DE2635636A1

DE2635636A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen zelle oder batterie, z.b. einer brennstoffzelle oder brennstoffzellenbatterie, sowie eine nach diesem verfahren hergestellte zelle oder batterie

Info

Publication number: DE2635636A1
Application number: DE19762635636
Authority: DE
Inventors: Marinus Alfenaar; Rene Leopold Eduard Van Gasse
Original assignee: Stamicarbon BV
Current assignee: Stamicarbon BV
Priority date: 1975-08-14
Filing date: 1976-08-07
Publication date: 1977-02-24
Also published as: IE43282L; CA1084584A; IE43282B1; BE844898A; FR2321199B1; LU75584A1; NL7509675A; DK362776A; IT1066108B; DE2635636C2; JPS5223578A; SE436531B; SE7608774L; JPS5933936B2; GB1504272A; FR2321199A1; US4048386A

Description

Anm.: STAMICARBON B.V., Geleen, P.O. Box 10, Niederlande

Bez.: Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbatterie, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Zelle oder Batterie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbatterie, die aus einem Stapel platten- oder blattförmiger Elektroden besteht, zwischen denen sich Gas- oder Flüssigkeitskammern bildende platten- oder blattförmige Rahmen befinden.

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Eine solche Brennstoffzelle ist bekannt. Die bekannte Zelle wird dadurch hergestellt, daß die einzelnen Teile auf die richtige Weise gestapelt und aufeinandergeklemmt werden. Diese Herstellungsmethode hat folgende Nachteile:

a. Eine gute gegenseitige Abdichtung der Bestandteile läßt sich schwer realisieren. Elektrolyt- und Gasleckagen treten leicht auf. Namentlich ist Leckage von gasförmigen Brennstoffen - z.B. Wasserstoff - unerwünscht, weil sich dadurch ein explosives Gasgemisch bilden kann.

b. Die Blätter oder Platten aus Elektrodenmaterial werden

zum Stapeln als solche benutzt. Moderne Elektrodenmaterialien, mit denen eine große Stromdichte erreicht werden kann, haben häufig eine empfindliche poröse Oberfläche, deren gute Wirkung bereits durch reines Anfassen örtlich beeinträchtigt werden kann, weil die Poren zugedrückt werden. Weil diese Elektrodenmaterialien im allgemeinen als ziemlich schlaffe Blätter ausgebildet sind, kann eine solche Beschädigung bei der Handhabung leicht auftreten.

c. Die Art und Weise der Montage ist umständlich und kaum für eine Automatisierung geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzellenbatterie, die aus einem Stapel platten- oder blattförmiger Elektroden besteht, zwischen denen sich Gas- oder Flüssigkeitskammern bildende, platten- oder blattförmige Rahmen befinden, welches Verfahren die obengenannten Nachteile nicht aufweist.

Das örfindungsgemäße Verfahren wird dadurch gekennzeichnet, daß

a. von einer oder mehreren Bahnen Elektrodenmaterial

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und einer oder mehreren Bahnen Faservliesmaterial ausgegangen wird, das noch nicht polymerisieren duroplastischen Kunststoff in trockenem Zustand, Polymerisationskatalysator und Füllstoff enthält, und zwar so, daß im Endzustand eine bestimmte Materialstärke erhalten wird;

b. aus den kontinuierlich oder diskontinuierlich fortbewegten Bahnen Öffnungen ausgestanzt oder ausgeschnitten werden, die in der fertigen Zelle oder Batterie Kammern oder andere offene Räume bilden;

c. die Bahn oder Bahnen aus Elektrodenmaterial an einer oder beiden Oberflächen im richtigen gegenseitigen Stand mit einer mit den vorgenannten Öffnungen versehenen Bahn Faservliesmaterial in Berührung gebracht und mit dieser bei einer Temperatur verklebt werden, bei der der in das Faservlies aufgenommene Duroplast Klebkraft aufweist, aber noch nicht polymerisiert;

d. die gegenseitig verklebten Bahnen auf die richtige Weise abgeschnitten werden, so daß stapelfähige Elemente entstehen;

e. die Elemente zu einem Paket mit der erwünschten Zusammensetzung gestapelt werden, wobei zwischen den Elementen nicht am Kunststoff haftende Streifen zur Bildung der in der fertigen Zelle oder Batterie erforderlichen Kanäle angebracht werden, und zwar so, daß diese Streifen nach der Bildung der Kanäle aus diesen herausgezogen werden können;

f. dieses Paket unter einem bestimmten Druck gewisse

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Zeit einer Temperatur ausgesetzt wird, bei der der Duroplast polymerisiert;

g. die Streifen aus den im erhaltenen Block gebildeten Kanälen gezogen, im Block mittels Bohren, Fräsen, Schneiden oder auf andere Weise Durchgänge zur Zu- oder Abfuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten zu bzw. aus den gebildeten Kanälen angebracht und die offenen Enden der Kanäle an der Außenseite des Blocks abgedichtet werden.

Zur Bildung der Kanäle werden vorzugsweise Streifensätze verwendet, deren aus der Stapelung hervorstehende Enden an einem Querstreifen befestigt sind und damit ein kammförmiges Ganzes bilden, im folgenden "Einlegekamm" genannt. Vorzugsweise werden Querstreif( einer solchen Stärke verwendet, daß sie bei Erhitzung des Stapels unter erhöhtem Druck jeweils aneinander ruhen und auf diese Weise das Maß der Zusammendrückung des Stapels begrenzen. Die Streifen bzw. Einlegekämme sind vorzugsweise aus Metall hergestellt. Damit sich die Streifen oder Kämme leichter aus dem fertigen Block entfernen lassen, können sie mit einer dünnen Schicht nicht am Duroplast haftendem Material bekleidet sein, z.B. mit einer dünnen Polytetrafluoräthylenschicht.

Das Faservliesmaterial soll selbstverständlich gegen die in der Zelle zu benutzenden Flüssigkeiten und Gase beständig, mechanisch stabil und bei der Betriebstemperatur der Zelle, die z.B. zwischen 50 und 200 C liegt, genügend fest sein. Man verwendet daher vorzugsweise aus Glasfasern bestehendes Faservliesmaterial, es können jedoch auch andere Faservliesmaterialien, die den genannten Anforderungen entsprechen , Anwendung finden, wie z.B. Asbest- oder andere anorganische Fasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern oder anderes organisches Fasermaterial und Gemische mehrerer Fasermaterial-

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Sorten. Auch die Anwendung von Gewebe, z.B. Nylongewebe muß als zum Wesen der Erfindung gehörig betrachtet werden.

Auch der Duroplast soll gegen die in der Zelle anzuwendenden Flüssigkeiten und Gase beständig, mechanisch stabil und ausreichend fest sein. In Betracht kommen z.B. modifizierte oder nichtmodifizierte Polyester, Epoxyharze, Polyvinylester, Polyacrylate usw.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, in der die Herstellung einer Brennstoffzellenbatterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in Form eines nicht-einschränkenden schematischen Beispiels dargestellt wird.

Es zeigen:

Fig. 1: ein vereinfachtes Schema einer Aufstellung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2: eine Draufsicht eines abgeschnittenen Streifens Fasermaterial, in dem die benötigten öffnungen ausgestanzt sind;

Fig. 3: drei Einlegekämme in Oben- und Seitenansicht;

Fig. 4: einen Querschnitt über einen Teil eines gestapelten Pakets;

Fig. 5: einen Querschnitt über einen Teil eines gepreßten Brennstoffzellenblocks; links sind die Einlegekämme bereits entfernt, rechts noch nicht.

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Die Positionszahlen bedeuten:

eine Rolle vliesförmiges Elektrodenmaterial für Brennstoffelektroden;

eine Bahn des von Rolle 1 abgewickelten Elektrodenmaterials ;

Führungsrollen für die Bahn 2;

4,5 zwei Rollen Glasfaservlies, die noch nicht-polymerisierten Polyester, Polymerisationskatalysator und Füllstoff enthalten;

6,7 Bahnen des von den Rollen 4 und 5 abgewickelten Faservliesmaterials;

8,9 Führungsrollen für die Bahnen 6 und 7;

10,11 Stanzvorrichtungen, mit deren Hilfe in den Bahnen 6 und 7 Öffnungen ausgestanzt werden, die in der fertigen Brennstoffzelle Kammern oder andere offene Räume bilden;

12,13 zwei heizbare Walzen, zwischen denen die Bahn 2 und die mit Öffnungen versehenen Bahnen 6 und 7 unter einem gewissen erhöhten Druck im richtigen Stand miteinander verklebt werden; die Temperatur der Walzen 12 und 13 wird dazu so gewählt (z.B. 80⁰C), daß der Polyester im Faservliesmaterial Klebkraft aufweist, aber noch nicht polymerisiert; eine Schneidevorrichtung, mit deren Hilfe die miteinander verklebten Bahnen an der richtigen Stelle abgeschnitten werden;

auf diese Weise erhaltene Stepelelemente; jedes Stapelelement bildet gleichsam eine eingerahmte Brennstoffelektrode, die steif genug für eine weitere mechanische Behandlung ist; ein ähnliches Gebilde wie das unter 1-14 beschriebene, wobei jedoch Elektrodenmaterial für Sauerstoffelektroden benutzt wird;

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17 Stapelelemente mit Sauerstoffelektrode;

18 Einlegekämme;

19 eine Stapelvorrichtung, mit deren Hilfe eine Reihe von Stapelelementen 15 und 17, Einlegekämmen 18 und ggf* Zwischen- und Endplatten in der richtigen Reihenfolge und im richtigen Stand aufeinandergestapelt werden;

20 ein nach dem Stapeln erhaltenes Paket;

21 eine heizbare Presse, in der ein solches Paket unter erhöhtem Druck einer Temperatur (z.B. 120⁰C) ausgesetzt wird, bei der der Polyester in den Faservliesen polymerisiert;

22 ein fertiger Brennstoffzell(en)block, aus dem die Einlegekämme 18 entfernt wurden.

Man wählt die Fasermaterialbahnen 6 und 7 vorzugsweise zumindest um soviel breiter als die Elektrodenmaterialbahn 2, daß die beidseitig hervorstehenden Ränder breit genug sind, die anzubringenden Durchgänge zu den gebildeten Kanälen aufzunehmen. Dies wird in Fig. 2 dargestellt, in der A die Breite des Elektrodenmaterials und B die Breite des Faservliesmaterials bezeichnet.

In Fig. 2 bedeuten die Positionszahlen:

31 ein gestanztes und abgeschnittenes Blatt Faservliesmaterial, wie es auf eine Elektrodenmaterialbahn geklebt ist;

32 eine ausgestanzte halbe Kammer für Gas oder Flüssigkeit, wie Brennstoffgas, Elektrolyt oder Luft (die andere Hälfte der Kammer wird von dem an der gegenüberliegenden Elektrode angebrachten Streifen gebildet);

33 ausgestanzte Öffnungen; das Elektrodenmaterial ist

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an diesen Stellen nicht mit isolierendem Faservliesmaterial bedeckt, so daß hier beim fertigen Block Kontaktstreifen für elektrische Anschlüsse oder für die gegenseitige Verbindung von Elektroden aus dem freiliegenden Elektrodenmaterial gebildet werden können;

gestrichelt dargestellt die Projektion der zu bildenden Kanäle für die Zufuhr eines ersten Gases oder einer ersten Flüssigkeit, z.B. Brennstoffgas, zu den betreffenden Kammern;

gestrichelt dargestellt die im fertigen Block zu bohrenden Durchgänge für die Zufuhr des (der) genannten ersten Gases (Flüssigkeit) zu den Kanälen 34;

36,37 siehe 34 und 35, diesmal jedoch für die Zufuhr eines (einer) zweiten Gases (Flüssigkeit), z.B. Luft;

38,39 wie 34 und 35, diesmal jedoch für die Zufuhr eines (einer) dritten Gases (Flüssigkeit), z.B. Elektrolyt.

An der gegenüberliegenden Seite der Kammern werden die entsprechenden Kanäle und Durchgänge für die Abfuhr der Gase und Flüssigkeiten angebracht.

In Fig. 3 werden in Oben- und Seitenansicht die im Beispiel benötigten drei Typen Einlegekämme dargestellt, mit deren Hilfe die Zu- und Abfuhrkanäle für drei Kammertypen gebildet werden; die Positionszahlen bedeuten:

ein Einlegekamm zur Bildung der Kanäle 34, bestehend aus:

Streifen, die beim Stapeln des Pakets zwischen die Elemente gelegt werden, und

einem Querstreifen, an dem die Streifen 42 befestigt sind, z.B. durch Schweißen, Löten oder auf andere Weise; auch kann der ganze Kamm aus einem Stück sein;

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44 ein Einlegekamm zur Bildung von Kanälen 36;

45,46 Streifen und Querstreifen des Kammes 44;

47 ein Einlegekamm zur Bildung der Kanäle 38;

48,49 Streifen und Querstreifen des Kammes 47;

Fig. 4 stellt einen Querschnitt über einen Teil eines gestapelten Pakets dar. Hier bezeichnet:

50 einen Einlegekamm vom Typ 47;

51 ein Element mit Brennstoffelektrode;

52 einen Einlegekamm vom Typ 41;

53 ein Element mit Brennstoffelektrode;

54 einen Einlegekamm vom Typ 47;

55 ein Element mit Sauerstoffelektrode;

56 einen Einlegekamm vom Typ 44;

57 ein Element mit Sauerstoffelektrode;

58 einen Einlegekamm vom Typ 47;

59 ein Element mit Brennstoffelektrode; und so weiter.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt über einen Teil eines gepreßten Brennstoffzellenblocks. Rechts sind die Kämme noch nicht entfernt; die Querstreifen der Kämme 50, 52, 54, und 58 ruhen aneinander und begrenzen das Maß, in dem das Paket zusammengedrückt ist. Links sind die Einlegekämme entfernt, die Kanäle an der Außenseite abgedichtet und die Durchgänge gebohrt. Die übrigen Positionszahlen bezeichnen:

60 eine Brennstoffelektrode;

61 eine Elektrolytkammer;

62 eine Sauerstoffelektrode

63 eine Sauerstoff- oder Luftkammer;

64 eine Sauerstoffelektrode;

65 eine Elektrolytkammer;

66 eine Brennstoffelektrode;

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67 eine Brennstoffkammer;

68 eine Brennstoffelektrode;

69 eine Elektrolytkammer;

70 Elektrolytkanäle;

71 einen gebohrten Durchgang für den Elektrolyt;

72 einen Sauerstoff- oder Luftkanal (gestrichelt);

73 einen Brennstoffkanal (gestrichelt);

74 eine auf den gepreßten Block geklebte Folie,

mit der die Kanäle 70,72,73 usw. an der Außenseite abgedichtet sind.

Ggf. können beim Stapeln in den Kammern nicht dargestellte poröse Distanzmittel angebracht werden, um zu vermeiden., daß sich eventuell nicht ganz flache Elektroden berühren. Diese Mittel können z.B. gewellte perforierte Platten oder Gewebe aus z.B. Polypropylen oder auch Faservliese aus Polypropylen- oder Polytetrafluoräthylenfasern sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich nicht auf das gegebene Beispiel; die angegebenen Materialien und Formen dienen nur als Beispiel. Es ist auch nicht erforderlich, alle Schritte des Verfahrens an einer und derselben Stelle auszuführen. Man kann das Verfahren nach Belieben unterbrechen und an anderer Stelle mit dem Zwischenprodukt fortsetzen, bis das Endprodukt erhalten wird. Das Elektrodenmaterial braucht nicht unbedingt an beiden Oberflächen mit gestanztem Faservlies bekleidet zu werden, eventuell wird nur eine Seite bekleidet. Obwohl im Vorangehenden nur von Zellen für gasförmigen Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel die Rede war, umfaßt die vorliegende Erfindung auch die erfindungsgemäße Herstellung von Stapelzellen oder -batterien für flüssigen Brennstoff und/oder mit einem anderen gasförmigen oder flüssigen Oxidationsmittel als Sauerstoff. Auch können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens andere elektrochemische Zellen als Brennstoffzellen herge-

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stellt werden, wie z.B. Elektrolysen- oder Elektrodialysenzellen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man elektrochemische Zellen oder Batterien herstellen, deren Elektrolytkammern mittels Membranen, z.B. halbdurchlässiger oder Ionenaustauschmembranen, in mehrere Räume verteilt sind. Dazu führt man das erfindungsgemäße Verfahren derart aus, daß man zugleich von einer oder mehreren Bahnen Membranmaterial ausgeht und dies auf dieselbe Weise wie das Elektrodenmaterial behandelt, so daß Stapelelemente entstehen, worauf man diese Stapelelemente an geeigneter Stelle beim Stapeln des Pakets einfügt. Auch diese und ähnliche Varianten werden als zum Wesen der Erfindung gehörend betrachtet. Die Abmessungen werden nur durch die konstruktiven Möglichkeiten der Herstellungsapparatur und die zu erreichende Steife des verwendeten Materials beschränkt.

Die Erfindung betrifft auch eine elektrochemische Zelle oder Batterie, z. B. eine Brennstoffzelle oder -batterie, welche mit Hilfe der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, Eine solche Zelle oder Batterie besteht aus einem Stapel platten- oder vliesförmiger Elektroden, zwischen denen sich Gas- oder Flüssigkeitskammern bildende platten- oder blattförmige Rahmen befinden, und wird dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Rahmen aus Duroplast enthaltendem Faservliesmaterial bestehen und daß die fertige Zelle oder Batterie einen zu einer Einheit polymerisierten Block bildet, in dem die erforderlichen Kanäle und Durchgänge vorhanden sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbatterie, welche aus einem Stapel platten- oder vliesförmlger Elektroden besteht, zwischen denen sich Gas- oder Flüssigkeitskammern bildende platten- oder blattförmige Rahmen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß

a. von einer oder mehreren Bahnen Elektrodenmaterial und einer oder mehreren Bahnen Faservliesmaterial ausgegangen wird, das noch nicht polymerisierten Duroplast in trockenem Zustand, Polymerisationskatalysator und Füllstoff enthällt, und zwar so, daß im Endzustand eine bestimmte Materialstärke vorliegt;

b. aus den kontinuierlich oder diskontinuierlich fortbewegten Bahnen Öffnungen ausgestanzt oder ausgeschnitten werden, die in der fertigen Brennstoffzelle Kammern, Kanäle oder Durchgänge bilden;

c. die Bahn oder Bahnen aus Elektrodenmaterial an einer oder beiden Oberflächen in der richtigen Position zueinander mit einer mit den vorgenannten Öffnungen versehenen Bahn Faservliesmaterial in Berührung gebracht und mit dieser bei einer Temperatur verklebt werden, bei der der im Faservlies aufgenommene Duroplast Klebkraft aufweist, aber noch nicht polymerisiert;

d. die verklebten Bahnen auf die richtige Weise geschnitten werden, so daß stapelfähige Elemente entstehen;

e. die Elemente zu einem Paket der erwünschten Zusammensetzung gestapelt werden, wobei zwischen den Elementen nicht am Kunststoff haftende Streifen zur Bildung der in der fertigen Zelle oder Batterie erforderlichen Kanäle angebracht werden, und zwar so, daß diese Streifen nach der Bildung der Kanäle aus denselben herausgezogen werden können;

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f. dieses Paket unter einem bestimmten Druck gewisse Zeit einer Temperatur ausgesetzt wird, bei der der Duroplast polymerisiert;

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kanäle Streifensätze benutzt werden, deren aus der Stapelung hervorstehende Enden an einem Querstreifen befestigt sind und mit diesem eine kammförmige Einheit bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Querstreifen einer solchen Stärke benutzt werden, daß diese bei der Erhitzung des Stapels unter erhöhtem Druck jeweils aneinander zu liegen kommen und auf diese Weise das Maß der Zusammendrückung des Stapels begrenzen.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn oder Bahnen aus Faservliesmaterial zumindest um soviel breiter als die Elektrodenmater i al bahn gewählt werden, daß die beidseitig hervorstehenden Ränder breit genug sind, die anzubringenden Durchgänge aufzunehmen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche in bezug auf die Herstellung elektrochemischer Zellen oder Batterien, deren Elektrolytkammer(n) von einer oder mehreren Membranen in mehrere Räume verteilt ist (sind), dadurch gekennzeichnet, daß zugleich von einem oder mehreren

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Bahnen Membranmaterial ausgegangen wird und diese auf ähnliche Weise wie das Elektrodenmaterial behandelt
werden, so daß Stapelelemente entstehen, wonach diese Elemente an den erwünschten Stellen beim Stapeln des
Pakets eingefügt werden.

6. Elektrochemische Zelle oder Batterie, hergestellt mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5.

7. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbatterie, hergestellt mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5.

8. Zelle oder Batterie nach Anspruch 6 oder 7, bestehend aus einer Stapelung platten- oder hautförmiger Elektroden, zwischen denen sich Gas- oder Flüssigkeitskammern bildende platten- oder blattförmige Rahmen befinden,
dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Rahmen
aus Duroplast enthaltendem Fasermaterial bestehen und daß die fertige Zelle oder Batterie einen zu einer Einheit polymerisierten Block bildet, in dem die erforderlichen Kanäle und Durchgänge vorhanden sind.

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