CN103633397B

CN103633397B - 具有阴极袋的析氢电池

Info

Publication number: CN103633397B
Application number: CN201310399761.4A
Authority: CN
Inventors: M·克雷布斯; R·哈恩; M·施马尔茨
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: US20140034485A1; EP2692903A1; CN103633397A; EP2692903B1; US10087534B2

Abstract

本发明涉及一种析氢电池(100)，其在电流通过时释放氢气且释放量与通过的电流成正比，该析氢电池(100)包括可电化学氧化的阳极(120)、氢阴极(140)、电解质以及包围它们的外壳(110)，其中该氢阴极(140)包括在至少一个袋体(170)的结构中，该袋体(170)限定了中空空间(150)或者在氢过压时限定了中空空间(150)，或者所述阴极形成了这样的袋体(170)。

Description

具有阴极袋的析氢电池

技术领域

本发明涉及一种析氢电池。

背景技术

这种析氢电池包括位于外壳内的阳极室和阴极室，这些室借助隔离物彼此隔开。

相应的电池包括锌膏(zinc paste)形式的金属阳极，氢电极和含水电解质，例如从DE3532335A1和EP1396899A2中已知的。

在析氢电池中，氢反应气体以作为电解质主要成分的水的形式化学存储，并且通常未增压。

在具有锌制成的金属阳极的电池的情形中，发生析氢反应，反应方程如下：

阳极反应：Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e^-

阴极反应：2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂

总反应：Zn+H₂O→ZnO+H₂

因此，在上述反应过程中，在阴极产生氢气的同时电池内所含的锌氧化为氧化锌。

一般，析氢导致电池内轻微过压。如果过压进一步增大，隔离物有膨胀并对阳极室施加压力的风险，结果导致电解液从电池中泄漏。换言之，氢过压可成为发生泄露的原因。

此外，由于析氢电池的外壳通常由两部分构成，并包括电池杯和电池盖，为达到电池的气密密封必须进行费力的测试。这通常通过使用密封环以及借助电池杯和电池盖的卷边或拧紧来实现。

因此，这类析氢电池具有几个潜在的泄漏点或结构设计，其可能导致泄漏而损害电池的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种析氢电池，其避免了现有技术中的析氢电池的所述缺陷，并且特别是与现有技术中已知的析氢电池相比，显著减少了发生泄漏的风险。

根据本发明的析氢电池包括可电化学氧化的阳极、氢阴极、电解质以及外壳。在适当的情况下，该外壳包括前述活性组件(阳极、阴极和电解质)以及其他组件。

在电流通过时，该析氢电池释放氢气且释放量与通过的电流量成正比。得到的氢气量与通过的电量根据法拉第定律相关联。因此，产生的氢气量可通过电流精确控制。

电解质优选为含水电解质，特别是碱性电解质，如氢氧化钠或氢氧化钾。

阳极优选为金属阳极(金属制成的阳极)或者含有金属的阳极。金属可以膏、粉末或凝胶的形态存在。该金属优选为贱金属(非贵金属)或者贱金属合金。该金属或合金可分别选自例如锌、镁、铝及它们的合金。

特别优选地，阳极为锌阳极或含锌阳极，其中锌可以膏、粉末或凝胶的形态存在。换言之，阳极优选包含锌膏、锌粉或锌凝胶，或者优选为分别由这样的膏、这样的粉末或这样的凝胶组成。

镁铝合金为优选的阳极合金，特别是以金属片的形式。

作为上述实施方式的替代和补充，阳极可以是汞齐化的(amalgamated)或者不是汞齐化的。

一般，给阳极分配阳极导体。阳极导体可形成为箔、片、网状金属(expandedmetal)等，并且可包含例如锌、黄铜、铜或者纽扣电池，特别是无汞纽扣电池，的其他典型材料或由其组成。

氢阴极优选包含贵金属如钯和/或铂。作为其替代或与其组合，氢阴极可包含镍，特别是阮内镍。

一般，也给氢阴极分配电极导体，称作阴极导体。

在适合的实施方式中，阳极和/或阴极可配置(在各情形中)为金属片形式，在这种情形中，可以省略作为独立组件的导体。

特别优选地，氢阴极为气体扩散阴极，特别是合成材料粘结的气体扩散电极(synthetic material bound gas diffusion electrode)。在合成材料粘结的气体扩散电极的情形中，合成材料，优选聚四氟乙烯(PTFE)，制成的粘结剂形成多孔基质，在其中结合有由电催化活性材料构成的颗粒。例如，该电催化活性材料可为金属，如上面结合氢阴极已经提及的那些，或者碳粉。在所有情形中，该电催化活性物质必须能够催化水到氢气的还原。通常，这种电极的制备通过碾轧所述粘结剂与催化剂的干混合物形成箔来实现。进而，后者可轧制为金属网，例如，由银、镍或镀银镍制成。该金属网在阴极内形成导体结构，并充当电流导体。此外，当气体扩散电极背向金属网的一侧被微孔疏水层覆盖时，这是优选的，该微孔疏水层优选为聚四氟乙烯箔(PTFE箔)的形式。

所述外壳典型地包括两个外壳部分，即壳杯和壳盖。通常，外壳具有平坦的底部区域，盖具有平行于该底部区域的平坦的盖区域。然而，以下将对该外壳作更详细的说明。

根据本发明的析氢电池特别是特征在于氢阴极包括(involved)在至少一个袋体的结构中，该袋体限定了中空空间或者由于电池中的氢过压而限定了中空空间，或者特征在于所述阴极形成这样的袋体(阴极袋)。

因此，特别有利的是，该袋体可充当电池内产生的氢气的储存器，从而抵消可能威胁电池密封性(leak tightness)的过压。

此外，形成至少一个阴极袋提供了如下的有利选择，即将阴极袋和电池的其它活性组件校准为垂直于或基本垂直于外壳的底部区域，从而进一步使泄露的风险最小化。

在本发明上下文中，术语“袋(体)”通常指限定了在一侧开口的空腔的中空体，其空腔由周缘的袋壁和袋底限定，且其空腔在袋底的相对侧具有袋口，在电池工作期间形成的氢气可沿着袋口流出袋体。

术语“至少一个袋体”指一个袋体或复数个袋体，即两个或更多个如3个袋体。

在优选实施方式中，氢阴极配置为至少一个中空体的形式，优选至少一个中空柱体。在本发明上下文中，术语“中空柱体”或“中空柱”具有宽泛的含义并指由两个平行的平坦面，即底面和顶面(cover face)，以及由多条平行的直线形成的壳面或柱面所限定的中空体。因此，术语“中空柱体”或“中空柱”特别是指中空棱柱，具有椭圆形底面和顶面的中空柱体，具有圆形底面和顶面的中空柱体(中空圆柱体)等等。此外，术语“至少一个中空体”限定了一个中空体或复数个中空体，即两个或更多个如3个中空体。

所述至少一个中空体或中空柱体的内面(inner face)优选有多孔疏水层形成的内衬，特别是微孔疏水层，优选为箔的形式。所述层或箔各自的选择并不关键，只要它由于其多孔构造而允许氢气通过并由于孔隙内的高毛细下降(capillary depression)而阻止电解质通过。例如，这样的层或者箔可分别层合到氢阴极上。优选地，所述至少一个中空体或中空柱体的内面包覆有聚四氟乙烯箔。因此，电池工作期间产生的氢气可进入所述至少一个袋体中并从所述袋体中移除(视需要而定)。

在又一实施方式中，氢阴极以形成至少一个中空体，优选中空柱体，的阴极复合体形式存在。

在本发明上下文中，术语“至少一个阴极复合体”指一个阴极复合体或复数个阴极复合体，即两个或更多个如3个阴极复合体。

所述至少一个阴极复合体优选包括至少两个阴极体或由其组成。

根据本发明，术语“至少两个阴极体”包括两个或更多个如3个阴极体。

特别优选地，所述至少两个阴极体为两个半阴极(cathode halves)。

在有利的实施方式中，所述至少两个阴极体在边缘侧(edge side)彼此相连以形成所述至少一个阴极复合体，特别是在纵向边缘侧，且优选通过材料接合，特别是粘结。

例如，所述至少两个阴极体可通过密封和粘结手段(means)彼此连接。合适的密封和粘结手段可选自糊精、聚乙烯醇、纤维素醚或它们的混合物。

在便利的实施方式中，在各情形中所述至少两个阴极体形成为层和/或条带的形式，特别是各自具有微米范围(μm)内的层或条带厚度的层和/或条带。

优选地，在各情形中所述至少两个阴极体配置为箔的形式。

在更多实施方式中，在各情形中所述至少两个阴极体在一侧上覆有多孔疏水层，特别是微孔疏水层，优选为箔的形式。特别优选地，在各情形中所述至少两个阴极体在一侧上覆盖或涂覆有聚四氟乙烯箔(PTFE箔)。对于所述层或箔的更多细节分别参照上述说明。

氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体形式的氢阴极，例如前述实施方式中所述的那些，优选形成直接围绕袋体空腔的袋壁。在形成筒体形式的袋体的情形中，氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，因此优选形成所述袋体的壳体。换言之，氢阴极限定的空腔，特别是所述至少一个阴极复合体限定的空腔，形成了所述至少一个袋体的空腔。

特别地，所述至少两个阴极体彼此连接，使得上述多孔疏水层或箔，各自直接朝向氢阴极特别是所述至少一个阴极复合体所限定的空腔。

氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，或者所述阴极或复合体各自限定的纵轴，特别是对称纵轴，优选校准为与外壳的优选平坦的底部区域垂直或基本垂直。

氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，进一步优选为同轴地布置在析氢电池的外壳内。

在另一实施方式中，氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，居中或大致居中地设置在外壳内。

在各情形中当所述至少两个阴极体各自为常规电极和氢阴极时，这是特别优选的。根据本发明，在各情形中当所述至少两个阴极体为气体扩散电极，特别是聚合物粘结的气体扩散电极时，这是优选的。对于该实施方式的更多特征和优点，完全参见结合本发明电池的氢阴极给出的概述。

电极体的连接，特别是具有PTFE箔的电极体的连接，特别是粘结，通常为已有的技术，因此前述实施方式不会或至少不会明显增加泄露的风险。

在另一实施方式中，氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，借助所述阴极或复合体的外面(external face)上的隔离物分别与阳极或阳极体(anode mass)隔开，所述外面特别是壳体外面。在氢阴极或阴极复合体形成中空体的情形中，术语“外面”指阴极或阴极复合体背向中空体的面。隔离物可以是纽扣电池和析氢电池中常规使用的隔离物。在此，所述隔离物可形成为箔，特别是聚烯烃箔。

在另一实施方式中，氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，以及特别是所述阳极设置在所述析氢电池的壳杯中。

如已经提及地，根据本发明事实上所述至少一个袋体可以完全由氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体形成。在这种情形中，所述袋壁和袋底都由氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体形成。

然而，在可选实施方式中，袋底由隔离物、绝缘或密封材料形成。例如，设置在氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，与阳极之间的隔离物可以沿氢阴极特别是所述至少一个阴极复合体的下端面延伸，并形成袋底。

在另一实施方式中，所述至少一个袋体在氢阴极特别是所述至少一个阴极复合体的上端面具有袋口。

在更多实施方式中，所述阳极可完全包围所述至少一个袋体，袋口除外。

在电池工作期间产生并积聚在所述至少一个袋体中的氢气，一般供给到应用负载，优选燃料电池，特别是移动燃料电池。

这样，在合适的实施方式中，析氢电池在袋口侧具有气体排出口以移除氢气。所述至少一个排出口可形成为壳盖的简单的通孔。可选地，所述至少一个排出口可以是从所述至少一个袋体(或分别从其开口)且实际上(practically)从壳盖伸出的氢去除导管的末端，该导管例如管道或软管。

在更多实施方式中，为了稳定所述至少一个氢阴极，特别是所述至少一个阴极复合体，可将所述阴极或复合体安装在支撑结构中，优选框架中，例如槽框(slot frame)。

如已经提到地，析氢电池的外壳通常形成为两部分，并包括壳盖和壳杯。根据具体情况，壳盖优选包括分别用于电极导体和触头的通道，和分别用于一个或多个排出口和去除导管的通道。所述盖和所述通道有意地气密密封。

特别优选，析氢电池的外壳为两部分式的非金属外壳，特别是由两部分形成的合成材料外壳，即具有各自由合成材料制成的壳盖和壳杯的外壳。

所述析氢电池具有特别的优点，它没有设置在壳盖和壳杯之间用于电绝缘和/或密封的合成材料组件，特别是合成材料环(O环)等形式的组件，根据现有技术可知这些是电池中的潜在泄露点。

在进一步的实施方式中，所述外壳具有柱状，优选棱柱状，特别是长方体状(quadratic)，或者圆柱状形式。

在长方体形构造的外壳的情形中，所述外壳可具有高度(外部尺寸/内部尺寸)167mm到237mm/155mm，宽度80mm到85mm/75mm到80mm，以及深度27mm到46mm/23mm到40mm。

优选地，外壳限定出10ml到1升的外壳容积。在更大型结构的情形中，更扁平的外壳设计，如厚度<50mm，可能是有利的，因为特别是锌阳极的放电可能难以跨过更长的距离。

为了实现外壳的气密紧固，壳盖和壳杯通常彼此密封，特别是粘结或焊接。特别地，由两部分形成的合成材料外壳的密封为已有技术，故泄露的发生在可能的范围内被有效的遏制。

优选地，所述外壳为合成材料的外壳，如通常用于镍镉蓄电池和镍锌蓄电池的外壳。

在更多实施方式中，所述外壳可以例如包括聚苯乙烯制成的壳杯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物制成的壳盖。可选地，所述壳杯可包含聚酰胺或由其制成，其例如焊接到充当壳盖的热镜(thermal mirror)上。

本发明的更多特征和优点可由本发明主题的优选实施方式的以下说明得出，其对应于从属权利要求。其中描述和说明的特征在各情形中可以单独或者相互组合在发明的实施方式中实现。示例性实施方式仅用于解释和更好的理解，而不应理解为任何形式的限制。通过明确引用，将附图并入说明书的内容中。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的析氢电池的一实施方式的截面。

图2a示意性地示出了根据本发明的析氢电池的另一实施方式的俯视图。

图2b示意性地示出了根据本发明的析氢电池的另一实施方式的俯视图。

图3示意性地示出了根据本发明的析氢电池的另一实施方式的俯视图。

图4示意性地示出了根据本发明的析氢电池的又一实施方式的俯视图。

具体实施方式

图1所示的析氢电池100包括具有壳盖112和壳杯118的两部分式棱柱形外壳110。壳杯118包括平坦的底部区域116，且壳盖112包括平行于底部区域116的平坦的盖区域114。

电池100包括金属阳极120，优选由锌膏、含水碱性电解质如含水苛性钾，以及粘结剂制成。

此外，电池100包括形成中空体的阴极复合体形式的氢阴极140。

阴极复合体140由两个箔型阴极体142和148形成，所述阴极体优选为半阴极组件形式。优选地，在各情形中阴极体142和148为气体扩散电极，特别是聚合物粘结的气体扩散电极。

在各情形中，微孔疏水箔143和145，优选PTFE箔，在一侧层合到阴极体142和148上。

为了形成复合体140，阴极体142和148在其箔侧的纵向边缘侧上彼此连接，例如借助粘结手段146，使得箔143和145形成阴极复合体140内面的内衬，即它们直接朝向阴极复合体140所限定的中空空间150。

在此，阴极复合体140所限定的对称轴149设置为垂直或基本垂直于外壳的底部区域116。在这种情形中，阴极复合体140和阳极120均设置在壳杯118中。

阴极复合体140与金属阳极120借助位于所述复合体背向中空空间150一侧上的隔离物160隔开。此外，隔离物160沿着阴极复合体140的下端面141完整地(completely)延伸。

作为整体，阴极复合体140和隔离物160形成袋体(或者袋型结构)170，其沿着下端面141限定出中空空间150，其中复合体140作为袋壁(或者柱形袋的壳体)，而隔离物160作为袋体170沿着下端面141的底部(袋底)。袋体170的袋口172位于阴极复合体140的上端面147。

具有氢气排出口176的氢去除导管174，例如为管道或软管形式，从袋口172伸出。

在电流通过析氢电池100的情形中，在阴极复合体140处生成氢气，该气体经由箔143和145进入中空空间150中。

特别有益地，中空空间150充当电池工作期间产生氢气的积聚储存器。同时，中空空间150充当储存器用于缓冲威胁电池密封性的可能的氢过压。经由去除导管174，所产生的氢气可从电池100去除至负载，如移动燃料电池。

壳盖112和壳杯118在各情形中包含合成材料或由其组成。外壳110优选为常规用作镍镉蓄电池中空外壳的外壳。为达到气密密封，壳盖112和壳杯118可例如借助粘结剂182彼此结合。由此，在壳盖112和壳杯118之间使用的电绝缘和特别是密封用的塑料组件可以省略(与金属壳相比)。

壳盖112包括用于去除导管174以及用于电极导体124(阳极导体)和144(阴极导体)的通道(未示出)。

对于更过特征和优点，完全参照上述描述。

图2a所示的析氢电池100具有圆柱形外壳110。在外壳110内，氢阴极140以形成中空圆柱的阴极复合体的形式居中同轴设置。阴极复合体140的内面覆盖有微孔疏水箔142，例如PTFE箔。

复合体140借助隔离物160与阳极体120隔开。隔离物160还在复合体140的整个下端面(未示出)上延伸，而复合体140的上端面(朝向观察者)开口，这意味着未被覆盖。

由此，形成了具有中空空间150的袋体，该空间由阴极复合体140所形成的袋壁和在复合体140下端面区域上延伸的隔离物所形成的袋底所限定。所述袋体的袋口沿开口的上端面延伸。

对于更多特征和优点，同样参照上述描述，特别是附图1的说明。

在图2b所示析氢电池100的情形中，氢阴极为3个阴极复合体140；140’和140”的形式，在各情形中为图2a所示的类型。

在各情形中阴极复合体140；140’和140”借助隔离物160；160’和160”与阳极体120隔开。在各情形中阴极复合体140，140’和140”的内面具有微孔疏水箔142；142’和142”内衬，例如PTFE箔。外壳110具有棱柱形设计。对于更多特征和优点，同样参照上述描述，特别是附图1的说明。

附图3示出了根据本发明的析氢电池100的另一实施方式的俯视图。电池100具有棱柱形外壳110。分别在外壳110或其壳杯内，存在阴极复合体形式的氢阴极140，其由两个阴极体142和148构成，所述阴极体优选为半阴极。复合体140限定出中空空间150并且借助隔离物(未示出)与阳极体120隔开。为了支撑阴极复合体140并且特别是防止阴极复合体140在氢过压的情形中在结合点处破裂，所述复合体安装到槽框180中，其中槽框180优选对阴极复合体140发挥夹持功能。对于更多特征和优点，同样参照上述描述，特别是附图1的说明。

附图4示出了根据本发明的电池100的另一实施方式。所述电池不同于附图3所示的变体，主要是氢阴极140为阴极复合体形式，其中空空间150在氢去除导管174的区域中为膨胀的“透镜状”。

Claims

1.一种析氢电池(100)，其在电流通过时释放氢气且释放量与通过的电流量成正比，所述析氢电池包括可电化学氧化的阳极(120)、氢阴极(140)、电解质以及包围它们的外壳(110)，其特征在于所述氢阴极(140)包括在至少一个袋体(170)的结构中，该袋体(170)限定了中空空间(150)或者在氢过压的情形中限定了中空空间(150)，或者其特征在于所述阴极形成了这样的袋体(170)。

2.根据权利要求1的析氢电池(100)，其特征在于所述氢阴极(140)配置为至少一个中空体的形式。

3.根据权利要求1的析氢电池(100)，其特征在于所述氢阴极(140)配置为形成中空体的至少一个阴极复合体的形式。

4.根据权利要求3的析氢电池(100)，其特征在于所述至少一个阴极复合体(140)由至少两个阴极体(142；148)构成。

5.根据权利要求4的析氢电池(100)，其特征在于所述至少两个阴极体(142；148)在边缘侧彼此连接。

6.根据权利要求4的析氢电池(100)，其特征在于在各情形中所述至少两个阴极体(142；148)在一侧上覆有微孔疏水箔(143；145)。

7.根据权利要求6的析氢电池(100)，其特征在于所述至少两个阴极体(142；148)彼此连接，使得所述箔(143；145)构成由所述至少一个阴极复合体(140)形成的中空体的内面的内衬。

8.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于所述氢阴极(140)和由所述阴极限定的纵轴(149)分别设置为与所述外壳的平坦的底部区域(116)垂直或基本垂直。

9.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于所述氢阴极(140)形成直接限定袋体的中空空间(150)的袋壁。

10.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于沿着所述氢阴极(140)的下端面(141)，所述至少一个袋体具有由隔离物、绝缘或密封材料形成的袋底。

11.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于所述至少一个袋体(170)在袋口侧具有氢气排出口(176)。

12.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于所述外壳(110)为由两部分形成的非金属外壳。

13.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于所述电池(100)没有设置在壳盖(112)和壳杯(118)之间的提供电绝缘和/或密封的合成材料组件。

14.根据权利要求1-7中任一项的析氢电池(100)，其特征在于所述外壳(110)形成为柱形。

15.根据权利要求2的析氢电池(100)，其中所述氢阴极(140)配置为至少一个中空柱体的形式。

16.根据权利要求3的析氢电池(100)，其中所述氢阴极(140)配置为形成至少一个中空柱体的至少一个阴极复合体的形式。

17.根据权利要求4的析氢电池(100)，其中所述至少一个阴极复合体(140)由两个半阴极构成。

18.根据权利要求5的析氢电池(100)，其中所述至少两个阴极体(142；148)在纵向边缘侧彼此连接。

19.根据权利要求18的析氢电池(100)，其中所述至少两个阴极体(142；148)在纵向边缘侧借助材料接合彼此连接。

20.根据权利要求6的析氢电池(100)，其中所述微孔疏水箔(143；145)为PTFE箔。

21.根据权利要求11的析氢电池(100)，其中所述氢气排出口(176)是孔形式或者从袋口(172)伸出的氢去除导管(174)的末端的形式。

22.根据权利要求21的析氢电池(100)，其中所述氢去除导管(174)为管道或软管。

23.根据权利要求12的析氢电池(100)，其中所述外壳(110)为两部分式合成材料外壳。

24.根据权利要求13的析氢电池(100)，其中所述合成材料组件为合成材料环。

25.根据权利要求14的析氢电池(100)，其中所述外壳(110)形成为棱柱形或者圆柱形。

26.根据权利要求25的析氢电池(100)，其中所述外壳(110)形成为长方体形。