DE2844695A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen zelle oder batterie - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen zelle oder batterieInfo
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Description
Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Acsrnann Ό:. R. Kaer.kjsberger
Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Oipl.-lng. F. KHngsc-isen - Dr. F. Zumstein jun.
PATENTANWÄLTE on/ / r η
zo4Ab b
800O München 2 · BräuhausstraQe 4 · Telefon Sarnmol-Nr. 22 53 41 Telegramme Zumpat ■ Telex 529979
Oase 2930 DT
40/m
40/m
EEEOTEOCEEMISCHE EIIEEGIECOIWEESIE U.V.
p/a S.C.K. (EuroctLemic B 11)
Mol, Belgien
Mol, Belgien
909817/0745
Kennzeichen 2930 D
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zut Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder
Brennstoffzellenbatterie, welche besteht aus einer Stapelung von plattenförmigen Elementen, darunter zumindest zwei Elektroden-elementen,
welche je aus einem Blatt oder einer Platte eines Elektrodenmaterials bestehen, das in der Weise in einem ganz oder teilweise aus thermoplastischem
Werkstoff bestehenden Rahmen eingefasst ist, dass sich zwischen den Elementen Gas- oder FlUssigkeitskammern bilden, in welchen
Elementen Öffnungen vorgesehen sind, die in der fertigen Aufstapelung Kanäle für den Zu- und Abfluss von Flüssigkeit und Gas bilden, wobei
man deh, thermoplastischen Werkstoff aufeinanderfolgender Elemente durch
Zusammenschmelzen und anschliessender Erstarrung dieses Stoffes miteinander verschwelest.
Ein solches Verfahren ist aus der niederländischen Patentanmeldung
64 14147 bekannt. Das bekannte Verfahren kann in der Weise ausgeführt werden, dass man Metalldrähte, Metallprofile u.dergl. um die
Löcher und an den Rändern in die Rahmen der Elemente einbringt, wonach die Verbindung um diese Löcher durch hochfrequente Erhitzung
der MetalldrShte, Metallprofile u.dergl. erfolgt , die dabei die
angrenzenden Teile des thermoplastischen Kunststoffs erhitzen und auf
diese Weise die zwei aneinander grenzenden Elemente um die Löcher und an den Rändern der Rahmen miteinander verbinden.
Dieses bekannte Verfahren zeigt den Nachteil, dass man en der
Erhitzungsstelle einen Metalldraht oder Metallprofil * abringen muss,
und ai>3serdeiii um die Öffnungen häufig Teile eines anderen Materials al«
das der Rahmen selbst anwesend sind, die durch ein abweichendes
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Schrumpf- und Dehnungsverhalten bei Temperaturänderung eine Leckage
herbeifuhren können. Ein weiterer Nachteil ist, dass der thermoplastische
Werkstoff beim Verschweissen an allen Seiten des Metalldrahts oder -profils erweicht, wodurch sich die öffnungen, welche in der
fertigen Stapelung die Kanäle für Abfluss von Flüssigkeit oder Gas bilden, leicht mit diesem aufgeweichtem Werkstoff füllen können. Um dies zu
vermeiden bringt man gewöhnlich an den für die Öffnungen vorgesehenen Stellen Stifte oder Rohre u.a. aus Metall an, die nach Fertigung der
Aufstapelung wieder herausgezogen werden. Dies bringt eine erhebliche Komplikation der Vorrichtung mit sich. So lassen sich vor allem die
kleinen Querkanäle auf diese Weise nur mit Mühe anbringen. Das nachträgliche Aufbohren dieser Kanäle bringt auch deutliche Probleme mit sich.
Aufgabe der Erfindung ist nunmehr ein Verfahren von der eingangs erwähnten Art, das diese Nachteile nicht aufweist.
Erfindungsgemäss wird ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet,
dass von den Berührungsflächen der aufeinanderfolgenden
Elemente jedesmal zumindest eine mit aus dem thermoplastischen Werkstoff bestehenden Schweissleisten um die Ränder der Öffnungen und am Innen-
und/oder Aussenrand des Elements ausgestattet wird, wonach die Elemente durch Vibrationsschweissung aufeinander befestigt werden.
Beim Vibrationsschweissen bewegt sich infolge der Vibration die Schweissleiste sehr schnell in bezug auf die Berührungsfläche des
nachfolgenden Elementes, wodurch sich besonders an der Berührungsstelle eine Energiedissipation einstellt. Der thermoplastische Kunststoff
erweicht dadurch nur sehr stellenweise. Nach Erstarrung bildet sich an Ort und Stelle eine Schweissverbindung. Beispiele von Vibrationsschweissung
sind Ultraschallschweissung und Reibungsschweissen.
Beim erfindungsgemässen Verfahren muss nicht an der Erhitzungsstelle ein Metalldraht oder -profil anwesend sein und es kann eine sehr
ortsgebundene Erhitzung an der Berührungsfläche zwischen Schweissleiste und dem nächsten zu verschweissenden Element bewerkstelligt werden, so
da ss keine Leckage auf i;ri"b"fe Ulla .dank der nur sehr
örtlich auftretenden Erhitzung sich die Offnungen, weZohe die Kanäle
für- :l«m Zu- und Abfluss von liüssigkeit oder Gas bilden müssen, während
des Schweissvorgangs nicht mit geschmolzenem thermoplastischem Werkstox'+
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füllen. Das Einbringen von Stiften oder Rohren an den für diese
öffnungen vorgesehenen Stellen kann somit unterbleiben; ausserdem brauchen
die Kanäle nicht nachträglich gebohrt zu werden. Die kleinen Querkanäle bilden sich gleichzeitig im gleichen Arbeitsvorgang.
Die Stapelung besteht vorzugsweise aus mehr als zwei Elektrodenelementen, z.B. aus sechs oder mehr und vorzugsweise aus zwölf
odertnehr Elementen. Überraschenderweise ist diese Zahl mit Hilfe des
erfindungsgemässen Verfahrens tatsächlich erreichbar.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insonderheit zu
der Herstellung einer elektromagnetischen Zelle oder Batterie, deren Elektrodenmaterial mehrschichtig ist und bei der ztonindest eine Schicht
jeder Elektrode eine elektrisch leitende Metallgaze ist.
Bei einer ersten AusfUhrungsform wird das erfindungsgemässe
Verfahren durchgeführt, indem man auf eine im Bau befindliche Aufstapelung, welche an der Oberseite mit Schweissleisten versehen ist,
in der Weise ein nächstes Elektrodenelement aufbringt, dass man auf die Stapelung einfvorgeformten, Rahmen und darauf wieder ein Blatt oder eine
Platte aus Elektrodenmaterial legt, dessen Gaze dort,wo sich der Rahmen
befindet, frei liegt, wonach man das Blatt oder die Platte der Wirkung eines Ultraschall-Schweisshorns (welding horn) unterzieht, wobei in der
Berührungsfläche des Schweisshorns solche Rillen vorgesehen sind, dass
sich während der Ultraschallschweissung durch das Fliessen des thermoplastischen Werkstoffs durch die Gaze hindurch oben auf der
Stapelung neue Schweissleisten bilden können.
Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen
Verfahrens werden vorgeformte Elektrodenelemente benutzt, welche je aus
einem ganz oder teilweise aus thermoplastischem Werkstoff gebildeten Rahmen bestehen, in welchen in der Weise ein Blatt oder eine Platte aus
Elektrodenmaterial eingefasst ist, deren Gaze an der Stelle des Rahmens frei liegt, dass eine erste Hauptfläche des Rahmens im wesentlichen mit
der dort an der Aussenseite liegenden Hauptfläche der Metallgaze zusammer^Jällt, auf welcher ersten Hauptfläche sich die Schweissleisten
befinden, und dass auf eine im Bau befindliche Stapelung in der Weise
ein folgenden Elektrodenelement ausgebracht wird, dass man dieses
Element mit d*-n Schweissleisten an der unteren Seite auf die Stapelung
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anordnet, und die an der oberen Seite befindliche zweite Hauptfläche
des Rahmens der Wirkung eines Ultraschall-Schweisshorns unterzieht. Das Schweisshorn zeigt in diesem Falle keine Rillen.
Gemä'ss einer dritten AusfUhrungsform des erfindungsgemässen
Verfahrens werden vorgeformte Elektrodenelemente mit Schweissleisten um
die Ränder der Öffnungen und an dem Innen- und/oder Aussenrand des
Elements durch Reibungsschweissung aufeinander befestigt. Dazu bewegt
man zwei gegenseitig zu befestigende Elektrodenelemente parallel zueinander, wobei die Schweissleisten des einen Elements sich mit der
Berührungsfläche des anderen Elements berühren. Ein grosser Vorteil dieser AusfUhrungsform ist die grosse Zahl der Elektrodenelemente, die
sich auf diese Weise zu einer Einheit stapeln lassen, ohne dass die Qualität der Schweissverbindungen zurückgeht und/oder Beschädigungen
an den Elementen auftreten.
Die vorgeformten Elektrodenelemente können z.B. durch Spritzguss gewonnen werden. Die Gaze wird dabei vorzugsweise an die
Formwand gelegt, in der Rillen zur Bildung der Schweissleisten vorgesehen sindjwobei die Schweissleisten entstehen, indem der thermoplastische Werkstoff durch die Gaze hindurchfliesst.
Auf diese Weise ist beim Spritzgiessen die dabei gewünschte maximal mögliche Durchlassöffnung für den geschmolzenen Kunststoff verfügbar.
Bei den angegebenen Ausführungsweisen wird stets Kunststoff
auf Kunststoff geschweisst, was die Gefahr mangelhafter Schweissverbindungen erheblich verringert.
Das Verschweissen von Elektrodenteilen durch Ultraschall ist an sich bekannt (siehe französische Patentschrift 2.115.263 und die
britische Patentschrift 1.425.030). Die Herstellung einer Stapelung plattenförmiger Elemente mit Kanälen für den Zu- and Abfluss von Gas und
Flüssigkeit, insbesondere mit sechs oder mehr oder sogar mit zwölf
oder mehr Elementen, ist dem Stande der Technik nicht zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eiiv»r im Bau befindlichen i'-apelung bei
Fig. 1 eine Draufsicht eiiv»r im Bau befindlichen i'-apelung bei
Anwendung der oben geschilderten ersten Ausführungsform;
Fig. 2 den in Fig. 1 bei II umkreisten Teil in Einzelheiten;
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Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil der Stapelung gemäss der Linie III-III von Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt (gemäss IV-IV von Fig. 1) durch eine Stapelung
Bit darauf befindlichem Ültraschall-Schweisshorn beim Aufschweissen
eines neuen plattenförmigen Elements;
Fig. 5 und 6/in. Fig. 4 bei V Umkreisten Teil im JJetcüL und zwar in
Fig. 5 die aufeinander zu schweissenden Teile in der richtigen Position, allerdings in derHöhe auseinandergenommen
eingezeichnet, und in Fig. 6 die Lage beim Schweissen;
Fig. 7 einen teilweisen Schnitt durch eine im Bau befindliche Stapelung bei Anwendung der oben geschilderten zweiten
Ausführungsform mit einem darauf zu verschweissenden neuen
plattenförmigen Element, auf dem bereits ein Ültraschall-Schweisshorn angeordnet ist.
In den Figuren sind dieselben Teile mit denselben Bezugsziffern angegeben.
In der in Fig. 1 schematisch gezeichneten Draufsicht ist 1
ein aus thermoplastischem Werkstoff bestehender Rahmen, VOH dem ein
Blatt aus Elektrodenmaterial 2 eingefasst ist; Rahmen 1 und Blatt 2 sind der oberste Rahmen bzw. das oberste Blatt einer im Bau befindlichen
Stapelung. Tm Rahmen sind Öffnungen 3 bis 10 vorgesehen, welche in der
fertigen Stapelung die Kanäle für den Zu- und Abfluss von Flüssigkeit
oder Gas bilden. Die Zentralöffnung 11 im Rahmen bildet eine Gas- oder FlUssigkeitskammer zwischen zwei Elektroden. Um die Offnungen 3 bis 10
und an den Innen- und Aussenrändern des Rahmens sind Schweissleisten 12
bis 21 angebracht.
Obiges ist in den Figuren 2 und 3 mehr in Einzelheiten und in grösserem Mtssstab dargestellt. Die Schweissleistenl2,13,20,21 zeigen
einen dreieckigen Querschnitt. Die Schweissleiste 13 verläuft nicht kreisförmig um die öffnung 4, weil im Rahmen des Elements, das mit dem in der Figur
als oberstes Element eingezeichneten Ralfen verschweisst wird, ein Querkanal
für (Lm Zu- und Abfluss von >jas oder Flüssigkeit aus Kanal 4 der betreffenden
Kammer ausgespart ist; diener Kanal istselbs\:verständlich seitlich durch eine
gas- ode' flUssigkeitsdichte Sciireissverbindung zu begrenzen. SolcheQuerkanKle
aus dem Kanal 3 sind Inder Figur 3 «it a OI und 302 angegeben; ^Schweissen
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28US95
: ■■■■■■ a..
verschmolzene Schweissleisten sind mit 21-01, 21-02 usw.; 12-01.12-02
usw.; 20-02, 20-03 usw. bezeichnet. Zwischen den Elektroden 2-01 bis
2-07 usw. befinden sich Kammern 11-01 bis 11-06 usw. Die einzelnen, mit
einander verschweissten Rahmen sind mit 1-01, 1-02 usw. angegeben.
Fig. 4 zeigt schematisch eine im Bau befindliche Stapelung 41,
auf der mit Hilfe eines Ultraschall-Schweisshorns 42 ein neues Element befestigt wird; dieses Schweisshorn 42 (engl. welding horn) wird mit
Hilfe eines Generators 43 in Ultraschallschwingungen versetzt.
Wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt, ist das Schweisshorn
dort^wo beim Schweissen neue Schweissleisten gebildet werden müssen, mit
Rillen 54-55-56 versehen.
Der Rahmen 1-00 des zu verschweissenden Elements ist mit flachen
Leisten 60, 61, 62 mit Rillen 57-58-59 ausgestattet; beim Schweissvorgang fliesst schmelzendes Material der flachen Leisten 60, 61., 62 aus den
Seitenwänden der Rillen 57, 58, 59 und anschliessend empor in die Rillen 54, 55, 56. Das Blatt aus Elektrodenmaterial 2-00 des zu
verschweissenden Elements besteht aus einer Kollektorgaze 52 und ein oder
mehr Schichten' aus elektrochemisch aktivem Material 51; am Randabschnitt
53 des Blattes sind diese anderen Schichten vom Kollektorgewebe entfernt.
Beim Schweissen verschmelzen die Leisten 21, 12 und 20 des Rahmens 1-01 mit dem. Werkstoff'"des Rahmens 1-00; auf dem Rahmen 1-00 bilden sich
wieder neue Leisten.
Fig. 7 zeigt was geschieht, wenn gemäss der schon genannten
zweiten AusfUhrungsform vorgeformte Elemente benutzt werden, in denen
das Elektrodenblatt bereits im Rahmen befestigt ist. Der zu verschweissende Elektrodenrahmen 72 ist mit seinen Schweissleisten auf die Stapelung 71
aufgebracht, während sich au? diesem Rahmen 72 d:..s Ultrascha 11-Schweisshorn
73 befindet. Das Elektroderiblafu 74 wurde beim Spritzgiessen
im Rahmen 72 untergebracht und liegt etwa in der unteren Fläche dieses Rahmens; die Schweissleiste 75 dringt durch das Elektrodengewebe. Nach
der Erläuterung zu den vorangehenden Beispielen spricht Fig. 7 fUr £>ich.
Entsprechend der bereits genannten zweiten Ausfuhr"^s
(siehe auch Fig. 7) wurden vorgeformte Elektrodenelemente vom dort
..■·.' 909 81 7/07 AS
2844595
geschilderten Typ, in denen der thermoplastische Werkstoff ein Polyphenyloxidharz
ist und es sich bei der Kollektorgaze um Nickelgewebe handelt, durch eine Ultraschallschweissung mittels eines mit einer Frequenz von
20 kHz wirkenden Branson-Ultraschall-schweissgeräts aneinder befestigt.
Die auf diese Weise hergestellte Stapelung enthielt zwölf Elemente sowie oben und unten eine Abdeckplatte, wobei sich sämtliche
Schweissverbindungen als gas- und flUssigkeitsdicht erwiesen und die
Kanäle (3) und Querkanäle (301, 302) sich nicht mit erweichtem thermoplastischem
Werkstoff gefüllt hatten.
Entsprechend der schon genannten dritten Ausführungsweise wurden vorgeformte Elektrodenelemente durch Reibungsschweissen mit Hilfe
eines bei einer Frequenz von 100 Hz wirkenden Branson-Reibschweissgeräts aneinander befestigt.
Die so erhaltene Stapelung fasste 32 Elemente/die je oben und
unten mit einer Abdeckplatte versehen waren, wobei sich sämtliche Schweissverbindungen als gas- und flüssigkeitsdicht erwiesen und die
Kanäle (3) sowie Querkanäle (301, 302) sich nicht mit erweichtem thermoplastischem Werkstoff gefüllt hatten.
909817/0745
Claims (8)
1.. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie,
welche besteht aus einer Stapelung von plattenförmigen Elementen,
darunter zumindest zwei Elektrodenelementen, welche je aus einem Blatt oder einer Platte eines Elektrodenmaterials bestechen, das in der
Weise in einen ganz oder teilweise aus thermoplastischem Werkstoff
bestehenden Rahmen eingefasst ist, dass sich zwischen den Elementen Gas- oder FlUssigkeitskammern bilden, in welchen Elementen Öffnungen
vorgesehen sind, welche in der fertigen Aufstapelung Kanäle für den Zu- oder Abfluss von Flüssigkeit oder Gas bilden, wobei man den
thermoplastischen Werkstoff aufeinanderfolgender Elementen durch Zusammenschmelzen dieses Materials mit anschliessender Erstarrung
miteinander verschweisst, dadurch gekennzeichnet, dass von den
Berührungsflächen der aufeinanderfolgenden Elemente jedesmal
zumindest eine mit aus dem thermoplastischen Werkstoff bestehenden
Schweissleisten um die Ränder der Öffnungen und am Innen- oder ■ Aussenrand des Elementes ausgestattet wird, wonach man die Elemente
durch Vibrationsschweissung aufeinander befestigt.
2. Verfahren gemä'ss Anspruch 1 zu der Herstellung einer elektrochemischen
Zelle oder Batterie, bei der zumindest eine Schicht jeder Elektrode aus elektrisch leitender Metallgaze besteht, dadurch gekennzeichnet,
dass man auf eine im Bau befindliche Stapelung, welche an der Oberseite mit Schweissleisten versehen ist, in der Weise ein nächstes Elektrodenelement
aufbringt, dass man auf die Stapelung ein vorgeformter Rahmen
und darauf wieder ein Blatt oder eine Platte eines Elektrodenmaterials legt,
dessen Gaze dort wo sich der Rahmen befindet, frei liegt und man .
anschliessend dieses Blatt oder diese Platte der Wirkung eines
Ultraschall-Schweisshorns (welding horn) unterzieht, wobei in der
Berührungsfläche dieses Schweisshorns solche Rillen vorgesehen sind, dass sich während der Ultraschall—schweissung durch das Fliessen des
thermoplastischen Materials durch die Gaze hindurch oben auf der
Stapelung neue Schweissleisten bilden können.
3. Verfahren gemä'ss Anspruch 1 zu der Herstellung einer elektrochemischen
Zelle odei Batterie, bei der zumindest eine Schicht jeder Elektrode
aus elektrisch leitender Metallgaze besteht, dadurch gekennzeichnet,
909817/0748
ORIGINAL INSPECTED
dass man vorgeformte Elektrodenelemente benutzt, wobei jedes.der
Elemente aus einem ganz oder teilweise aus thermoplastischem Werkstoff bestehenden Rahmen besteht, in den in der Weise ein Blatt oder eine
Platte Elektrodenmaterial eingefasst ist, deren Gaze an der Stelle des Rahmens, frei liegt, dass eine erste Hauptfläche des Rahmens im
wesentlichen mit der dort an der Aussenseite liegenden Hauptfläche der Metallgaze zusammenfällt, auf welcher ersten Hauptfläche sich die
Schweissleisten befinden, und dass auf eine im Bau befindliche Stapelung in der Weise ein nächstes Elektrodenelement aufgebracht
wird, dass man dieses Element mit den Schweissleisten an der unteren
Seite der Stapelung anordnet und die an der oberen Seite gelegene zweite Hauptfläche des Rahmens der Wirkung eines Ultraschall-Schweisshorns
unterzieht.
4. Verfahren gemä'ss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die
vorgeformten Elektrodenelemente mit Schweissleisten um die Ränder der Öffnungen und am innen- und/oder Aussenrand des Elements durch
Reibschweissung aufeinander befestigt.
5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
dass man zumindest sechs Elemente aufeinander befestigt.
6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-5, wie es im Texte dieser
Anmeldung beschrieben und anhand der Zeichnung erläutert wurde.
7. Elektrochemische Zelle oder Batterie, hergestellt unter Anwendung des
Verfahrens gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
8. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäss Anspruch 7, wie sie im
wesentlichen im Texte beschrieben und anhand der Zeichnung erläutert wurde.
909817/0745
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Representative=s name: ZUMSTEIN SEN., F., DR. ASSMANN, E., DIPL.-CHEM. DR |
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