NL7809298A

NL7809298A - Werkwijze voor het vervaardigen van een elektrochemi- sche cel of batterij.

Info

Publication number: NL7809298A
Application number: NL7809298A
Authority: NL
Original assignee: Electrochem Energieconversie
Priority date: 1978-09-13
Filing date: 1978-09-13
Publication date: 1980-03-17
Also published as: JPS5539200A; GB2033820A; BE878725A; CA1131305A; IT1120567B; FR2436508A1; IT7950231A0; DE2935485A1; US4233371A; GB2033820B

Description

V 3021 ί ύ- * *> ' * \ ELECTROCHEMISCHE ENERGIECONVERSIE N.V.

Uitvinder*Antoon DORRESTIJN te Sitt&rd

WERKWIJZE VOOR HE!T VERVAARDIGEN VAN EEN ELEKTROCHEMISCHE CEL OP BATTERIJ

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een elektrochemische cel of batterij, bijvoorbeeld een brandstofcel of eén brandstofcellenbatterij, bestaande uit een stapeling van plaatvormige elementen, waaronder tenminste twee 5 elektrode-elementen die elk bestaan uit een vel of plaat elektrode-* materiaal gevat in een raam uit met een thermohardende kunststof geïmpregneerd elektrisch isolerend vezelvliesmateriaal, waarbij men de elementen in nog niet uitgeharde toestand opstapelt tot een pakket van de gewenste samenstelling zodanig dat tussen de elementen gas-10 en/of vloeistofkamers gevormd worden, waarna men de stapeling onderwerpt aan een persbewerking bij een temperatuur waarbij de thermohardende kunststof polymeriseert en aldus de stapeling tot een samenhangend blok formeert.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit de ter inzage gelegde 15 Nederlandse octrooiaanvrage 75 09675. Bij deze bekende werkwijze wordt op ieder(e) vel of plaat elektrodemateriaal aan een kant of aan weerskanten een uit nog niet gepolymeriseerde thermohardende kunststof bevattend vezelvlies bestaand raam onder enige druk vastgekleefd bij een temperatuur, waarbij de thermohardende kunststof kleefkracht bezit, 20 doch nog niet polymeriseert. De aldus verkregen plaatvormige elementen worden opgestapeld tot een pakket van de gewenste samenstelling, waarbij meestal tussen de elementen niet aan de kunststof hechtende strippen worden aangebracht voor het formeren van in de voltooide cel 7809298 2 ,*rv τ.

of batterij vereiste kanalen. Het opgestapelde pakket wordt vervolgens onder een bepaalde druk gedurende een bepaalde tijd onderworpen aan een temperatuur waarbij de thermohardende kunststof polymeriseert.

Door het vloeien van de kunststof worden de vellen elektrodemateriaal 5 aan de ramen gehecht en worden de ramen onderling aan elkaar gehecht, zodat de stapeling tot een samehhangend blok geformeerd wordt; de strippen worden daarna uit de geformeerde kanalen getrokken en de open uiteinden van de kanalen aan de buitenkant van het blok worden afgedicht.

10 Bij volgens deze bekende werkwijze vervaardigde elektro chemische cellen of batterijen blijkt zich het ongewenste verschijnsel te kunnen voordoen dat de hechting van de vellen of platen elektrodemateriaal in het vervaardigde gerede blok niet voldoende gas- of vloeistofdicht is, zodat zich tussen de verschillende gas- of vloei-15 stofkamers onderling lekkages kunnen voordoen, hetgeen uiteraard een goede werking van de oei of batterij ernstig verstoort. Ook langs de randen van de met behulp van strippen geformeerde kanalen kan een slechte hechting optreden. De oorzaak van deze onvolkomen hechting moet waarschijnlijk daarin gezocht worden, dat het opwarmen van het 20 tamelijk dikke gestapelde pakket zo langzaam verloopt, dat plaatselijk de temperatuur waarbij de ongepolymeriseerde kunststof voldoende zou .vloeien om een goede hechting teweeg te brengen pas bereikt wordt als de polymerisatie (uitharding) van de thermohardende kunststof reeds zover is voortgeschreden dat het materiaal niet meer voldoende kan 25 vloeien. De uitvinding heeft tot doel een werkwijze als in de aanhef omschreven te verschaffen, die dit nadeel niet heeft.

Volgens de uitvinding wordt een dergelijke werkwijze daardoor gekenmerkt, dat men de persbewerking uitvoert in twee stappen, waarbij men in een eerste persbewerkingsstap de afzonderlijke plaatvormige 30 elementen vervaardigt door in een persmatrijs een vel elektrodemateriaal tussen uit met een nog niet gepolymeriseerde thermohardende kunststof geïmpregneerde elektrisch isolerend vezelvlies bestaande raamdelen aan te brengen en dit samenstel gedurende een relatief korte eerste tijd onder druk te verhitten op een relatief lage eerste 35 temperatuur, bij welke temperatuur de thermohardende kunststof goed

7 8 0 9 2 9 S

\ 3 ' ' vloeit doch ten hoogste slechts in geringe mate polymeriseert, waarna men de verkregen plaatvormige elementen en eventuele andere cel- of batterijdelen tot een pakket van de gewenste samenstelling opstapelt, en in een tweede persbewerkingsstap het pakket gedurende 5 een relatief lange tweede tijd tot een samenhangend blok perst bij een relatief hoge tweede temperatuur, waarbij de thermohardende kunststof uithardt.

De genoemde relatief korte eerste tijd bedraagt bij voorkeur 5 tot 60 seconden, de genoemde relatief lage eerste temperatuur bij o 10 voorkeur 70 tot 90 C, afhankelijk van de gebruikte thermohardende kunststof. Het dunne raam van het elektrode-element wordt zeer snel geheel op een temperatuur gebracht, waarbij de viscositeit van de t ’ kunststof laag genoeg is om de rand van het elektrodemateriaal zodanig te omvloeien, dat een gas- en vloeistofdichte hechting tot 15 stand komt. Door de korte duur van de verhitting vindt nauwelijks polymerisatie plaats. Vervolgens koelt men bij voorkeur de matrijs zo snel mogelijk af, zodat nog steeds nauwelijks polymerisatie plaatsvindt. Polymerisatie en uitharding geschiedt in de tweede persbewerkingsstap. In deze stap bedraagt de genoemde relatief lange 20 tweede tijd voor het verhitten en tot een blok persen van de stapeling bij voorkeur 10 tot 60 minuten, terwijl de genoemde relatief hoge tweede temperatuur bij voorkeur 110 tot 180 °C bedraagt.

Bij de eerste persbewerking zijn in de persmatrijs bij voorkeur inlegstukken aangebracht, waarvan de afmetingen en de plaats 25 corresponderen met die van in het gestapelde pakket aan te brengen strippen voor het formeren van kanalen. Men bewerkstelligt aldus, dat in de elementen daar reeds uitsparingen aanwezig zijn, zodat de kanalen niet tijdens de tweede persbewerking door vloeien van de* kunststof gevormd behoeven te worden, waarmede de oorzaak van slechte 30 hechting langs de randen van de kanalen is weggenomen.

Het isolerende vezelvliesmateriaal dient uiteraard bestendig te zijn tegen de in de cel te gebruiken vloeistoffen en gassen, mechanisch stabiel en voldoende sterk bij de bedrijfstemperatuur van o de cel, die bijvoorbeeld tussen 50 en 200 C ligt. Bij voorkeur 35 gebruikt men daarom vezelvliesmateriaal dat bestaat uit glasvezels, \ 7809298 4 % . '-β Ϋ doch ook andere isolerende vezelvliesmaterialen die aan de genoemde vereisten voldoen kunnen gebruikt worden, zoals bijvoorbeeld asbest-of andere anorganische vezels, polyestervezels, polyamidevezels of ander organisch vezelmateriaal, en mengsels van verschillende soorten 5 vezelmateriaal. Ook het gebruik van weefsels, bijvoorbeeld nylon- weefsel, moet geacht worden tot het wezen van de uitvinding te behoren.

Ook de thermohardende kunststof dient bestendig tegen de in de cel te gebruiken vloeistoffen en gassen, mechanisch stabiel en voldoende sterk te zijn. In aanmerking komen bijvoorbeeld al of niet 10 gemodificeerde polyesters, epoxyharsen, polyvinylesters, polyacrylaten etc. Epoxyharsen genieten de voorkeur.

Voor cellen en batterijen met waterstof en lucht als brandstof resp, oxydans, en kaliloog als elektroliet wordt eèn zeer geschikte materiaalcombinatie gevormd door glasvezelvlies geïmpreg-15 neerd met de epoxyhars Eurepox 730 met harder Euredur 42 (een cyclo-alifatisch amine) van de firma Schering. Deze epoxyhars-harder combinatie, in de verhouding 4 : 1 heeft bij 150 °C een uithardingstijd van ca. 30 minuten.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van bijgaande 20 schematische tekening bij wijze van niet-beperkend voorbeeld. De figuren stellen het volgende voor:

Fig. 1: een bovenaanzicht van het onderste deel van een geopende matrijs voor het persen van afzonderlijke plaatvormige elementen; 25 Fig. 2: een doorsnede over een gesloten matrijs volgens II-II in fig. 1 met daarin een tussen raamdelen gelegd vel elektrode- materiaal;

Fig. 3: een soortgelijke doorsnede, nu volgens III-III in fig. ï; 30 Fig. 4: een bovenaanzicht van een pakket gestapelde elementen in opbouw;

Fig. 5: een doorsnede over dit pakket volgens V-V in fig. 4;

Fig. 6: een bovenaanzicht van een stel in de stapeling te steken strippen voor het formeren van kanalen, welke strippen door 35 een dwarsstrip onderling verbonden zijn;

Fig. 7: een doorsnede volgens.VII-VII in fig. 6.

7809293

V

..- . 5 * .

De figuren zijn ten behoeve van de duidelijkheid niet op schaal getekend; in de richting loodrecht op het vlak van de elektrode is de schaal aanmerkelijk groter genomen dan evenwijdig aan dit vlak. Eenzelfde deel is in alle figuren met hetzelfde verwijzings-5 cijfer aangegeven.

In fig. 1 is met 1 de onderhelft van een matrijs voor het persen van de plaatvormige elementen aangegeven, met een matrijs-holt;e 2. Het randgedeelte 3 van de matrijsholte, waarin het onderste raamdeel komt te liggen, is dieper dan het middendeel 4, waar het vel 10 elektrodemateriaal zich zal bevinden. In de matrijs zijn pennen 5 aangebracht die corresponderen met openingen in de raamdelen ter plaatse waar in het voltooide blok doorgaande kanalen moeten komen; de pennen 5 hebben tot functie bij het persen van het plaatvormige element deze openingen open te houden. Op enkele van de pennen 5 zijn 15 inlegstukken 6 gestoken, die tot doel hebben in de plaatvormige elementen verdiepte gedeelten ter plaatse van te vormen dwarskanalen te vormen. De aangegeven inlegstukken bevinden zich daar, waar elektrolietkanalen gevormd moeten worden; bij het persen van een plaatvormig element waarin brandstof- resp. luchtkanalen voorgevormd 20 moeten worden, worden de inlegstukken, zoals in streeplijn is aangegeven, bij 7 resp. 8 aangebracht. Met de streepstippellijn 9 is de plaats van de buiienrand van het in de matrijs te leggen vel elektrodemateriaal aangegeven; over het gedeelte dat tussen de lijn 9 en de meer naar binnen gelegen streep-stippellijn 10 ligt is het kollek-25 torgaas van het eléktrodevel ontdaan van andere lagen ('gestript').

Aan deze kale gaasrand zijn contactlippen 11 gevormd, waarvan de uiteinden in ondiepe uitstulpingen 12 van de matrijsholte komen te liggen. De uitstulpingen 13 op de hoeken van de matrijsholte dienen voor het opnemen van overtollige kunststof bij het persen.

30 Fig. 2 en 3 geven twee doorsneden over de gesloten matrijs waarin zich raampjes 14, 15 en 16 en het vel elektrodemateriaal 17 bevinden. In bovendeel 18 van de matrijs is bij deze uitvoeringsvorm een diepere matrijsholte voor de raampjes aangébracht dan in het onderste deel, teneinde hierin twee raampjes (15 en 16) op elkaar te 35 kunnen aanbrengen; deze extra dikte is nodig om met behulp van de

X

7809298 s •r * 6 inlegstukken 6 de gewenste verdiepte gedeelten te kunnen formeren.

Van de zich tussen de raampjes bevindende rand van het elektrodevel 17 is het buitenste deel (tussen de lijnen 9 en 10 in fig. 1) gestript; daarbinnen is nog een smalle rand (enkele mm breed) niet-gestript 5 elektrodevel tussen de raampjes gevat. Dit laatste is wenselijk om een voldoende afdichting te verkrijgen; bij het persen doordringt de kunststof het kale gaas aan de rand van het vel, zodat een goede hechting van het gaas aan de raampjes en van de raampjes onderling verkregen wordt, en sluit voorts de kunststof dichtend aan tegen het 10 niet-gestripte randje elektrodemateriaal tussen de raampjes.

Bij het in fig. 4 en 5 weergegeven gestapelde pakket in opbouw is op het weergegeven moment het bovenste elektrode-element 21 een element met een luchtelektrode waarvan de vervaardiging in de figuren 1-3 geïllustreerd is; het bovenaanzicht fig. 4 van de stape-15 ling is dus tevens het bovenaanzicht van dit plaatvormige element.

In fig. 5 is een aantal verdere plaatvormige elementen aangegeven met de verwijzingscijfers 22-25. Het element 22 bevat weer een luchtelek·- trode; tussen de elektroden van de elementen 21 en 22 wordt een luchtkamer 26 gevormd. De elementen 23 en 24 zijn voorzien van gas (brand-20 stof) elektroden; tussen de elektroden in de elementen 22 en 23 wordt een elektrolietkamer 27 gevormd, en tussen de elektroden van de elementen 23 en 24 een gas(brandstof)kamer 28 en vervolgens tussen de elementen 24 en 25 weer een elektrolietkamer 29 en onder het element 25, dat weer een luchtelektrode bevat, weer een luchtkamer 30, enz.

25 Door de stapeling zijn pennen 31 gestoken, die dezelfde functie hebben als de pennen 5 in fig. 1 en 2, namelijk om tijdens het persen de doorgaande toevoerkanalen voor de diverse fluida (lucht, brandstof, » elektroliet) open te houden. Zoals rechts in fig. 5 is aangegeven, worden tussen de plaatvormige elementen ter plaatse van de daarin 30 voorgevormde verdiepte gedeelten (6, 7 en 8 in fig. 1) strippen 32 gestoken, die tot functie hebben de in het voltooide geperste blok ter plaatse van deze verdiepte gedeelten te vormen kanalen open te houden. De strippen 32 hebben een zodanige trapezoïdale vorm dat zij zich zonder moeite uit het voltooide blok laten verwijderen. Zoals in \ 7809298 7 ν'' * fig. 5, 6 en 7 is aangegeven, zijn de strippen 32 met het uit de stapel stekende uiteinde bevestigd aan dwarsstrippen 33, die bij voorkeur een zodanige dikte hebben dat zij bij het persen van het blok tegen elkaar komen te rusten en aldus de mate van samenpersing 5 begrenzen, zoals reeds is beschreven in de hierboven genoemde ter inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage 75 09675.

Zonodig kunnen bij het stapelen in de kamers poreuze afstandhouders (niet getekend) aangebracht worden om te voorkomen dat eventueel niet geheel vlakke elektroden elkaar zouden raken. Deze kunnen 10 bijvoorbeeld uit gegolfde, geperforeerde platen of weefsels van, bijv. polypropeen, of vezelvliezen van polypropeen of polytetrafluoretheen bestaan.

De werkwijze volgens de uitvinding is niet tot het gegeven voorbeeld beperkt; de aangegeven materialen en vormen zijn slechts 15 bij wijze van voorbeeld genoemd. Hoewel in het bovenstaande slechts sprake is geweest van cellen voor gasvormige brandstof en als oxydans zuurstof, dient tot de uitvinding eveneens gerekend te worden de vervaardiging volgens de onderhavige werkwijze van stapelcellen of -batterijen voor vloeibare brandstof ën/of met een ander gasvormig 20 of vloeibaar oxydans dan zuurstof. Ook andere elektrochemische cellen dan brandstofcellen kunnen volgens de werkwijze van de uitvinding worden vervaardigd, zoals elektrolyse- en elektrodialysecellen. Men kan volgens de werkwijze van de uitvinding elektrochemische cellen of batterijen vervaardigen, waarvan de elektrolietkamers door mem-25 branen, bijvoorbeeld halfdoorlatende of ionenwisselende membranen, in meerdere compartimenten zijn onderverdeeld. Men handelt dan met het membraanmateriaal op overeenkomstige wijze als met het elektrode-materiaal, zodat men stapelelementen herkrijgt en deze stapelelementen op de gewenste plaatsen invoegt bij het stapelen van het pakket. Ook 30 deze en soortgelijke varianten moeten geacht worden onder het wezen van de uitvinding te vallen.

De uitvinding heeft ook betrekking op een elektrochemische cel of batterij, bijvoorbeeld een brandstofcel of -batterij, vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding.

Λ \ 7809298

Claims

3021

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een elektrochemische cel of batterij, bestaande uit een stapeling van plaatvormige elementen, waaronder tenminste twee elektrode-elementen die elk bestaan uit een vel of plaat elektrodemateriaal gevat in een raam uit met een 5 thermohardende kunststof geïmpregneerd elektrisch isolerend vezel- vliesmateriaal, waarbij men de elementen in nog niet uitgeharde toestand opstapelt tot een pakket van de gewenste samenstelling zodanig dat tussen de elementen gas- en/of vloeistofkamers gevormd worden, waarna men de stapeling onderwerpt aan een persbewerking 10 bij een temperatuur waarbij de thermohardende kunststof polymeri- seert en aldus de stapeling-tot een samenhangend blok formeert, met het kenmerk, dat men de persbewerking uitvoert in twee stappen, waarbij men in een eerste persbewerkingsstap de afzonderlijke plaatvormige elementen vervaardigt door in een persmatrijs een vel 15 elektrodemateriaal tussen uit met een nog niet gepolymeriseerde thermohardende kunststof geïmpregneerd elektrisch isolerend vezel-vlies bestaande raamdelen aan te brengen en dit samenstel gedurende een relatief korte eerste tijd onder druk te verhitten op een relatief lage eerste temperatuur, bij welke temperatuur de 20 thermohardende kunststof goed vloeit doch ten hoogste slechts in geringe mate polymeriseert, waarna men de verkregen plaatvormige elementen en eventuele andere cel- of batterijdelen tot een pakket van de gewenste samenstelling opstapelt en in een tweede persbewerkingsstap het pakket gedurende een relatief lange^tweede A \ 78 0 9 2 9 8 % tijd tot een samenhangend blok perst bij een relatief hoge tweede temperatuur, waarbij de thermohardende kunststof uithardt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde relatief korte eerste tijd 5 tot 60 seconden bedraagt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de genoemde relatief lage eerste temperatuur 70 tot 90 °C bedraagt.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de genoemde relatief lange tweede tijd 10 tot 60 minuten bedraagt.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de 10 genoemde relatief hoge tweede temperatuur 110 tot 180 °C bedraagt.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat in de genoemde persmatrijs voor de eerste persbewerking inlegstukken zijn aangebracht, waarvan de afmetingen en de plaats corresponderen met die van in het gestapelde pakket aan te brengen strippen voor 15 het formeren van kanalen.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat in de genoemde persmatrijs voor de eerste persbewerking pennen zijn aangebracht, waarvan de afmetingen en de plaats corresponderen met die van in het voltooide blok gewenste door de elementen heen 20 doorlopende kanalen.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in het gestapelde pakket pennen zijn aangebracht, waarvan de afmetingen en de plaats corresponderen met die van in het voltooide blok gewenste door de elementen heen doorlopende kanalen.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 1-8, met het kenmerk, dat de thermohardende kunststof een epoxyhars is.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, zoals in hoofdzaak is beschreven in de beschrijving en/of de tekening. .

11. Elektrochemische cel of batterij, vervaardigd onder toepassing van 30 de werkwijze volgens een der voorgaande conclusies. 7809298