專(zhuān)利名稱(chēng)：彈性集流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電化學(xué)電池的新型集流體，尤其適用于電解池、燃料電池或分為至少兩個(gè)隔間的其它類(lèi)型的電池，其中所述隔板是離子交換膜或特點(diǎn)在于有限的機(jī)械阻力的任何其它類(lèi)型的可半透過(guò)膜。
本發(fā)明的集流體可用于確保在由間隙隔開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)電表面之間的電連接，在電化學(xué)電池的情況下該間隙通常用于輸送反應(yīng)物、釋放產(chǎn)物、循環(huán)電解液、或用于流體的熱調(diào)整、或兩種或多種這些作用的組合。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知借助可變形彈性元件、通過(guò)在電化學(xué)電池內(nèi)部的這種類(lèi)型的接觸所取得的優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，可變形彈性集流體的典型例子是發(fā)泡金屬(metal foam)和網(wǎng)狀多孔材料，正如在US4657650中所描述的那樣。工業(yè)上更普及的另一個(gè)例子是夾層金屬線(xiàn)結(jié)構(gòu)，正如在US4693797中描述的那樣。這種類(lèi)型的可變形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在兩個(gè)導(dǎo)電表面之間傳輸電流、部分地彌補(bǔ)它們平整度的偏差，這歸因于它們可承受不同的局部壓縮。因此，由于機(jī)械及電特性使用它們是有利的，從而提高了在使用它們時(shí)電池的效率。尤其是，顯然，隨著由集流體施加到導(dǎo)電表面的接觸壓力增加，電流轉(zhuǎn)移/傳輸?shù)男试黾?。此外，所述壓力必須?yōu)選施加成使集流體在彈性狀態(tài)下工作，以彌補(bǔ)可能由于膨脹、振動(dòng)或者可能使體系的幾何結(jié)構(gòu)在顯微范圍內(nèi)變化的其它現(xiàn)象造成的尺寸變化。但在許多實(shí)際應(yīng)用中，由集流體施加的壓力不應(yīng)當(dāng)超過(guò)限定閾值，以避免機(jī)械損傷。例如就人們所知，在其中一個(gè)或多個(gè)腔室采用可半透過(guò)膜如離子交換膜的電化學(xué)電池中，所述間隔元件具有非常有限的機(jī)械抗力，僅在特定閾值以下可抵抗機(jī)械載荷。然而機(jī)械阻力的問(wèn)題不僅影響隔板，因?yàn)槿藗冎离娀瘜W(xué)電池可設(shè)置有可變形電極例如非常薄的金屬網(wǎng)板或具有有限彈性的含碳材料的氣體擴(kuò)散電極例如碳紙或碳布，載荷超過(guò)例如0.35-0.4kg/cm2就很難再有可靠性。
在US4693797中描述的墊層已發(fā)現(xiàn)了值得注意的工業(yè)用途，這是鑒于以下事實(shí)，如果在最佳條件下采用，當(dāng)利用離子交換膜或氣體擴(kuò)散電極或兩種所述元件時(shí)，它也能夠獲得合適的接觸壓力(表示為0.2-0.35kg/cm2)。在夾緊電池時(shí)由于壓縮引起了變形，從而保持了由這種類(lèi)型的集流體施加的接觸載荷；也就是說(shuō)，在未加壓的條件下插入該墊層，因此具有最大的膨脹，然后當(dāng)夾緊電池時(shí)受壓縮，這樣其厚度甚至減少了50％。例如，當(dāng)未加壓時(shí)墊層的厚度可達(dá)到10mm，在工作狀態(tài)，厚度為4或5mm。在US4693797的墊層的情況下，這是非?？量痰囊蛩兀?yàn)樵趬嚎s狀態(tài)下載荷曲線(xiàn)非常尖銳。也就是說(shuō)，在機(jī)械公差中的輕微誤差足以使施加于墊層載荷太小不足以獲得良好的電接觸或者載荷過(guò)分大。尤其是，如果對(duì)構(gòu)成墊層的金屬線(xiàn)夾層進(jìn)行壓縮直至金屬線(xiàn)束完全壓潰，進(jìn)一步的壓縮(即使這種壓縮較輕)包含非常重的機(jī)械載荷，在許多情況下這種載荷甚至?xí)植炕M(jìn)入非常小的區(qū)域，其中可能會(huì)發(fā)生所接觸表面的機(jī)械變形。在電池具有不適于承載重的機(jī)械載荷的元件情況下，例如薄膜或氣體擴(kuò)散電極，這很容易造成這些要求關(guān)鍵元件的機(jī)械失效。除了所述元件的一次成本之外，還必須考慮到與為了維修切斷電池和相關(guān)替換有關(guān)的成本。
在這一方面，US46933797的墊層的另一典型的不利因素是在電池中該墊層的定位，這是由于下述情況造成的墊層的外圍是可變形的，這樣，它與其它電池元件對(duì)齊以及對(duì)任何襯墊的定位就變得相當(dāng)苛刻，需要在任何情況下進(jìn)行的手工操作。因此，裝配有這種類(lèi)型的集流體的電池包含附加的裝配和維護(hù)成本，作為自動(dòng)化裝配無(wú)疑存在著風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明的目的是提供一種用在電化學(xué)電池中、能夠克服原有技術(shù)缺陷的集流體。
尤其是，本發(fā)明的目的是提供一種集流體，該集流體能夠在寬的壓縮范圍下為在電化學(xué)電池中例如在設(shè)置有隔板如隔膜、薄膜和/或氣體擴(kuò)散電極的電池中的應(yīng)用施加合適的載荷。
在另一方面，本發(fā)明的目的是提供一種優(yōu)選允許自動(dòng)裝配的電化學(xué)電池用集流體。
在又一方面，本發(fā)明的目的是提供一種裝配有克服了原有技術(shù)不足的集流體的電化學(xué)電池，例如電解池或燃料電池。
本發(fā)明包括通過(guò)將可壓縮并有彈性的層夾在中間所得到的集流體，上述每個(gè)可壓縮并有彈性的層均是通過(guò)排布金屬線(xiàn)而形成。集流體的主要特性在于，它在寬的壓縮范圍內(nèi)(至少等于集流體自身未壓縮厚度的10％)為在電化學(xué)電池中的應(yīng)用施加合適載荷的能力，表示為包括在0.15-0.40kg/cm2之間。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，相對(duì)于集流體的未壓縮狀態(tài)，其壓縮范圍在20-60％之間。這表明，例如在壓縮前典型集流體的厚度為10mm，在沒(méi)有冒脆弱元件破裂或接觸不充分的危險(xiǎn)的條件下，夾緊電池時(shí)該集流體可被壓縮至約差不多1mm，原有技術(shù)的集流體是不能獲得這一結(jié)果的。作為優(yōu)選，對(duì)于在未壓縮狀態(tài)下10mm厚的集流體，理想工作厚度是在3和6mm之間。本發(fā)明的集流體優(yōu)選由直徑在0.1和0.35mm之間的金屬線(xiàn)的夾層結(jié)構(gòu)制成；由所述夾層結(jié)構(gòu)得到的集流體的厚度優(yōu)選在5和15mm之間。用于制造本發(fā)明集流體的優(yōu)選材料是所有的金屬材料，尤其是閥金屬，例如鈦和鈦合金用于陽(yáng)極集流體，鎳或鎳合金用于陰極集流體。根據(jù)應(yīng)用，本發(fā)明的集流體還可以是雙極集流體，例如設(shè)置有朝向陰極表面的鎳層和朝向陽(yáng)極表面的鈦或其它閥金屬層。根據(jù)工藝條件，可以進(jìn)一步利用防腐材料涂覆集流體，例如陰極集流體具有銀涂層，陽(yáng)極集流體具有貴金屬或其合金或它們的氧化物的涂層。對(duì)于本發(fā)明的集流體可以采取不同的實(shí)施方式，然而作為優(yōu)選，最外層通常為平面以便將接觸盡可能均勻分布在所接觸的表面上，在電化學(xué)電池的情況下這可以是金屬表面(例如電極或金屬隔板)，但也可以是具有顯著低的平面導(dǎo)電性的表面(例如由碳材料制成的氣體擴(kuò)散電極)。交織金屬線(xiàn)的平面層受沒(méi)有充分變形度的原有技術(shù)的典型不利條件的影響，對(duì)于足夠?qū)挼膲嚎s范圍難以給出足夠的壓縮載荷。因此優(yōu)選該集流體包括金屬線(xiàn)內(nèi)層，所述金屬線(xiàn)的內(nèi)層根據(jù)由產(chǎn)品的自動(dòng)加工容易獲得的幾何結(jié)構(gòu)具有永久的波形。將本發(fā)明付諸實(shí)踐的最好方式是設(shè)置至少兩個(gè)這些內(nèi)層，層疊以便具有波形方向更偏移的定位，例如，相鄰層的波形方向可以約為90°。以此方式，可以使內(nèi)部波形層不相互摻入，這使整個(gè)結(jié)構(gòu)的壓縮特性在相對(duì)于壓縮厚度施加載荷方面更有規(guī)律、更緩和。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，集流體的各層由剛性外圍框架固定在一起，該外圍框架具有另一優(yōu)點(diǎn)—使該物體相對(duì)于該平面具有不可變形的幾何結(jié)構(gòu)。以此方式，集流體更容易應(yīng)用于由幾個(gè)電池制成的復(fù)雜裝置中，例如在由單電池的壓濾(filter press)排列制成的常規(guī)電解裝置或燃料電池堆中，即使當(dāng)預(yù)見(jiàn)自動(dòng)裝配系統(tǒng)時(shí)也是如此，從而顯著降低了生產(chǎn)和維護(hù)成本。上述結(jié)構(gòu)還提供了不可忽略的優(yōu)點(diǎn)-相對(duì)于傳統(tǒng)墊層對(duì)流體流動(dòng)開(kāi)放，這同時(shí)提高了在應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的電池中進(jìn)行電化學(xué)生產(chǎn)的可靠性以及工作效率。


圖1表示包含本發(fā)明集流體的電化學(xué)電池。
圖2表示包含本發(fā)明集流體的電化學(xué)電池的壓濾結(jié)構(gòu)。
圖3表示本發(fā)明集流體的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖4表示本發(fā)明的集流體與原有技術(shù)墊層的載荷曲線(xiàn)的比較。
圖1表示由薄膜或隔膜(2)分開(kāi)的并由兩個(gè)導(dǎo)電板(3)限定的普通電化學(xué)電池(1)；該電池通?？梢允请娊獬?、燃料電池或其它類(lèi)型的電化學(xué)反應(yīng)器。在上面發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的電極由(4)表示。電極(4)可以是通常已知用于電化學(xué)裝置的任何類(lèi)型的電極，例如，由電催化涂層任選活化的金屬片、在多孔表面如碳布或石墨上獲得的氣體擴(kuò)散電極、燒結(jié)金屬等。作為舉例，還描述了外圍襯墊(5)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道同樣也可以采用其它壓液密封系統(tǒng)。對(duì)于所描述的電極類(lèi)型和其它常用電極，直接在導(dǎo)電板(3)上獲得電接觸是不方便的。實(shí)際上，這需要過(guò)高和不實(shí)際的厚度，在許多情況下孔隙率是不夠的，更重要的是該結(jié)構(gòu)基本是剛性的，需要過(guò)高的夾持壓力來(lái)取得好的電接觸，存在對(duì)薄膜(2)不可逆損壞的危險(xiǎn)。因此，通過(guò)以?xún)?yōu)選彈性模式工作的可壓縮彈性材料優(yōu)選實(shí)現(xiàn)在板(3)和相鄰電極(4)之間的電接觸傳導(dǎo)。在圖1的情況中，這種材料是本發(fā)明的集流體(6)。但本領(lǐng)域的專(zhuān)家證實(shí)，這僅是在電化學(xué)電池中利用本發(fā)明的集流體的不同可能性之一，例如，該集流體還可有利地用于接觸屬于一個(gè)單極或雙極壓濾的兩電解器的兩個(gè)金屬板，或用于其它類(lèi)似的顯而易見(jiàn)的應(yīng)用。
圖2表示在具體的雙極情況下、在壓濾配置中的與圖1類(lèi)似的電池中采用的本發(fā)明的集流體。本發(fā)明的集流體(6)的可變形特性以及它對(duì)各種金屬板(3)的輪廓的適應(yīng)性，對(duì)于可達(dá)到一百個(gè)單電池(1)的堆，是尤為突出的。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的多層集流體(6)的優(yōu)選實(shí)施方式。在此情況下，參考標(biāo)記(7)表示兩個(gè)外層，(8)表示兩個(gè)內(nèi)層；如何利用不同數(shù)量的內(nèi)層同樣生產(chǎn)集流體(6)是很顯然的。由優(yōu)選直徑在0.1-0.35mm之間的交織金屬線(xiàn)得到的外層(7)通常具有平面的外形。內(nèi)層(8)基本上與所述外層相同，同樣由交織金屬線(xiàn)制成(為了簡(jiǎn)化圖中未詳細(xì)示出)，除了借助非常簡(jiǎn)單的機(jī)械加工，以便形成凸起(9)和凹進(jìn)(10)的規(guī)則布置，并優(yōu)選有規(guī)律的間隔開(kāi)使它們是波形的事實(shí)之外。正如圖中所示，作為優(yōu)選，一個(gè)波形的方向相對(duì)于在下面的一個(gè)波形發(fā)生偏移；在圖3的兩個(gè)內(nèi)層(8)的情況下，波形偏移90°。以此方式，幾乎完全避免兩個(gè)內(nèi)層(8)的相互摻入?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這種類(lèi)型的配置相對(duì)于原有技術(shù)的集流體、作為壓縮的函數(shù)表現(xiàn)出極為緩和的載荷曲線(xiàn)，這樣在壓縮和工作厚度方面取得了令人驚奇的寬范圍，因而所施加的機(jī)械載荷足以在不損壞電池的精巧部件的條件下達(dá)到良好的電接觸。
圖4表示鎳集流體的載荷曲線(xiàn)(12)，該鎳集流體由直徑為0.27mm的金屬線(xiàn)制成的兩個(gè)非波形的外部單層(7)和直徑為0.16mm的金屬線(xiàn)制成的兩個(gè)具有8.6mm間距的波形的內(nèi)部雙層(8)獲得，其中將一個(gè)內(nèi)層放在另一個(gè)內(nèi)層的頂部上，使各波形偏移90°并避免相互摻入。在殼體形成的外圍框架中插入所述四個(gè)層，圖中未示出?？偟奈磯嚎s厚度約為10mm。從曲線(xiàn)(12)中可以看出，以彈性模式可使用的壓縮厚度范圍(即，當(dāng)最終載荷在0.15-0.40kg/cm2之間時(shí))在3.6-5.4mm之間變化，相對(duì)于未壓縮厚度為46-64％。這是個(gè)寬范圍，很容易符合常規(guī)電池結(jié)構(gòu)的公差(tolerance)。對(duì)于根據(jù)US4693797的教導(dǎo)、由相同的鎳金屬線(xiàn)制成的6mm厚的墊層的載荷曲線(xiàn)(11)顯然，可用的工作范圍急劇減少，基本上低于未壓縮厚度的10％。
權(quán)利要求
1.一種基本上平的集流體，包括由金屬線(xiàn)構(gòu)成的可壓縮并有彈性的層的夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于，它在不低于其未壓縮厚度的10％的壓縮范圍內(nèi)施予在0.15和0.40kg/cm2之間的載荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的集流體，其特征在于所述壓縮范圍在所述未壓縮厚度的20-60％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的集流體，其特征在于所述金屬線(xiàn)的直徑在0.1-0.35mm之間。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求的集流體，其特征在于它的未壓縮厚度在5-15mm之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的集流體，其特征在于它由選自鎳、鈦及其合金的材料制成，選擇性地設(shè)置有防護(hù)涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的集流體，其特征在于所述防護(hù)涂層包括銀或貴金屬。
7.一種集流體，包括由金屬線(xiàn)構(gòu)成的可壓縮并有彈性的層的夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬線(xiàn)層包括兩個(gè)外部平面層和至少兩個(gè)內(nèi)部波形非摻入層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的集流體，其特征在于所述內(nèi)層沿著偏移約90°的兩個(gè)不同方向形成波形。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的集流體，其特征在于它在不低于其未壓縮厚度的10％的壓縮范圍內(nèi)施予在0.15和0.40kg/cm2之間的載荷。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的集流體，其特征在于所述壓縮范圍在所述未壓縮厚度的20-60％之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的集流體，其特征在于所述金屬線(xiàn)的直徑在0.1-0.35mm之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-11的集流體，其特征在于它的未壓縮厚度在5-15mm之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求7-12的集流體，其特征在于它由選自鎳、鈦及其合金的材料制成，選擇性地設(shè)置有防護(hù)涂層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的集流體，其特征在于所述防護(hù)涂層包括銀或貴金屬。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求的集流體，其特征在于它包括支撐所述可壓縮并有彈性的層的夾層結(jié)構(gòu)的外圍框架。
16.一種電化學(xué)電池，包括至少一個(gè)前述權(quán)利要求的集流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電池，其特征在于借助離子交換膜或隔膜將它至少分成兩個(gè)腔室。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其特征在于它在包括燃料電池、氯堿電解電池、鹽酸電解電池、中性鹽電解電池的組中選出。
19.根據(jù)權(quán)利要求16-18的電池，其特征在于所述集流體直接與氣體擴(kuò)散電極接觸。
20.根據(jù)權(quán)利權(quán)利要求16-19的電池，其特征在于所述兩個(gè)腔室是陽(yáng)極室和陰極室。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的電池，其特征在于所述集流體由純鈦或其合金制成，選擇性地設(shè)置有基于貴金屬或它們的氧化物的防護(hù)涂層，所述集流體放置在陽(yáng)極室中。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的電池，其特征在于所述集流體由純鎳或其合金制成，選擇性地設(shè)置有基于銀的防護(hù)涂層，所述集流體放置在陰極室中。
23.一種集流體，其特征在于它包括附圖和說(shuō)明書(shū)中的獨(dú)特元件。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于電化學(xué)電池的集流體，由金屬線(xiàn)的可壓縮并有彈性層的夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其特征在于，它在寬的壓縮范圍內(nèi)施予預(yù)定的機(jī)械載荷。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1589338SQ02823142
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2002年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者D·奧達(dá)尼, M·曼格希 申請(qǐng)人:烏德諾拉技術(shù)有限責(zé)任公司