DE2104918A1 - Chemoelektnsche Batterie und Ver fahren zur Herstellung einer solchen Batterie - Google Patents
Chemoelektnsche Batterie und Ver fahren zur Herstellung einer solchen BatterieInfo
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Description
PATENTANWÄLTIN
6 FRANKFUET/M.
KRÖGERSTR. 5-TEL 281507
AKTIEBOLAGET TUDOR 2. Februar 1971
S-105 28 Stockholm
Schweden Case 623
Chemoelektrische Batterie und Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie
Eine chemoelektrische Zelle wandelt chemische in elektrische Energie auf elektrochemischem Wege um. Eine chemoelektrische
Batterie ist aus mehreren solcher Zellen aufgebaut, welche jede mindestens eine negative bzw. positive Elektrode enthält.
In diese Klasse von Energieumwandlern fallen somit alle konventionellen elektrochemischen Stromquellen wie
Primärbatterien, Brennstoffbatterien, Akkumulatoren, Metallluftbatterien
usw.
Der konstruktive Aufbau der chemoelektrischen Batterie variiert ganz beträchtlich. Brennstoffbatterien und Metallluftbatterien
sind oft aus verhältnismäßig dünnen Elementen aufgebaut, die zueinander in einer funktioneilen Weise angeordnet
sind. Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche chemoelektrische Batterie, die aufgebaut ist aus einer Anzahl
von Anoden- und Kathoden- sowie eventuell Kühl- und Zwischenelementen mit vorzugsweise ebener Ausdehnung, welche zu
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einem Modul oder einer Batterie gestapelt werden. Ein Element enthält im allgemeinen einen zentral angeordneten funktioneilen,
in einem umgebenden Kunststoff- oder Kautschukrahmen angebrachten Teil. Im funktioneilen Teil ist z.B. das Elektrodenmaterial,
oder in den Brennstoffzellen das katalytisch aktive Material angebracht. Die Rahmen der Elemente können mit in
Stapelrichtung gehenden Löchern versehen sein. Diese Löcher bilden im Stapel zusammenhängende Verbindungen, die als
Kanäle für die Zufuhr von beispielsweise Elektrolyt und anderen Mitteln dienen, die in der Batterie zirkulieren, z.B. Brennstoff-,
Oxydations- und evtl. Kühlmittel bei chemoelektrischen Batterien vom Brennstoffzellen-Typ. Zur Abdichtung nach außen
hin sind gewöhnlich Packungen oder O-Ringe zwischen den Kunststoffrahmen
unmittelbar innerhalb von deren Außenkanten angebracht.
Die Elemente werden zu einer zusammenhängenden Einheit zusammengehalten
mittels Endplatten, die miteinander durch Bolzen, Zugstangen oder auf andere Weise verbunden sind. Der
Druck, den die zusammenhaltenden Bolzen aufnehmen sollen, hängt u.a. von dem inneren Druck in der Batterie ab. Dieser
innere Druck ist bei den meisten elektrisch regenerierbaren chemoelektrischen Batterien einzig und allein bedingt durch
den hydrostatischen Druck des Elektrolyten, sowie durch die Druckkräfte, die dadurch entstehen können, daß die aktive
Masse ihr Volumen bei der Zellenreaktion verändert. Bei
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anderen Typen von chemoelektrischen Elementen, z.B. Metall- ν
luftbatterien und Brennstoffbatterien, können dagegen zugeführte
Gase, beispielsweise Luft und Wasserstoffgas auf einem höheren Druck liegen als der Elektrolyt. Die Komprimierung
der Dichtungselemente erfordert ebenfalls einen gewissen Druck. Die Endplatten für diese Art von Batterien
werden daher oft schwer und voluminös besonders bei Brennstoff batterien, die für hohen Unterschiedsdruck vorgesehen
sind, was ein großer Nachteil ist. Ein anderer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß die Montage der Batterien mit deren
sehr großer Anzahl von Dichtungselementen wie Packungen und O-Ringe eine zeitraubende und beschwerliche Arbeit ist. In
der Praxis ist es z.B. oft schwierig, alle O-Ringe an ihrer richtigen Stelle anzubringen. Um diese Nachteile zu eliminieren,
ist vorgeschlagen worden, die Elemente so zusammenzuschweißen, daß sie mit den rund um die Löcher der Rahmen laufenden
Verbindungen verankert werden,und zwar mittels erstarrter Schmelze aus Thermoplast sowie mit den an den zur Abgrenzung
der Zwischenräume angebrachten Verbindungen mit erstarrter Thermoplastschmelze. Anstelle von erstarrter Schmelze aus
Thermoplast können auch Leimfugen verwendet werden. Diese Konstruktions- und Zusaimnenfugmethode, die vor allem bei
für Wasserstoffgas und Sauerstoffgas vorgesehenen Brennstoffzellen
angewandt wird, ergibt, wie sich gezeigt hat, dichte und stabile Batterien. Eine Zusammenfugmethode, die sich
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dagegen als besonders geeignet erwiesen hat, ist die Schweißfugung,
wobei das eine Element an das andere gefugt wird nachdem die Pugeflächen durch Kontakt mit einem erhitzten
Werkzeug zum Schmelzen gebracht worden sind. Das Schweißfugen ergibt nun gewiß gute Fugen, ist aber leider auch eine zeitraubende
Arbeit, weshalb die Produktionskosten für diese Art von Batterien in der Praxis hoch sind. Ein anderer wesentlicher
Nachteil mit diesen ganzgeschweißten Batterien ist der, daß sie zwecks Reinigung nicht demontiert, daß Elektroden
nicht ausgewechselt werden können usw. Dies ist ein großer Nachteil, wenn man bedenkt, daß viele dieser Systeme nach
Alterung leicht regneriert werden können, vorausgesetzt, daß die Elektroden für eine Behandlung zugänglich sind.
Die vorliegende Erfindung ergibt dieselbe technische Wirkung wie die vorstehend beschriebene Methode mit Zusammenleimung
oder -schweißung der Elemente, indem sie eine stabile und dichte Konstruktion ergibt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung
im Vergleich zu früheren Techniken liegt in den bedeutend niedrigeren Produktionskosten, weil das Leimungsoder
Schweißmoment wegfällt, sowie in der Möglichkeit einer einfachen Demontage zur Inspektion oder Regenerierung der
Elektrodenelemente, ohne daß die Elemente zerstört werden. Eine besondere Schwierigkeit bei der Schweiß- und Leimungs-
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methode liegt auch darin, daß oft sogenannte Nebenkanäle aufgenommen
werden müssen, um die Verbindungen zwischen den Kanälen und den Räumen, die mit den infragenstehenden Kanälen in
Verbindung stehen sollen, herzustellen. Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung, die es erlaubt, daß die
Elemente in ihrer endgültigen Form und mit sämtlichen Funktionen montagebereit hergestellt werden können, völlig
umgagen.
Charakteristisch für die Erfindung ist, daß die Elemente miteinander direkt oder indirekt mittels mechanisch schliessenden
Verbindungen verankert sind, Die Abdichtung wird hauptsächlich mit Hilfe von rund um die Rahmen herum befindlichen
Löchern und mittels den an der Peripherie der Elemente sowie an allen Stellen, wo eine Abdichtung erforderlich
ist, angeordneten, zweckmäßigerweise aus dem Kunststoffmaterial seLbst aufgebauten Verschlußelementen,
erzielt. Besonders zweckmäßig ist es, überall dort, wo es von der Konstruktion her möglich ist, die verschließenden
und abdichtenden Elemente zu einem Konstruktionselement zusammenzubauen.
Die verschließenden Elemente bestehen oft aus einer, auf dem einen Rahmen angeordneten, positiven "Er"-Funktion,
welche einer negativen "Sie"-Funktion auf dem anderen Rahmen
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entspricht. Diese sind so aufeinander abgestimmt, daß die "Er"-Funktion in die "Sie"-Punktion hineingedrückt wird,
welche zuschnappt und die "Er"-Punktion verschließt. Die Rahmen sind auf beiden Seiten mit solchen Punktionen versehen,
die so verteilt sind, daß Rahmen an Rahmen gelegt werden kann, so daß man eine mechanisch zusammenhängende
Batterie mit dem beabsichtigten Aufbau erhält. Bei symmetrischen Konstruktionen der Rahmen kann die Zahl der
ElementVarianten niedrig gehalten werden. Wenn der Rahmen
z.B. symmetrisch um seine Mittellinie ist, können die Verschlußfunktionen zweckmäßigerweise auf der einen Hälfte
positiv gemacht werden und negativ auf der anderen Seite, und auf der anderen Hälfte umgekehrt, wodurch der Rahmen
somit gegen einen anderen gleichen Rahmen in zwei Schichten gelegt werden kann.
Im allgemeinen bestehen die verschließenden Elemente direkt aus dem Grundmaterial des Rahmens. In bestimmten Fällen kann
es jedoch zweckmäßig sein, besondere Elemente für Verankerungsfunktionen anzubringen. In diesem Pail kann der Rahmen
an entsprechender Stelle mit negativer Punktion versehen sein. Das besondere Zwischeneleaent hat dann eine positive
Punktion, die in die negative Punktion des genannten Rahmens einschnappt. Die andere Seite des Zwischenelements kann
entweder eine positive oder negative Punktion haben, die ihrerseits in eine entgegengesetzte Funktion am anderen
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- 7 -Rahmen einschnappen. ,
Die Rahmen mit ihren Verschluß- und Abdichtfunktionen sind zweckmäßigerweise ganz aus Thermoplastmaterial, wie Polyäthylen,
Polypropylen, PVC, chlorierten Polyäthern, Nylon, usw. hergestellt. Der Rahmen kann mit Glasfibergewebe oder mit
kurzen Fibern oder auf andere Weise verstärkt sein, um ein Schrumpfen zu verringern und die Festigkeit zu erhöhen.
Auch kunststoffüberzogene Metallrahmen können in Frage kommen. Die einschnappenden und verschließenden Funktionen
können mit steiferem Material verstärkt sein und durch freie oder eingeschlossene Metallfedern federnder gemacht werden.
Die Kunststoffrahmen .der Elemente können u.a. direkt miteinander
verbunden sein in den Bereichen rund um die Löcher und dort wo die Zwischenräume nach außen abgegrenzt werden.
Die Rahmen können auch, wie vorstehend erwähnt, indirekt miteinander verbunden sein mittels Zwischenelementen mit
Schnappfunktionen, die Verbindungen in Form mechanischen
Einschnappens an den jeweiligen beiden Seiten des Zwischenelements
herstellen, wobei das Zwischenelement zwischen den beiden Rahmen angebracht ist. Wenn das Zwischenelement an
einem Kanal angeordnet ist, ist das Zwischenelement mit einem in Stapelrichtung verlaufenden durchgehenden Loch versehen.
Besondere Verschlußvorrichtungen können auch an der
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Peripherie beispielsweise in Form von Bändern mit negativen Punktionen. z.B. Lochern, angebracht werden, welche Bänder
rund um den Batteriestapel gespannt werden, so daß ein Eingriff gegen die positiven Punktionen, z.B. Zapfen, an den
Elementen erfolgt, so daß diese fixiert und gegeneinander gedrückt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute chemoelektrische Batterien können auf vielerlei Art, u.a. in Abhängigkeit
vom Batterietyp, variiert werden. Die Erfindung ist besonders geeignet für beispielsweise Brennstoffbatterien, Metalluftbatterien
sowie bipolare Bleibatterien und Stahlbatterien mit Elektrolytzirkulation. Die.Batterie kann aus einem
einzigen zusammenhängendem Modul oder aus einer Anzahl kleinerer Modulen, die auf andere Weise zu einer großen
Batterie zusammengebaut sind, bestehen. Im letzteren Fall können besondere Kupplungselemente erforderlich werden, um
einen dichten Verband zwischen den kleineren Modulen an den durchgehenden Kanälen zu erzielen.
Die einzelnen Zellen können in Reihe oder parallelgeschaltet oder in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung
innerhalb eines einzelnen Moduls geschaltet sein. Die Schaltung kann intern evtl. in besonderen Kanälen in der
Batterie erfolgen oder über außerhalb der Elektrodenelemente angebrachte Stromableiter.
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Die Erfindung wird durch Beschreibung einer Anzahl von Ausführungsbeispielen
unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Abb. 1 zeigt die eine Hälfte
einer Brennstoffbatterie für Wasserstoffgas und Sauerstoffgas gemäß der Erfindung im Querschnitt. Abb. 2 zeigt die
gleiche Batterie von der einen Endoberfläche her gesehen« Abb. 3, 4 und 5 zeigen kleinere Partien von Batterien, z.B.
Brennstoffbatterien, Bleibatterien und Metalluftbatterien mit verschiedenen Typen von Verbindungen zwischen angrenzenden
Elementen.
Abb. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffbatterie, die zwei Zelleneinheiten enthält. Ein Anodenelement 1 ist
aus der Wasserstoffelektrode 2, eingefaßt im Kunststoffrahmen
3j aufgebaut. Die Kunststoffrahmen sind zweckmäßigerweise
mit Bälgen 4 zum Ausgleichen der Dimensionsveränderungen im System versehen. Ein Kathodenelement 5 besteht aus
Sauerstoffelektroden 6, eingefaßt im Kunststoffrahmen 7,
der in diesem Beispiel in der Hauptsache das gleiche Aussehen hat wie der entsprechende Kunststoffrahmen für das
Kathodenelement, Die Elektroden in den beiden Kathodenelementen können über einen nicht gezeigten Stromableiter
an eine Stromschiene angeschlossen sein, was auch für die Elektroden in den Anodenelementen gilt, wobei die beiden
Zellen parallelgeschaltet sind. Die Zellen können auch in Reihe geschaltet werden. Diese Stromschienen sind zweck-?
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» XO r.
mäßigerweise in besonderen Kanälen angeordnet, welche von sämtlichen Räumen abgetrennt sind außer dem Gasraum, der
mit den infragestehenden Stromableitern in Verbindung steht,
Die Stromschienen können durch spezielle, in den beiden Elementen angebrachten Durchführungen, gasdicht hindurchgeführt
werden. Die gezeigte Batterie enthält auch eine aus zwei Kühlelementen 8 aufgebaute Kühltasche mit zentral
angeordneten Kühlplatten 9, eingesetzt in den Rahmen 10. Der Element'stape 1 wird von den zwei Endelementen 11 sowie
zwei Endplatten 12 abgegrenzt, die mit Schrauben 13 an der Peripherie des Pakets zusammengeschraubt werden - s. Abb.
Oft können die Endelemente so steif ausgeführt werden, daß man auf die Endplatten verzichten kann. Die Elektroden sind
gasdicht in die Kunststoffrahmen eingesetzt. An der Peripherie der Rahmen befinden sich Kanäle, welche der Zufuhr
von Wasserstoff 14 aus dem Wasser, welches auf den Kühlelementen 15 kondensiert, der Zufuhr von Sauerstoff 16,
der Zufuhr von Kühlwasser zu den Kühlelementen 17, der Entfernung von Kühlwasser von den Kühlelementen 18, der Zufuhr
von Elektrolyt 19, dem Wegtransport von Elektrolyt 20 dienen, sowie Kanäle für die negative und positive Stromschiene
21, 22. Diese Kanäle stehen in Verbindung mit dem Wasserstaffgasraum bzw. Sauerstoffgasraum, bzw. der Kühltasche
und dem Elektrolytraum. Die Wasserstoffelektroden sind aus gesintertem Nickel, welches mit Edelmetallen
aktiviert wird, hergestellt. Die Sauerstoffelektroden sind
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aus gesintertem Nickel und Silber hergestellt. Der Thermo- \
plast in den Rahmen besteht aus Polyäthylen mit hoher
Densität und guter Elastizität. Die einzelnen Elemente sind fest miteinander verankert mittels Schnappfugen 23
um die durchgehenden Kanäle und in den Fugen 24 längs der
Peripherie. Diese Verbindungen dienen gleichzeitig als Abdichtelemente. Diese Verbindungen sind auf folgende
Weise angeordnet: die Elemente werden eines nach dem anderen gegen die Endplatte gestapelt und dabei so zusammengepreßt,
daß die Schnepper einrasten. Nach Montage der Endplatte ist der Stapel damit fertig zum Gebrauch.
Bei besonders hohen Anforderungen an die Dichtheit kann eine Abdichtnaht längs der Peripherie zusätzlich angebracht
werden, z.B durch Aufsprühen von Kunststoff. Diese Abdichtnaht darf jedoch nicht tragend ausgeführt werden, d.H.
teilweise zum mechanischen Zusammenhalt des Stapels herangezogen werden, da dies das öffnen der Batterie erschweren
würde, wodurch einer der Zwecke der Erfindung eliminiert werden würde. Abb. 3 und M zeigen Alternativmethoden, um
eine verschließende Verbindung mit gleichzeitig abdichtender Punktion zu erhalten. Abb. 5 zeigt eine Ausführungsform,
bei der die Schnepper- und Abdichtfunktion voneinander getrennt
sind. Abb. 6 zeigt einen Rahmen für eine Metalluftbatterie, welche miteinander mittels an der Außenseite des
Rahmens angebrachten Verschlußelementen verbunden werden, Abb. 7, die in eine Aussparung auf dem angrenzenden Element,
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das im Detail in Abb. 8 gezeigt wird, eingreifen. Abb. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform mit Zick-Zack-geformten
Bändern mit Löchern, passend für an ,der Peripherie der Elemente angebrachten Zapfen, Abb. 10. Die Erfindung wurde
mit einer aus technischer Sicht besonders komplizierten Stromquelle, nämlich einer Wasserstoff- und Sauerstoffbatterie
mit interner Kühlung dargestellt. Für einen Fachmann ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten, die Erfindung
bei anderen konstruktiv einfacheren Typen, wie z.B. bei Metalluftbatterien mit Eisen-, Zink- oder Kadmiumanoden,
bipolaren Bleibatterien, bipolaren Stahlakkumulatoren usw., anzuwenden.
- 13 109841/1 086
Claims (1)
- - 13 PatentanspruchChemoelektrische Batterie umfassend mindestens zwei Konstruktionselemente enthaltend zentral angeordnete aktive Elektroden eingesetzt in einen umgebenden ganz oder teilweise aus einem Thermoplast bestehenden Rahmen und evtl. Kühlelementen jedes bestehend aus einem zentral angeordneten Kühlorgan eingesetzt in einem umgebenden ganz oder teilweise aus einem Thermoplast bestehenden Rahmen, welche Elemente zu einem Paket gestapelt sind mit Zwischenraum zwischen kleineren Teilen und in den Rahmen versehen sind mit zwischen den Rahmen angebrachten Verbindungen zur Abgrenzung des Zwischenraums nach außen hin und evtl. versehen sind mit in Stapelrichtung gehenden Löchern für Zufuhr von Brennstoff- und Oxydationsmitteln, Kühlmittel und Elektrolyt, wobei Löcher mit gleicher Punktion angeordnet sind in Verbindung zueinander durch in Stapelrichtung laufende, von den Begrenzungswänden der Löcher zumindest teilweise gebildeten Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente direkt oder indirekt aneinander verankert sind mit schließenden Elementen und daß vorkommende Zwischenräume und Kanäle abgedichtet sind mit Abdichtelementen, die mit den schließenden Elementen zusammengebaut sein können.109841/1086
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