CN101167197A - 用于密封的蓄电池的外壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于密封的双极蓄电池20、30、50、55、60的外壳10，所述蓄电池包括至少一个单元电池21，其中，每个单元电池具有带非金属基片的电极。外壳包括至少两个部件，即上部件12、31、41、61和下部件11、51、62，两部件连接在一起，以形成蓄电池的外壳。在外壳内装入机械顺从装置，以减少在工作过程中因单元电池厚度变化而引起的对单元电池叠层的力，并在外壳内装入压力装置，以分布在整个单元电池叠层上的压力。

Description

用于密封的蓄电池的外壳

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1所述的用于密封的双极蓄电池的外壳，尤其是用于包括具有非金属基片的电极的蓄电池。

背景技术

密封的双极蓄电池，例如NiMH双极蓄电池具有多个以电化学双极单元电池叠层形式布置的单元电池(battery cell)，这种单元电池叠层必须具有外壳，用于承受单元电池叠层施加于外壳的力。双极蓄电池中的每个单元电池包括负极和正极，二者之间设置隔板。每个单元电池通过导电双板与其它电池隔开，正极端板和负极端板分别布置在单元电池叠层的每一侧面上。

现已使用各种机械外壳和支承方法来引导和控制电化学双极单元电池叠层正常工作时所需的力。

在Richards授权的美国专利US5,547,777中，公开了一种双极燃料单元电池叠层，这种单元电池叠层使用刚性端板、系杆和机械顺从垫。尽管这种对控制单元电池叠层的力的机械方法可能有效，但制品庞大笨重，经济上不合算，不适于大量制造。

在Yang授权的的美国专利US6,689,503中，还公开了一种燃料单元电池叠层，这种单元电池叠层具有刚性端板和系杆。虽然文中公开了一种装有加压流体的膜盒作为机械顺从件。但是该方法同样具有重量、体积和成本上的缺陷，此外，还需要给膜盒提供加压流体。

在Klein授权的美国申请US5,393,617中，公开了一种双极蓄电池，这种蓄电池使用任何一种海绵橡胶、弹簧或者压缩充气垫作为叠层中的顺从件。在成品蓄电池组件中，加入这种额外的顺从件可能不利于最后得到的蓄电池组件的成本、体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于具有蓄电池叠层的密封的双极蓄电池的外壳，与现有技术的外壳相比，这种外壳可在整个蓄电池上保持足够大且充分均匀的压力。

上述目的通过权利要求1所述的特征得到实现。

本发明的优点在于，制造成本较低，可在成品蓄电池组件中考虑较小的部件，并且使特定单元电池叠层的成品蓄电池的重量轻和体积小。这对于由较小单元电池叠层构成的蓄电池尤其有利，因为与由较大单元电池叠层构成的蓄电池相比，这种外壳通常占成品组件的总重和总体积的较大部分。

本发明的另一优点在于提供一种外壳，其中，不必使用外部作用装置来保持蓄电池外壳的形状，从而又将降低蓄电池的制造成本。

通过下面详细说明公开的用于密封的蓄电池的外壳，本领域的技术人员将对本发明的其它目的和优点更加清楚。

附图说明

附图所示的各种实施例并非按比例或大小示出的，而是为清楚起见扩大地表明各种重要特征。

图1示出本发明的外壳的第一实施例。

图2示出具有结合图1描述的外壳的装配好的双极蓄电池。

图3示出本发明的外壳连同双极蓄电池的第二实施例。

图4示出如图3所描述的波纹状盖的透视图。

图5示出本发明的另一盖的横断面图。

图6示出本发明的外壳连同双极蓄电池的第三实施例。

图7示出本发明的外壳连同双极蓄电池的第四实施例。

图8示出本发明的装配好的双极蓄电池的透视图。

具体实施方式

密封的双极蓄电池具有多个以单元电池叠层形式布置的单元电池，这些单元电池必须具有外壳，以承受单元电池叠层作用在外壳上的力。这在某种程度上必须做到：

1)外壳不会破坏(即在蓄电池工作过程中外壳材料及紧固件不得破裂)。

2)外壳必须对整个单元电池叠层保持足够大且充分均匀的压力。

3)在蓄电池工作过程中，外壳必须将单元电池叠层的尺寸保持在一定容差范围内。

双极蓄电池中的每个单元电池包括负极和正极，二者之间设有隔板。每个电极包括非金属基片，这使得价格比较低廉。每个单元电池通过导电双板被彼此隔开，正极端板和负极端板分别布置在单元电池叠层的每个侧面上。蓄电池优选设有转让予同一申请人出版的国际专利申请WO03/026042中公开的共用气体空间，以分布因排气而在蓄电池内产生的压力，但是本发明在具有至少一个单独布置的单元电池的双极蓄电池中可以实现。

一旦双极蓄电池开始电循环，电极将不可逆地隆起。当装在硬外壳中时，电极隆起会产生巨大的力，因为电极本身的弹性模量非常高。这样可能导致隔板压碎和低成本的外壳材料，比如热塑性塑料产生裂纹。

为了减小这些过大的力，可有意地将蓄电池组件中的某些部分设置在组件中，以便达到机械顺从，即具有较低的弹性模量，刚性不像电极和双板那样大，使得当电极的尺寸发生变化时，单元电池叠层上的力不会变化太大。在现有技术中，如本发明背景技术中所提及的，在端板的外侧上可设置顺从垫或其它这类顺从件。而在本发明中，机械顺从装置则是装入外壳内。在蓄电池组件的设计中如果需要增加机械顺从性，则也可选择地另外采用这种附加顺从件，如结合图7所述。一种具有内装机械顺从性的低成本外壳，它可在组装前将至少一个外壳部件壁朝向单元电池叠层以凹入方式成形设置蓄电池组件之后为电极叠层提供必要的机械预加载力。可将与电极叠层接触的外壳部件表面中的一个或两个设定成这种形状。由于力作用在整个表面上，所以这种形状在受压时将变平。实际上，外壳表面的作用与平面片簧相同。因此，可通过沿垂直于电极表面的方向施加外力，将壳体上部件、单元电池叠层和壳体下部件组装在一起，而后在施加该力时将外壳部件相互固定。然后可除去外力，从而通过具有外壳周边的材料中的张力使电极叠层表面产生预加载力。通常，在该周边的某些地方完成固定，因此该固定也必须能够承受该力。周边通常可为壳体上部件和下部件的部分，或者是完全不同的部件。任何机械装置均在本发明的精神范围内，只要这种机械装置承载因预加载壳体表面而产生的张力，而该壳体表面在单元电池叠层的周围至壳体对面具有内装机械顺从性。

选择凹面的几何形状，以产生所需量的预加载力，使得在受压时应将该力作用于电极叠层上。在一定范围预加载的压力作用下，与电极叠层表面接触的外壳的形状基本上变成平面。在这种平面状态下，由于电极叠层本身在垂直于电极表面的方向上具有均匀的弹性，所以分布在电极叠层整个表面上的力也变得基本均匀。

因此在装配时，外壳上预加载力的大小可这样选择，即在电极叠层已受到在电循环一开始便发生不可逆隆起之后壳体将变得基本平坦。

应当注意的是，在压力下壳体的形状唯一需要足够的平坦，以便在电极叠层的整个表面上提供足够均匀的力。通常，在蓄电池工作期间可对电极叠层施加一定范围的压缩压力，以便提供良好的工作特性。通过合理地选择凹面的几何形状和足够均匀弹性的电极叠层，受压的壳体表面形状稍微变得不平，这只在所需的压缩压力范围内造成施加的压力发生微小的偏差。因此，这种变化不会对蓄电池的工作产生不利影响。

这种总体为凹面的几何形状可叠加到外壳表面上，该外壳表面具有含于其中的较小比例形状，比如波纹形或格栅结构形。当部件以成本低的模制加工形式制造时是合乎需要的，并且由于使用这种制造技术，而在部件设计上对厚度有约束。这种较小比例形状也可用于减小部件的重量和材料用量，对部件的强度仅有微小的影响。

通常，电极叠层本身具有足够刚性的端板，使得如果壳体部件的较小比例形状没有连续不断地在整个电极表面上与电极叠层端板接触，端板则将局部施加的压力充分地重新分布到电极叠层上。如果小比例形状足够小这就有可能。可选择地，如果需要将局部施加的压力充分地重新分布到电极叠层上，可在外壳的端板之间设置另一部件。

如果在蓄电池组装和工作期间，壳体内所需的预加载力足够大，则可使壳体部件中的局部应力大于所用材料的屈服应力。因此，慎重地选择较小比例形状可以减小材料负载时的应力集中，并使给定尺寸的壳体和所选择的材料能承受更大的预加载力而不屈服。

本发明的第一实施例结合图1进行描述，该图为未连接的蓄电池外壳10的局部横断面图，该外壳包括下部件11和上部件12。上部件12用于插入下部件11中，通过紧固件(未示出)或者焊接将该部件固定在一起。以单元电池叠层方式布置的单元电池(未示出)将被组装在部件11、12连接后形成的空间13中。在上部件11和下部件12中可设置用于蓄电池端子入口的小孔(未示出)。

在该实例中，上部件12，即盖设有防止外壳断裂并对整个单元电池叠层保持足够大且充分均匀压力的装置。通过向部件预加载一弹簧弹力，使上部件12形成倒置的预弓形状，来与在整个单元电池叠层上分布压力的装置一起组成机械顺从装置。需要时，下部件11，即壳体也可设有能产生更大机械顺从性的倒置的预弓形。

现结合图2描述，顺从的倒置预弓形在机械加载后便变平，这样的预弓形符合上面所示全部三个目的。图2示出装配好的密封的双极蓄电池20，其具有外壳10，该外壳包括两个部件，即壳体11和盖12，如图1所示。单元电池叠层包括四个单元电池21，每个单元电池通过双板22相互隔开，该双板22与正极端板23和负极端板24一起设置于外壳10内。共用气体空间优选按现有技术已知的方式设置。电极设有如出版的国际专利申请WO2004/042846中公开的非金属基片。盖12插入到壳体11中，并用箭头F所示的力固定就位。然后沿盖的周边设置紧固件，以将盖12固定在壳体11上，从而形成外壳10。

通过使盖12稍微偏转，如箭头25所示，当单元电池叠层高度变化时，外壳材料中的合成应力小于较硬的外壳。盖12的刚度具有尽可能的上限，以便确保叠层的力小于允许的最大值。盖的刚度还具有下限，很大程度上是由源于单元电池中排气产生的气体压力的附加载荷作用下盖的容许偏转度确定。

当单元电池叠层变平的时，在单元电池叠层整个表面上的作用荷载必须也是均匀的，因为单元电池零件，即电极和隔板的机械顺从性为给定的机械加载(力/面积)提供界限分明的偏转。通常，这种偏转是由隔板控制的，如叠层中的大多数顺从材料一样。如果倒置的凹面部件12在蓄电池装配成形变平后，单元电池叠层的荷载在整个表面上均变为均匀。

图3示出本发明的外壳的第二实施例，该外壳包括壳体11和波纹形状的盖31，每个波纹用32表示。图3示出在装配过程中与双极蓄电池30相关的未连接的外壳，其中，蓄电池的相同部件用与图2中相同的附图标记表示。

相比现有技术的盖，在相同的荷载下，盖31表面上的波纹将使应力集中减小2～4倍。根据材料和表面面积，对于表面的刚度确实有些影响，但是并非总是比非波纹状的表面刚度大。波纹的目的是减小应力集中的程度，以便在小于材料的屈服应力条件下保证安全。

图4示出图3中盖31的透视图，该图更清楚地示出波纹32。该波纹未延伸通过盖31的整个宽度，在边缘34与每个波纹32之间设有选定的距离33。上述情况也适用于盖31另一侧面上的波纹。

图5示出与图3和4中的盖相类似的另一盖的横断面图。如图中清楚地示出，盖41具有倒置的预弓形，并在盖41的两面设有波纹32。这些波纹优选平行于盖的短面侧设置，如图4所示，当然，如果盖的尺寸不太大并且根据所选择的材料，也可在其它方向上设置波纹。

图6示出密封的双极蓄电池50的横断面图，结合图5描述，在倒置的预弓形壳体51和盖41内设有一个单元电池。当盖41连接在壳体51上时，优选采用超声波焊接，使在整个单元电池上的压力将要足够均匀，并且外壳也会顺从在工作过程中蓄电池内产生的压力变化。

图7示出蓄电池55的第四实施例的横断面图，该蓄电池55具有设有任选顺从件52和53的外壳。组件包括壳体下部件11、第一任选顺从件52、正极端板23、四个单元电池21组成的单元电池叠层，负极端板24、第二任选顺从件53和壳体上部件41。任选的顺从件在外壳中的顺从性不够时将起到额外顺从部件的作用。

图8示出装配好的外壳60，其设有连接带正极端子63和负极端子64的蓄电池外壳内每个端板的装置，且不会妨碍盖61和壳体62的弹性和应力分布功能。壳体62上设有用于正极端子连接器63的孔65，并在壳体上又设有用于负极端子连接器64的切口66。此外，壳体62上还设有分隔器67，以防止端子间直接发生电接触。盖61被构造成与壳体62相配合，该壳体62包括分隔器67和切口66。需要时，分隔器67内形成的空间可用于设置产生共用气体空间的装置。

独立权利要求中使用的词语压力装置应当理解为装配时在蓄电池内部件上产生压力的装置，例如部分外壳的倒置预弓形状、外壳的波纹面、波纹和倒置预弓形状的组合等。

无荷载未装配状态时外壳部件的预弓形偏离平面形状的程度优选至少为装配成蓄电池并承受机械预加载时同一外壳部件偏离平面形状的程度的两倍。

Claims (10)

1.一种用于包括至少一个单元电池(21)的密封的双极蓄电池(20；30；50；55；60)的外壳(10)，每个单元电池具有带非金属基片的电极，所述外壳包括至少两个部件，即上部件(12；31；41；61)和下部件(11；51；62)，两部件连接在一起，以形成蓄电池的外壳，其特征在于，在外壳内装入机械顺从装置，以减少在工作过程中因单元电池厚度变化而引起的在单元电池叠层上的力，并在外壳内装入压力装置，以分布在整个单元电池叠层上的压力。

2.根据权利要求1所述的外壳，其特征在于，所述内装式压力装置包括至少一个未连接的部件(12；41，51)的至少一个壁的倒置的预弓形状和预加载力，该预加载力源于倒置的预弓形状并作用在部件被连接时外壳中的单元电池叠层上。

3.根据权利要求2所述的外壳，其特征在于，每个未连接的部件(41，51)的至少一个壁设置为倒置的预弓形状，并且所述部件被连接，以形成具有至少两个相对倒置的预弓形壁的外壳。

4.根据权利要求1-3中任一所述的外壳，其特征在于，所述内装式压力装置包括至少一个壁(31；41；61)的加强件。

5.根据权利要求4所述的外壳，其特征在于，所述加强件基本上包括形成壁的材料的波纹(32)。

6.根据权利要求5所述的外壳，其特征在于，所述波纹(32)平行于每个壁的短侧面而被设置。

7.根据权利要求1-6中任一所述的外壳，其特征在于，所述外壳设有装置(67)，以防止在外壳的部件连接时在外壳的外侧上正极端子(63)与负极端子(64)之间发生直接连接。

8.根据权利要求1-7中任一所述的外壳，其特征在于，形成外壳的部件采用超声波焊接连接在一起。

9.根据权利要求1-8中任一所述的外壳，其特征在于，所述外壳适于容纳密封的双极蓄电池，该蓄电池具有多个成单元电池叠层形式的单元电池，这些单元电池具有共用的气体空间。

10.根据权利要求1-9中任一所述的外壳，其特征在于，除壳体上部件(12；31；41；61)和壳体下部件(11；51；62)之外，所述外壳另外还包括一个或多个机械顺从件(52，53)。

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