JP2016531386A - 電気化学電池用複合ハードウェア - Google Patents

Abstract

複合電池板は、弾性金属要素と複数の係合点で横方向に結合され連結されたポリマー要素を含む。電池板は、電気化学電池内で使用できる。【選択図】なし

Description

本発明は、電気化学電池用ハードウェアに関する。

ポリマーのみを含む電解槽電池用ハードウェアは、圧力保持、寸法安定性、および円周応力への耐性に問題がある。製品ガスを圧縮するエネルギーを節約するために、電解槽をプロトンポンプ効果により自己与圧し、高圧で動作させることが望まれている。典型的には、圧縮機の段数および関連コストの削減を可能にする圧力の閾値は、ゲージ圧で１５、３０、８０バールである。

２３０ｍｍの内径および３２０ｍｍの外径を有し、ガラス繊維入りポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）材を含む、ポリマーのみから作られた任意の電解槽電池において、１５バールで６０℃の条件では、平均円周応力は、約４．３ＭＰａになるであろう。これは、当業者に知られている円周応力の計算式から簡単に求められる。

σ：円周応力
ｄ：平均径＝２７５ｍｍ
ｔ：円筒壁厚＝４５ｍｍ
Ｐｅｆｆ：有効圧＝Ｐ_内圧−Ｐ_気圧＝１．５−０．１＝１．４ＭＰａ

好ましい実施形態（ポリフェニレンサルファイド）において想定される材料の極限強度は、２００ＭＰａである。高圧電解槽は、継続的に圧力を保持することが想定されていない。使用率および周期的エネルギー入力状況（再生可能エネルギーの入力であることが多い）に応じて、電解槽は、対応する周期的荷重を受けることになる。ガスの発生が止まった後に、電解槽は非常にゆっくりと減圧することになるが、隣接する貯蔵部に蓄積されたガスは、逆止圧力制御弁により逆流が防止されることになる。

よって、これらの高圧条件下で電池組立体の試験を行うには、０から安全率を含む圧力までのサイクルを繰り返す試験を行う必要がある。試験圧力は、リリーフ圧力設定値の１．４３倍にすべきであり、典型的には、１５バールの使用圧力の場合、１８バールに設定すべきである。よって、電池が受ける圧力は、ゲージ圧で２６バールであり、これにより、圧力保持組立体を１５バールの使用圧力で使用することができる。５，０００サイクルは、一日に３回圧力サイクルを繰り返すとすれば、約４．５年の使用に相当する。想定される形状および材料を基準にすると、１５バールでは応力レベルは低めである。

より高い圧力（３０バールや８０バール）が望まれるため、上記の計算例から、部品の強化が不可欠であることが分かる。これは非常に困難なことである。

よくある構造の１つは、全鋼製の環状構造である。ステンレス鋼が使用できる場合に使用すると、この構造はコストがかかる。代わりにチタンを使用する必要がある場合、この構造はコストがかかりすぎる。

後者の代替案として、円周応力を外部から打ち消すための外部圧力ジャケットとして二次閉じ込め容器を使用する案がある。二次閉じ込め容器は、個別に取り付ける（研究道具）には十分であるが、産業的には、製造性の向上に役立たず、コスト削減にも効果がない。

電池板の面に大きな軸方向荷重をかけて、その剛性マトリックスを増加させることも可能であるかもしれない。しかし、これでは荷重の方向が逆にならないため、内圧から生じる作用を打ち消すにはほとんど効果がない。ポリマーを他のより丈夫なポリマーに替えると、突発的破損を防ぐために重要な伸度が犠牲になることを避けられない。伸度そのものは、電池の内径に合った膜に影響するためよくないものである。

ポリマーの電気化学電池内の円周応力を低減しようと、解決策がいくつも試された。鋼のみを使用するという解決策（すなわち、全鋼製電池板）は、加工すべき流路が複雑であるため、コストと重量が増加しすぎることになった。さらに、大量生産工程として射出成型が使用できないため、水素経済における役目を果たせない。射出成型されたポリマーに鋼を挿入して一体化することも試されたが、成功しなかった。ポリマーの非常に薄い壁の中に鋼を入れ込むため、実施が非常に困難であった。これにより、部品を薄くする一方で、補強を強化するという、相反する目的が生まれる。伸び率の違いと冷却率により、すでに複雑な成形工程がさらに困難になる。この方法は、実用的ではない。

電池板とポリマーの電池板を接合する外部リベットも想定されたが、部品点数が膨大となり、組み立て工程がより複雑化する。

それらの解決策は、いわゆる水素経済において最も繰り返し生産されるハードウェアユニットにとって重要である、大量生産性およびコスト効果の点でどれも実用的ではない。

上記の解決策を考慮に入れずに、弾性金属製電池板をポリマー製電池板と横方向に連結させ係合させることで、円周応力に驚くべき耐性を有する複合電池板が得られることが分かった。本明細書においてその結果を提示し、これを証明する。

よって、第１の態様によると、複合電池板は、弾性金属要素と複数の係合点で横方向に結合され連結されたポリマー要素を含む。

第２の態様によると、電気化学電池は、２枚の上記複合電池板の間に配置された膜電極組立体を含む。

第３の態様によると、上記複合電池板は、電気化学電池において有用である。

第４の態様によると、上記電池板の製造方法は、ポリマー要素を金属要素に係合点で嵌合させる工程と、ポリマー要素および金属要素が係合点で係合し連結するように、ポリマー要素を膨張させる工程とを含む。

図１Ａは断面図、図１Ｂは上面図、図１ＣはＪ部拡大図、図１Ｄは斜視図である。

本明細書中で、「エンジニアリングポリマー」という用語は、本技術分野における一般的意味を有する。「エンジニアリングポリマー」とは、剛性、靭性、および耐クリープ性等の優れた機械的特性を有するポリマーである。エンジニアリングポリマーの例として、アセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリカーボネート、およびポリエステルが挙げられる。

弾性金属要素は、鋼を含むことが好ましい。あるいは、弾性金属要素は、チタンを含む。弾性金属要素は、実質的に平坦な構造、すなわち平面的であることが好ましい。弾性金属要素は、円形であることが好ましい。弾性金属要素は、環状であることがより好ましい。

弾性金属要素は、複数の穴を含み、対応する複数の突起を含むポリマー要素（電池板。射出成型されたものであることが好ましい。）と結合させることができる。これらの突起は、差し込み部であることが好ましく、せん断差し込み部であることがより好ましい。突起は、穴と係合し、２つの部品を連結させ結合させる。よって、この積層体電池組立体を構成する複合電池の内部使用圧力による２軸負荷状態は、ポリマー環から鋼環への円周応力の伝達によってより効果的に防止される。また、２軸負荷状態は、歪みが起こる可能性を最小限にし、ポリマー要素の歪みを、実際の鋼環の歪みに対応する歪みの最大値にまで低減するように防止される。

本明細書中で、「差し込み部」という用語は、電池板、好ましくは射出成型された電池板と一体化した栓を意味する。好ましい実施形態では、複数の差し込み部が、電池板の周縁に配置される。

好ましい実施形態では、突起／差し込み部は、ポリマーから作られる。ポリマーは、産業用すなわちエンジニアリングポリマー、例えば、ガラス繊維入りプラスチック（非常に強い「アンカー部」の組を作る）であることが好ましい。「産業用」すなわち「エンジニアリング」ポリマーは、当業者に自明の用語であり、平均より高い機械的特性を有する、すなわち「汎用」品よりも優れたポリマーの等級を指す。本発明で使用される好ましいエンジニアリングポリマーは、ポリフェニレンサルファイドである。他の好ましいエンジニアリングポリマーは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。

好ましい実施形態では、ポリマー（エンジニアリングポリマーであることが好ましい）は、炭素繊維入りである。ＰＥＥＫ、特に炭素繊維入りＰＥＥＫの利点は、複合端板が、より高い極限引っ張り強度を有することを可能にすることである。さらに、そのような端板を含む電気化学電池が、より高い圧力で動作することを可能にすることである。さらに、（高い引っ張り強度によって）より大きな直径での動作を可能にすることである。

炭素繊維添加物により、温度勾配下で、精密な機械部品の寸法安定性が高まると考えられている。炭素繊維添加物は、熱膨張係数が非常に小さいためである。

本発明の複合板を含む電池の内径と、電解槽の内部電極の外径との間の隙間は、最小に保たれなくてはならないが、その隙間により、初期組み立てにおいて、押し出しおよび膜へのコスト面での損害を防ぐことができる。

ある程度の炭素繊維を含む、本明細書中に記載のエンジニアリング材料を選択することにより、隙間が広がることを実際に防ぐことができる。炭素繊維で補強されたＰＥＥＫが使用される場合、そのようなＰＥＥＫは金属の内部電極よりも緩やかに膨張するため、隙間は、温度が上昇するにつれて縮小する。

好ましい実施形態では、エンジニアリングポリマー、例えばＰＥＥＫであることが好ましいポリマー中の炭素繊維の割合は、４０％までである。下限は、１、２、３、４、５、および１０％であることが好ましく、上限は、３０、３５、および４０％であることが好ましい。ある実施形態では、炭素繊維の量は、約３０％である。

好ましい実施形態では、差し込み部は電池板と一体化している。差し込み部と電池板は、同じポリマー（例えば、エンジニアリングポリマー）から作られることが好ましい。それらは、射出成型されることが好ましい。

それらを、対応する「穴」を有するぴったりの嵌合用金属部品と結合させると、経済的で高圧にできる設計になる。さらに、その設計は、電気化学電池の動作に必要な特徴を全て有する。

好ましい実施形態では、ポリマー要素／電池板の設計は、単一の部品として想定した場合、円周応力に対して短期的な構造的一体性をもたらし、結合された金属要素は、円周応力に対して加成的で長期的なクリープ耐性要素をもたらす。２つの部品は、別々のものであり、実質的に平面的であるため、製造および組み立てが単純である。

好ましい実施形態では、係合点は、複合電池板の周縁に間隔をあけて配置される。少なくとも２、３、４、５、または６個の係合点があることが好ましい。ポリマー要素および金属要素は、中空リング状であることが好ましい。

好ましい実施形態では、ポリマー要素は、複数の突起を含む。複数の突起は、金属要素の対応する穴と係合点で係合し連結する。円形または楕円形の複数の穴があることが好ましい。円形および楕円形の穴の組み合わせであることがさらに好ましい。対応する突起および穴が少なくとも２、３、４、５、または６個あることが好ましい。
ポリマー部品が、ポリフェニレンサルファイドまたはポリエーテルエーテルケトンから作られることが好ましい。

よって、金属要素は、長期的歪み保持器としての役目を果たす。金属要素により、ポリマーに過度の全歪みが発生することが回避され、それにより、剛性で伸度の小さいエンジニアリングポリマーを安全に使用できる。ポリマーの配合およびその添加物により、差し込み部位置におけるポリマー環への応力緩和効果が最小になる。さらに、金属要素により歪みが最小になる。環状の金属要素の好ましい実施形態では、高コストの金属の量は最小限である。さらに、追加の加工は、金属板に穴を開けることのみであり、困難なことではない。よって、簡単な設計により、射出成型された電池のハードウェアおよび材料に関する複数の問題が解決される。

２つの結合用部品の熱膨張性を、システムの動作温度に達するまで十分調整することにより、歪みが起こらなくなることが、試験から分かった。

有限要素解析により、本発明により８０バールの圧力にできる電池のハードウェアが設計可能であり、ポリマー要素の歪みは、補強されない場合と比べて小さくなり、よって安全に長期的歪みに耐えるのに役立つことが分かる。達成される歪みのレベルは、ガラス強化プラスチック容器用樹脂の基準および規格内であり、典型的には、歪み破壊についての安全率１０を有する。前記の実務基準および規格は、無制限の歪みを受ける（すなわち、延性補強のない）樹脂およびガラスシステムへのものとして十分であるとみなされている。歪みゲージによるサンプル試験、破裂試験、サイクル試験を含む複数の試験が、そのような予測を裏付けている。

さらに、電池板および鋼環は、平形ガスケットにより接続されてもよい。爆発性製品の混合物を含み得るこの圧力システムにおける固有の安全性の点で、ガスケットの使用は重要である。適切なガスケット、例えばそれらのガスケットの材料やサイズは、当業者に知られている。

電池板および鋼環の積層体は、有限量の軸方向圧力を有するガスケットが、過圧の際にはそれを解放することになるという事実により、本質的に守られている。よって、突発的な圧力条件が形成される危険性は最小限になる。好ましい実施形態では、組立体が安全に圧力を逃がすように、ガスケットが構成される。対照的に、Ｏリングの溝、および実際の溝付きのハードウェアの板はどちらも、より大きな圧力の上昇、エネルギーの蓄積・増大を招くことになり、より突発的な故障を招く可能性がある。これは、積層体およびＯリング、または自己密封傾向を有する密封媒体の累進的変形により、圧力の上昇が起こるためである。

本発明による複合電池板を含む膜電極組立体は、本質的に安全である。

ＷＯ２０１１／１２８７０５（参照により本明細書に組み込まれる）は、電気化学電池、または軸方向に並べられた複数の電気化学電池を含む電池積層体について記載している。この電池積層体は、積層体の両端に端板を有し、各電池は周囲領域に囲まれた活性領域を含み、活性領域は膜電極組立体を含み、周囲領域または電池板は反応体の流路を含む。この積層体は、活性領域に軸方向に圧力を加えて膜と電極を接触させる手段と、周囲領域または電池板に軸方向に圧力を加える別の手段とを含む。この仕様に従い作られた電気化学電池の活性領域圧力は均一である。均一な活性領域圧力は、密封力に関係なく微調整できる。従来の周囲領域を本発明の複合端板に置き換えることができるため、本発明はＷＯ２０１１／１２８７０５に開示された電池への改良を提供できる。

さらなる利点は、３つの部品（鋼環、ガスケット、およびポリマー環）のうちの２つの小組立体を、差し込み部により留めて、１つの小組立体にした後に、現在１６個の要素を含む電池の最終組み立てを行うため、最終組み立て時の処理が２５％削減できる可能性があるということである。水電解槽中で最も繰り返される要素を大幅に削減することになる。さらに、簡単な製造を念頭にした、より効果的な生産活動の配分が確実になる。最終組み立て時の部品点数は、１６個から１２個に削減される。

好ましい実施形態では、本発明は、フィルタープレス電解槽の電池板のハードウェア用の、複合化された産業用／エンジニアリングポリマーおよび対応する鋼製外部マトリックスであり、２つの要素は、結合され連結される。
ガスケットが介挿され、固有の安全性を提供することが好ましい。

本発明の複合材は、一連の対応する鋼環の穴に密接に挿入され結合する小さいサイズの複数の差し込み部を膨張させる方法により形成される。

本発明の複合材は、応力レベルへの感受性が改良されており、これは補強されていない産業用ポリマーのみでは達成できない。さらに、ポリマー要素の長期的歪みへの感受性が大幅に改良された。

さらに重要なことには、本発明の複合材は、最終組み立て時の部品点数を削減し、効率的な部分組み立て計画の開発および実施（組み立て時間の最大２５％の短縮）を可能にする。

添付の図面を参照しながら本発明について記載する。図面は、本発明の好ましい実施形態、すなわち環状の複合電池板について示している。環は対称であるためモデルを簡略化し、環の半分のみを示している。

図１は、チタンまたは鋼の環を示している。環はほぼ平面的、すなわち実質的に平坦であり、複数の貫通孔を有しており、２００ＭＰａの極限引っ張り強度を有する射出成型された電池板と結合されている。電池板は、対応する複数のせん断差し込み部を含み、これにより２つの部品が連結される。よって、この積層体電池組立体を構成する複合電池の内部使用圧力による２軸負荷状態は、ポリマー環から鋼環への円周応力の伝達および変換によってより効果的に防止される。また、２軸負荷状態は、歪みが起こる可能性を最小限にし、ポリマー要素の歪みを、実際のチタンまたは鋼の環の歪みに対応する歪みの最大値にまでに低減するように防止される。

下記の実施例により、本発明について説明する。
［実施例１］
図１のように、複合端板が構成された。電池板の環応力は、約１２〜１４ＭＰａであった。円周応力の計算式によると、単純な環状構造が使用される場合、環応力は、８０バールで２４ＭＰａになる。これにより、ポリマー要素および金属要素を結合させ係合させた複合電池板の構造は、円周応力を低減し、電気化学電池の寿命を延ばすことが分かる。

［実施例２］
実施例１の複合端板に、０から３０バールの圧力で５０，０００回を超えるサイクル試験を行った。端板に故障は出なかった。これは、約１９年の耐用年数に相当し、本発明の端板の耐久性が非常に高いことを示す。

Claims (15)

1. 弾性金属要素と複数の係合点で横方向に結合され連結されたポリマー要素を含む、複合電池板。
2. 前記ポリマー要素が、前記金属要素の対応する穴と前記係合点で係合し連結する複数の突起を含む、請求項１に記載の電池板。
3. 前記係合点が、前記端板の周縁に間隔をあけて配置されている、請求項１または請求項２に記載の電池板。
4. 円形である、請求項１〜３のいずれかに記載の電池板。
5. 中空リング状である、いずれかの請求項４に記載の電池板。
6. 前記金属要素が、鋼、チタン、ニッケル、またはニッケル合金を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の電池板。
7. ガスケットが、前記ポリマー要素と前記金属要素との間に介挿されている、請求項１〜６のいずれかに記載の電池板。
8. 前記突起が、前記ポリマー要素と一体化している、請求項１〜７のいずれかに記載の電池板。
9. 各突起が前記ポリマー要素の差し込み部である、請求項２から８のいずれかに記載の電池板。
10. 前記ポリマー要素が、エンジニアリングポリマーを含む、請求項１〜９のいずれかに記載の電池板。
11. 前記エンジニアリングポリマーが、ポリエーテルエーテルケトンを含む、請求項１０に記載の電池板。
12. 前記ポリエーテルエーテルケトンが、炭素繊維で補強されている、請求項１１に記載の電池板。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の２枚の複合電池端板の間に配置された膜電極組立体を含む電気化学電池。
14. 前記ポリマー要素を前記金属要素に前記係合点で嵌合させる工程と、
    前記ポリマー要素および前記金属要素が前記係合点で係合し連結するように前記ポリマーを膨張させる工程と
    を含む、請求項１から１３のいずれかに記載の電池端板の製造方法。
15. 請求項１から１２のいずれかに記載の電池板の電気化学電池内での使用。

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