製造電化學池的方法
2023-10-20 07:43:17
專利名稱：製造電化學池的方法
技術領域：
本發明涉及製造電化學池的方法，特別是製造具有由許多部件連接在一起構成的電(解)池組的工業用電解池或伽伐尼電池的方法。
工業用電解池或伽伐尼電池，例如二次電池、燃料電池和電解池，一般由組件製成，每個組件包括夾緊在一起構成電(解)池組的許多疊層的、層狀的部件。例如在氧化還原流動型二次電池中，該部件一般由電絕緣流動框架構成，每個框架中含有一個電極，許多此種框架與其它部件例如隔膜和網疊合在一起。此種類型的二次電池對於本領域的技術人員是公知的。
在用其部件組裝該組件時，最重要的條件是ⅰ)為了確保電(解)池組中的液體相互隔開並被良好地保存而僅有很少的洩漏，需要在電(解)池組單獨的層之間以及在電(解)池組內的每個室之間提供滿意的密封，例如使每個電極周圍的框架密封；ⅱ)該電(解)池組的每個部件層應與相鄰部件精確定位；以及ⅲ)當製造該電(解)池組的其餘部分和進行單元密封時，以疊層設置的電極、隔膜和網應保持完整並且保持原狀。一些隔膜可能會撕裂、褶皺、摺疊或穿孔和／或可能對於水的局部壓力具高敏感性。
通常，液體密封可以用例如在每個流動框架間採用彈性密封裝置如O形環或扁平墊片來實現。可用常規的定位和固定裝置，使單獨的室相對於其相鄰的室定位，而後將其安裝好以製成子組件。然而，當該電(解)池組由大量部件構成時，用許多的O形環難於獲得電(解)池組的可靠組裝，並且該組裝要耗費大量勞力。對於腐蝕性電解液化學品，具有耐化學腐蝕性的彈性材料的成本很高，並且佔該組件總成本的大部分。而且所需的O形環溝槽會不利於容易而可靠地實現框架的其它功能如液體電解質的液流分布，特別是對於具有薄框架的電(解)池組，例如當框架的厚度接近於＜2．5倍的電解液輸送槽的厚度的電(解)池組。
為避免組裝O形環的不便和花費，也已提出將該層焊接在一起來實現流體密封，例如採用摩擦焊接實現框架與框架的密封，和／或用雷射焊接實現電極與框架的密封。這一方法的缺陷在於，由於框架-框架密封過程中的移動和／或加熱而可能破壞精確定位並固定好的隔膜，需要能夠成功的焊接在一起的相容材料，不能拆卸以及需要保證焊接可靠性的措施。
已經提出了另一種類型的密封裝置，其中將一種密封機構插入流動框架中並且其中柔性翼被安裝在特別為實現密封而設置的專用槽中。此種類型的密封裝置公開在US-A-4640876中。然而實現密封所用的柔性翼難於製造，並且由於其易於撓曲從而對於環境和機械破壞敏感。
FR-A-2292345公開了一種用於將電學槽的框架部件連接在一起的舌片和溝槽裝置。在一個框架上的舌片與相鄰框架的相應溝槽相配合，並且該框架通過粘合劑、溶劑或超聲焊接固定在一起。
FR-A-2700639公開了一種靠夾緊位於相鄰框架上位置相對的舌片和溝槽之間的扁平金屬片而形成密封，該片在壓緊電(解)池組的元件的裝置作用下得以壓緊。相鄰框架之間的密封通過壓緊該扁平金屬片而實現。
現在我們研究出了一種用於製造電化學池的改進方法，該電化學池包括許多電化學部件連接在一起的電(解)池組，其中該電(解)池組部件的定位、密封和安全可由一簡單的整體密封裝置獲得。
因此，本發明提供了一種製造包括許多電化學部件的電化學池或伽伐尼電池的方法，其中的電化學部件連接在一起構成電(解)池組，該方法包括
ⅰ)提供一種由可變形聚合物材料製成的第一部件，該部件至少具有一條基本上連續的溝槽，該溝槽的凹口寬度為w且深度為h；ⅱ)提供一種第二部件，該部件至少具有一條基本上連續的凸臺，該凸臺的寬度＞w且高度＜h；ⅲ)將第一和第二部件壓合在一起以提供第二部件上的凸臺和第一部件上的凹口之間的整體密封，該部件之間的密封是由凸臺側壁與凹口側壁的密封接合而提供的；以及ⅳ)將多個第一和第二部件連接在一起構成電(解)池組。
為了實施本發明的方法，第一部件由一種可變形聚合物材料製備，這樣當第一和第二部件連接在一起時，可以獲得適當的形變分布，以達到所需的第一與第二部件之間的密封。適於製備第一部件的聚合物材料，可以包括那些能夠承受連續拉應力並能提供局部抗壓強度而不發生嚴重損壞的材料，特別是半結晶聚合物例如許多等級的聚乙烯、聚丙烯以及將兩者混合而得到的共聚物、乙縮醛、尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯、聚1，1-二氟乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物、聚氟醯氨、氯化聚甲醛及許多其它聚合物。為使第一部件具有所希望的外形，這些聚合物材料可用機加工、注模、壓模或其它方法成形。
製備第二部件所用的材料可以是可變形聚合物材料，儘管第二部件不是必須由可變形聚合物材料製備，但是它可由例如與第一部件相同的聚合物材料製備。可用於製備第二部件的其它材料是耐持續張力較差的材料，例如是可以製備第一部件的密集填充級材料，以及非結晶聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯。另外，還考慮到第二部件可以是金屬電極或碳、二氧化鈦或陶瓷部件。
在本發明的一個優選的實施方案中，第一部件上的基本連續的凹口具有垂直於或基本垂直於第一部件平面的側壁，而第二部件上的基本連續的凸臺也具有垂直於或基本垂直於第二部件平面的側壁。應該明白本發明的密封法可以從任何方向進行，這取決於將被連接在一起的部件的方向。儘管優選為垂直或基本垂直地進行密封，但是如果希望，該密封也可以高達約45°角進行。
應能理解，儘管本發明的密封裝置優選具有基本不變的橫截面，但是如果希望，該橫截面也可沿密封裝置的長度方向變化。
應能理解，電化學伽伐尼電池的大量部件是按照此種方法連接在一起的。因此，當第一和第二部件是由聚合物材料製備的時，通常第二部件不但設置有從其第一表面凸起的至少一條基本連續的凸臺，而且還通常在其第二表面上設置有至少一條基本連續的凹口，以便與另一部件連接。應能懂得任何設置有凹口的部件，即使還設置有凸臺，也必須由可變形材料製備。當第二部件是由不可變形的材料(例如金屬)製成時，為了使許多部件能夠結合在一起，需要一種不同的構造。通常在第二部件的第一和第二表面上均設置凸臺，設置在第二表面上的凸臺用於與另一具有可與之配合的溝槽並由可變形材料製成的部件連接。
將第一和第二部件連接在一起時，凹口的側壁與凸臺的側壁之間相互作用從而在其接觸處產生一定程度的應力，一般為10-100MN／m2，該應力所產生的形變足以使它們之間緊密配合。凸臺和凹口的形狀與已經獲得的緊密配合相結合，以使該應力維持在一定的水平，一般為1-10MN／m2，該應力足以抵抗電化學池使用時的應力，一般為10-1000KN／m2，而保持密封。凸臺與凹口相互作用的程度和實際形狀由製造它們的材料的機械性能、耐受性和製造時的表面精整，以及所希望的組裝和拆卸的容易程度所決定。應能理解，如果存在內部加壓，為了維持該池的整體性，則還需要製備端板和緊固條。
由於錯合所帶來的形變應足以使以凸凹接合的表面發生變化。通常第一部件的凹口的寬度w與第二部件的凸臺的寬度之間錯合的程度可以在材料的密封表面上產生0．1-20％，更優選為3-5％的應力變形。
儘管第二部件上的凸臺的寬度比第一部件上的凹口的寬度w大，以使它們沿其側壁強制接觸，對於與這些部件相鄰的其它部件來說存在反向位置。重要的是這些相鄰的其它部件處於減壓狀態，以使部件之間的強制接觸限制在其側壁處。因此凹口根部的深度比凸臺的高度大，並且凹口開口的寬度大於凸臺基部的寬度。加寬凹口的開口和減小凸臺的半徑也用於防止在組裝過程中的密封表面受損。因此本發明的密封是由凸臺的側壁和凹口的側壁相接合而提供的，並且無需用夾緊電(解)池組來形成密封或保持密封。本發明的密封所產生的力垂直於電(解)池組中的電化學部件的壓力。
然而，凹口根部的形狀必須與凸臺的形狀嚴密互補，以保持凹口的形狀並承受兩個部件接觸處所產生的力。類似的，第一部件凹口周圍的材料的尺寸必須滿足這個目的，一般將凹口周圍的固體材料設置在一定距離處，該距離不小於凹口的深度。
應能理解，該第一部件可以包括許多凹口，而該第二部件可以包括相同數量的並可與之配合的凸臺，從而使兩個部件在一個以上的位置處相互密封，並連接在一起。另一方面，該第一部件可與一個以上的第二部件密封，從而使第一部件上的凹口數與第二部件上的凸臺數相等。
可以將許多電化學部件連接在一起以形成子組件電(解)池組，例如含有10個或更多個整體電(解)池的子組件電(解)池組。按照此種設置，隔膜和其它電(解)池部件不會過度受壓。該子組件電(解)池組一旦形成即能比較耐用並且可作為一個單元來使用。而後，可以用公知技術或用本發明的方法將幾個子組件電(解)池組連接在一起以提供所希望的最終組件。例如可將10個子組件電(解)池組連接在一起，以製成含有100個以上整體電(解)池的最終組件，或將更多的子組件電(解)池組連接在一起以製成含有幾百個整體電(解)池的最終組件。
採用本發明的方法，可以使用最少的設備、步驟和最低的成本並用相對簡單的方法，製造出具有所需耐受性的電化學池或伽伐尼電池。另一方面重要的是，由於第一和第二部件之間的密封是由機械裝置提供的，它可用於將不同聚合物材料製成的部件相連接，包括那些本領域中已經使用的在焊接技術中不相容的材料。本發明方法的另一優點在於，可以將部件拆卸以查找並修復損壞，這些損壞不一定與密封機構相關，但是可能是產生在例如隔膜或電極上的損壞。
特別地，本發明的方法可用於將電化學池的框架部件與電極連接，即使在製備框架和電極的材料不適於焊接在一起時也可使用本發明的方法。
本發明將參照附圖作進一步的描述
圖1A所示為第一部件和第二部件壓合在一起之前的截面示意圖；圖1B所示為當圖1A中的第一部件與第二部件壓合在一起時的截面示意圖；圖2所示為按照本發明的方法製成的電化學池的截面示意圖；以及圖3A和3B所示為另一第一部件與另一與之相互配合的第二部件未壓合在一起之前的截面示意圖。
參看圖1A和1B，由可變形的熱塑性材料如高密度聚乙烯製成的第一部件1具有溝槽2，其寬度為w且其高度為h。第二部件3上具有凸臺4。可以從凸臺4和凹口2的相對尺寸看出凸臺的寬度大於w且高度小於h。
部件1和3壓合在一起，其中凸臺4壓入凹口2中，凹口發生足夠的形變以包容凸臺。
兩部件之間的密封是由凹口2與凸臺4的垂直側壁提供的，如圖1B中的S和S』所示。
參看圖2，所示為氧化還原流動電池5的橫截面示意圖。該電池包括12個雙性電極6組成的電(解)池組，其末端設置電連接件7和8。該雙性電極由陽離子交換膜9相互分隔開，並且每個電極與絕緣流動框架10相連。每個絕緣流動框架10通過參照圖1A和1B形成的部件之間的密封與下一框架連接成電(解)池組。流動框架10上的凸臺由4表示，該凸臺沿框架連續延伸或基本連續延伸。凸臺4壓入相鄰流動框架的與之配合的連續或基本連續的溝槽中。電極6通過適當的裝置(未示出)與絕緣流動框架10相密封。
兩種電解液A和B填充於雙性電極6和隔膜9交替側之間的空隙中。用於分散電解液A和B的流動分散裝置未示出。
氧化還原流動電池具有端板11和12，該端板靠此種方式加工成形，以使其可以分別密封到電(解)池組的頂部流動框架和底部框架上。
應當理解，如果內部加壓，則需要使用緊固條和端板(未示出)來保持電(解)池的整體性。
參照圖3A和3B，第一部件20(在圖3A中放大了10倍)是由可變形熱塑性材料如高密度聚乙烯製成。該部件具有凹口21其高度為h。凹口的壁具有開始於點X的較小的向內傾斜。在內壁開始傾斜的點X處，凹口的寬度w為2．614mm而內壁斜面終止處的寬度w』為2．358mm。
第二部件23(在圖3B中放大了10倍)是由聚乙烯製成的。該第二部件具有凸臺24。該凸臺的高度H比圖3A中的凹口21的高度h小。在其最大寬度處該凸臺的寬度W為2．512mm，比凹口21的寬度w大。
部件20和23通過將凸臺24壓入凹口21而壓合在一起，該凹口充分形變以包容凸臺。如圖3A和3B中所示的設計，部件20和23之間的密封面積小到可實用的最小程度，由於這種設計所產生的力小於有較大密封面積的設計所產生的力從而便於部件的組裝和維修。
權利要求
1.一種製造包括多個電化學部件的電化學池或伽伐尼電池的方法，其中的電化學部件連接在一起構成電(解)池組，該方法包括ⅰ)提供一種由可變形聚合物材料製成的第一部件，該部件至少具有一條基本上連續的溝槽，該溝槽的凹口寬度為w且深度為h；ⅱ)提供一種第二部件，該部件至少具有一條基本上連續的凸臺，該凸臺的寬度＞w且高度＜h；ⅲ)將第一和第二部件壓合在一起以提供第二部件上的凸臺和第一部件上的凹口之間的整體密封，該部件之間的密封是由凸臺側壁與凹口側壁的密封接合而提供的；以及ⅳ)將許多第一和第二部件連接在一起構成電(解)池組。
2.根據權利要求1所述的方法，其中第一部件的溝槽凹口的寬度w與第二部件的凸臺的寬度之間的錯合程度是能產生0．1-20％的應力變形。
3.根據權利要求2的方法，其中應力變形為3-5％。
4.根據任何一項在前的權利要求所述的方法，其中第一部件包括多個基本連續的溝槽，而第二部件包括相同數量並與之相互配合的基本連續的凸臺。
5.根據任何一項在前的權利要求所述的方法，其中第一部件是由聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯和聚丙烯的共聚物、乙縮醛、尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯、聚1，1-二氟乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚氟醯氨或氯化聚甲醛。
6.根據任何一項在前的權利要求所述的方法，其中第二部件是由可製備第一部件的填充級材料，或聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯製備的。
7.根據任何一項在前的權利要求所述的方法，其中將許多電化學部件連接在一起製成子組件電(解)池組。
8.根據權利要求7所述的方法，其中將許多子組件電(解)池組連接在一起製成組件。
9.根據權利要求8所述的方法，其中該組件是由幾百個整體電(解)池構成的。
10.一種二次電池、燃料電池或電解池，是用任一項在前的權利要求所述的方法製成的。
全文摘要
一種製造包括許多電化學部件的電化學池或伽伐尼電池的方法,其中的電化學部件連接在一起構成電(解)池組,該方法包括:i)提供一種由可變形聚合物材料製成的第一部件(1),該部件至少具有一條基本上連續的溝槽(2),該溝槽的凹口寬度為w且深度為h;ii)提供一種第二部件(3),該部件至少具有一條基本上連續的凸臺(4),該凸臺的寬度 w且高度 h;iii)將第一和第二部件壓合在一起以提供第二部件上的凸臺和第一部件上的凹口之間的整體密封,該部件之間的密封是由凸臺側壁與凹口側壁的密封接合而提供的;以及iv)將許多第一和第二部件連接在一起構成電(解)池組。
文檔編號H01M2/02GK1206505SQ96199349
公開日1999年1月27日 申請日期1996年12月19日 優先權日1996年12月19日
發明者D·G·克拉克, S·H·約瑟夫, S·E·馬勒 申請人:國家電力有限公司