NL8701295A

NL8701295A - Afdichtmateriaal.

Info

Publication number: NL8701295A
Application number: NL8701295A
Authority: NL
Original assignee: Int Fuel Cells Corp
Priority date: 1986-09-22
Filing date: 1987-06-03
Publication date: 1988-04-18
Also published as: DE3719525C2; US4774154A; JP2558707B2; BE1000536A5; GB8712887D0; FR2604300B1; CA1297943C; FR2604300A1; DE3719525A1; GB2195492A; GB2195492B; JPS6383465A

Description

- 1 - ft 4

Afdichtmateriaal.

De uitvinding heeft betrekking op afdichtmaterialen, en in het bijzonder op materialen, bruikbaar in brandstofcellen.

Brandstofcellen zijn inrichtingen, die een reactans-5 gas gebruiken zoals waterstof voor het voortbrengen van een elektrische gelijkstroom. Zij bestaan uit een brandstof celhuis, dat een brandstofcelstapeling insluit, die bestaat uit algemene rechthoekige brandstofcelplaten, die anoden, kathoden en koelplaten omvatten. Het brand-10 stofbelhuis heef tenminste één inlaatpoort, waardoorheen reactansgas kan worden toegevoerd, één uitlaatpoort, waardoorheen uitlaatgas kan worden weggenomen, en tenminste één paar fluïdumpoorten, waardoorheen inlaat- en uitlaat-koelfluïdumstromen respectievelijk kunnen worden toe-15 gevoerd aan en weggenomen van de koelplaten.

De anoden, kathoden en koelplaten zijn laagsgewijs in register gelegd voor het vormen van de brandstof-celstapel, en een elektrolytoplossing, vaak fosforzuur, wordt bevat binnen de brandstofcelstapel in een ruimte 20 tussen aangrenzende oppervlakken van anoden en kathoden.

De anoden en kathoden zijn voorzien van kanalen voor het leiden van gassen, reactansgas vanaf een toevoerverdeel-stuk, en uitlaatgas naar een uitlaatverdeelstuk. Deze verdeelstukken zijn aangesloten op buizen, die lopen door 25 het brandstofcelhuis, en welke dienen als inlaat-en uitlaatpoorten voor de respectievelijke verdeelstukken.

De koelplaten, gelegd tussen de brandstofcelplaten in de brandstofcelstapel, zijn aangebracht voor het regelen van de werktemperatuur van de brandstofcel.

30 Deze temperatuur is gewoonlijk ongeveer 204°C. De koelplaten bevatten een buis, waarbinnen een koelfluxdum circuleert, en de einden van de buis zijn aangesloten op buizen, die gaan door het brandstofcelhuis, en welke dienen als fluïdumpoorten.

1 35 Overal in de brandstofcel spelen afdichtingen een belangrijke rol bij de werking van de brandstofcel.

Zij zijn aanwezig op vele kritische plaatsen teneinde 87 0 1 2 9 5.

- 2 - s, verschillende gedeelten van de brandstofcel ten opzichte van elkaar te isoleren, en bevatten gassen en fluïda. Meer specifieke voorbeelden omvatten het gebruik van afdichtingen voor het bewaren van de elektrolytoplossing 5 tussen aangrenzende anoden en kathoden, voor het isoleren van de randen van de afzonderlijke brandstofcelplaten in de brandstofcelstapel van de verdeelstukken, en voor het isoleren van de verdeelstukken ten opzichte van elkaar. Verder zijn afdichtingen aangebracht tussen het brandstof-10 celhuis en de uitwendige wanden van de buizen of poorten, die gaan door het brandstofcelhuis.

Zoals opgemerkt in het Amerikaanse octrooischrift 4.374.185, dat hier geïncorporeerd is door referentie, zijn commercieel verkrijgbare afdichtmaterialen algemeen 15 onbevredigend, en is er geen beschikbaar, welke voldoet aan alle noodzakelijke vereisten. Het genoemde octrooischrift werd verleend voor een superieur afdichtmateriaal, maar er blijft een voortdurende behoefte bestaan in de techniek voor een afdichtmateriaal, dat de omgeving van 20 de cel kan weerstaan en verbeterde afdichteigenschappen bezit.

Volgens de uitvinding wordt een afdichtmateriaal verschaft, dat fysisch en chemisch stabiel is bij de normale werktemperatuur van een brandstofcel, bijvoorbeeld 25 ongeveer 204°C, dat corrosiebestendig is tegenover de elektrolytoplossing, gebruikt in de brandstofcelstapel, en dat verbeterde afdichteigenschappen vertoont ten opzichte van andere afdichtmaterialen. Het afdichtmateriaal omvat de combinatie van een gefluoreerd koolwaterstof-30 elastomeer en een blaasmiddel, dat binnen het traject van hardingstemperaturen van het elastomeer dit zodanig activeert, dat een volledig gehard elastomeer met gesloten cellen wordt voortgebracht.

Een ander aspect van de uitvinding is het 35 verschaffen van een brandstofcel, waarin een afdichtmateriaal omvattende een volledig gehard, corrosiebestendig, tegen hoge temperatuur stabiel, uit gesloten cellen bestaand elastomeer wordt gebruikt voor het afdichten van de randen van aangrenzende anodeplaten en 40 kathodeplaten in een brandstofcelstapel.

8 7 C : - 3 -

Een ander aspect van de uitvinding is het verschaffen van een brandstofcel met tenminste twee verdeelstukken, waarbij een afdichtmateriaal, omvattende een volledig gehard, corrosiebestendig, tegen hoge tem-5 peratuur stabiel, uit gesloten cellen bestaand elastomeer wordt gebruikt tussen de twee verdeelstukken.

Een verder aspect van de uitvinding is het verschaffen van een brandstofcel met tenminste één buis, die gaat door het brandstofcelhuis, waarbij een afdicht-10 materiaal, omvattende een volledig gehard, corrosiebestendig, bij hoge temperatuur stabiel, uit gesloten cellen bestaand eleastomeer wordt gebruikt voor het vormen van afdichting tussen het uitwendige van de buis en het brandstofcelhuis.

15 Nog een verder aspect van de uitvinding is het verschaffen van een werkwijze voor het afdichten van structurele onregelmatigheden in de brandstofcel door een afdichtmateriaal aan te brengen op de structurele onregelmatigheden in de brandstofcel, waarbij het brand-20 stofcelmateriaal omvat een volledig gehard, corrosie bestendig, bij hoge temperatuur stabiel elastomeer, en een blaasmiddel, dat binnen het hardingstemperatuurtraject van het elastomeer dit activeert, en het verwarmen van de brandstofcel tot zijn maximale werktemperatuur, teneinde 25 een volledig gehard, uit gesloten cellen bestaand elastomeer voort te brengen.

Andere aspecten en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen nader worden toegelicht aan de hand van de thans volgende beschrijving onder verwijzing naar 30 de tekeningen, waarin

Fig.1 een open gebroken zijaanzicht toont van de brandstofcel, waarbij het brandstofcelhuis, de brandstof celplaten en het afdichtmateriaal, aangebracht tussen ' de brandstofcelplaten en het brandstofcelhuis wordt 35 getoond, en

Fig.2 een bovenaanzicht toont van een brandstofcel, waarin het brandstofcelhuis, dat gedeeltelijk is weggebroken, getoond is, teneinde het gebruik te laten zien van het afdichtmateriaal voor het vormen van rand-40 afdichtingen tussen de brandstofcelstapel en verdeelstukken.

87 e' - - 4 - ·*

Geschikte elastomeren, die geïncorporeerd kunnen worden in de uitvinding, zijn die, welke een traject van hardingstemperaturen bezitten, welke lager zijn tot ongeveer normale werktemperatuur van de brandstofcel, 5 waarin zij worden gebruikt (kenmerkend ongeveer 204°C). Verder is het elastomeer fysisch stabiel bij de normale werktemperatuur van de brandstofcel, vertoont het bevredigende elektrische isolatie-eigenschappen, en is het resistent tegen corrosie door de elektrolytoplossing, 10 gebruikt in de brandstofcel onder normale werkomstandigheden. Bij voorkeur is het elastomeer een gefluoreerd koolwaterstof, dat een goede corrosiebestendigheid tegenover de elektrolytoplossing, gebruikt in een cel, vertoont.

/Sj

Voorbeelden van geschikte elastomeren omvatten FLUOREL , . . TM . .

15 verkrijgbaar van 3M Corporation, en VITON , verkrijgbaar van E.l.DuPont de Nemours. Bij hoogste voorkeur is het elastomeer een volledig verzadigd, gefluoreerd koolwaterstof elastomeer.

Bij de voorkeursuitvoering werd een volledig 20 verzadigd, gefluoreerd koolwaterstofelastomeer met het hoogste commercieel verkrijgbare fluorgehalte, ongeveer 69%, gebruikt. Dit materiaal was FLUOREL FLS 2330, commercieel verkrijgbaar van 3M Corporation in de vorm van plakken. FLUOREL FLS 2330 vertoont een hoge diëlektrische 25 sterkte, een uitstekende bestendigheid tegen corrosie door de elektrolytoplossing, gebruikt bij de werktemperatuur van de brandstofcel, en vloeit binnen het temperatuurtraject van ongeveer 1770°C tot ongeveer 204°C bij drukken tussen ongeveer 2,76 bar en ongeveer 30 3,45 bar in zijn ongeharde toestand, waarbij de maximale hardingstemperatuur bij benadering gelijk is aan de normale werktemperatuur van de brandstofcel.

Een geschikt versterkingsvulmiddel, dat aan het elastomeer, dat vloeit tussen temperaturen van ongeveer 35 177-204°C bij drukken tussen ongeveer 2,76-3,45 bar in zijn ongeharde toestand, kan worden toegevoegd voor het verbeteren van de verwerkings- en vormeigenschappen, bestaat uit fijn verdeelde materialen, die stabiel zijn bij de normale werktemperatuur van de brandstofcel, en 40 die niet te lijden hebben aan onaanvaardbare corrosie 8791295 - 5 - door de elektrolytoplossing bij normale werktemperatuur van de brandstofcel. Bij voorkeur bestaat het verster-kingsvulmiddel uit koolroet, aangezien dit de bovengenoemde eigenschappen vertoont. Een geschikte vorm, die

TM

5 commercieel verkrijgbaar is, is THERMAX MT koolroet, dat een koolroet van middentemperatuur is, verkrijgbaar van R.T. Vanderbilt & Co., Norwalk, Connecticut.

Een geschikt blaasmiddel is er één, dat een activeringstemperatuur heeft binnen het hardingstraject 10 van het elastomeer. Bij voorkeur is het blaasmiddel een azodicarbonamide, waarvan de activeringstemperatuur ligt binnen het hardingstraject van het elastomeer. Bij

TM

hoogste voorkeur is het blaasmiddel CELOGEN AZ-130, een azocarbonamide, waarvan de activeringstemperatuur 15 ongeveer 193°C bedraagt. Deze temperatuur valt binnen het hardingstraject van het meest geprefereerde elastomeer,

Fluorel FLS 2330, dat liep van ongeveer 177°C tot ongeveer 204°C. Het blaasmiddel, CELOGEN AZ-130 is verkrijgbaar van üniroyal Chemical, Naugatuck Connecticut.

20 Er kan gebruik worden gemaakt van een blaasmiddel- promotor, welke de activering van het blaasmiddel instelt op een temperatuurtraject, dat valt binnen het hardingstemperatuurtraject van het elastomeer. De blaas- middelpromotor kan ook worden gebruikt voor het 25 verhogen of verlagen van de normale activeringstemperatuur van het blaasmiddel door het variëren van de ordening aanwezig in het afdichtmateriaal, teneinde te vallen binnen het traject van hardingstemperaturen van het

gebruikte elastomeer. Bij voorkeur is de blaasmiddel-TM

30 promotor B-I-K azocarbonamideblaasmiddel, dat gebruikt wordt voor het bevorderen van de activering van CELOGEN AZ-130. B-I-K bevordert de activering van CELOGEN AZ-130 bij ongeveer 193°C, en is commercieel verkrijgbaar van üniroyal Chemical.

35 Een materiaal, dat functioneert als een zuur- acceptor, dat dienst doet voor het absorberen van enig zuur, vrijgegeven gedurende het hardings- en blaasproces van het afdichtmateriaal, en dat niet te lijden heeft aan aanmerkelijke corrosie van de elektrolytoplossing, 40 gebruikt bij de normale werktemperatuur van de brandstofcel, 8701275 % - 6 - kan daarbij worden gebruikt. Bij voorkeur zijn dergelijke

materialen epoxys en anorganische oxyden, bijvoorbeeld TM

MAGLITE D , dat commercieel verkrijgbaar is van Whittaker, Clark and Daniels Co., Plainfield, New Jersey.

5 De bovengenoemde materialen, t.w. het elastomeer, het versterkingsvulmiddel, het blaasmiddel, de blaas-middelpromotor en het zuur accepterende materiaal worden gecombineerd voor het vormen van een afdichtmateriaal, dat gewenste afdichteigenschappen vertoont bij harden.

10 Deze omvatten aanvaardbare corrosie-bestendigheid tegenover het elektrolyt bij de werkomstandigheden van de brandstofcel, en een hoge dielektrische sterkte bij de werktemperatuur van de brandstofcel. Verder vertoont het afdichtmateriaal goede hanteringseigenschappen, en 15 bovendien hardt het afdichtmateriaal in een temperatuur-traject, waarvan de hoogste temperatuur lager is dan ongeveer de werktemperatuur van de brandstofcel, waardoor gewaarborgd wordt, dat het afdichtmateriaal volledig kan worden gehard door de brandstofcel te verhitten op 20 zijn normale werktemperatuur.

De samenstelling van het afdichtmateriaal dient te omvatten het elastomeer, het versterkingsvulmiddel, het blaasmiddel, de blaasmiddelpromotor, en de zuur-acceptor. De verhouding van deze gecombineerde materialen 25 moet zijn in een proportie voor het vormen van een afdichtmateriaal, dat de hierboven uiteengezette eigenschappen heeft, en dat verder de kenmerkende eigenschap heeft van volume-uitzetting gedurende het harden van het afdichtmateriaal. De proporties van de afdicht-30 materialen worden vastgesteld door experimenteren voor elke speciale toepassing.

De samenstelling van het afdichtmateriaal is bij voorkeur gelegen binnen de volgende trajecten: fluorelastomeer tussen 60 en 85 gew.dln, vul-35 middel tussen 15 en 30 gew.dln, zuuracceptor tussen 5 en 20 gew.dln, blaasmiddel tussen 0,3 en 3 gew.dln, en blaasmiddelactivator tussen 0,1 en 1 gew.dln. Verder kan een hardingsmiddel aanwezig zijn in een verhouding van 0,2 tot 5 gew.dln, hetwelk veelal een latente 40 katalysator is, geïncorporeerd in het fluorelastomeer door β 7 M ? ö Γ, V»' - v · * i.- «-Λ \ - 7 - de fabrikant. Indien het is weggelaten door de fabrikant, kan het zijn opgenomen in de boven uiteengezette proportie.

Met hogere voorkeur is de fluorelastomeersamen-stelling tussen 75 en 85 gew.dln, vulmiddel tussen 10 en 5 15 gew.dln, zuuracceptor tussen 10 en 15 gew.dln, en blaasmiddelactivator tussen 0,5 en 1,5 gew.dln.

Het gebruik van een blaasmiddel geeft een positieve druk binnen het afdichtmateriaal en is werkzaam voor het doen uitzetten van het afdichtmateriaal in volume, 10 waardoor het afdichtmateriaal wordt gedrongen in enige open ruimtes, welke het ongeharde en niet geëxpandeerde afdichtmateriaal normaliter niet zou vullen. Gewoonlijk zijn zulke lege plaatsen aanwezig als structurele onregelmatigheden in de brandstofcelstapel, in het bijzonder 15 tussen de randen van de brandstofcelplaten. Bij voorkeur is het blaasmiddel aanwezig in een hoeveelheid voldoende voor het tot stand brengen van een volume-uitzetting van het afdichtmateriaal tussen ongeveer 0 en ongeveer 200%.

Met meer voorkeur is het blaasmiddel aanwezig in een 20 hoeveelheid voldoende voor het tot stand brengen van een volume-uitzetting van het afdichtmateriaal tussen ongeveer 50 en ongeveer 100%. Dit waarborgt, dat het afdichtmateriaal een "gesloten cel" elastomeer vormt, waarbij de cellen binnen het elastomeer ingevangen gas bevatten, dat is 25 vrij gegeven door het geactiveerde blaasmiddel. Dit gebied van volumeuitzetting is gewenst voor het afdichtmateriaal in zijn volledig geëxpandeerde geharde vorm teneinde ervoor te zorgen, dat het afdichtmateriaal voldoende dicht blijft om de gewenste afdichteigenschappen 30 te vertonen.

Het blaasmiddel moet worden geactiveerd bij een temperatuur binnen het traject van hardingstemperaturen van het elastomeer. Dit waarborgt, dat het elastomeer gedeeltelijk wordt gehard, voldoende om het gas, gevormd 35 door het geactiveerde blaasmiddel vast te houden, waarbij er voor gezorgd wordt, dat er geen "blowout" optreedt.

Blowout is een ongewenste omstandigheid, waarbij het gas, gevormd door het blaasmiddel, wordt vrij gegeven zonder het elastomeer te doen uitzetten.

40 Fig.1 toont een open gebroken zijaanzicht van 870 1 05 5 * - 8 - een brandstofcel 100. Een gedeelte van het brandstofcel-huis 105 is open gebroken om brandstofcelplaten 110, een laag verpakkingsmateriaal zoals polytetrafluorethyleen-vezel of tape 115, en het afdichtmateriaal 120 in zijn 5 geëxpandeerde en geharde vorm te laten zien. Op te merken zijn verder de onregelmatigheden 125, waarin het afdichtmateriaal is geëxpandeerd.

Fig.2 toont een bovenaanzicht van de brandstofcel 200. Een gedeelte van het brandstofcelhuis 205 is 10 open gebroken, waardoor de toepassing van het afdichtmateriaal 220 getoond is tussen de brandstofcelstapel 225 en de verdeelstukken 230.

VOORBEELD

Bij één uitvoering van de uitvinding werd een 15 brandstofcel gebruikt, waarvan de werktemperatuur ongeveer 204°C was, en welke fosforzuur als elektrolyt bevatte.

Een afdichtmateriaal met de samenstelling, getoond in de tabel, werd gecombineerd in een rubbermolen. Nadat het afdichtmateriaal door en door was vermengd, werd 20 het gekalenderd en in stroken gesneden, die werden geplaatst op een band van polytetrafluorethyleen, dat gebruikt werd als verpakkingsmateriaal. Vervolgens werden de stroken geplaatst tegen de verdeelstukranden en aan de randen van de brandstofcelstapel. Afdichtmateriaal 25 werd eveneens gevormd in een huls, die werd geplaatst over de inlaat- en uitlaatkoelfluidumpoorten gedurende het monteren van de cel. Eenmaal geassembleerd werd de cel gelijkmatig verwarmd van kamertemperatuur tot zijn normale werktemperatuur van 204°C. Er werd waargenomen, 30 dat het afdichtmateriaal begon te vloeien en een begin maakte met harden bij ongeveer 177°C, het blaasmiddel werd geactiveerd bij ongeveer 193°C, hetgeen gevolgd werd door het uiteindelijk harden bij ongeveer 204°C. Het verwarmen werd toen gestopt en de brandstofcel werd 35 in staat gesteld om af te koelen tot kamertemperatuur.

Het beschreven afdichtmateriaal is in staat om een in hoge mate corrosieve omgeving te weerstaan, zijn fysische samenhang te behouden bij het temperatuur-traject van brandstofcelbedrijf, en een nuttige levens-40 duur van werking te bezitten, die tenminste gelijk is aan $ ƒ y ϊ ί S 5 - 9 - die van de brandstofcel, welke optimaal ongeveer 40.000 uur bedraagt. Verder is het afdichtmateriaal, dat is beschreven, gemakkelijk aan te passen aan structurele onregelmatigheden in de brandstofcelstapel, omvattende 5 onregelmatigheden tussen de brandstofcelstapel en verdeel-stukken, brandstofcelstapelplaten, in het bijzonder langs de randen van de brandstofcelplaten in de brandstofcelstapel, en tussen de buitenwand van buizen, die gaan door het koelersamenstel.

10 Verder kan het afdichtmateriaal gemakkelijk wor den aangebracht gedurende het assembleren van de brandstofcel, en levert het een superieure afdichting als gevolg van de vorming ter plaatse van het afdichtmateriaal, wanneer dit wordt geactiveerd gedurende het opverwarmen 15 van de brandstofcel.

Het zal duidelijk zijn, dat andere materialen en andere samenstellingen kunnen worden gebruikt voor het vormen van een geschikt afdichtmateriaal zonder daardoor te treden buiten het kader van de uitvinding.

20 TABEL

Chemische bestanddelen Gewichtsdelen FLUOREL FLS 2330 100,0 THERMAX MT 15,0 MAGLITE D 15,0 CELOGEN AZ-130 0,3 B-I-K 0,1 -conclusies- il. —; /·. / , 9- »/'.·).· y o

Claims

1. Afdichtmateriaal, in het bijzonder geschikt voor toepassing in brandstofcellen, gekenmerkt door een corrosiebestendig, bij hoge temperatuur stabiel, gefluoreerd elastomeer, 5 een blaasmiddel, dat activeert binnen het traject van hardingstemperaturen van het gefluoreerde elastomeer, teneinde een volledig gehard, gesloten cellen bevattend elastomeer voort te brengen.

2. Afdichtmateriaal volgens conclusie 1, m e t het 10 kenmerk, dat dit verder een blaasmiddelpromotor bevat.

3. Afdichtmateriaal volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat dit verder een ver-sterkingsvulmiddel bevat.

4. Afdichtmateriaal volgens één der conclusies 1 tot 3,met het kenmerk, dat dit verder een zuuracceptormateriaal bevat.

5. Afdichtmateriaal volgens één der conclusies 1 tot 4,met het kenmerk, dat het ge- 20 fluoreerde koolwaterstofelastomeer volledig is verzadigd.

6. Afdichtmateriaal volgens één der conclusies 1 tot 5,met het kenmerk, dat het blaasmiddel een azodicarbamide is. 8701295