DE2104918A1 - Chemoelektnsche Batterie und Ver fahren zur Herstellung einer solchen Batterie - Google Patents

Description

DR. F. E, TRETTlN

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

109841/1066

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

- 3 109841/1086

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

109841/1086

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-

1098Λ1/1086

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

- 6 109841/10Θ6

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

1098A 1/1086

- 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

:>q

_ 8 109841/1086

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.

109841 /108S " ⁹ "

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-?

109841/1081

» 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

109841/10Si -li-

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,

109841/1086 ~¹²~

2104318

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)

1. - 13 Patentanspruch

   Chemoelektrische 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