DE1933305A1

DE1933305A1 - Elektroden,Deckschichten und Stuetzgeruest enthaltendes Bauteil fuer Brennstoffelemente mit fluessigem Elektrolyten sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1933305A1
Application number: DE19691933305
Authority: DE
Inventors: Dieter Groeppel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1969-07-01
Filing date: 1969-07-01
Publication date: 1971-03-25
Also published as: FR2050421B1; FR2050421A1; GB1274338A; DE1933305C3; DE1933305B2; JPS5012774B1; US3856573A

Description

Elektroden, Deckschichten und Stützgerüst enthaltendes Bauteil für Brennstoffelemente mit flüssigem Elektrolyten sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung

Brennstoffelemente mit einem porösen Stützgerüst als Elektrolytträger sind bereits aus der deutschen Patentschrift 1 267 201 bekannt. Sie wurden bisher in der Weise hergestellt, daß die als Stützgerüst dienenden Metall- und/oder Kunststoffnetze zunächst in den Einstich eines Kunststoffrahmens eingelegt wurden, wobei fir den Einstich ein in der Mitte des Kunststoffrahmens vorspringendes Teil vorgesehen war. Auf die durch den Einstich im vorspringenden Kunststoffteil des Rahmens gebildeten Stege wurden anschließend die Deckschichten, z.B. Asbestpapier, aufgelegt und auf die mit dem Stützgerüst kontaktierenden Teile der Deckschichten das Katalysatormaterial und die zur Stromableitung bzw. Ausbildung der Gasräume vorgesehenen Netze. Den Abschluß der Brennstoffelemente bilden dabei die, auf. dem Kunststoffrahmen auflief enden .Endplatten.

Zur Erreichung eines gas- und flüssigkeitsdichten Abschlusses der einzelnen Bauteile gegeneinander und nach außen hin, müssen hol den vorbekannten Brennstoffelementen weiterhin zwischen den Deckschichten bzw. Kunststoffrahmen einerseits und den Endplatten andererseits Rundschnurringe eingelegt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten lagerfähigen Bauteiles, bestehend aus Elektroden, Deckschichten und Stützgerüst, für Brennstoffelemente zu finden, durch die der Aufbau von Brennstoffzellenbatterien wesentlich vereinfacht wird.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß man zunächst ein Metallnetz mit der einen Seite des Kunststoffrahmens verschweißt,, das aus einem oder mehreren Kunststoffnetzen bestehende Stützgerüst einlegt, ein zweites Metallnetz auf die andere Seite des Kunststoffrahmens einschweißt, und daß man anschließend auf die Metallnetze einen, in einem gelösten Bindemittel suspendierten feinkörnigen Ionenaustauscher in einer oder mehreren Schichten aufspritzt, auf welche dann der ebenfalls in einem gelösten Bindemittel suspendierte Katalysator ein- oder mehrschichtig aufgebracht wird.

Der technische Fortschritt der Erfindung wird vor allem darin gesehen, daß nunmehr die beiden Elektroden, Deckschichten und das Stützgerüst als kompaktes Bauteil serienmäßig vorgefertigt werden können, wodurch der Aufbau von Brennstoffzellenbatterien wesentlich erleichtert wird. Auch können nunmehr beschädigte Brennstoffelemente leichter durch funktionsfähige Brennstoffelemente ausgewechselt werden. -,

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, daß die Deckschichten innerhalb und auf Metallnetzen gebildet werden, die mit dem Kunststoffrahmen fest verbunden sind. Dadurch wird eine Ausdehnung der Deckschichten in Richtung der Deckschichtenebene bei Berührung mit dem Elektrolyten verhindert, so daß Undichtigkeiten infolge Verwerfung der Deckschichten nicht zu befürchten sind. Durch das Einschweißen der Metallnetze in den Kunststoffrahmen und das Aufspritzen der Deckschichten wird weiterhin die geforderte Abdichtung zwischen Deckschichten und Gasräumen erreicht, so daß die hierfür früher benötigten Rundschnurringe entfallen. Bei Verwendung des gleichen Bindemittels in den Deck- und Katalysatorschichten wird ferner erreicht, daß der Übergang zwischen den beiden Schichten homogen ist. Die Katalyaatorschichten sind mit den Deckschichten fest verbunden und infolge ihres

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Bindemittelgehaltes abriebfest und gegen die bei der Lagerung und beim .Batterieaufbau auftretenden Beanspruchungen ausreichend stabil.

Anhand der beiliegenden Figuren 1 und 2 wird der Gegenstand der Erfindung noch näher erläutert.

Mit 1 ist in der Fig. 1· ein· Kunststoffrahmen aus Polystyrol angedeutet. In dem in der Mitte vorspringenden Teil 1' des Kunststoffrahmens sind beidseitig die Metallnetze 2 und 5, z.B. λ Nickelnetze mit einer Maschenweite von 0,3 nnn, eingeschweißt. Zwischen den eingeschweißten Nickelnetzen befinden sich die beiden grobmaschigen Netze 3 und 4 (Maschenweite ca. 0,5 mm) aus Polypropylen, die den Elektrolytraum bilden. Anstelle der Kunststoffnetze können zur Ausbildung des Elektrolytraumes prinzipiell auch Metallnetze verwendet werden, jedoch besteht hierbei die Gefahr, daß bei Beschädigung der elektronisch nicht leitenden Deckschichten die Elektroden kurz geschlossen werden. Auf den Metallnetzen 2 und 5 befinden sich die aufgespritzten Deckschichten 6 und 7, mit denen die Katalysatorschichten 8 und 9 fest verbunden sind und auf denen: beim Batterieaufbau die nicht eingezeichneten Netze zur Stromabnahme bzw. Bildung der Gasräume atfgelegt werden. (J

Bei der Herstellung des Bauteiles nach der Erfindung wird zunächst ein Metallnetz in den Kunststoffrahmen eingeschweißt, und zwar in der Weise, daß das Metallnetz mittels eines aufgeheizten Stempels auf die Seite des vorspringenden Teiles 1' des Rahmens aufgepreßt wird. Anschließend werden die beiden Kunststoffnetze 3 und 4 aufgelegt und durch Einschweißen des zweiten Metallnetzes 5. in die andere Seite des Rahmenteiles eingeschlossen. Auf die eingeschweißten Metallnetze werden dann die Deckschichten aus einer Suspension mittels einer Spritzpistole in

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der gewünschten Dicke aufgetragen, .vorzugsweise Jedoch in. »ehreren Schichten, wobei nach jeder Schicht eine vollständige Trocknung erfolgt. TJm ein Absinken der suspendierten Teilchen zu verhindern, muß die Suspension während des Aufspritzens ständig gerührt werden. Die Trocknung der Schichten kann in der Weise durchgeführt werden, daß der Rahmen während des Aufspritzens unter Zuführung von Heißluft in einer geeigneten Vorrichtung ständig gedreht wird. .

Die für die Deckschichten vorgesehene Suspension besteht aus einem anorganischen und/oder organischen Ionenaustauscher, z.B. Asbestmehl oder einem Austauschgruppen enthaltenden Polymerisat oder Copolymerisate und einem organischen Bindemittel, z.B. Polyisobutylen, Polymethacrylsäureester, Polystyrol u.a., wobei der vorzugsweise in feinkörniger Form vorliegende Ionenaustauscher im Suspensionsmittel unlöslich und das Bindemittel löslich ist. Um eine vollständige Abdichtung zwischen Deckschicht und Rahmen mit Sicherheit zu erreichen, wird als' Suspensionsmittel vorzugsweise ein Lösungsmittelgemisch verwendet, das neben dem, den Kunststoffrahmen nicht angreifenden Lösungsmittel für den Binder ein solches enthält, in dem der Kunststoff des Rahmens, z.B. Polystyrol, löslich bzw. quellbar ist. Dabei wird das zuletztgenannte Lösungsmittel in solchen Mengen zugesetzt, das während des Aufspritzens der Deckschichten nur die Oberfläche des Kunststoffrahmens (T') angelöst und damit die Deckschichten in dem Kunststoffrahmen fest verankert werden. Für einen Kunststoffrahmen aus Polystyrol ist z.B. ein Lösun^smittelgemisch aus Benzin und Xylol geeignet. Zur Erhöhung der Festigkeit und Herabsetzung der Löslichkeit ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Bindemittel nach dem Aufspritzen in an sich bekannter Weise teilweise vernetzt wird. Zu diesem Zweck werden der Suspension vor dem Aufspritzen geeignete Vernetzungsmittel und gegebenenfalls _ Beschleuniger zugegeben.

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Die pulverförmigen Katalysatoren, z.B. Raney-Nickel und Raney-Silber werden zweckmäßigerweise wie die Deckschichten aus der Bindemittel enthaltenden Suspension mittels einer Spritzpistole aufgetragen, wobei nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das gleiche Bindemittel eingesetzt wird, wie in der für die Deckschichtenerzeugung vorgesehenen Suspension.

Die so vorgefertigten Bauteile 10 können gemäß Pig. 2 nach beidseitigem Auflegen der.Ableitnetze 11, der Distanznetze 12 und der Endplatten 13* beispielsweise Nickelbleche, in einfacher Weise zu Batterien zusammengebaut werden, wobei die einzelnen Bauteile mittels der Bolzen 14 und der Muttern 15 zusammengepreßt werden. Die Zu- und Ableitung der Reaktanten und des Elektrolyten erfolgt dabei in an sich bekannter Weise über Kanäle in den Kunststoffrahmen die jedoch übersichtlichkeitshalber in der Fig. 2 nicht eingezeichnet sind.

Beispiel >->

100 g Ionenaustauscher (lewatit M 600,wurden bei 110 C getrocknet und in einer Kugelmühle zu einem Pulver ^- 5 /U zerroahlen. Dann wurde das Pulver mit 1 1 Benzin (Kp. 100 bis 140 C) und 12 μ. Polyisobutylen versetzt und solange in der Kugelmühle weiter behandelt, bis sämtliches Polyisobutylen gelost war und der Ionenaus tauscher eine gleichmäßige Verteilung aufwies. Nach der Vermischung m,it 0,6 cm Methyläthylketonperoxld, 0,6 cm oiner 1 $-i/^en-- Lösung eines Kobalt enthaltenden Beschleunigers und 10 Voi/ίί Xylol, bezogen auf das Benzin, wurden 75 ml der Suspension in der beschriebenen Weise auf die 'Metallnetze 2 und ^v) in drei Schichten aufgetragen. .

Pur die ariodi3che Katalysatorschicht wurden 100 t", /getrocknetes Raney-Nickei (0,Ύ6 g/crn^?) in 150 cm⁵. Benzin (Kp. ^f;0 bis 75 ⁰C) au french lammt und mit 100 μ, einer 2 gewich taprozentigen PoIy-

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it^ eingetrageneB Warenzeichen der Bad Inchon

Anilin 't LiodafHbrik AG ' - <> -

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isobutylenlöaung in dem gleichen Benzin versetzt."Die so hergestellte Suspension wurde dann in eine Spritzpistole, mit Rühraufsatz gegeben und auf die Deckschicht 6 in drei Schichten aufgespritzt. In gleicher Weise wurde auf die Deckschicht -7 eine Suspension aufgespritzt, in der das Raney-Nickel durch Raney-Silber ersetzt war. -

6 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines kompakten, lagerfähigen Bauteiles, bestehend aus Elektroden, Deckschichten und Stützgerüst, für Brennstoffelemente, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst ein Metallrietz mit der einen Seite des Kunststoffrahmens verschweißt, das aus einem oder mehreren Kunststoff netzen bestehende Stützgerüst einlegt, ein zweites Metellnetz auf die andere -Seite des Kunststoffrahmens einschweißt, und daß man anschließend auf die Metallnetze einen in "einem gelösten Bindemittel suspendierten feinkörnigen Ionenaustauscher'in einer oder mehreren Schichten aufspritzt, auf welche dann der ebenfalls in einem gelösten Bindemittel suspendierte Katalysator ein- oder mehrschichtig aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß in der Suspension zum Aufbau der Deckschichten das gl-iche Bindemittel verwendet wird wie in der Suspension zum Aufbau der Katalysatorschichten.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel Polyisobutylen, das gegebenenfalls nach dem Aufspritzen vernetzt wird, verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auflösung des Bindemittels ein aus zwei oder mehreren Komponenten bestehendes Lösungsmittelgemisch verwendet wird, wobei der Kunststoff des Rahmens in mindestens einer Komponente löslich bzw. quellbar und in mindestens einer Komponente unlöslich ist.

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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die den Kunststoff des Rahmens lösende Komponente nur in solchen Mengen verwendet wird, daß während des Aufspritzens der Deckschichten nur die Oberfläche des Kunststoff rahmens angelöst wird.
6. Ein nach den Ansprüchen 1 bis 5 hergestelltes Bauteil für Brennstoffelemente, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einem Kunststoffrahmen (1) und darin eingeschweißten Metallnetzen (2,5) besteht, zwischen denen ein oder mehrere Kunststoffnetze (3,4) angeordnet sind und nit denen die Deckschichten (5,7) und Katalysatorschichten (8,9) mittels eines Bindemittels fest verbunden sind.

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