NO156035B - Folieforbindinger. - Google Patents

Description

Brenselcellebatteri og fremgangsmåte ved dets fremstilling.

Et brenselcellebatteri består i almindelighet

av et antall anode-, katode- og tetningselementer og ofte også kjøleelementer, som alle er stablet til et batteri. Et element kan da bestå av en sentralt anordnet, aktiv del, fortrinnsvis i form av en plate som er festet i en omgivende plastramme. Elementenes plastrammer er forsynt med i stablingsretningen anordnede hull som sammen med mellom hullene anordnede tetningselementer, med hvilke hullene danner sammenhengende forbindelser, tjener som kanaler for tilførsel av brensel, oksydasjonsmiddel og eventuelt kjølemiddel til de spalter mellom elementene, hvor vedkommende medium skal

føres. For tetning utad er der vanligvis anordnet tetningsringer mellom plastrammene rett innenfor disses ytterkanter. Elementene holdes sammen til en sammenhengende enhet ved hjelp av endeplater som er forbundet med hinannen ved hjelp av lange bolter.

Det trykk som de sammenholdende bolter skal oppta, er sterkt avhengig av det indre trykk i batteriet. Kompresjonen av tetningselementene krever også et betydelig trykk. Dette medfører at endeplatene er meget tunge og plasskrevende, hvilket er en alvorlig ulempe ved de kjente brenselcellebatterier av den foreliggende type. En annen alvorlig ulempe er at monteringen av batteriene med det nødvendige meget store antall tetningselementer i form av f. eks. pak-ninger eller 0-ringer, er temmelig tidskrevende.

I henhold til foreliggende oppfinnelse unn-gås anvendelsen av endeplater helt eller mulig-gjøres anvendelse av betydelig mindre og lettere endeplater enn hittil. Dertil muliggjøres anvendelse av en fremstillingsmetode for batteriene som egner seg for masseproduksjon.

Ved oppfinnelsen utnyttes det i og for seg kjente forhold at deler av termoplast, f. eks. rør, kan føyes sammen ved hjelp av en smelte av termoplast, hvor smeltingen bl. a. kan bevirkes ved høyfrekvensoppvarmning.

Oppfinnelsen angår nærmere bestemt et brenselcellebatteri som omfatter minst to elektrodeelementer som hvert består av en sentralt anordnet, aktiv elektrode som er festet i en omgivende ramme som helt eller delvis består av termoplast, samt eventuelle kjøleelementer som hvert består av et sentralt anordnet, aktivt kjøleorgan som er festet i en omgivende ramme som helt eller delvis består av termoplast, hvilke elementer er stablet til en pakke med mellomrom mellom indre deler og i rammene er forsynt med mellom disse anordnede forbindelser for avgrensning av mellomrommene utad og med i hovedsaken i stableretningen forløpende hull for tilførsel av brensel, oksydasj onsmiddel og eventuelt kjølemiddel, idet hull med samme funksjon er anordnet i forbindelse med hverandre over kanaler som i det minste delvis er dannet av hullenes begrensningsvegger som i hovedsaken forløper i stableretningen. Oppfinnelsen utmerker seg ved at elementene er direkte eller indirekte innbyrdes forbundet ved hjelp av forbindelser som forløper rundt rammenes hull, og forbindelser som forløper rundt rammen,,, hvilke forbindelser har form av en stivnet smelte av termoplast.

I et batteri i henhold til oppfinnelsen, hvor forbindelsene mellom de forskjellige elementer er anordnet på den ovenfor angitte måte, for-deles de krefter som kreves for å trekke og holde sammen batteriet på hvert av elementene, hvilket medfører den ovennevnte fordel at tunge og plasskrevende endeplater kan unnværes. Dertil oppnåes av samme årsak den fordel at de enkelte elementer selv utsettes for meget mindre på-kjenninger, således at faren for brudd og sprekk-dannelser i dem blir betydelig mindre.

Det er særlig fordelaktig å forbinde inntil-liggende elektrodeelementers ramme med ved hjelp av en stivnet smelte av samme termoplast som den i rammene. Derved får batteriet en særlig homogen struktur. Forbindelsene får da samme motstandskraft mot forskjellige påkjen-ninger som rammene selv, og videre blir det mulig å sveise rammene sammen, dvs. anvende en fremgangsmåte som egner seg for masseproduksjon..

Rammen kan med fordel være fremstilt helt og holdent av termoplastmateriale, såsom poly-ethen, polypropen,' fluorplaster, klorerte polyetre, polyvinylklorid, nylon-etc. Rammen kan være armert medr glassfibere, tekstiler, metallstruk-turer eller på "annet vis for å minske krympe-ef f ekter og øke styrken.. Også plåstbelagte me-tallrammer kan komme på tale.

. * Elementenes plastrammer kan blant annet være. dirékté forbundet med hinannen i områdene rundt hullene ,og hvor mellomrommene avgrenses " utad.". Rammene kan også være in-direkté forbundet" méd hverandre f. eks. ved hjelp av. mellom dem anordnede mellomlegg av termoplast méd'-forbindelser i form av stivnet smelte av en termoplast ved vedkommende mellomleggs' to1 énder; 'idet hvert mellomlegg som erianordriet ved. et hulL i rammene, er forsynt mediet', i • elementenes ' stableretning løpende

gjennomgående hull. Mellomleggene kan også være fremstilt av andre materialer, f. eks. et metallisk materiale, såsom nikkel. En stivnet smelte av termoplast kan da forbinde mellomleggene med vedkommende plastrammer. Smeltning av termoplastmaterialet kan bevirkes ved at det metalliske mellomlegg varmes på elektrisk vei ved at der ledes en elektrisk strøm gjennom det. Elektriske strømmer kan også induseres i mellomleggene ved hjelp av høyfrekvente elektriske og magnetiske felt. Disse metoder kan også anvendes ved mellomlegg av plast eller når der ikke kommer mellomlegg til anvendelse, idet oppvarmningen skjer på ovenfor nevnte måte med f. eks. en tynn metalltråd eller metallprofil som er anordnet i fugene. Metalltråden hen-holdsvis metallprofilet lar man da hensiktsmessig bli tilbake i termoplasten, hvis det er tale om en fuge ved et hull i en plastramme, men fjernes med fordel ved en perifer fuge som avgrenser et elektrolyttrom, et gassrom eller et kjølemedierom. Fugene kan også. tilveiebringes på kjent vis ved sveising med høyfrekvens eller på termisk vei med eller uten tilsetningsmate-riale.

Det er praktisk å tilveiebringe samtlige forbindelser i én kanal samtidig. Hvis der anvendes høyfrekvens for direkte eller indirekte smelting av plastmaterialet, kan der føres en elektrode ned i de kanaler som dannes av hullene i plast-rammen når disse stables til en modul. Sveising på termisk vei kan f. eks. skje med het gass som bringes til å strømme i kanalen, ved hjelp av en mindre sveiseflamme som bestryker kanalens indre flater, ved hjelp av et nedført varmt legeme som eventuelt står i direkte kontakt med kanalveggene etc. For å lette smeltningen av termoplasten kan hullene utformes således at en stor flate utsettes for varmeoverføringen, f. eks. ved at hullseksjonen utformes stjerne-formet. Etter at termoplastmaterialet er bragt til å smelte på hullenes innside, kan hullene gis et rundt tverrsnitt ved at en rund stav føres inn i dem.

Da kanalene skal stå i forbindelse med mellomrommene mellom visse elementer, en hydrogengasskanal skal således kommunisere med hydrogengassrommene i modulen, anordnes der uttak på disse steder i kanalen. Disse uttak kan eventuelt forsterkes med innsatser. Sådanne innsatser kan også være av den art at de kan fjernes ved oppløsning eller på annet vis etter sveisingen, eller de kan bli tilbake i systemet. En meget egnet metode består i at der først fremstilles en tett, gjennomgående kanal som eventuelt kan forsterkes ytterligere med et inn-ført plastrør som også sveises til kanalveggene ved at et oppvarmet stempel trekkes gjennom plastrøret som derved smeltes og trykkes mot veggene. Forbindelser bores derpå vinkelrett gjennom kanalen fra modulens side, således at den ønskede fri forbindelse tilveiebringes på dertil bestemte steder. Hullene fra periferien kan siden tettes med en plastplugg som smeltes på plass.

Brenselcellebatterier som er bygget opp i henhold til denne oppfinnelse, kan varieres på mange forskjellige måter. Det er således mulig å la hele batteriet bestå av en eneste sammenhengende modul eller av et antall mindre moduler anordnet i serie eller på annen måte forbundet med hverandre til et større batteri. Særlige koblingselementer kan i sistnevnte tilfelle være nødvendig for å tilveiebringe en tett forbindelse mellom de mindre moduler ved kanalene. De enkelte celler kan innenfor en enkel modul serie- eller parallellkobles eller kobles i en kombinasjon av serie og parallellkobling. Koblingen kan skje internt i eventuelle sær-skilte kanaler i batteriet eller over strømavle-dere anordnet utenfor elektrodeelementene.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved beskrivelse av et antall utførelseseksempler under henvisning til tegningene, hvor fig. la viser den ene halvdel av et brenselcellebatteri i henhold til oppfinnelsen i snitt, fig. lb viser samme batteri sett mot den ene endeflate og fig. 2, 3, 4 og 5 viser mindre partier av brenselcellebatterier med forskjellige typer av forbindelse mellom tilstøtende elementer.

Fig. la viser et tverrsnitt av et brenselcellebatteri som inneholder to celleenheter. Katode-elementer 1 er bygget opp av hydrogengass-elektroder 2 som er innfattet i plastrammer 3a. Plastrammene er forsynt med belger 4 for ut-jevning av dimensjonsendringer i systemet. Anodeelementer 5 består av oksygengasselek-troder 6 som er innfattet i plastrammer 3b som i dette eksempel har samme utseende som de tilsvarende plastrammer for katodeelementene. Elektrodene i de to anodeelementer 5 kan være forbundet med en strømskinne over ikke viste strømavledere, hvilket også gjelder for katode-elementenes elektroder, idet de to celler er pa-rallellkoblet. Cellene kan også kobles i serie. Disse strømskinner er med fordel anordnet i spesielle kanaler som er gasstett adskilte fra samtlige rom, foruten de gassrom som kommuniserer med vedkommende strømavleder. Strømskinnene kan føres gasstett gjennom spesielle gjennomføringer anordnet i de to endeelementer 7 som like-ledes er av termoplast. Det viste batteri inneholder også en kjølelomme bygget opp av to kjøleelementer 9 med sentralt anordnede kjøle-plater 10 festet i rammer 3c.

Elementstabellen avgrenses av de to endeelementer 7 samt to metalliske endeplater 11 som er skrudd sammen med bolter 12 i pakkens periferi fig. lb.

Elektrodene er gasstett festet i plastrammene, i hvis periferi der er anordnet kanaler som tjener til tilførsel av hydrogen 13, fjernelse av vann som er kondensert på kjøleelementene 14, tilførsel av oksygen 15, tilførsel av kjølevann til kjøleelementene 16, fjernelse av kjølevann fra kjøleelementene 17, tilførsel av elektrolytt 18, borttransport av elektrolytt 19 og kanaler 20 og 21 for den negative og positive strømskinne. Disse kanaler står i forbindelse med vedkommende hydrogengassrom, oksygengassrom, kjøle-lomme og elektrolyttrom.

Hydrogengasselektrodene er tilvirket av sintret nikkel som er aktivisert med edelme-taller. Oksygengasselektrodene er tilvirket av sintret nikkel og sølv. Termoplasten i rammene utgjøres av en klorert polyeter.

De enkelte elementer er fast forbundet med hverandre dels ved forbindelser 27 om de gjennomgående kanaler og dels ved forbindelser 28 langs periferien (fig. la). Disse forbindelser er anordnet i henhold til oppfinnelsen på følgende måte. Elementene presses sammen etter stabling i den tilsiktede rekkefølge til en sammenhengende pakke i en jigg. De gjennomgående kanaler 13—21 er sveiset sammen med het gass som er blåst gjennom kanalene, og formet med opp-varmede stempler som er ført gjennom kanalene med sine smeltede innervegger. Tverrkanaler er deretter anordnet ved boring, således at de gjennomgående kanalers vegger er gjennom-brutt på de tilsiktede steder, f. eks. ved 22 og 23 i anordningen på fig. la. Hullet 22 gjennom rammens perifere begrensingsvegg lukkes derpå med en plastplugg 24, som fig. la viser. Rommet 25 står i forbindelse med rommet 26 over en kanal som ikke fremgår av snittet fig. la. På analog, måte er forbindelser anordnet mellom de øvrige kanaler og de rom som disse kanaler skal være forbundet med. Tetningen langs periferien er i dette tilfelle oppnådd ved smeltning av cellepakkens ytterlag. Pakken er derunder blitt forvarmet til nær smeltetemperatur, hvoretter overflatelaget på pakken er opphetet til smelting. Opphetingen kan bevirkes med stråle-varme, omspyling med het gass etc. Samtidig eller etter denne operasjon kan der eventuelt sprøytes smeltet plast, f. eks. med en plasma-jettpistol.

Det ferdige batteri holdes hensiktsmessig på forhøyet temperatur en viss tid for spen-ningsutjevning. Fig. 2 til 5 viser alternative måter for til-veiebringelse av forbindelsene. Fig. 2 viser en forbindelse 27 som er oppnådd ved sveising med en med høyfrekvens oppvarmet metallring 29, og fig. 3 viser en indirekte forbindelse med et metallisk mellomlegg av nikkel 30. Dette mellomlegg er fast forbundet med plastrammene 1 og 5 ved en sone 31 av stivnet smelte. Fig. 4 viser et tverrsnitt av en kanal 17, hvis indre vegger er forstørret med slisser 32 for forbedring av varmetransporten under sveisingen. Etter gjennomført sveising og kalibrering tiar denne kanal sirkulært tverrsnitt. Fig. 5 viser en perifer kanttetning med direkte elektrisk motstandsoppvarmning med to motstands-stråler. Trådene fjernes, etter sveising, hvorved der dannes hulrom 33 i kanalen. Elementene 1 og 5 er fast forbundne ved soner av stivnet smelte 34. Denne sistnevnte metode å tilveiebringe den periferiske forbindelse på, egner seg særlig for batterier med kvadratisk eller annen polygonal form.

Claims (6)

1. Brenselcellebatteri som omfatter minst to elektrodeelementer (1, 5) som hvert består av en sentralt anordnet, aktiv elektrode (2, 6) som er festet i en omgivende ramme (3a, 3b) som helt eller delvis består av termoplast, samt eventuelle kjøleelementer (9) som hvert består av et sentralt anordnet, aktivt kjøleorgan (10) som er festet i en omgivende ramme (3b) som helt

eller delvis består av termoplast, hvilke elementer er stablet til en pakke med med mellomrom mellom indre deler og i rammene er forsynt med mellom disse anordnede forbindelser (28, 34) for avgrensing av mellomrommene utad og med i hovedsaken i stableretningen forløpende hull for tilførsel av brensel, oksydasjonsmiddel og eventuelt kjølemiddel, idet hull med samme funksjon er anordnet i forbindelse med hverandre over kanaler (13, 15, 16) som i det minste delvis er dannet av hullenes begrensingsvegger som i hovedsaken forløper i stableretningen, karakterisert ved at elementene er direkte eller indirekte innbyrdes forbundet ved hjelp av forbindelser (27, 31) som forløper rundt rammens hull (13—21), og forbindelser (28, 34) som forløper rundt rammene (3a, 3b, 3c, 7), hvilke forbindelser har form av en stivnet smelte av termoplast.

2. Brenselcellebatteri i henhold til krav 1, karakterisert ved at elementenes rammer (3a, 3b, 3c) er direkte forbundet med hverandre i områdene rundt hullene.

3. Brenselcellebatteri i henhold til krav 1, karakterisert ved at elementenes rammer (3a, 3b, 3c) er forbundet med hverandre med mellom tilstøtende rammer anordnede mellomlegg (30) med forbindelser (31) i form av stivnet smelte av en termoplast ved vedkommende mellomleggs (30) to ender, idet mellom-legget (30) er forsynt med et i elementenes stableretning løpende, gjennomgående hull.

4. Brenselcellebatteri i henhold til et av kravene 1—3, karakterisert ved at den stivnede smelte av termoplast er en termoplast av samme slag som den i rammene.

5. Fremgangsmåte ved fremstilling av et brenselcellebatteri i henhold til krav 1 og 2, karakterisert ved at metalltråder, metallprofiler eller lignende (29, 30) anordnes rundt hullene i elementenes rammer (3a, 3b, 3c), hvoretter forbindelsene (27, 31) rundt hullene tilveiebringes ved høyfrekvensoppvarmning av metalltrådene eller tilsvarende (29, 30) som derved oppvarmer tilstøtende områder av termoplasten og muliggjør sammenføyning av to inntil hinannen anordnede elementer (1, 5, 9) rundt rammenes (3a, 3b, 3c) hull.

6. Fremgangsmåte ved fremstilling av et brenselcellebatteri i henhold til krav 1—3, karakterisert ved at batteriets elementer (1, 5, 9) stables til en pakke, hvoretter forbindelsene (27, 31) rundt hullene tilveiebringes på den i krav 4 angitte måte, og forbindelser (28, 34) som avgrenser mellomrommene utad, tilveiebringes ved høyfrekvensoppvarmning av metalltråder, metallprofiler eller lignende anordnet på de steder nær pakkens utside, hvor to inntil hinannen anordnede elementer med rammedeler av termoplast støter sammen, eller ved påsprøyt-ning av en smelte av termoplast på de steder på pakkens utside, hvor to inntil hverandre anordnede elementer støter sammen.