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Die Erfindung betrifft elektrochemische Stromquellen, insbesondere abgedichtete alkalische Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren.
Es ist ein abgedichteter alkalischer Nickel-Wasserstoff-Akkumulator mit positiver Nickeloxydelektrode und negativer Wasserstoffelektrode, die als poröse Basis gefertigt wird, bekannt.
Der bekannte abgedichtete alkalische Nickel-Wasserstoff-Akkumulator wies z. B. im Vergleich zum abgedichteten Nickel-Kadmium-Akkumulator mit Elektroden metallkeramischer Bauart keine wesentlichen betriebs- technischen Vorzüge auf.
Ausserdem ist die Wasserstoffelektrode des bekannten Akkumulators gegen Anodentiefpolarisationen, die beim Umpolen des Akkumulators auftreten können, nicht geschützt, wodurch die elektrischen Kenndaten des Akkumulators im Laufe seiner Lebensdauer stark vermindert werden.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der oben erwähnten Mängel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Auswahl von entsprechenden Kenndaten einen solchen Nickel-Wasserstoff-Akkumulator zu entwickeln, der hohe energetische Kennzahlen aufweist und den Schutz der Wasserstoffelektrode gegen Anodentiefpolarisationen, die beim Umpolen des Akkumulators auftreten können, gewährleistet.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verhältnis der Dickenmasse der negativen zur positiven Elektrode gleich 1 : 20 ist, dass das Verhältnis des Elektrolytinhaltes zum Porenraum der Elektroden und zum Porenraum des Separators gleich 0, 5 : 0, 9 ist und das Volumen des auf 1 kg Nickelhydroxydmasse berechneten Gasraumes aber 0, 5. 10-3 bis 2, 10-3 m3 beträgt.
Es ist zweckmässig, einen Teil der positiven Elektroden des Akkumulators aus nichtgeformten Nickel (II) hydroxyd zu fertigen, wobei dieser Teil 0, 3 bis 0, 8 der Gesamtanzahl der Nickeloxydelektrode betragen kann.
Eine der Ausführungsabwandlungen des abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators weist folgende betriebstechnische Kenndaten auf.
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<tb>
<tb>
Wh
<tb> Spezifische <SEP> gewichtsbezogene <SEP> Energie <SEP> 55 <SEP> bis <SEP> 60 <SEP> #
<tb> kg
<tb> Wh
<tb> Spezifische <SEP> volumenbezogene <SEP> Energie <SEP> 85 <SEP> bis <SEP> 90 <SEP> #
<tb> 1
<tb> Durchschnitts-Entladespannung <SEP> : <SEP>
<tb> bei <SEP> einem <SEP> Strom <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> C <SEP> bis <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP> V
<tb> bei <SEP> einem <SEP> Strom <SEP> 1 <SEP> C <SEP> bis <SEP> 1, <SEP> 18 <SEP> V
<tb> Entladestrom
<tb> ohne <SEP> Anzeige <SEP> des <SEP> Entladeabschlusses <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> C <SEP>
<tb> mit <SEP> Anzeige <SEP> des <SEP> Entladeabschlusses <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> C
<tb> Temperatur-Betriebsbereich <SEP> +50 <SEP> bis-20 C
<tb> Lebensdauer <SEP> 1000 <SEP> Zyklen
<tb>
Wenn der hohe Wert der spezifischen Energie, die Abdichtung des Akkumulators, seine Wiederaufladungsfähigkeit,
die Betriebseinfachheit und die lange Lebensdauer in Betracht gezogen werden, kann der abgedichtete Nickel-Wasserstoff-Akkumulator als Speisequelle (Stromversorgungsquelle) für Elektromobile (Elektrowagen) Elektrokarren, Elektrohubstapler (Elektrofahrlader) und für verschiedenartige Energieversorgungs-Puffersysteme Anwendung finden.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 Bauart des erfindungsgemässen abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators ; Fig. 2 Schaumbild der Abhängigkeit des Wasserstoffdruckes im Verlaufe der Aufladung und die Stabilisierung des Wasserstoffdruckes bei der Wiederaufladung ; Fig. 3 Schaubild der Änderungen von Spannung und Druck im abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulator im Verlauf einer Tiefentladung.
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geordnet sind, der für einen grossen Wasserstoffdruck berechnet und durch die Dichtung-4-hermetisiert ist.
Der Behälter hat zwei Gaskammern-5 und 6-.
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tors einschliesslich dem Porenraum der positiven Nickeloxydelektrode-l-ansammelt.
Beim Entladen wird der Wasserstoff an derselben negativen Wasserstoffelektrode ionisiert.
Infolge der bei der Reaktion NiOOH + 1/2 H2-s Ni (OH) auftretenden grossen kinetischen Schwierigkeiten ist eine Berührung der negativen aktiven Masse - des Wasserstoffes - mit der positiven Nickeloxydelektro- de-l-zulässig.
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Die positive Nickeloxydelektrode-l-verhält sich in üblicher Weise.
Somit beruht das Funktionieren des abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators auf dem Grundsatz der selektiven Katalyse.
Dadurch, dass man den gasförmigen Brennstoff (Wasserstoff) vom festen Oxydationsmittel (Nickelhydroxyd) nicht zu trennen braucht, kann eine relativ einfache Bauart für den abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulator angenommen und ein jeder Teil des freien Akkumulatorraumes ausgenutzt werden.
Die negative Wasserstoffelektrode stellt eine aktivierte metallkeramische poröse Nickelbasis dar. Ähnliche nicht aktivierteNickelbasen werden bei der Fertigung von metallkeramischen Elektroden für Nickel-KadmiumAkkumulatoren benutzt.
Da die negative Wasserstoffelektrode --2-- keine aktive Wasserstoffmasse enthält, sondern nur den Ort der stromerzeugenden Reaktion darstellt, wird die Dicke dieser Elektrode unter Berücksichtigung der (erforderlichen) Leistung angenommen und durch die wirksame (effektive) Eindringungstiefe des stromerzeugenden Vorganges in den porösen Körper bestimmt.
Das Verhältnis zwischen den Dicken derNickeloxydelektrode-l-bzw. der negativen Wasserstoffelektrode soll 1 : 20 betragen.
Sind höhere spezifische gewichtsbezogene Energiekennzahlen erforderlich, ist es zweckmässig, das Verhältnis zwischen den Dicken gleich 3 anzunehmen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten abgedichteten Nickel-Wasser-
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Eine durchgeführte eingehende Analyse ergab, dass für eine erforderliche spezifische volumenbezogene Energie es zweckmässig ist, über einen hohen Wasserstoffdruck zu verfügen. Für den Fall, dass die spezifische gewichtsbezogene Energie massgebend ist, muss der Betrieb unter niedrigeren Druckwerten geführt werden. Die Wasserstoffmenge wird durch die Nickelhydroxydmasse bestimmt, der Druckwert aber wird durch den mittels Gaskammern-5 und 6-regelbaren freien Raum angegeben.
Somit stellt das Volumen (der Inhalt) des Gasraumes pro Einheit der Nickelhydroxydmasse eine wichtige Konstruktionskennzahl dar, die den Druckwert im abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulator bestimmt.
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Da im Verlauf der Entladung durch Gleichstrom der Wasserstoffdruck im abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulator in linearem Verhältnis sinkt, ist die Beförderung des molekularen Wasserstoffes an die negative Wasserstoffelektrode-2-zu sichern, deren Umfang so gross sein soll, dass der Strom an der Elektrode - 2- durchaus grösser als der Entladungsstrom im ganzen Änderungsbereich der Druckwerte ist.
Infolge dieses Umstandes ist die Elektrolytmenge bei der Herstellung von abgedichteten Nickel-Wasserstoffelektroden genau zu dosieren.
Das optimale (der hohen spezifischen Energie und Leistung entsprechende) Verhältnis zwischen dem Elektrolytvolumen und dem Volumen des porösen Raumes an den Elektroden und am Separator beträgt 0, 5 bis 0, 9.
Durch dieses Verhältnis wird einerseits das Betriebsverhalten der negativen Wasserstoffelektrode-2-gewähr- leistet, bei dem die Polarisierung in der Praxis vom Druck unabhängig ist, anderseits aber wird die erforderliche Elektrolytmenge in der positiven bzw. negativen Elektrode-l und 2-sowie auch im Zwischenelektrodenraum garantiert.
Beim Betrieb unter hohem Wasserstoffdruck ist der abgedichtete Nickel-Wasserstoff-Akkumulator vollständig gegen Drucküberschreitungen beim Wiederaufladen durch den geschlossenen Sauerstoffkreislauf geschützt.
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stoff-Akkumulators an. Im Augenblick, wenn der Partialdruck des Sauerstoffes einen dem Aufladungsstrom gleichen Sauerstoff-Ionisierungsstrom an der negativen Wasserstoffelektrode --2-- gesichert hat, wird das Druckansteigen unterbrochen. Dieser Verlauf entspricht dem horizontalen Abschnitt an der in Fig. 2 dargestellten Druckwertkurve, die dem Verlauf der Aufladung des abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators entspricht. Die Kurvenknickung entspricht einer 1400/0 Aufladekapazität, was die vollständige Aufladung der positiven Nickeloxydelektrode kennzeichnet.
Der beschriebene Sauerstoffkreislauf entspricht demjenigen für abgedichtete Nickel-Kadmium-Akkumulatoren, wobei zwei spezifische Eigenarten eingehalten werden.
1. Die Ionisierung des Sauerstoffes findet an der Gas-Wasserstoffelektrode statt, die es ermöglicht, hohe Gasaufnahmegeschwindigkeiten einzuhalten.
2. Die Gasaufnahmegeschwindigkeit bleibt konstant, da sich die Oberfläche der negativen Wasserstoff- elektrode nicht ändert.
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Infolge dieser Umstände unterscheidet sich der abgedichtete Nickel-Wasserstoff-Akkumulator von einem beliebigen andem abgedichteten Akkumulator durch die Möglichkeit hohe Aufladeströme mit garantierter Gasaufnahme zu benutzen. Als einzige Beschränkung der Aufladestromwerte dient die Anwärmung des Akkumulators.
Es ist bekannt, dass eine Anoden-Tiefpolarisierung (bis zu den Sauerstoffausscheidungspotentialen) die Wasserstoffelektrode inhibiert (hemmt). Dieser Zustand kann beim Umpolen eines in der Batterie inbetriebstehenden (funktionierenden) abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators auftreten. Die Wirkungsweise und die Bauart des abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators ermöglichen es, die negative Wasserstoffelek- trode-2- (Fig. 1) durch den geschlossenen Wasserstoffkreislauf gegenAnoden-Tiefpolarisierungen zu schützen.
Dazu werden Bedingungen vorgesehen, unter denen im Verlauf der Entladung die positive Nickeloxydelektro- de-l-als erste Kapazität verbraucht.
In diesem Falle beginnt an dieser Elektrode-l-Wasserstoff generiert zu werden. Die äquivalente Wasserstoffmenge wird an der negativen Wasserstoffelektrode -2- ionisiert. Die erforderliche überschüssige Wasserstoffmenge wird durch eine Kombinierung von geformten und nichtgeformten positiven Nickeloxydelektroden-l- erzeugt.
Die Anwendung eines Teiles von nichtgeformten positiven Nickeloxydelektroden verursacht infolge des
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konstante Wasserstoffpuffer erzeugt zwei positive Wirkungen : er ermöglicht es
1. die negative Wasserstoffelektrode gegen Anodentiefpolarisierungen zu schützen und
2. die Rückspannung am abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulator durch die Werte von 0, 4 bis 0, 5 v zu beschränken, was wichtig genug ist, wenn schmale Bereiche für die Spannungsänderungen an der Batterie vorgeschrieben sind.
Die Durchführbarkeit des geschlossenen Wasserstoffkreislaufes ist in Fig. 3 veranschaulicht, in der durch die Kurve "a" die Spannungsänderung und durch dieKurve"b"dieDruckwertänderung im Verlauf der Entladung mit Umpolung des abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators dargestellt sind. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass sowohl der Druck als auch die Spannung des abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulators stabile Werte bei
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Wert des Restdruckes ändern ; der maximale Wasserdruck wird durch mehrere Betriebsbedingungen (Betriebsvorschriften) bestimmt.
Unter Berücksichtigung dieser Umstände ist der Anteil derungeformten positivenNickeloxydelektroden-l- zu ermitteln, welcher im Bereich von 0, 3 bis 0, 8 sich ändern und nach der folgenden Formel berechnetwerden kann :
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Prest Wasserstoff-Restdruck Pmax Wasserstoff-Maximaldruck im vollständig geladenen abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulator.
In der nachstehenden Tabelle sind die Kenndaten verschiedener Bauartausführungen von abgedichteten Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren angegeben.
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Tabelle
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<tb>
<tb> Bauart <SEP> der <SEP> posi- <SEP> Bauart <SEP> der <SEP> nega- <SEP> Verhältnis <SEP> zwi- <SEP> Gasraum- <SEP> Verhälnis <SEP> zwi- <SEP> Verhältnis <SEP> zwi- <SEP> Spezifische <SEP> Spezifische
<tb> tiven <SEP> Nickel- <SEP> tiven <SEP> Wasser- <SEP> schen <SEP> den <SEP> volumen <SEP> schen <SEP> dem <SEP> sehen <SEP> der <SEP> An- <SEP> gewichtsbe- <SEP> gewichtsbeoxydelektrode <SEP> stoffelektroden <SEP> Dickenmassen <SEP> in <SEP> mis/1 <SEP> kg <SEP> Elektrolytvolu-zahl <SEP> geformter <SEP> zogene <SEP> zogene
<tb> der <SEP> negativen <SEP> Nickeloxyd- <SEP> men <SEP> und <SEP> dem <SEP> positiver <SEP> Energie <SEP> Leistung
<tb> Wasserstoffelek- <SEP> elektroden- <SEP> volumen <SEP> des <SEP> Nickeloxyd- <SEP> Wh <SEP> W <SEP>
<tb> trode <SEP> und <SEP> posi-masse <SEP> Porenraumes <SEP> elektroden <SEP> und <SEP> kg <SEP> kg
<tb>
tiven <SEP> Nickel- <SEP> in <SEP> den <SEP> Elektro-der <SEP> Gesamtan- <SEP>
<tb> oxydelektrode <SEP> den <SEP> und <SEP> im <SEP> zahl <SEP> von <SEP> posiSeparator <SEP> tiven <SEP> Nickeloxydelektroden
<tb> folienartige <SEP> aktivierte <SEP>
<tb> Folienbasis <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 5. <SEP> 10-3 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> 20 <SEP> 250
<tb> metallkeramische <SEP> aktivierte
<tb> metallkeramische
<tb> Basis <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 3 <SEP> 0,75.10-3 <SEP> 0,65 <SEP> 0,4 <SEP> 55-60 <SEP> 100
<tb> lamellenartige <SEP> aktivierte
<tb> metallkeramische
<tb> Basis <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 20 <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 0, <SEP> 8 <SEP> 40 <SEP> 10
<tb>