden, verklebt oder mittels einer Dichtung abgedichtet werden, die aus einem Glasfasergewebe- oder Polyphenylensulfidharz-Substrat, das mit einem Butylkautschuk imprägniert ist, hergestellt wurde. Ein geeignetes Material dafür ist der Butyllatex BL-100 Kautschuk, erhältlich von der Burke-Palmason Chemical Company, Pompano Beach, Florida.Instead of using a polymeric seal, the frame edges, the H ₂ / O ₂ frame edge and the oxygen frame edge can be bonded together, glued or sealed by means of a seal made of a glass fiber fabric or polyphenylene sulfide resin substrate that is impregnated with a butyl rubber is manufactured. A suitable material for this is the butyl latex BL-100 rubber, available from the Burke-Palmason Chemical Company, Pompano Beach, Florida.

Eine herkömmliche Alkali-Brennstoffzellenanode 215 auf einem Substrat bzw. Elektrodenträgermaterial 213 wird angrenzend an die Matrix angeordnet. Vorzugsweise wird ein poröses Kohlenstoffsubstrat mit einem darauf gebundenen Katalysator verwendet. Eine zweite Nickel-Strömungsfeldbarriere 217 bildet Wasserstoff-Strömungsfeldkanäle 219 und Sauerstoff-Strömungsfeldkanäle 221. Eine herkömmliche Alkali-Brennstoffzellenkathode 223 ist über der Nickel-Strömungsfeldbarriere 217 angeordnet, und eine herkömmliche Brennstoffzellenmatrix 225 ist über der Kathode 223 angeordnet. Wie im Falle des Sauerstoffrahmens ist in der Stufe (Vertiefung) 132 des H₂/O₂-Rahmens 131 eine Schicht aus Butylgummi vorgesehen, die die Kanten der Kathode und der Matrix umgibt und eine positive Dichtung für die Reaktanten darstellt, die eine Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff verhindert. Wiederum ist eine polymere Ringdichtung 227 anschließend an die Matrix 225 und zwischen dem H₂/O₂-Rahmen 131 und dem Wasserstoffrahmen 161 angeordnet. Über der Matrix 225 ist eine herkömmliche Alkali-Brennstoffzellenanode 231 auf einem Substrat 229 angeordnet. Wie oben wird dabei ein poröses Kohlenstoffsubstrat mit einer daran gebundenen Katalysatorschicht bevorzugt. Eine dritte Nickel-Strömungsfeldbarriere 233 bildet Wasserstoff-Strömungsfeldkanäle 235 und Kühlmittel-Strömungsfeldkanäle 237.A conventional alkali fuel cell anode 215 on a substrate 213 is placed adjacent to the matrix. A porous carbon substrate with a catalyst bound thereon is preferably used. A second nickel flow field barrier 217 forms hydrogen flow field channels 219 and oxygen flow field channels 221 . A conventional alkali fuel cell cathode 223 disposed over the nickel flow field barrier 217, and a conventional fuel cell matrix 225 is disposed above the cathode 223rd As in the case of the oxygen frame, a layer of butyl rubber is provided in the step (recess) 132 of the H ₂ / O ₂ frame 131 , which surrounds the edges of the cathode and the matrix and is a positive seal for the reactants, which is a mixture of Prevents hydrogen and oxygen. Again, a polymeric ring seal 227 is disposed adjacent to the matrix 225 and between the H ₂ / O ₂ frame 131 and the hydrogen frame 161 . A conventional alkali fuel cell anode 231 is arranged on a substrate 229 above the matrix 225 . As above, a porous carbon substrate with a catalyst layer bonded to it is preferred. A third nickel flow field barrier 233 forms hydrogen flow field channels 235 and coolant flow field channels 237 .

Im nachfolgenden Beispiel wird eine alternative Brennstoffzellenkonstruktion beschrieben, bei der ein etwas abgewandeltes Rahmenmuster verwendet wird.The following example shows an alternative fuel cell design described in which a something modified frame pattern is used.

example

Polyphenylensulfidrahmen mit 40 Gew.-% Glasfaser als Füllstoff und einer Dicke von etwa 1,78 mm wurden von dem Plastic Tooling Aids Laboratory, Oxford, Connecticut, aus Ryton R-4 Polyphenylenharz, bezogen von der Phillips Chemical Company, geformt. Bei der Formgebung wurden die Empfehlungen des Harzlieferanten für das Spritzgießen beachtet. Das verarbeitungsfertig gemischte Harz wurde bei etwa 143°C etwa 6 h getrocknet, bevor es verformt wurde. Harzpellets wurden bei etwa 316°C aufgeschmolzen und bei etwa 143°C bei einem Preßdruck von 703 kg/cm² und einer Form-Zykluszeit von etwa 25 s bis etwa 35 s ausgeformt. Im Anschluß an das Ausformen des Rahmens wurde das Teil bei einer Temperatur von etwa 218°C in etwa 3 h ausgehärtet.Polyphenylene sulfide frames with 40% by weight glass fiber as a filler and about 1.78 mm thick were molded from Ryton R-4 polyphenylene resin, available from Phillips Chemical Company, by the Plastic Tooling Aids Laboratory, Oxford, Connecticut. The resin supplier's recommendations for injection molding were followed during the molding process. The ready-mixed resin was dried at about 143 ° C for about 6 hours before being molded. Resin pellets were melted at about 316 ° C and molded at about 143 ° C at a pressure of 703 kg / cm ² and a mold cycle time of about 25 s to about 35 s. Following the molding of the frame, the part was cured at a temperature of about 218 ° C in about 3 hours.

Die Rahmen wurden auf die gewünschte Alkali-Brennstoffzellenkonfiguration nach dem Kopierverfahren zugeschnitten. Der geformte Rahmen wurde dabei zugeschnitten, um Wasserstoff-, Sauerstoff- und Kühlmittel-Einlaß- und Auslaß- Verteiler auszubilden. Ein Wasserstoffrahmen wurde dabei dadurch hergestellt, daß man drei Dosieröffnungen von etwa 0,1 cm Breite und etwa 0,1 cm Tiefe an den Wasserstoff- Einlaß- und -Auslaß-Verteilern einschnitt. Ein Sauerstoffrahmen wurde dadurch hergestellt, daß man drei Dosieröffnungen von etwa 0,1 cm Breite und etwa 0,1 cm Tiefe an den Sauerstoff-Einlaß- und -Auslaß-Verteilern einschnitt. In den Sauerstoff- und Wasserstoff-Rahmen wurde ferner eine Stufe von etwa 0,25 mm Tiefe und etwa 0,6 cm Breite rund um den Innenumfang eines jeden Rahmens auf den den Dosieröffnungen gegenüberliegenden Seiten eingeschnitten.The frames were made to the desired alkali fuel cell configuration cut after the copying process. The shaped frame was cut to contain hydrogen, Oxygen and coolant inlet and outlet Training distributors. A hydrogen frame was created manufactured by having three metering orifices of about 0.1 cm wide and about 0.1 cm deep at the hydrogen Cut inlet and outlet manifolds. A Oxygen frame was made by three Dosing openings about 0.1 cm wide and about 0.1 cm Depth at the oxygen inlet and outlet manifolds incision. In the oxygen and hydrogen framework was also a step about 0.25 mm deep and about 0.6 cm wide around the inner circumference of each frame on the sides opposite the metering openings incised.

Eine Zelle wurde dadurch hergestellt, daß man eine Kathode, eine Matrix und eine Anode im Zentralbereich des Sauerstoff- und Wasserstoff-Rahmens anordnete; die Stufe eines jeden Rahmens wies dabei nach innen. Vor dem Zusammenbau der Zelle wurde auf die Rahmenstufe eines jeden Rahmens eine dünne Schicht aus Butylkautschuk aufgetragen. Die Sauerstoff- und Wasserstoff-Rahmen mit der zwischen ihnen angeordneten Zellen-Baugruppe wurden zu einer Einheit verbunden. Der Verbindungs- oder Dichtungs- Ring bestand aus einem Glasfasergewebesubstrat mit einer Dicke von etwa 0,25 mm, das mit Butylkautschuk imprägniert worden war. Die Zellenbaugruppe wies eine poröse Nickelplatte (Elektrolyt-Speicherplatte) mit eingeschnittenen Sauerstoffkanälen (Strömungsfeld) angrenzend an den Sauerstoffrahmen auf. Auf der Nickelplatte und dem Rahmen saßen in der angegebenen Reihenfolge eine herkömmliche Kathode, eine Matrix und eine Anode. Auf der Anode und im Anschluß an die Kante des Wasserstoffrahmens war eine andere herkömmliche poröse Nickelplatte mit eingeschnittenen Wasserstoffkanälen angeordnet.A cell was made by Cathode, a matrix and an anode in the central area arranged the oxygen and hydrogen frame; the The level of each frame pointed inwards. In front the assembly of the cell was at the frame level of one a thin layer of butyl rubber is applied to each frame. The oxygen and hydrogen frames with the cell assembly arranged between them connected to one unit. The connection or sealing Ring consisted of a glass fiber substrate with a thickness of about 0.25 mm, that with butyl rubber had been impregnated. The cell assembly had one porous nickel plate (electrolyte storage plate) with incised oxygen channels (flow field) adjacent to the oxygen frame. On the nickel plate and the frame sat in the order given conventional cathode, a matrix and an anode. On the anode and following the edge of the hydrogen frame was another conventional porous nickel plate arranged with incised hydrogen channels.

Zwischen den Zellen (unter dem Sauerstoffrahmen und über dem Wasserstoffrahmen) befanden sich Kühlerbaugruppen. Diese Kühlerbaugruppen wiesen dünne Nickelbleche mit Falt-Nickelkühlerfeldern (z. B. Strömungskanälen) auf. Diese Nickelbleche wurden innerhalb eigener Kühler-Abdichtungsrahmen angeordnet, die aus einem Metallrahmen bestanden, in den ein Kautschuk-Dichtring eingeformt war. Die gesamte Kühlerbaugruppe wurde an die Baugruppe aus den geformten Rahmen mit Hilfe einer mit Butylkautschuk imprägnierten Glasfasergewebedichtung angefügt, die derjenigen, die zum Verbinden der beiden Zellrahmenteile verwendet war, völlig gleich war.Between the cells (under the oxygen frame and above the hydrogen frame) there were cooler assemblies. These cooler assemblies had thin nickel sheets Folded nickel cooler fields (e.g. flow channels). These nickel sheets were made within their own radiator sealing frames arranged out of a metal frame passed, into which a rubber sealing ring is molded was. The entire cooler assembly was attached to the assembly from the molded frame using one with butyl rubber impregnated glass fiber gasket added, those of those used to connect the two cell frame parts was used was completely the same.

Die beschriebenen Alkali-Brennstoffzellen mit dem beschriebenen Gehäuse aus glasfasergefüllten Polyphenylensulfidrahmen bildeten einen Alkali-Brennstoffzellenstapel aus sechs Zellen, der bei 82°C über 6000 h ohne Störung getestet wurde.The described alkali fuel cells with the described Glass-filled polyphenylene sulfide frame formed an alkali fuel cell stack from six cells that at 82 ° C for 6000 h without interference was tested.

Diese Polymerrahmen können dazu verwendet werden, einzelne Alkali-Brennstoffzellen aufzunehmen. Sie können auch verwendet werden, alternative Zellenkühlungs-Konstruktionen oder jede beliebige Zellenkühlungs-Konstruktion aufzunehmen. Obwohl in der vorliegenden Beschreibung die Rahmen für eine Verwendung in Alkali-Brennstoffzellen beschrieben wurden, können diese Rahmen auch vorteilhaft bei anderen elektrochemischen Vorrichtungen wie beispielsweise Alkalielektrolysezellen, Nickel-Wasserstoff- und Nickel-Kadmium-Batterien verwendet werden. Die Alkali- Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Anmeldung arbeiten nach herkömmlichen Alkali-Brennstoffzellenverfahren.These polymer frames can be used individually Include alkaline fuel cells. You can also alternative cell cooling designs are used or any cell cooling construction to record. Although in the present description the Framework for use in alkali fuel cells these frames can also be advantageous in other electrochemical devices such as Alkaline electrolysis cells, nickel-hydrogen and Nickel-cadmium batteries can be used. The alkali Fuel cells operate in accordance with the present application according to conventional alkali fuel cell processes.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein geformter Rahmen für Alkali-Brennstoffzellen geschaffen, der eine Vielzahl von wünschenswerten Vorteilen gegenüber den bisherigen Rahmen aus Glasfaserlaminaten aufweist. So kann beispielsweise bei einem geformten Polymerrahmen die Menge des Siliciumdioxid-Füllstoffs vermindert werden, die bei einem Glasfaserlaminat-Rahmen erforderlich ist. Das ist wichtig, da das Siliciumdioxid die Brennstoffzelle verschmutzt und die Lebensdauer der Zelle vermindert. Außerdem zeigten die Wasserstoff- und Sauerstoff- Ströme bisher eine Neigung, das Epoxidharz im Öffnungsbereich der Glasfaserlaminate zu erodieren, was zu einem Verstopfen der Öffnungen und schließlich zu einer Zelle führte, die nicht mehr ordnungsgemäß mit Reaktanten versorgt wurde. Außerdem ist das Glasfaser-Epoxid-Laminat weniger stabil in der Kaliumhydroxid-Umgebung der Alkali- Brennstoffzelle als die Polymerrahmen der vorliegenden Anmeldung. Diese Instabilität der Glasfaserrahmen kann zu einer Karbonatbildung im Elektrolyten führen, die ein Hauptgrund für das Zellversagen ist. Es gibt ferner noch eine Unzahl von Vorteilen eines einzelnen Formteils gegenüber einem Mehrschichtlaminat. Diese Vorteile reichen von der Tatsache, daß es einfacher ist, ein Teil herzustellen, als verschiedene Laminatschichten, bis zu der Tatsache, daß ein mehrschichtiges Teil nur schwierig zu reproduzieren ist. Zusätzlich war es ein inherenter Mangel der Glasfaserlaminatrahmen, daß der Rahmen an eine Zelle gebunden war, was es erforderlich machte, die gesamte Zelle wegzuwerfen, wenn der Rahmen einen Fehler aufwies, z. B. Hohlräume im Epoxid aufwies. Da jedoch der geformte Rahmen unabhängig von der Zelle ist, kann er auch getrennt von einer Zelle weggeworfen werden, wenn am Rahmen ein Fehler festgestellt wird. Ferner wurde auch die Hochtemperaturverarbeitung, die für eine Laminatrahmenherstellung charakteristisch ist und zu einer Zellenbeschädigung führen konnte, überflüssig gemacht. Die geformten Polymerrahmen der vorliegenden Anmeldung tragen schließlich dazu bei, daß eine leichtere Zelle und eine dünnere Zellenpackung möglich werden, da die dickeren Zellenbauteile (die Glasfaser-Behälterrahmen) nicht mehr verwendet werden müssen.The present invention provides a molded frame created for alkali fuel cells that a variety of desirable advantages over the previous ones Has frame made of glass fiber laminates. So can for example in a molded polymer frame Reducing the amount of the silica filler, which is required with a glass fiber laminate frame. This is important because the silicon dioxide is the fuel cell dirty and the life of the cell is reduced. In addition, the hydrogen and oxygen Up to now a tendency to flow, the epoxy resin in the opening area of the fiber optic laminates to erode, resulting in a Clog the openings and eventually to a cell led that no longer properly supplied with reactants has been. In addition, the glass fiber epoxy laminate less stable in the potassium hydroxide environment of the alkali Fuel cell as the polymer frame of the present Registration. This instability of the fiberglass frame can lead to carbonate formation in the electrolyte, which a major reason for cell failure is. There is also yet a myriad of advantages of a single molded part compared to a multilayer laminate. These advantages are enough part of the fact that it's easier manufacture, as different laminate layers, up to the fact that a multi-layer part is difficult to be reproduced. In addition, it was inherent Lack of the glass fiber laminate frame that the frame on a cell was bound, which required that Throw away entire cell if the frame fails had, e.g. B. had voids in the epoxy. However, since the shaped frame is independent of the cell he can also be thrown away separately from a cell if an error is found on the frame. Further was also the high temperature processing, which for a Laminate frame manufacturing is characteristic and too cell damage, unnecessary made. The molded polymer frames of the present Registration ultimately help make it easier Cell and a thinner cell packing are possible because the thicker cell components (the glass fiber container frame) no longer need to be used.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden somit leichte Rahmen für die Aufnahme von Alkali-Brennstoffzellen geschaffen. Diese Rahmen führen zu Alkali-Brennstoffzellen mit längeren Lebensdauern und weniger Fehlern. Das ist das Ergebnis einer gegenüber den bisherigen Rahmen-Behältnissen überlegenen Verträglichkeit derartiger geformter Rahmen mit der Alkali-Umgebung. Zusätzlich erfordern diese geformten Rahmen eine weniger komplizierte Herstellungstechnik und führen zu einem insgesamt einfacheren Design der ganzen Brennstoffzellenkonstruktion. Somit stellen die erfindungsgemäßen Formrahmen für Alkali-Brennstoffzellen einen erheblichen Fortschritt auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie dar, indem sie haltbare Zellenkonstruktionen mit langer Lebensdauer ermöglichen, was insbesondere für eine Verwendung in der Raumfahrt- und Unterwassertechnik wichtig ist, wo ein hoher Grad an Zuverlässigkeit erforderlich ist.According to the present invention thus become light Framework for the reception of alkali fuel cells created. These frames lead to alkali fuel cells with longer lifetimes and fewer errors. That is the result of one compared to the previous ones Frame containers superior tolerance of such shaped frame with the alkali environment. In addition these shaped frames require a less complicated one Manufacturing technology and lead to an overall simpler design of the whole fuel cell construction. Thus, the mold frames according to the invention for Alkaline fuel cells made significant progress in the field of fuel cell technology by they have durable cell structures with a long service life enable what in particular for use in space and underwater technology is important where a high degree of reliability is required.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einzelner Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß zahlreiche Abwandlungen in Zusammensetzung und Form der Rahmen möglich sind, ohne daß der durch die Ansprüche definierte Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.Although the present invention is based on individual embodiments has been described, it is for the expert of course, that numerous modifications in the composition and shape of the frames are possible without that the scope of the present defined by the claims Invention is left.

Claims

1. Electrochemical alkali fuel cell with cathode, matrix and anode cell components, which are arranged in a cell housing, the interior of which is adapted to and receives the components,
characterized in that
the cell housing has a plurality of molded, stacked frame parts which are made of a material comprising a polyphenyl sulfide resin, a polyether sulfone resin or a mixture thereof and as a filler of about 10 to 40% by weight cerium oxide, glass, potassium titanate or zirconium oxide, which in the resin is encapsulated.

2. Alkali fuel cell according to claim 1, characterized in that that the cell housing is at least four has fluid lines extending in its longitudinal direction, each of which at least partially from each other aligned openings in the frame parts is formed, at least two of these openings through fluid passages in fluid communication with the interior stand, the fluid passages substantially rectangular to those extending in the longitudinal direction Fluid lines are arranged and the frame parts one Have depression that surrounds the interior.

3. Alkali fuel cell according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the frame parts are a polyether sulfone resin contain.

4. Alkali fuel cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that glass fibers as filler are available.

5. Alkali fuel cell according to one of claims 1 to 4, characterized in that the frame parts a Thickness from about 0.18 to about 0.64 cm and sides with have a length of about 15.3 to about 38.1 cm.