BG63282B1 - Метод за производство на електрохимични клетки - Google Patents

Abstract

(54) МЕТОД ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА ЕЛЕКТРОХИМИЧНИ КЛЕТКИ@(57) Изобретението се отнася до метод за производство на електрохимична или галванична клетка, включваща множество електрохимични компоненти, свързани заедно в батерия. По метода се осигуряват първи компонент, образуван от деформиращ се полимерен материал с най-малко по един непрекъснат канал, включващ женски отвор с широчина W и дълбочина h, и втори компонент най-малко с една непрекъсната издатина с широчина W и височина h. Първият и вторият компонент се пресоват заедно по такъв начин, че дасе осигури точно запояване между издатината на втория и отвора в първия компонент, Като с това запояване между частите се осигурява задължителното изолиране на страните с издатината от тези с отвора.Множество от първи и втори компоненти се свързватзаедно, за да се образува батерия.

Description

Изобретението се отнася до метод за производство на електрохимични клетки, по-специално до метод за производство на индустриални електролитни или галванични клетки, които включват множество компоненти, свързани заедно в батерия.

Предшестващо състояние на техниката

Индустриални електролитни или галванични клетки, като вторични елементи, горивни клетки и електролизери, обикновено включват модули, всеки от които съдържа определен брой подредени, слоести компоненти, които са скрепени заедно в батерия. Например, във вторичен елемент на окислително-редукционен поток компонентите обикновено се състоят от електрически изолиращи потока рамки, всяка съдържаща електрод, като множество такива рамки са направени на слоеве заедно с други компоненти като мембрани и мрежи. Вторични елементи от този тип са известни.

При комплектуването на модулите от техните отделни части най-важните условия са следните:

i) задължително е да се осигури флуидите, които са вътре в батерията, да са изолирани един от друг и се гарантира минимално просмукване отвън, необходимо е задоволително изолиране, за да се осигури между отделните слоеве на батерията и между отделните клетки вътре в батерията, например, периметър на всеки електрод чрез изолиране на заобикалящата го рамка;

ii) всеки отделен слой на батерията би трябвало да бъде внимателно разделен на части в зависимост от съседните компоненти; и iii) установеното разположение на слоеве на електродите, мембраните и мрежите трябва да остава цяло и непокътнато, като се образува стойка на батерията и изолирана единица. Някои мембрани могат да имат тенденция към разкъсване, огъване, извиване или пробиване и/или могат да бъдат високо чувствителни към парциалното налягане на водата.

Обикновено изолирани флуиди се постигат, например, чрез използване на еласто мерна изолация, разположена между всяка рамка на потока, като О-пръстен или уплътнителна плоскост. Могат да бъдат използвани обикновени местни и закрепващи средства, за да се разположат отделните компоненти внимателно спрямо техните съседни компоненти и след това да се фиксират на тяхното място, за да се образува субмодул. Обаче, когато батерията включва голям брой компоненти, осигуреното монтиране на батерията с множество О-пръстени е трудно да се постигне и е напрегната работата. Еластомерните материали, които са химически устойчиви спрямо агресивни електрлолитни химикали, са относително скъпи и могат да допълнят значително стойността на общата цена на такава комплектовка. Освен това, изискването за прорези на О-пръстена може да е в противоречие с удобство и сигурно изпълнение на другите функции на рамката, като разпределянето на потока от течни електролити, по-специално при батерии, съдържащи тънки рамки, например, когато дебелината на рамката се приближава < 2.5 пъти до дебелината на електролитния захранващ канал.

Предлага се също да се създадат изолирани флуиди с избягването на тежкото и скъпо монтиране на О-пръстени чрез съвместно запояване на слоевете, например като се използва фрикционно запояване на рамка към изолирани рамки и/или лазерно запояване на електрод към изолирани рамки. Недостатъците на този метод включват възможно разрушаване на внимателно разположени и кондиционирани мембрани чрез разместване и/или загряване по време на изолиране на рамка от рамка, необходимостта да има съвместими материали, които могат да бъдат сполучливо запоени заедно, неспособността за демонтиране и невъзможността съгласно метода да се създаде сигурност при запояването.

По-нататък се предлага начин на изолиращо подреждане, при който изолиращият механизъм е вграден вътре във формата на рамката на потока и при който е разположена гъвкава лента със специфичен канал специално за целта на пълноценното изолиране.

Изолиращото подреждане на този тип е описано в US-A-4640876. Гъвкавата лента, която е пълноценен изолатор обаче, трудно се произвежда и се очаква гъвкавостта да бъде чувствителна към околната следа и механичното разграждане.

В патент на FR-A-2292345 се описва схемата на издатината и канала при свързването на компонентите на рамката на електрическата клетка. Издатината върху една рамка е монтирана в съответния канал на съседна рамка, а рамките са фиксирани заедно, като са използвани адхезиви, разтворители или ултразвуково запояване.

В патент на FR-A-2700639 се описва изолиране, образувано чрез притискане на плоскост от метален лист между издатина и канал, като се образуват противоположни една на друга съседни рамки, листът се притиска под въздействието на средствата за пресоване на елементите на батерията. Изолирането между съседни рамки се поддържа чрез пресоване на плоскостта от метален лист.

Същност на изобретението

Съгласно изобретението е създаден усъвършенстван и подобрен метод за производството на електрохимична клетка, включващ множество електрохимични компоненти, свързани заедно в батерия, в който метод определената работа, която трябва да бъде извършена при поставянето, изолирането и свързването на компонентите на батерията, се постига чрез единично интегрално изолиращо подреждане.

Съгласно изобретението е осигурен метод за производство на електрохимична и галванична клетка, включващ множество електрохимични компоненти, които са свързани заедно в батерия, като методът включва осигуряване на първи компонент, образуван от деформируем полимерен материал с най-малко един, по същество непрекъснат канал, включващ женски отвор с ширина w и дълбочина h; осигуряване на втори компонент с поне една по същество непрекъсната издатина с ширина >w и височина h; пресоване на първия и втория компонент заедно по такъв начин, че да се осигури точно запояване между издатината на втория компонент и отвора в първия компонент, като със запояването между частите се осигурява задължителното изолиране на страните с издатината от страните с отвора; и свързване на множество от първи и втори компоненти заедно, за да се образува батерия.

При осъществяване на метода от настоя щото изобретение първият компонент се образува от деформируем полимерен материал така, че когато първият и вторият компонент се довеждат заедно до подходящо разпределяне на деформациите, се получава необходимото запояване между първия и втория компонент. Подходящи полимерни материали, от които първият компонент може да бъде изработен, включват способните да претърпят продължително натоварване на опън и осигуряващи локално свиване без значителен неуспех, по-специално полукристални полимери, като многото марки полиетилен, полипропилен и техни смеси от кополимери, ацетал, найлони, полиетилен терефталат, поливинилиден флуорид, поливинилхлорид, политетрафлуоретилен, флуориран етиленпропиленов кополимер, полифлуорамид, хлориран полиоксиметилен плюс много други. При начина за осигуряване на първия компонент желаната конфигурация на тези полимерни материали може да бъде образувана машинно, чрез леене под налягане, пресовано формуване или по друг начин.

Материалът, от който вторият компонент е изработен, може да бъде деформируем полимерен материал, например, може да бъде образуван от същия полимерен материал, като този на първия компонент, въпреки че вторият компонент не би трябвало да бъде образуван от деформируем полимерен материал. Допълнителни материали, които могат да бъдат използвани при конструкцията на втория компонент, са материали, по-малко устойчиви на опън, като тежко напълнени марки материали, от които първият компонент може да бъде изработен, и некристални полимери, като полистирен, полиметилметакрилат и поликарбонат. Установено е, че вторият компонент може да бъде метален електрод или въглероден, титанов или керамичен компонент.

В предпочитан вариант от настоящото изобретение по същество непрекъснатият отвор, осигурен в първия компонент, има страни, които са перпендикулярни или по същество перпендикулярни на плоскостта на първия компонент, докато по същество непрекъснатата издатина, осигурена във втория компонент, има страни, които са перпендикулярни или по същество перпендикулярни на плоскостта на втория компонент. Установено е, че изолиращата система от настоящото изобретение действа при всяко ориентиране, зависещо от ориентирането на компонентите, които са свързани заедно. Въпреки че перпендикулярни или по същество перпендикулярни изолации са предпочитани, изолацията може да бъде под ъгъл до около 45°, ако е необходимо.

Установено е, че докато изолацията от настоящото изобретение за предпочитане има профил, по същество постоянен на напречното сечение, напречното сечение може да варира по дължината на изолацията, ако е необходимо.

Следователно, когато първият и вторият компонент са образувани от полимерни материали, вторият компонент обикновено не ще бъде само осигурен с най-малко една по същество непрекъсната издатина, подаваща се от нейната първа повърхност, но обикновено също се осигурява с най-малко един по същество непрекъснат женски отвор във втората нейна повърхност по такъв начин, че да дава възможност да бъдат свързани до по-нататъшен компонент. Би трябвало да се прецени, че всеки компонент, който е осигурен с женски отвор, даже ако той също е осигурен с издатината, трябва да бъде направен от деформируем материал. Когато вторият компонент е направен от недеформируем материал, като метал, различното подреждане е необходимо, за да се даде възможност на множеството компоненти да бъдат свързани заедно. Тогава вторият компонент обикновено ще бъде осигурен с издатини както върху първата, така и върху втората повърхност, издатината върху втората повърхност, даваща възможност да бъдат свързани до по-нататъшен компонент, се прави от деформируем материал, имащ допълнително вдлъбнатина, образувана там.

При съвместното носене на първия и втория компонент взаимодействието между страните на отвора и страните на издатината е такова, че да се развие стойност на налягането при техния контакт, обикновено 10 до 100 MN/m², достатъчно да ги деформира да се затворят в съответствие една с друга. Профилът на издатината и отвора във връзка с вече полученото съответно затваряне, е такъв, че да издържа това налягане при ниво, обикновено 1 до 10 MN/m², достатъчно да поддържа изолацията срещу наляганията, използвани в електрохимичните клетки, обикновено от порядъка на 10 до 1000 KN/m². Степента на взаимодействие и точните профили на издатината и отвора са определени от механичните свойства на материалите, от които са направени, както и максимално допустимите отклонения и крайната повърхност, с които те могат да бъдат произведени, и желаното удобство при сглобяване и разглобяване. Би трябвало да се разбира, че може също да използват крайни плочи и свързващи пръти, като при необходимост да се поддържа цялостта на клетката, ако тя е вътрешно херметизирана.

Деформацията, предизвикана от несъответствие, е достатъчна да промени повърхностите при контакт и ги направи несиметрични. Обикновено степента на несъответствие между ширината на отвора w на първия компонент и ширината на издатината на втория компонент е такава, че да се получи деформиращ натиск от 0,1 до 20%, повече се предпочита 3 до 5% в материала при изолиращите повърхности.

Ширината на издатината върху втория компонент е по-голяма от ширината на женския отвор в първия компонент, така че да ги доведе силово в контакт по техните страни обратно на съществуващото местоположение спрямо другите съседни части на тези компоненти. Важно е, че тези други съседни части се подпомагат така, че да се извърши херметизиране при силовия контакт между компонентите на техните страни. Дълбочината на основата на профила на отвора е толкова поголяма, колкото е височината на издатината, а ширината на входа на отвора е по-голяма от ширината на основата на издатината. Разширяването на входа /гърлото/ на отвора и намаляването на радиуса на издатината също служи да предпази изолиращите повърхности от провеждане по време на монтирането и улеснява процеса на монтиране. Изолацията съгласно изобретението се осигурява според условието страните на издатината със страните на отвора да не се нуждаят от затваряне на батерията, за да се образува или да се поддържа изолацията. Силите, които действат на изолацията съгласно изобретението, са перпендикулярни на уплътняващите сили в батерията от електрохимични компоненти.

Формата на основата на профила на отвора трябва обаче да допълва внимателно формата на издатината така, че да се запази формата на отвора и да се издържат силите, възникващи от контакта между двата компонента. Подобно основната маса от материала в първия компонент около отвора трябва да бъде достатъчна за тази цел, като обикновено се осигурява твърд материал около отвора, за разстояние не по-малко от дълбочината на отвора.

Установено е, че първият компонент може да включва множество отвори и вторият компонент може да включва същият брой допълнителни издатини, така че двата компонента да са изолирани и свързани заедно на повече от едно място. В даден случай първият компонент може да бъде изолиран спрямо повече от един втори компонент така, че броят на отворите в първия компонент да е равен на броя на издатините във вторите компоненти.

Множество от електрохимични компоненти може да бъде свързано заедно, за да образува субмодулна батерия, например субмодулна батерия, съдържаща 10 или повече цели клетки. В такава схема мембраните и други клетъчни компоненти не са прекалено натоварени. Такива субмодулни батерии са относително здрави, когато образуват и могат да бъдат управлявани като самостоятелна единица. Няколко субмодулни материи могат да бъдат свързани заедно, като се използват известни техники или като се използва методът от изобретението така, че да осигури желания краен модул. Например 10 субмодулни батерии могат да бъдат свързани заедно по такъв начин, че да осигурят краен модул, включващ до 100 цели клетки, или още повече субмодулни батерии могат да бъдат свързани заедно така, че да осигурят краен модул, включващ до няколко стотин цели клетки.

Методът от настоящото изобретение дава възможност да бъде произведена електрохимична или галванична клетка по относително лесен начин при спазване на необходимите максимално допустими отклонения с минимална апаратура, минимум технологични етапи и разноски. Тъй като изолацията между първия и втория компонент се получава чрез механични средства, те могат да бъдат използвани така, че заедно да се свържат компонент, които са направени от различни полимерни материали, вкл. тези, които са несъвместими спрямо техники на запояване, които предварително са били използвани в нивото на техниката. Предимство е и това, че компонентите могат да бъдат демонтирани така, че да се маркират и ремонтират дефекти, които не е необходимо непременно да бъдат свързани с изолиращите механизми, но могат да бъдат например дефекти в мембраната или електрода.

Методът от изобретението може да бъде използван, за да се свърже рамката на компонента на електрохимичната клетка към електродите даже когато материалите, от които са направени рамката и електродите, са неподходящи да бъдат запоени заедно.

Описание на приложените фигури

Фигура 1А показва схематичен разрез през профилите на първия и втория компонент, преди да бъдат пресовани заедно;

фигура 1В показва схематичен разрез през първия и втория компонент от фиг.1 А, когато са пресовани заедно;

фигура 2 показва схематичен разрез през електрохимична клетка, образувана по метода от изобретението; и фигура ЗА и ЗВ показват схематични разрези през профилите на алтернативен първи компонент и алтернативен допълнителен втори компонент, преди да бъдат пресовани заедно.

На фигури 1А и 1В първият компонент 1, образуван от деформируем термопластичен материал, като полиетилен висока плътност, има канал 2 с ширина w и височина h. Вторият компонент 3 има издатина 4. При сравнение на относителните размери на издатината 4 и отвора 2 издатината има ширина, по-голяма от w, и височина, по-малка от h.

Компонентите 1 и 3 се пресоват, като се свързват заедно с издатината 4, пресована в отвора 2, а отворът се деформира достатъчно, за да побере издатината.

Уплътнението между двете части се осигурява между вертикалните стени на отвора 2 и издатината 4, както е показано при S и S’ на фигура 1В.

На фигура 2 е показано схематично напречно сечение на батерия 5 с окислително редукционен поток. Батерията включва дванадесет батерийни биполярни електрода 6, които са снабдени на двата края на батерията със съединители 7 и 8. Биполярните електроди са отделени един от друг чрез катион обменни мембрани 9 и всички са свързани към изолиращата потока рамка 10. Всяка изолираща потока рамка 10 е свързана към следващата рамка в батерията чрез изолацията между частите, образувани, както е посочено за фиг.1 А и IB. Издатините върху рамките 10 на потока, които се разширяват непрекъснато или по същество непрекъснато около рамикте, са показани като 4. Издатините 4 се пресоват в съответните непрекъснати или по същество непрекъснати канали, обарзувани в съседната рамка на потока. Електродите 6 са уплътнени спрямо изолиращата потока рамка 10 чрез подходящи средства, които не са показани.

Два електролита А и В изпълват кухините, образувани между знакопроменящите страни на биополярния електрод 6 и мембраните 9. Средствата, разпределящи потока за електролитите А и В, не са показани.

Батерията с окислително редукционен поток има крайни плочи 11 и 12, които са профилирани така, че могат да бъдат изолирани, съответно спрямо горната част на рамката на потока, показана в батерията, и долната част на рамката на потока, показана в батерията.

Установено е, че анкерни греди и крайни плочи /не са показани/ могат също да бъдат необходими за поддържане цялостта на клетката, ако тя е вътрешно херметизирана.

На фигурите ЗА и ЗВ първи компонент 20 /показан при 10-кратно увеличение на фиг.ЗА/ е образуван от деформируем термопластичен материал, като полиетилен висока плътност. Този компонент има отвор 21, който има височина h. Стените на отвора имат незначителен наклон отвън-навътре, започващ от точка X на стената. При точката X, където вътрешната стена започва да се скъсява, отворът има ширина w от 2.614 mm и ширина w’, където скосяването на вътрешната стена се ограничава на 2.358 mm.

Вторият компонент 23 /показан при 10кратно увеличение на фиг.ЗВ/ е образуван от полиетилен. Вторият компонент има издатина с височина Н, която е по-малка от височината h на отвора 21 от фигура ЗА. В точката на разширението издатината има ширина w от 2.512 mm, която е по-голяма от ширината w’ на отвора 21.

Компонентите 20 и 23 се пресоват, като се свързват заедно с издатината 24, пресована в отвора 21, който се деформира достатъчно, за да я поеме. Както е показана на фигури ЗА и ЗВ, изолиращата площ между компонентите 20 и 23 е малко осъществима, което улеснява монтирането на компонентите и също поддържането на монтажа, като получените сили са по-малки от тези, противопоставени при чер тежи с по-голяма изолираща площ.

Патентни претенции

Claims (10)

1. Метод за производство на електрохимична или галванична клетка, включваща множество електрохимични компоненти, които електрохимични компоненти са свързани заедно в батерия, характеризиращ се с това, че включва осигуряване на първи компонент, образуван от деформируем полимерен материал с наймалко един по същество непрекъснат канал, включващ женски отвор с ширина w и дълбочина h; осигуряване на втори компонент с наймалко една по същество непрекъсната издатина с ширина w и височина h; пресоване на първия и втория компонент заедно така, че да се осигури точно запояване между издатината на втория компонент и отвора в първия компонент, като със запояването между частите се осигурява задължителното изолиране на страните с издатината от страните с отвора; и свързване на множество от първи и втори компоненти, заедно, за да се образува батерия.

2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че степента на несъответствие между ширината на отвора w на канала на първия компонент и ширината на издатината на втория компонент е такава, каквато се получава при деформацията след механично въздействие, от 0.1 до 20%.

3. Метод съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че деформацията при механичното въздействие е от 3 до 5%.

4. Метод съгласно всяка от предшестващите претенции, характеризиращ се с това, че първият компонент включва множество по същество непрекъснати канали и вторият компонент включва същия брой допълнително разположени по същество непрекъснати издатини.

5. Метод съгласно всяка от предшестващите претенции, характеризиращ се с това, че първият компонент е изработен от полиетилен, полипропилен, кополимери на полиетилена и полипропилена, ацетал, найлони, полиетилен терефталат, поливинилиден флуорид, поливинил-хлорид, политетрафлуороетален флуориран етилен-пропиленов кополимер, полифлуороамид, или хлориран полиоксиметилен.

6. Метод съгласно всяка от предшестващите претенции, характеризиращ се с това, че вторият компонент е изработен от напълнени марки материали, от които първият компонент може да бъде изработен, или от полистирен, полиметил-метакрилат, или от поликарбонат.

7. Метод съгласно всяка от предшестващите претенции, характеризиращ се с това, че множество електрохимични компоненти са свързани заедно, за да образуват субмодулна батерия.

8. Метод съгласно претенция 7, характеризиращ се с това, че множеството от субмо дулни батерии са свързани заедно по такъв начин, че да образуват модул.

9. Метод съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че включва до няколко

5 стотин цели клетки.

10. Вторична батерия, горивна клетка или електролизер, характеризиращи се с това, че са произведени по метода съгласно всяка от предшестващите претенции.