-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Bipolarplatte für eine bipolare Batterie.
-
Herkömmliche
Bleisäurebatterien werden aus monopolaren Platten aufgebaut.
Mit diesen Systemen werden Leistungsdichten von maximal 250 W/kg
erreicht.
-
Für
viele Anwendungen (beispielsweise in Hybrid-Elektrofahrzeugen) werden
jedoch höhere Leistungsdichten (von mehr als 600 W/kg)
gefordert. Diese höheren Leistungsdichten sind nur durch
einen bipolaren Batterieaufbau realisierbar.
-
Eine
Bleisäurebatterie mit einem solchen bipolaren Batterieaufbau
ist beispielsweise in der
WO 98/40920 offenbart.
-
Wesentlicher
Bestandteil einer solchen bipolaren Batterie sind Bipolarplatten,
welche elektrisch leitfähig sind und aufeinanderfolgende
permeable Separatoren, die mit Elektrolyt gefüllt sind,
voneinander trennen.
-
Für
Aufbau und Herstellung solcher Bipolarplatten sind die folgenden
Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt:
- – Die Bipolarplatte kann ein Substrat
aus einem Metall, beispielsweise Titan oder Eisen mit einer Nickelbeschichtung,
oder aus einer Metalllegierung umfassen.
- – Alternativ hierzu kann das Substrat der Bipolarplatte
auch aus einer elektrisch leitfähigen Keramik, beispielsweise
Ti4O9, bestehen.
- – Ferner kann das Substrat der Bipolarplatte aus einem
mit graphitierten Kohlefasern verstärkten Polymer bestehen.
Dieser Verbund wird durch Lösen des Polymers, Eingießen
des Polymers in die graphitierte Kohlefasermatte und anschließendes Verpressen
der getränkten Kohlefasermatten hergestellt. Auf diesen
Polymerverbund wird dann durch elektrolytische Abscheidung beidseitig
eine elektrisch leitfähige, metallhaltige Schicht, beispielsweise
eine Bleischicht, aufgebracht.
-
Bei
diesem Herstellungsverfahren für die Bipolarplatte muss
jedoch auf lösliche Polymere zurückgegriffen werden,
wodurch die Auswahl an geeigneten Kandidaten sehr eingeschränkt
ist.
-
Ferner
weisen lösliche Polymere häufig nur eine eingeschränkte
chemische Beständigkeit auf.
-
Das
Herstellverfahren unter Verwendung löslicher Polymere ist
aufgrund des Zwangs zur Verwendung von geeigneten Lösemitteln
aus Gründen des Personen- und Umweltschutzes bedenklich.
-
Ferner
hat es sich als unmöglich erwiesen, auf dem Polymerverbund
aus polymerbefüllten Kohlefasermatten durch ein elektrolytisches
Abscheideverfahren eine vollständig porenfreie Pb-Schicht
zu erzeugen. Die nach einem solchen Verfahren hergestellte Pb-Schicht
zeigt aufgrund des Vorhandenseins von Poren im Betrieb der Bipolarplatte
in der Bleisäurebatterie, insbesondere auf der Anodenseite,
eine starke Neigung zur Korrosion und/oder zum Lochfraß.
-
Da
elektrolytische Abscheideverfahren auf der Basis von Nernst-Potentialen
entsprechend der elektrochemischen Spannungsreihe ablaufen, ist eine
gezielte Legierung der Pb-Schicht nach Art und Gehalt mit weiteren
Metallen nur eingeschränkt oder gar nicht möglich.
Ferner weisen elektrolytisch abgeschiedene Bleischichten typischerweise
eine sehr rauhe Oberfläche auf.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine bipolare Batterie
zu schaffen, welches auch in der Großserie zuverlässig
und einfach durchführbar ist und verlässlich funktionierende
Bipolarplatten liefert.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine bipolare Batterie
gelöst, das folgende Verfahrensschritte umfasst:
- – Herstellen eines Thermoplast-Compounds,
das mindestens ein Thermoplast-Material und mindestens einen elektrisch
leitfähigen Füllstoff enthält;
- – Herstellen einer Folie aus dem Thermoplast-Compound;
- – Versehen der Folie aus dem Thermoplast-Compound mit
mindestens einer metallhaltigen Schicht.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil,
dass es ohne Verwendung von Lösemitteln in trockener Verarbeitung
durchführbar ist und in einfacher Weise zu elektrisch gut
leitfähigen Bipolarplatten mit günstigen Oberflächeneigenschaften
führt.
-
Die
auf diese Weise hergestellte Bipolarplatte kann durch Integration
mit einem Gitter auf der Positivseite (im Folgenden als ”positives
Gitter” bezeichnet) und einem Gitter auf der Negativseite
(im Folgenden als ”negatives Gitter” bezeichnet)
zu einer Bipolarzelle weiterverarbeitet werden.
-
Die
metallhaltige Schicht ist vorzugsweise vollständig aus
metallischem Material gebildet.
-
Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass das Thermoplast-Material ein Fluorthermoplast-Material enthält.
-
Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass das Thermoplast-Material vollständig
aus einem oder mehreren Fluorthermoplast-Materialien besteht.
-
Geeignete
Fluorthermoplast-Materialien sind insbesondere PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer),
MFA (Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether), FEP (Fluorethylenpropylen),
ETFE (Ethylentetrafluorethylen), ECTFE (Ethylen-Chlortrifluorethylen),
HTE (Terpolymer, hergestellt aus den Monomeren Hexafluorpropylen,
Tetrafluorethylen und Ethylen), THV (Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinyliden-Fluorid), PVDF
(Polyvinylidenfluorid) und/oder PFV (Polyvinylfluorid).
-
Alternativ
oder ergänzend hierzu kann als Fluorthermoplast-Material
auch ein schmelzverarbeitbares Tetrafluorethylen-Copolymer verwendet werden;
solche schmelzverarbeitbaren Tetrafluorethylen-Copolymere sind insbesondere
in der
WO 00/08071
A2 und in der
WO
01/60911 A1 beschrieben, auf welche insoweit ausdrücklich
Bezug genommen und welche insoweit zum Bestandteil dieser Beschreibung
gemacht werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass das Thermoplast-Compound durch Trockenmischen mindestens
eines Thermoplast-Pulvers und mindestens eines pulverförmigen
elektrisch leitfähigen Füllstoffs hergestellt
wird. Hierdurch kann in einfacher Weise ein hoher Gewichtsanteil
des elektrisch leitfähigen Füllstoffs eingestellt
und somit eine gute elektrische Leitfähigkeit der hergestellten
Bipolarplatte erzielt werden.
-
Für
eine gute elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatte ist
es günstig, wenn der Anteil des elektrisch leitfähigen
Füllstoffs an dem Thermoplast-Compound mindestens ungefähr
3 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent,
insbesondere mindestens ungefähr 15 Gewichtsprozent, beträgt.
-
Andererseits
ist es für die mechanische Stabilität der Bipolarplatte
günstig, wenn der Anteil des elektrisch leitfähigen
Füllstoffs an dem Thermoplast-Compound höchstens
ungefähr 40 Gewichtsprozent, vorzugsweise höchstens
ungefähr 30 Gewichtsprozent, beträgt.
-
Der
elektrisch leitfähige Füllstoff kann insbesondere
ein Leitpigment, Ruß, Kohlenstoff-Grieß und/oder
Graphit enthalten.
-
Aus
dem Thermoplast-Compound kann eine Folie beispielsweise nach dem
Schmelzextrusionsverfahren hergestellt werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist jedoch vorgesehen, dass das Herstellen einer Folie
aus dem Thermoplast-Compound Folgendes umfasst:
- – Herstellen
eines Blockes aus dem Thermoplast-Compound;
- – Abschälen der Folie aus dem Thermoplast-Compound
von dem Block.
-
Die
Folie aus dem Thermoplast-Compound wird also durch ein Schälverfahren
aus einem Block des Thermoplast-Compounds hergestellt.
-
Dieser
Block wird vorzugsweise durch ein Heißpressverfahren (Hot-Compression-Moulding-Verfahren)
aus dem Thermoplast-Compound hergestellt.
-
Das
Verfahren der Trockenmischung von Thermoplast und elektrisch leitfähigem
Füllstoff mit nachgeschalteter Herstellung einer Folie
aus dem Thermoplast-Compound mittels eines Heißpressverfahrens
und eines anschließenden Schälverfahrens erlaubt
die Herstellung sehr hoch gefüllter Thermoplast-Compound-Folien,
welche auch ohne zusätzliche Maßnahmen (insbesondere
ohne zusätzliche Verwendung eines Kohlenstofffaser-Vlieses)
eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
-
Bei
dem Heißpressverfahren zur Herstellung des Blockes aus
dem Thermoplast-Compound kann vorgesehen sein, dass das Thermoplast-Compound in
einer Pressform vorgepresst und dann, vorzugsweise auf eine Temperatur
oberhalb der Schmelztemperatur des Thermoplast-Materials, erwärmt
wird.
-
Dabei
hat es sich als günstig erwiesen, wenn während
des Erwärmens kein Druck auf das Thermoplast-Compound ausgeübt
wird.
-
Ferner
kann vorgesehen sein, dass das Thermoplast-Compound nach dem Erwärmen
erneut unter Druck gesetzt wird und unter Druck abkühlt.
-
Dabei
ist vorzugsweise der Druck, unter dem der Formkörper aus
dem Thermoplast-Compound abkühlt, größer
als der Druck, mit dem das Thermoplast-Compound vor dem Erwärmen
vorgepresst wird.
-
Der
aus dem Thermoplast-Compound hergestellte Block weist vorzugsweise
im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt auf, was insbesondere für die
Herstellung einer Folie durch Abschälen aus dem Block von
Vorteil ist, da das Abschälen einfach durch Zustellen eines
Schälmessers gegen den Umfang des sich drehenden hohlzylindrischen
Blocks erfolgen kann.
-
Die
Bipolarplatte erhält eine metallische Schicht mit einer
besonders hohen elektrochemischen Beständigkeit, wenn die
Folie aus dem Thermoplast-Compound mit einer metallhaltigen Folie, insbesondere
mit einer bleihaltigen Folie, laminiert wird.
-
Die
auflaminierte metallhaltige Folie weist eine deutlich geringere
Rauhigkeit der Oberfläche auf als eine nach einem elektrolytischen
Abscheideverfahren erzeugte metallische Schicht. Ferner weist die
auflaminierte Folie im Gegensatz zu einer nach dem elektrolytischen
Abscheideverfahren erzeugten metallischen Schicht keine Poren auf.
-
Die
metallhaltige Folie ist vorzugsweise vollständig aus metallischem
Material, vorzugsweise aus Blei oder einer Bleilegierung, gebildet.
-
Bei
einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Folie aus dem Thermoplast-Compound beidseitig
mit jeweils einer metallhaltigen Folie laminiert wird.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für
eine bipolare Batterie.
-
Der
Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte
für eine bipolare Batterie zu schaffen, die auch in der
Großserie zuverlässig und einfach herstellbar
ist und im Betrieb der bipolaren Batterie verlässlich funktioniert.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bipolarplatte
für eine bipolare Batterie gelöst, welche
- – mindestens eine Folie aus einem
Thermoplast-Compound, das mindestens ein Thermoplast-Material und
mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff
enthält; und
- – mindestens eine Schicht aus einem metallhaltigen
Material
umfasst.
-
Diese
Bipolarplatte wird vorzugsweise durch ein Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 14 hergestellt.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden trockengemischte
Fluorthermoplast-Compounds verwendet, um daraus nach dem Hot-Compression-Moulding-Verfahren
hohlzylindrische Formkörper herzustellen, aus denen mittels
eines Schälverfahrens hochgefüllte, elektrisch
leitfähige Thermoplast-Compound-Folien hergestellt werden,
welche dann mit mindestens einer metallhaltigen Schicht verbunden
werden, um eine Bipolarplatte zu erzeugen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Bipolarplatte ist besonders umweltfreundlich und sorgt für
eine besonders hohe chemische Beständigkeit der metallhaltigen
Schicht an der Folie aus dem Thermoplast-Compound, welche als Substrat
der Bipolarplatte oder als ein Bestandteil des Substrats der Bipolarplatte
dient.
-
Die
metallhaltige Schicht der erfindungsgemäß hergestellten
Bipolarplatte weist insbesondere auf der Anodenseite eine besonders
hohe chemische Beständigkeit und somit eine lange Lebensdauer
auf.
-
Die
erfindungsgemäß hergestellte Bipolarplatte eignet
sich insbesondere zur Verwendung in einer bipolaren Bleisäurebatterie.
-
Der
bipolare Aufbau einer Bipolar-Bleisäurebatterie verringert
den Bedarf an Blei bei gleicher Leistung und führt somit
zu einem besonders umweltfreundlichen Endprodukt.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
-
In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
in Längsrichtung geschnittene schematische Explosionsdarstellung
einer Bipolar-Bleisäurebatterie mit einer negativen Endplatte, einer
positiven Endplatte und einer Bipolarplatte, welche zusammen zwei
2-Volt-Einheiten bilden;
-
2 einen
schematischen Längsschnitt durch eine Bipolar-Bleisäurebatterie
mit einer negativen Endplatte, einer positiven Endplatte und zwei
Bipolarplatten, welche zusammen drei 2-Volt-Einheiten bilden;
-
3 eine
vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 2;
-
4 eine
schematische Draufsicht auf ein Gitter einer Bipolarzelle einer
Bipolar-Bleisäurebatterie;
-
5 einen
schematischen Längsschnitt durch das Gitter aus 4,
längs der Linie 5-5 in 4;
-
6 eine
schematische Draufsicht auf einen Abstandshalter (Spacer) einer
2-Volt-Einheit einer Bipolar-Bleisäurebatterie;
-
7 einen
schematischen Längsschnitt durch den Abstandshalter (Spacer)
aus 6, längs der Linie 7-7 in 6;
-
8 eine
schematische Darstellung einer Verpressung eines Thermoplast-Compounds
zu einem hohlzylindrischen Formkörper, vor einer Erwärmung
des Formkörpers;
-
9 eine
schematische Darstellung einer Erwärmung des Thermoplast-Compound-Formkörpers
aus 8 in einem Sinterofen;
-
10 eine
schematische Darstellung einer weiteren Verpressung des Thermoplast-Compound-Formkörpers
aus den 8 und 9 nach der
Entnahme aus dem Sinterofen;
-
11 eine
schematische Darstellung eines Laminiervorgangs zur Herstellung
einer Bipolarplatte aus einem Kohlenstofffaser-Vlies, zwei Thermoplast-Compound-Folien
und zwei Blei/Zinn-Folien; und
-
12 eine
schematische Darstellung eines Laminiervorgangs zur Herstellung
einer Bipolarzelle aus einer Bipolarplatte sowie einem positiven
Gitter und einem negativen Gitter.
-
Gleiche
oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
-
Eine
in 1 schematisch dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete
Bipolar-Bleisäurebatterie umfasst eine negative Endzelle 102,
eine positive Endzelle 104, eine zwischen der negativen
Endzelle 102 und der positiven Endzelle 104 angeordnete
Bipolarzelle 106 sowie zwei jeweils zwischen der Bipolarzelle 106 und
der negativen Endzelle 102 bzw. der positiven Endzelle 104 angeordnete
Abstandshalter (im Englischen als ”spacer” bezeichnet) 108.
-
Jeder
der Abstandshalter 108 ist im Wesentlichen rechteckig und
rahmenförmig ausgebildet (siehe 6 und 7)
und umgibt eine im Wesentlichen rechteckige, mittige Durchtrittsöffnung 110,
in welcher im Betriebszustand der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 jeweils
ein Separator in Form einer (in den Figuren nicht dargestellten)
Glasfasermatte aufgenommen ist, welche mit einem Elektrolyten, beispielsweise
mit Schwefelsäure, getränkt ist.
-
Die
negative Endzelle 102 umfasst eine außenseitig
angeordnete Endplatte 112 (beispielsweise aus Aluminium),
eine negative Platte 114 und ein negatives Gitter (im Englischen ”grid” genannt) 116, welches
dem Abstandshalter 108 und der Bipolarzelle 106 zugewandt
ist.
-
Die
positive Endzelle 104 umfasst eine außenseitig
angeordnete Endplatte 112 (beispielsweise aus Aluminium),
eine positive Platte 118 und ein positives Gitter (im Englischen ”grid” genannt) 120,
welches dem Abstandshalter 108 und der Bipolarzelle 106 zugewandt
ist.
-
Die
Bipolarzelle 106 umfasst eine mittig angeordnete Bipolarplatte 122,
ein der negativen Endzelle 102 zugewandtes positives Gitter 120 und
ein der positiven Endzelle 104 zugewandtes negatives Gitter 116.
-
Wie
aus 4 zu ersehen ist, welche schematisch ein negatives
Gitter (Gitter für die Negativseite) 116 oder
ein im Wesentlichen dieselbe Form aufweisendes positives Gitter
(Gitter für die Positivseite) 118 zeigt, ist jedes
dieser Gitter mit einer Vielzahl von ungefähr quadratischen
Durchtrittsöffnungen 124 versehen, welche im Betrieb
der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 mit einer negativen
bzw. einer positiven Paste gefüllt sind.
-
Die
negative Paste, mit welcher das negative Gitter 116 befüllt
ist, enthält insbesondere Blei.
-
Die
positive Paste, mit welcher das positive Gitter 120 befüllt
ist, enthält insbesondere Bleioxid.
-
Jeweils
ein mit negativer Paste befülltes negatives Gitter 116,
ein Abstandshalter 108 mit dem darin aufgenommenen Separator
in Form einer elektrolytgetränkten Glasfasermatte und ein
mit positiver Paste befülltes positives Gitter 120 bilden
zusammen eine elektrochemische 2-Volt-Zelle 126.
-
Die
in 1 dargestellte Bipolar-Bleisäurebatterie 100 umfasst
somit zwei elektrochemische 2-Volt-Zellen und weist somit eine Nennspannung von
insgesamt 4 Volt auf.
-
Im
Gegensatz hierzu umfasst die in den 2 und 3 dargestellte
alternative Ausführungsform einer Bipolar-Bleisäurebatterie 100 drei elektrochemische
2-Volt-Zellen 126 und weist somit eine Nennspannung von
insgesamt 6 Volt auf.
-
Für
jede zusätzliche elektrochemische 2-Volt-Zelle 126 wird
der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 eine zusätzliche
Bipolarzelle 106 und ein zusätzlicher Abstandshalter 108 mit
Separator zwischen der negativen Endzelle 102 und der positiven
Endzelle 104 hinzugefügt.
-
Wie
aus 1 zu ersehen ist, ist zur Abdichtung des Elektrolytraums
zwischen jedem Abstandshalter 108 und dem jeweils benachbarten
negativen Gitter 116 oder positiven Gitter 120 jeweils
ein ringförmig umlaufendes Dichtelement 128 vorgesehen.
-
Jedes
dieser Dichtelemente 128 kann beispielsweise aus einem
Fluorelastomer, insbesondere aus Viton, gebildet sein.
-
Zur
Aufnahme eines solchen Dichtelements 128 weist jedes negative
Gitter 116 und jedes positive Gitter 120 auf seiner
dem jeweils benachbarten Abstandshalter 108 zugewandten
Stirnseite 130 eine ringförmig um die Durchtrittsöffnungen 124 des
jeweiligen Gitters umlaufende Ringnut 132 auf (siehe die 4 und 5).
-
Jede
Bipolarplatte 122 umfasst ein Substrat 134, welches
beidseits mit jeweils einer metallhaltigen Folie 136 laminiert
ist (siehe 11).
-
Das
Substrat 134 der Bipolarplatte 122 kann, wie in 11 schematisch
dargestellt, ein mittig angeordnetes Kohlenstofffaser-Vlies 138 und
zwei beidseitig auf das Kohlenstofffaser-Vlies 138 auflaminierte
elektrisch leitfähige Thermoplast-Compound-Folien 140 umfassen.
-
Alternativ
hierzu kann das Substrat 134 auch aus einer einzigen, elektrisch
leitfähigen Thermoplast-Compound-Folie 140 gebildet
sein.
-
Zur
Herstellung der elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound-Folie 140 wird
wie folgt vorgegangen:
Ein Pulver eines Thermoplast-Materials
mit einer mittleren Partikelgröße von beispielsweise
ungefähr 5 μm bis ungefähr 500 μm
wird mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff,
beispielsweise einem Leitpigment in Form von Ruß (”carbon
black”), mit einer mittleren Primärteilchengröße
von beispielsweise ungefähr 1 nm bis ungefähr
100 nm im Trockenverfahren gemischt, um ein Thermoplast-Compound
zu erhalten.
-
Dabei
beträgt der Anteil des elektrisch leitfähigen
Füllstoffs an dem Thermoplast-Compound vorzugsweise ungefähr
5 Gewichtsprozent bis ungefähr 30 Gewichtsprozent.
-
Anstelle
von Ruß kann beispielsweise auch Kohlenstoff-Grieß aus
Elektrographit verwendet werden, beispielsweise Kohlenstoff-Grieß mit
der Bezeichnung EG 31, der von der Firma SGL Carbon AG, Wiesbaden,
Deutschland, vertrieben wird.
-
Als
Thermoplast-Material wird vorzugsweise ein Fluorthermoplast-Material
verwendet.
-
Geeignete
Fluorthermoplast-Materialien sind beispielsweise PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer), MFA
(Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether), FEP (Fluorethylenpropylen),
ETFE (Ethylentetrafluorethylen), ECTFE (Ethylen-Chlortrifluorethylen), HTE
(Terpolymer, hergestellt aus den Monomeren Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen
und Ethylen), THV (Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinyliden-Fluorid),
PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PR! (Polyvinylfluorid).
-
Alternativ
oder ergänzend hierzu kann als Fluorthermoplast-Material
auch ein schmelzverarbeitbares Tetrafluorethylen-Copolymer verwendet werden;
solche schmelzverarbeitbaren Tetrafluorethylen-Copolymere sind insbesondere
in der
WO 00/08071
A2 und in der
WO
01/60911 A1 beschrieben.
-
Anstelle
der genannten Fluorthermoplast-Materialien können auch
nicht-fluorierte Thermoplaste, beispielsweise Polypropylen, eingesetzt werden.
-
Das
Thermoplast-Material und der elektrisch leitfähige Füllstoff
werden in einem Heißpressverfahren (”Hot-Compression-Moulding”-Verfahren)
zu einem festen Verbund zwischen einer Polymermatrix und dem Füllstoff
verschmolzen.
-
Insbesondere
kann aus dem durch Vermischen des Thermoplast-Materials und des
elektrisch leitfähigen Füllstoffs hergestellten
Thermoplast-Compound durch das Heißpressverfahren ein Block
gefertigt werden, aus dem dann durch Abschälen Folien aus
dem Thermoplast-Compound hergestellt werden.
-
Der
Block aus dem Thermoplast-Compound kann insbesondere in Form eines
Hohlzylinders gefertigt werden.
-
Typische
Stärken der durch Abschälen aus dem Block hergestellten
Folien betragen von ungefähr 0,05 mm bis ungefähr
0,5 mm.
-
Alternativ
hierzu kann eine Folie aus dem Thermoplast-Compound auch nach dem
Schmelzextrusionsverfahren hergestellt werden.
-
Für
die Herstellung der Mischung aus einem Thermoplast-Material und
einem elektrisch leitfähigen Füllstoff werden
ein Pulver des Thermoplast-Materials und ein Pulver des elektrisch
leitfähigen Füllstoffs in einen handelsüblichen
Taumelmischer eingebracht und durch Drehen des Mischgefäßes über einen
Zeitraum von mindestens einer Stunde mit einer Drehgeschwindigkeit
im Bereich von ungefähr 60 U/min bis ungefähr
120 U/min durchmischt, wobei vorzugsweise jede Minute die Drehrichtung
gewechselt wird.
-
Das
durch diese Durchmischung aus den Komponenten hergestellte Thermoplast-Compound 142 wird
in eine in 8 schematisch dargestellte, im
Wesentlichen hohlzylindrische Pressform 144 eingebracht,
welche an ihrem unteren Ende durch eine Stirnwand 146 verschlossen
ist, die einen längs der Längsachse der Pressform 144 verlaufenden
mittigen Dorn 148 trägt.
-
Zwischen
dem Dorn 148 und der zylindrischen Außenwand 150 der
Pressform 144 ist ein Pressstempel 152 längs
der Längsachse 154 der Pressform 144 verschieblich
geführt.
-
Mittels
des Pressstempels 152 wird das pulverförmige Thermoplast-Compound 142 zunächst bei
einem Stempeldruck P1 von mindestens ungefähr 30 bar über
einen Zeitraum von mindestens ungefähr drei Minuten vorgepresst
(siehe 8).
-
Danach
wird die Pressform 144 mit der darin enthaltenen vorgepressten
Mischung aus Thermoplast-Material und Füllstoff in einen
in 9 schematisch dargestellten Sinterofen 156 überführt.
-
In
dem Sinterofen 156 wird die Temperatur T während
eines Zeitraums von beispielsweise ungefähr zwei Stunden
auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 250°C,
vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
des im Thermoplast-Compound enthaltenen Thermoplast-Materials, erhöht
und dann über einen Haltezeitraum von mindestens ungefähr
weiteren 60 Stunden beibehalten.
-
Während
der Verweildauer im Sinterofen 156 wird kein Druck auf
die Polymermasse ausgeübt.
-
Nach
dieser Wärmebehandlung wird die heiße Pressform 144 aus
dem Sinterofen 156 entnommen und erneut in eine Presse überführt
(siehe 10).
-
Unter
Aufbringen eines konstanten Pressdrucks P2 von mindestens ungefähr
50 bar kühlt dann die Pressform 144 mit der Polymermasse
innerhalb von beispielsweise ungefähr sechs Stunden auf eine
Außentemperatur von höchstens ungefähr
80°C ab.
-
Nach
dem vollständigen Erkalten wird das zu einem Verbund verschmolzene
Thermoplast-Compound 142 aus der Pressform 144 herausgedrückt und
so ein hohlzylindrischer Formkörper 158 erhalten.
-
Der
hohlzylindrische Formkörper 158 wird auf einen
profilierten Dorn aufgeschoben und in eine herkömmliche
Schälmaschine, wie sie beispielsweise von der Firma KELLER
HCW GmbH, Ibbenbühren-Laggenbeck, Deutschland, vertrieben
wird, eingespannt.
-
Die
für das Drehen des hohlzylindrischen Formkörpers 158 erforderliche
Kraftübertragung erfolgt dabei mittels der Profilierung
auf der Dornoberfläche vom sich drehenden Dorn auf den
Formkörper 158.
-
Durch
kontinuierliches Heranfahren eines Schälmessers an den
sich drehenden Dorn mit dem drehfest an dem Dorn angeordneten hohlzylindrischen
Formkörper 158 wird eine elektrisch leitfähige Thermoplast-Compound-Folie 140 vom
Außenumfang des Formkörpers 158 abgeschält.
-
Ausführungsbeispiel 1 für
die Herstellung einer Folie aus ETFE mit einem Anteil von 20 Gewichtsprozent Ruß mittels
Heißverpressung:
-
In
einen handelsüblichen Taumelmischer, der mit einem 50 Liter
fassenden Mischgefäß bestückt ist, wird
folgendes eingebracht:
- – 20 kg Fluon
ETFE Z8820X, ein fein gemahlenes Pulver eines Fluorthermoplasten
(Ethylentetrafluorethylen) mit einem Schmelzpunkt im Bereich von
ungefähr 260°C bis ungefähr 280°C
und einer typischen Partikelgrößenverteilung,
die durch folgende Werte gekennzeichnet ist:
x10 = 11 μm;
x50
= 36 μm;
x90 = 68 μm;
wobei x10 den
Partikeldurchmesser angibt, welcher von einem Anteil von 10 Gewichtsprozent der
Partikel unterschritten wird; wobei x50 den Partikeldurchmesser
angibt, welcher von einem Anteil von 50 Gewichtsprozent der Partikel
unterschritten wird; und wobei x90 den Partikeldurchmesser angibt,
der von einem Anteil von 90 Gewichtsprozent der Partikel unterschritten
wird. Der Fluorthermoplast Fluon ETFE Z8820X wird beispielsweise
von der Firma Asahi Glass Chemicals, Hillhouse, Großbritannien,
vertrieben.
- – 5 kg Printex L 6, ein amorpher Kohlenstoff-Ruß, der
von der Firma EVONIK Industries AG, Essen, Deutschland, vertrieben
wird.
-
Die
Durchmischung der Komponenten ETFE und Ruß erfolgt durch
Drehen des Mischgefäßes über einen Zeitraum
von 90 Minuten mit einer unteren Drehgeschwindigkeit von 75 U/min
und einer oberen Drehgeschwindigkeit von 90 U/min, wobei jede Minute
die Drehrichtung gewechselt wird.
-
Das
durch diese Durchmischung hergestellte Thermoplast-Compound wird
in eine Pressform 144 mit den folgenden Abmessungen eingefüllt:
Innendurchmesser
der zylindrischen Außenwand 150: 250 mm; Außendurchmesser
des Dorns 148: 150 mm.
-
In
diese Pressform 144 werden 30 kg der Mischung aus ETFE
und 20 Gewichtsprozent Ruß eingebracht und zunächst
mit einem Stempeldruck P1 von 38 bar über einen Zeitraum
von 5 Minuten vorgepresst.
-
Danach
wird die Pressform mit der darin enthaltenen vorgepressten Mischung
aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Ruß in einen Sinterofen 156 überführt.
In dem Sinterofen 156 wird die Temperatur T während
eines Zeitraums von zwei Stunden auf 290°C erhöht
und dann über einen Zeitraum von weiteren 72 Stunden beibehalten.
Während der Verweildauer im Sinterofen 156 wird
kein Druck auf die Polymermasse ausgeübt.
-
Danach
wird die heiße Pressform 144 aus dem Sinterofen 156 entnommen
und erneut in eine Presse überführt. Unter Aufbringen
eines konstanten Druckes P2 von 65 bar kühlt dann die Pressform 144 mit
der Polymermasse innerhalb von 6 Stunden auf eine Außentemperatur
von 60°C bis 70°C ab.
-
Nach
dem vollständigen Erkalten wird die Polymermasse aus der
Pressform 144 ausgedrückt und so ein hohlzylindrischer
Formkörper 158 erhalten.
-
Der
hohlzylindrische Formkörper 158 aus ETFE und 20
Gewichtsprozent Ruß wird auf einen profilierten Dorn aufgeschoben
und in eine Schälmaschine der Firma KELLER eingespannt.
Durch Drehen des profilierten Dorns und des drehfest damit verbundenen
hohlzylindrischen Formkörpers 158 sowie kontinuierliches
Heranfahren eines Schälmessers an den hohlzylindrischen
Formkörper 158 wird eine Thermoplast-Compound-Folie 140 vom
Außenumfang des hohlzylindrischen Formkörpers 158 abgeschält.
-
Dabei
beträgt die Schälgeschwindigkeit für die
Folienherstellung ungefähr 11 m/min.
-
Die
Foliendicke für die Herstellung der Folie 140 aus
ETFE und 20 Gewichtsprozent Ruß beträgt ungefähr
100 μm.
-
(Ende des Ausführungsbeispiels
1)
-
Zur
Herstellung einer Bipolarplatte 122 unter Verwendung der
in der vorstehend erläuterten Weise hergestellten elektrisch
leitfähigen Thermoplast-Compound-Folie 140 wird
wie folgt vorgegangen:
In eine beheizbare Laminatpresse 166 wird
der folgende Schichtaufbau eingebracht (siehe 11):
- – eine metallhaltige Folie 136;
- – eine elektrisch leitfähige Thermoplast-Compound-Folie 140;
- – ein Kohlenstofffaser-Vlies 138;
- – eine elektrisch leitfähige Thermoplast-Compound-Folie 140;
- – eine metallhaltige Folie 136.
-
Zum
Schutz der metallhaltigen Folien 136 an den Außenseiten
der herzustellenden Bipolarplatte 122 vor einer Beschädigung
während des Laminierprozesses wird ferner jeweils eine
Schutzfolie 160 zwischen den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau
und eine obere Pressplatte 162 und eine untere Pressplatte 164 der
beheizbaren Laminatpresse 166 eingebracht.
-
Diese
Schutzfolie 160 kann beispielsweise aus einem Fluorpolymermaterial,
insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE), bestehen.
-
Die
beheizbare Laminatpresse 166 wird auf einen Enddruck von
beispielsweise höchstens ungefähr 10 mbar evakuiert.
-
Anschließend
wird ein Startdruck P mittels der Pressplatten 162 und 164 auf
die miteinander zu laminierenden Schichten der Bipolarplatte 122 aufgebracht.
-
Dann
wird die Temperatur der zu laminierenden Schichten (mittels eines
heißen Öls, welches die Pressplatten 162 und 164 durchströmt)
von Raumtemperatur auf eine Temperatur von beispielsweise mindestens
250°C erhöht.
-
Bei
dieser erhöhten Temperatur wird der Startdruck über
eine Zeit von beispielsweise mindestens 5 Minuten gehaltne.
-
Anschließend
wird der Anpressdruck vom Startdruck auf einen Enddruck P' von beispielsweise mindestens
200 N/cm2 erhöht.
-
Der
erhöhte Druck wird bei der erhöhten Temperatur
während einer Druckhaltezeit von beispielsweise mindestens
5 Minuten gehalten.
-
Anschließend
wird die Temperatur auf beispielsweise höchstens 100°C
während einer Abkühlzeit von beispielsweise ungefähr
1,5 Stunden unter Beibehaltung des erhöhten Anpressdruckes
von beispielsweise mindestes 200 N/cm2 abgesenkt.
-
Nach
Erreichen der gewünschten Abkühltemperatur von
beispielsweise 100°C wird der Anpressdruck auf null abgesenkt,
die Laminatpresse 166 belüftet und das aus dem
Kohlenstofffaser-Vlies 138, den elektrisch leitfähigen
Thermoplast-Compound-Folien 140 und den metallhaltigen
Folien 136 gebildete Laminat entnommen, welches die Bipolarplatte 122 bildet.
-
Die
Schutzfolien 160 verbinden sich hingegen nicht mit den
metallhaltigen Folien 136 und bleiben daher in der Laminatpresse 166 zurück.
-
Durch
das Evakuieren der Laminatpresse 166 vor dem Beaufschlagen
des Schichtenstapels mit dem Startdruck werden Lufteinschlüsse
in dem Schichtenstapel vermieden, so dass eine haltbare Laminierung
im Wesentlichen vollständig ebener Schichten erzielt wird.
-
Ausführungsbeispiel 2 für
die Herstellung einer laminierten Bipolarplatte aus einem Kohlenstofffaser-Vlies,
zwei Folien aus ETFE mit 20 Gewichtsprozent Ruß und zwei
Blei/Zinn-Folien durch Laminieren:
-
In
eine beheizbare Laminatpresse vom Typ LAM V 280 wird der folgende
Schichtaufbau eingebracht:
- – eine
Pb-Sn-Folie 136 mit einer Stärke von 76 μm;
- – eine Folie aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Ruß mit
einer Stärke von 100 μm;
- – ein Kohlenstofffaser-Vlies vom Typ SIGRATEX SPC 7011/100
des Herstellers SGL Carbon AG, Wiesbaden, Deutschland, mit einer
spezifischen Flächendichte von 30 g/m2;
- – eine Folie aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Ruß mit
einer Stärke von 100 μm;
- – eine Pb-Sn-Folie 136 mit einer Stärke
von 76 μm.
-
Die
vorstehend genannten Folien weisen eine Länge von beispielsweise
ungefähr 1.200 mm und eine Breite von beispielsweise ungefähr
330 mm auf.
-
Zum
Schutz der Oberfläche der Pb-Sn-Folien vor Beschädigung
während des Laminierprozesses wird zwischen diese Folien
und die Pressplatten 162, 164 der Laminatpresse 166 beidseitig
jeweils eine Folie aus PTFE mit einer Stärke von 100 μm
eingelegt.
-
Anschließend
wird ein Laminierprozess mit den folgenden Einzelschritten durchgeführt:
- – Evakuierung der beheizbaren Laminatpresse 166 während
einer Minute auf einen Enddruck von 5 mbar;
- – Aufbringen eines Startdruckes von 50 N/cm2;
- – Erhöhung der Temperatur der zu laminierenden Schichten
von Raumtemperatur auf 300°C während eines Erwärmungszeitraumes
von zwei Stunden;
- – Halten des Startdruckes von 50 N/cm2 bei
einer Temperatur von 300°C während einer Druckhaltezeit
von 10 Minuten;
- – Erhöhung des Anpressdruckes von dem Startdruck
von 50 N/cm2 auf einen Enddruck von 250 N/cm2;
- – Halten des erhöhten Anpressdruckes von 250 N/cm2 bei einer Temperatur von 300°C
während einer Druckhaltezeit von 10 Minuten;
- – Absenkung der Temperatur der zu laminierenden Schichten
von 300°C auf 90°C während einer Abkühlzeit
von 1,5 Stunden unter Beibehaltung eines Anpressdruckes von 250
N/cm2;
- – Absenken des Anpressdrucks auf null nach dem Erreichen
einer Temperatur von 90°C;
- – Belüften der beheizbaren Laminatpresse 166;
- – Entnehmen der Bipolarplatte 122 als Laminat aus
dem Kohlenstofffaser-Vlies 138, den elektrisch leitfähigen
ETFE-Folien mit 20 Gewichtsprozent Ruß 140 und
den metallhaltigen Pb-Sn-Folien 136.
-
(Ende des Ausführungsbeispiels
2)
-
Durch
die Verstärkung der elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound-Folien 140 mit
dem Kohlenstofffaser-Vlies 138 ergibt sich eine weitere Erhöhung
der Leitfähigkeit der Bipolarplatte 122.
-
Das
vorstehend beschriebene Verfahren der Trockenmischung von Thermoplast-Material
und elektrisch leitfähigem Füllstoff, insbesondere
Ruß, unter nachgeschalteter Herstellung der Thermoplast-Compound-Folie 140 mittels
eines Schälverfahrens erlaubt jedoch die Herstellung dermaßen
hochgefüllter Thermoplast-Compound-Folien 140,
dass auf die Verwendung eines Kohlenstofffaser-Vlieses 138 zur
Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des Substrates 134 der
Bipolarplatte 122 verzichtet werden kann.
-
In
diesem Fall werden die beiden elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound-Folien 140 und das
Kohlenstofffaser-Vlies 138 der in 1 schematisch
dargestellten Ausführungsform eines Substrates 134 durch
eine einzige elektrisch leitfähige Thermoplast-Compound-Folie 140 ersetzt.
-
Abgesehen
von dieser Ersetzung wird das Laminierverfahren zur Herstellung
der Bipolarplatte 122 ohne das Kohlenstofffaser-Vlies 138 genauso durchgeführt,
wie dies vorstehend im Zusammenhang mit einem Kohlenstofffaser-Vlies-haltigen
Substrat 134 beschrieben worden ist.
-
Insbesondere
kann ein mehrteiliges Substrat 134 aus zwei ETFE-Folien
mit 20 Gewichtsprozent Ruß mit einer Stärke von
jeweils 100 μm und einem Kohlenstofffaser-Vlies mit einer
spezifischen Flächendichte von 30 g/m2 durch
eine einzige ETFE-Folie mit 20 Gewichtsprozent Ruß mit
einer Stärke von 100 μm bis 200 μm, vorzugsweise
mit einer Stärke von 100 μm bis 150 μm,
ersetzt werden.
-
Wie
vorstehend ausgeführt, erfolgt das Aufbringen der Pb-Schicht
auf beiden Seiten der Bipolarplatte 122 unter Verwendung
einer Pb-Folie nach dem Laminierverfahren.
-
Dabei
enthält die Legierung der Pb-Folie zur Stabilisierung gegen
Oxidation einen geringen Anteil an Zinn (Sn), beispielsweise einen
Anteil von bis zu maximal ungefähr 5 Gewichtsprozent Sn.
-
Zur
Herstellung einer integrierten Bipolarzelle 106 aus einer
in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Bipolarplatte 122 und
einem negativen Gitter 116 sowie einem positiven Gitter 120 wird
wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden ein negatives
Gitter 116 und ein positives Gitter 120 jeweils
durch zerspanende Bearbeitung einer Thermoplast-Compound-Folie hergestellt.
-
Diese
Thermoplast-Compound-Folie, welche keine elektrische Leitfähigkeit
aufweisen muss, kann in derselben Weise hergestellt werden, wie
dies vorstehend für die elektrisch leitfähigen
Thermoplast-Compound-Folien 140 der Bipolarplatte 122 beschrieben
worden ist, jedoch vorzugsweise unter Ersetzung des elektrisch leitfähigen
Füllstoffs durch einen nicht elektrisch leitfähigen
Füllstoff.
-
Als
Füllstoff für die Thermoplast-Compound-Folien,
aus denen die Gitter 116 und 120 hergestellt werden,
können insbesondere Glasfasern, vorzugsweise Kurzglasfasern
vom Typ E-Glas, verwendet werden.
-
Alternativ
hierzu können das negative Gitter 116 und das
positive Gitter 120 auch durch zerspanende Bearbeitung
einer Folie aus ungefülltem Thermoplast-Material hergestellt
werden.
-
Die
Gitter 116 und 120 können aus dem gleichen
Thermoplast-Material wie die Thermoplast-Compound-Folien 140 der
Bipolarplatte 122 hergestellt werden; wahlweise können
jedoch auch andere geeignete Werkstoffe für die Gitter 116 und 120 eingesetzt
werden.
-
Ausführungsbeispiel
3 für die Herstellung einer nicht elektrisch leitfähigen
Thermoplast-Compound-Folie für ein negatives Gitter oder
ein positives Gitter mittels Heißverpressung:
In einen
handelsüblichen Taumelmischer, der mit einem 50 Liter fassenden
Mischgefäß bestückt ist, wird Folgendes
eingebracht:
- – 20 kg Fluon ETFE Z8820X
des Herstellers Asahi Glass Chemicals, Hillhouse, Großbritannien,
ein fein gemahlenes Pulver eines Fluorthermoplasten (Ethylentetrafluorethylen)
mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 250°C bis 280°C
und einer typischen Partikelgrößenverteilung,
die durch folgende Werte gekennzeichnet ist:
x10 = 11 μm;
x50
= 36 μm;
x90 = 68 μm;
wobei x10 den
Partikeldurchmesser bezeichnet, welcher von 10 Gewichtsprozent der
Partikel unterschritten wird; wobei x50 den Partikeldurchmesser
bezeichnet, der von 50 Gewichtsprozent der Partikel unterschritten
wird; und wobei x90 den Partikeldurchmesser bezeichnet, welcher
von 90 Gewichtsprozent der Partikel unterschritten wird.
- – 5 kg Kurzglasfasern des Typs MF 7904, die von der
Firma Lanxess Deutschland GmbH, Leverkusen, Deutschland, vertrieben
werden; hierbei handelt es sich um Glasfasern vom Typ E-Glas mit
einem nominellen Faserdurchmesser von 14 μm und einer mittleren
Faserlänge von ungefähr 60 μm, wobei
das Schüttgewicht der Kurzglasfasern ungefähr
0,9 g/ml beträgt.
-
Die
Durchmischung der Komponenten ETFE und 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern
erfolgt durch Drehen des Mischgefäßes über
einen Zeitraum von 90 Minuten mit einer unteren Drehgeschwindigkeit von
75 U/min und einer oberen Drehgeschwindigkeit von 90 U/min, wobei
jede Minute die Drehrichtung gewechselt wird.
-
Das
so durch Trockenmischung erzeugte Thermoplast-Compound wird in eine
Pressform 144 mit den folgenden Abmessungen eingebracht:
Innendurchmesser
der hohlzylindrischen Außenwand 150: 250 mm Außendurchmesser
des Dornes 148: 150 mm.
-
In
diese Pressform 144 werden 15 kg der Mischung aus ETFE
und 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern eingebracht und zunächst
mit einem Stempeldruck von 140 bar über einen Zeitraum
von 5 Minuten vorgepresst.
-
Danach
wird die Pressform 144 mit der darin enthaltenen vorgepressten
Mischung aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern in einen
Sinterofen 156 überführt.
-
Im
Sinterofen 156 wird die Temperatur während eines
Zeitraums von 2,3 Stunden auf 310°C erhöht und
dann über einen Zeitraum von weiteren 24 Stunden gehalten.
-
Während
der Verweildauer im Sinterofen 156 wird kein Druck auf
die Polymermasse ausgeübt.
-
Danach
wird die heiße Pressform 144 aus dem Sinterofen 156 entnommen
und erneut in eine Presse überführt.
-
Unter
Aufbringen eines Druckes von zunächst 50 bar während
einer Haltezeit von einer Minute und anschließendem Erhöhen
des Druckes auf 400 bar kühlt dann die Pressform 144 mit
der Polymermasse innerhalb von 6 Stunden auf eine Außentemperatur
von 60°C bis 70°C ab.
-
Nach
dem vollständigen Erkalten wird die Polymermasse aus der
Pressform 144 ausgedrückt und so ein hohlzylindrischer
Formkörper 158 erhalten.
-
Der
hohlzylindrische Formkörper 158 aus ETFE und 20
Gewichtsprozent Kurzglasfasern wird auf einen profilierten Dorn
aufgeschoben und in eine Schälmaschine des Herstellers
KELLER eingespannt.
-
Durch
kontinuierliches Heranfahren eines Schälmessers an den
sich mit dem Dorn drehenden hohlzylindrischen Formkörper 158 wird
eine Folie aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern vom Außenumfang
des hohlzylindrischen Formkörpers 158 abgeschält.
-
Die
Schälgeschwindigkeit für die Folienherstellung
beträgt 11 m/min.
-
Die
elektrisch nicht leitfähige Thermoplast-Compound-Folie
aus ETFE mit 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern wird mit einer Stärke
von 1,4 mm für das negative Gitter 116 (Anode)
und mit einer Stärke von 1,2 mm für das positive
Gitter 120 (Kathode) hergestellt.
-
(Ende des Ausführungsbeispiels
3)
-
Aus
in der vorstehend beschriebenen Weise durch ein Heißpressverfahren
und ein Schälverfahren hergestellten Thermoplast-Compound-Folien werden
negative Gitter 116 und positive Gitter 120 durch
spanende Bearbeitung mit den Konturen gemäß den 4 und 5 hergestellt.
-
Dabei
beträgt die Länge eines Gitters 116 oder 120 beispielsweise
ungefähr 360 mm und die Breite eines Gitters 116 oder 120 beispielsweise
ungefähr 325 mm.
-
Die
im Wesentlichen quadratischen Durchtrittsöffnungen 124 der
Gitter 116, 120 weisen beispielsweise eine Länge
a von ungefähr 28 mm und eine Breite b von ebenfalls ungefähr
28 mm auf.
-
Die
Breite s der Stege 168 zwischen den Durchtrittsöffnungen 124 beträgt
beispielsweise ungefähr 3 mm.
-
Zur
Herstellung einer integrierten Bipolarzelle 106 aus einem
negativen Gitter 116, einer Bipolarplatte 122 und
einem positiven Gitter 120 wird wie folgt vorgegangen:
In
eine beheizbare Laminatpresse 166 werden die folgenden
Werkzeuge und Komponenten einer Bipolarzelle 106 (in der
Reihenfolge von unten nach oben) eingebracht (siehe 12):
- – eine Negativform 170, die
komplementär zu dem negativen Gitter 116 ausgebildet
und beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung eines Aluminium-Grundkörpers
hergestellt ist;
- – ein negatives Gitter (Anodengitter) 116,
das beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung einer elektrisch
nicht leitfähigen Thermoplast-Compound-Folie hergestellt
ist;
- – eine laminierte Bipolarplatte 122, wie vorstehend
im Zusammenhang mit 11 beschrieben;
- – ein positives Gitter (Kathodengitter) 120,
hergestellt beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung einer elektrisch
nicht leitfähigen Thermoplast-Compound-Folie;
- – eine Negativform 172, die komplementär
zu dem positiven Gitter 120 ausgebildet und beispielsweise
durch zerspanende Bearbeitung eines Aluminium-Grundkörpers
hergestellt ist.
-
Um
später eine bessere Haftung der negativen Paste auf der
Seite des negativen Gitters 116 und der positiven Paste
auf der Seite des positiven Gitters 120 zu erreichen, können
die außenliegenden Seiten der metallhaltigen Folien 136 der
Bipolarplatte 122 vor oder nach dem Laminieren mit den
Gittern 116 und 120 einer Oberflächenbehandlung
unterzogen werden.
-
Beispielsweise
kann vorgesehen sein, die Außenseiten der metallhaltigen
Folien 136 durch ”Sandstrahlen” unter
Verwendung von Glasperlen, Aluminiumoxid oder Trockeneis (CO2) zu reinigen und aufzurauen.
-
Nach
dem Einbringen des vorstehend beschriebenen Schichtaufbaus in die
beheizbare Laminatpresse 166 wird ein Laminierprozess mit
den folgenden Einzelschritten unter Umgebungsdruck, d. h. ohne Evakuierung
der Laminatpresse 166, ausgeführt:
- – Aufbringen eines Startdruckes P von beispielsweise
mindestens ungefähr 20 N/cm2;
- – Erhöhung der Temperatur von Raumtemperatur auf
eine Temperatur von beispielsweise mindestens ungefähr
250°C während einer Erwärmungszeit von
beispielsweise mindestens ungefähr 1,5 Stunden;
- – Halten des Druckes von beispielsweise mindestens
ungefähr 20 N/cm2 bei der erhöhten
Temperatur von beispielsweise mindestens ungefähr 200°C
während einer Druckhaltezeit von beispielsweise mindestens
ungefähr 15 Minuten;
- – Absenkung der Temperatur der zu laminierenden Schichten
von der erhöhten Temperatur von beispielsweise mindestens
ungefähr 200°C auf eine Temperatur von beispielsweise
höchstens ungefähr 50°C während
einer Abkühlzeit von beispielsweise ungefähr 1,3
Stunden, unter Beibehaltung des Anpressdruckes von beispielsweise mindestens
ungefähr 20 N/cm2;
- – Absenkung des Anpressdruckes auf null nach Erreichen
der gewünschten Abkühltemperatur von beispielsweise
50°C;
- – Entnehmen der Bipolarzelle 106 in Form eines Laminats
aus der Bipolarplatte 122 und den Gittern 116 und 120.
-
Ausführungsbeispiel 4 für
die Herstellung einer Bipolarzelle aus einer Bipolarplatte, einem
negativen Gitter und einem positiven Gitter durch ein Laminierverfahren:
-
In
eine beheizbare Laminatpresse 166 vom Typ LAM V 280 werden
die folgenden Werkzeuge und Komponenten einer zu laminierenden Bipolarzelle
(in der Reihenfolge von unten nach oben) eingebracht:
- – eine Negativform 170, die komplementär
zu dem negativen Gitter 116 ausgebildet und durch zerspanende
Bearbeitung eines Aluminium-Grundkörpers hergestellt ist;
- – ein negatives Gitter 116 aus ETFE und 20
Gewichtsprozent Kurzglasfasern, das durch zerspanende Bearbeitung
einer Folie aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern mit der
Dicke 1,4 mm hergestellt ist; eine laminierte Bipolarplatte 122,
wie im vorstehenden Ausführungsbeispiel 2 beschrieben;
- – ein positives Gitter 120 aus ETFE und 20
Gewichtsprozent Kurzglasfasern, das durch zerspanende Bearbeitung
einer Folie aus ETFE und 20 Gewichtsprozent Kurzglasfasern mit der
Dicke 1,2 mm hergestellt ist;
- – eine Negativform 172 für das positive
Gitter 120, die komplementär zu dem positiven
Gitter 120 ausgebildet und durch zerspanende Bearbeitung eines
Aluminium-Grundkörpers hergestellt ist.
-
Nach
Einbringen des vorstehend beschriebenen Schichtaufbaus zwischen
die Pressplatten 162 und 164 der Laminatpresse 166 werden
die folgenden Einzelschritte unter Umgebungsdruck ausgeführt:
- – Aufbringen eines Startdruckes von
35 N/cm2;
- – Erhöhung der Temperatur von Raumtemperatur auf
250°C während einer Erwärmungszeit von
ungefähr 1,8 Stunden;
- – Halten des Druckes von 35 N/cm2 bei
einer Temperatur von 250°C während einer Druckhaltezeit von
ungefähr 20 Minuten;
- – Absenkung der Temperatur von 250°C auf 40°C während
einer Abkühlzeit von ungefähr 1,3 Stunden unter
Beibehaltung des Anpressdruckes von 35 N/cm2;
- – Absenkung des Anpressdrucks auf null nach Erreichen
der gewünschten Abkühltemperatur von 40°C;
- – Entnehmen der als Laminat der Bipolarplatte 122,
des negativen Gitters 116 und des positiven Gitters 120 hergestellten
Bipolarzelle 106.
-
(Ende des Ausführungsbeispiels
4)
-
Alternativ
zu dem vorstehend beschriebenen Laminierverfahren können
das negative Gitter 116 und das positive Gitter 120 auch
durch ein Spritzgießverfahren oder durch Transfer-Moulding
direkt aus der Schmelze auf die Bipolarplatte 122 aufgebracht
werden.
-
Die
Abstandshalter 108 der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 können
aus einer Folie aus einem thermoplastischen Fluorpolymermaterial
oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) durch zerspanende Bearbeitung
mit der in den 6 und 7 dargestellten Außenkontur
hergestellt werden.
-
Die
negative Platte 114 der negativen Endzelle 102 der
Bipolar-Bleisäurebatterie 100 umfasst dasselbe
Substrat 134 wie die Bipolarplatte 122, das jedoch
nur einseitig, nämlich auf der dem negativen Gitter 116 zugewandten
Seite der negativen Platte 114, mit einer metallhaltigen
Folie, beispielsweise einer Blei/Zinn-Folie, versehen ist.
-
Die
negative Platte 114 kann aus dem Substrat und aus der metallhaltigen
Folie durch ein dem Laminierverfahren der Bipolarplatte 122 entsprechendes
Laminierverfahren hergestellt werden.
-
Die
positive Platte 118 der positiven Endzelle 104 der
Bipolar-Bleisäurebatterie 100 umfasst dasselbe
Substrat 134 wie die Bipolarplatte 122, ist aber nur
einseitig, nämlich auf ihrer dem positiven Gitter 120 zugewandten
Seite, mit einer metallhaltigen Folie, beispielsweise einer Blei/Zinn-Folie,
versehen.
-
Die
positive Platte 118 kann durch ein dem Laminierverfahren
zur Herstellung der Bipolarplatte 122 entsprechendes Laminierverfahren
aus dem Substrat und der metallhaltigen Folie hergestellt werden.
-
Ferner
kann die negative Platte 114 der negativen Endzelle 102 durch
ein dem Laminierverfahren zur Herstellung der integrierten Bipolarzelle 106 entsprechendes
Laminierverfahren mit dem negativen Gitter 116 verbunden
werden.
-
Ebenso
kann die positive Platte 118 der positiven Endzelle 104 durch
ein dem Laminierverfahren zur Herstellung der integrierten Bipolarzelle 106 entsprechendes
Laminierverfahren mit dem positiven Gitter 120 verbunden
werden.
-
Vor
dem Zusammenbau der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 werden
die positiven Gitter 120 der Bipolarzellen 106 und
der positiven Endzelle 104 mit positiver Paste befüllt.
-
Ebenso
werden die negativen Gitter 116 der Bipolarzellen 106 und
der negativen Endzelle 102 mit negativer Paste befüllt.
-
In
die Abstandshalter 108 werden Separatoren in Form von Glasfasermatten
eingelegt.
-
Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Glasfasermatten im druckfreien Zustand
eine Dicke aufweisen, welche die Dicke der Abstandshalter 108 übersteigt,
und dass die Glasfasermatten beim Zusammenbau der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 in
deren Längsrichtung komprimiert werden.
-
Nachdem
die gewünschte Anzahl von Bipolarzellen 106 und
von Abstandshaltern 108 mit Glasfasermatten sowie die negative
Endzelle 102 und die positive Endzelle 104 in
der in den 1 bis 3 dargestellten
Reihenfolge zusammengestellt worden sind, werden dieselben unter
Anwendung eines Drucks in der Längsrichtung 174 der
Bipolar-Bleisäurebatterie 100 gegeneinander gepresst
und durch geeignete Verspannungseinrichtungen in dieser Position
gegeneinander verspannt.
-
Anschließend
kann der Elektrolyt durch (nicht dargestellte) Befüllungsöffnungen
in den Abstandshaltern 108 in die als Separatoren dienenden Glasfasermatten
eingefüllt werden.
-
Damit
ist die Bipolar-Bleisäurebatterie 100 betriebsbereit
und kann aufgeladen werden.
-
Wenn
die Abstandshalter 108 und die negativen Gitter 116 sowie
die positiven Gitter 120 aus einem Thermoplastmaterial
enthaltenden Material gebildet sind, so können in der Längsrichtung 174 der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 aufeinanderfolgende Abstandshalter 108 und
Gitter 116, 120 durch Verschweißung zu
einem Zellenstapel zusammengefügt werden.
-
In
diesem Fall können die Dichtelemente 128 zwischen
den Abstandshaltern 108 und den denselben benachbarten
Gittern 116 bzw. 120 entfallen.
-
Das
vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Bipolar-Bleisäurebatterie 100 ist besonders
umweltfreundlich und sorgt für eine besonders hohe chemische
Beständigkeit der Bleischichten in den metallhaltigen Folien 136,
insbesondere auf der den negativen Gittern (Anodengittern) 116 zugewandten
Seite der Bleischichten.
-
Der
bipolare Aufbau der Bipolar-Bleisäurebatterie 100 verringert
den Bedarf an Blei bei gleicher Leistung und führt somit
zu einem besonders umweltfreundlichen Endprodukt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 98/40920 [0004]
- - WO 00/08071 A2 [0020, 0086]
- - WO 01/60911 A1 [0020, 0086]