CN87104502A - 具有故障内短路的镍氢蓄电池 - Google Patents

Abstract

镍氢蓄电池(12)，它具有在电池(12)的压力容器(40)内部的装置，当出现开路状态的电池故障时将电池短路，使其所在电池组在仅减少故障电池电压的电压下继续蓄电。在容器内部平行于有效平板部件(18)的短路平板部件(50)包括银电极(54)，它在常态为惰性的，而当电池两端放电电压增大到大负值(表明电池的开路故障)时溶在电池电解液中。于是银被镀到常态下是正的镍电极上，银在镍电极和银电极间的空隙中搭成桥，将其短路，从而将电池短路。

Description

本发明总的涉及蓄电池，特别涉及增压的镍氢蓄电池。

可再充电的电池或电池组是储存和保持电荷并在其后以有效电流的形式输出电荷的电化学器件。可再充电电池的熟知例子是汽车用铅酸电池。另一种类型的、就其重量来说具有更大储蓄容量的电池为增压的气体一金属电池，它的一个重要形式是用在空间飞行器上的镍氢电池。卫星上所用镍氢电池周期性地由空间飞行器上的太阳能板产生的电流充电，然后当空间飞行器在阴影中或在用电高峰时放电以提供电能。镍氢蓄电池以大约1.3伏的电压输出电流，并且通常将几个电池串联以产生空间飞行器系统所需电压下的电流。

镍氢电池包括一系列有效平板单元，它们用电化学方法储存电荷，然后以有效电流的形式输出电荷，电池装在包含平板单元的电解液的压力容器中，要不然，电池工作时产生的氢气和氧气，以及电池工作时产生的水汽，所有这些都可能漏失，使蓄电池不能工作。

增压气体蓄电池通常具有良好的可靠性，并且在卫星或其它类型的空间飞行器上的正常寿命中可工作上千个充放电周期。然而，这种电池也可能出故障，例如因压力容器裂缝使一些所含液体和气体漏失。当这种类型的故障发生时，电池处于开路状态而不能工作，因为电流通过电池的唯一通路是电解液，而它已经逐渐损失掉了。我们记得，通常是将几个电池串联成电池组以提供所需电压下的电流的。其中任何一个电池的开路故障都会危及整个电池组的工作，这是因为不存在通过电池组的绕过故障电池的电流通路。

因为单个电池的故障导致的整个电池组的电位故障，也因为在空间中电池组无法修理，所以空间中用的电池组通常包括探测每一单个电池的故障和提供故障发生时绕过故障电池的电流通道的故障保护电路。如果发生故障，故障保护电路将故障电池隔离，并绕过故障电池接通电流。电池组的输出电压减少了故障电池的电压部分，但是通常的做法是在设计电池组时提供足够的余量使得少数几个电池的故障不会使电池组的电压降到空间飞行器所需的电压以下。

故障保护电路在电池外面，但在电池组内部，它通常包括二极管网络或继电器以探测电池的故障并使电流绕过故障电池。这些电子部件和其连带的导线的重量大大增加了电池组的重量，从而降低了空间飞行器的有效载荷。另外，故障保护电路的故障也会对整个电池组和空间电行器造成危害。

因此，用改进的方法消除这种蓄电池组的单个电池的故障是必要的。这种方法应在不依赖外电路和不超过取消故障保护电路节省下的重量的情况下可靠地工作以使电池组的功能保持连续。这种方法也应与现有的镍氢电池的设计原理完全兼容，因为已知现行设计总的是可靠的。本发明满足该要求，并进一步提供了相关的优点。

本发明在镍氢电池之中，通过其内部的设计，而不需电池外的故障保护电路，在电池出现故障时使电池处于短路状态。这样电池组的单个电池的故障不会造成电池组的故障，只是使其输出电压减少了故障电池的电压。安有这种电池的电池组的重量比通常具有故障保护电路的电池组降低，同时电池的蓄电部分不需改变。

根据本发明，镍氢蓄电池包括：含有镍正电极，氢负电极和正负电极之间的隔离器的有效平板部件（亦称平板单元）;含有有效平板单元和在电极中，电极之间的电解液的并具有联到所述有效平板部件的馈电通路的压力容器;在压力容器之中用来当电池上的电压超过负的特征值时将电流通路短路从而使故障电池处于短路状态的装置。更具体的，镍氢蓄电池包括：有效平板部件，有效平板部件包括镍正电极，氢负电极和正负电极之间的隔离器;与有效平板部件平行的短路平板部件，短路平板部件包括镍短路电极，银可溶电极以及镍短路电极与银可溶电极之间的短路隔离器;和包含有效平板部件，短路平板单元和电解液的压力容器，压力容器包括联到平板部件上的馈电通路路。

可溶电极也可用银以外的材料制成，只要其向电池提供大致相同的功能。从材料的功能上描述，镍氢蓄电池包括：有效平板部件，有效平板部件包括镍正电极、氢负电极和正负电极之间的隔离器;与有效平板部件平行的短路平极单元，短路平板单元包括短路电极，可溶电极和处在短路电极和可溶电极之间的短路隔离器，可溶电极由与短路电极的材料结合在电池的最高负电压约0.3伏的正常电池工作情况下具有高过压的材料而构成，并且它在电解液中是惰性的，而当加到短路平板单元上的负电压大于约负1.5伏时可溶电极材料在电解液中溶解并可淀积在短路电极上;和包含有效平板单元，短路平板单元和电解液的压力容器，压力容器包括联到平板单元上的馈电通路。短路电极最好是镍的。银是做可溶电极的最佳材料，但是其它用于可溶电极的合适材料包括铅，铜和镉。

因为在镍和银的界面有过压，所以在电池正常工作的正向约正1.7伏至反向约负0.3伏的范围内，流过短路平板部件的电流可以忽略。在比正常操作下，本发明的蓄电池与普通镍氢电池的工作是基本相同的。如果发生例如压力容器壁破裂的故障，则在放电过程中会有大的负电压加在短路平板部件两侧。如果负电压超过（即，更负于）约负1.5伏时，银电极被氧化成一氧化银Ag₂O，它在电解液中是可溶的。可溶的氧化银迁移到短路电极并还原成银，结果银开始淀积在短路电极上。最后，构成跨在短路和银电极之间空隙上的银桥，将电极短路，从而将电池本身短路。因为短路平板部件与有效平板单元平行，所以电池被内短路而处于短路状态。因此本发明电池的故障就导致闭路或短路故障，从而电流通过故障电池。故障电池不再产生电压，但是以故障电池为其中的串联分量的电池组的总输出电压仅减小了故障电池的电压。不需要外电路就可达到这种故障短路状态。

现在可知道，通过使用本发明，不需要重的故障保护电路，空间飞行器的电池组也可防止因单个电池的开路故障造成的完全失效。在单个电池出故障时，电池中的短路平板部件使电池停止工作处于短路状态，所以电池组继续工作，只是电压减少了故障电池的电压。通过下面结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得很明显，上述附图以举例的方式说明了本发明的原理。

在附图中：

图1是具有若干串联电池的飞行型镍氢电池组的正视简图;

图2是图1中所说明的型式的一种飞行型镍氢电池的正剖面图;

图3是图2沿线3-3的详细说明，说明有效平板部件的结构，分布和电联接以及短路平板部件装置的较好型式;

图4是短路平板部件的另一种结构的正剖面图;

图5是短路平板部件的又一种结构的正剖面图;

图6是在短路平板单元的工作中作为时间的函数的电压图。

镍氢电池组10储存由空间飞行器的太阳电池产生的多余能量，然后当太阳电池不能满足需要时向空间飞行器系统输出储存的能量。电池组10包括多个作为能量存储单元的镍氢电池12。每个电池12以约1.3伏输出储存的能量，这对向大多数空间飞行器系统提供能量来说太低。于是电池12按图1所描述的形式串联起来以提供等于电池12的单个电压之和的电池组电压。在图1的例中，如果五个电池12中的每一个都有1.3伏的输出电压，则串联的五个电池以6.5伏的电池组电压输出电流。如果电池12之一失效且未提供故障保护，则会出现开路，它阻止电池组10输出任何电流。通常的外部故障保护电路提供绕过故障电池的外部电流通路，象由图中虚线导体14所表示的。本发明提供通过故障电池的内部电流通路，如图中虚线导体16所表示，从而使电池组10以所剩电池的减少了的电压继续工作，在图1的例子中为5.2伏。本方法避免了为建立外部电流通路14所需的重的故障保护电路部件的要求。

图2显示了镍氢电池12及其部件。该电池12包括许多并联的单个有效平板单元部件（亦称有效平板单元）18（在图3中详细描述）。每个有效平板部件18依次包括阳极或正电极20^＊，阳极或负电极22以及包含电解液的隔离器24，它在机械上分隔电极20和22，并提供电解介质，通过电解介质发生离子和电子迁移。电极20和22的充电放电通过两组电的引线26实现。所有正极20都由一组引线26并联，而所有负极22都由另一组引线26并联。

在美国专利第4，369，212;4，283，844;4，262，061;4，250，235;4，000，350;和3，669，744号中公布了图中结构的镍氢电池和部件。

正极20最好通过将氢氧化镍注入多孔烧结的镍中构成，它支撑在刻蚀的镍电极衬底上。在负极22的一侧覆盖烧结的铂黑和聚四氟乙烯的混合体，在其另一侧覆盖一层多孔的聚四氟乙烯23。将这些覆盖层加到刻蚀片或织网状的镍衬底上，以构成称为氢电极的负电极22上。可以用许多不同类型的隔离器24，包括如石棉，尼龙和氧化锆-氧化钇布。将电解液，最好为氢氧化钾水溶液，31%的溶液更好，注入隔离器24以及注入到电极之间和之内的空间。

单个的有效平板部件18装在中芯28上构成叠层阵列30。在构成叠层阵列30时，在每个有效平板单元18之间放置单丝聚丙烯网，使得在每个正电极20处的过量充电过程中放出的氧可由电极220扩散到负电极22与氢结合。通过上紧压在每个叠层阵列30的端头上的压板34，使叠层阵列30处在纵向压力之下，例如约每平方吋10磅。上紧压板34最好是通过压紧阵列30然后上紧芯28上的螺丝上的螺母36来完成，从而将Belleville垫圈38与压板34压紧使叠层阵列30固定在位。

叠层阵列30密封在压力容器40之内，上述压力容器由象Inconel 718镍基合金一类材料制成，它可经受1000psia（每平方吋磅，绝对值）量级的内部压力，而不会因氢脆裂或因电解液的腐蚀而损坏。充气管42使压力容器40内的气体含量和压力得到控制。压力容器40一般做成具有半球形顶的柱状管的形式。按图示的方法，具有尺寸为3 1/2 吋直径和13吋长的压力容器40的电池12可含有约40个单个有效平板部件18，结果电池的储电能力为在约1.3伏的电压下输出50安培小时。如果正确地施行充放电则电池12通常可进行上千次的充放电循环而没有明显的损坏。几个这种电池12可组成电池组，以图1中描述的方式串联以获得高电压，或者并联起来以输出大电流。

通过引线26将电压加到每个有效平板部件上使电子电电极22流向电极20实现充电。从而将电能以化学反应物的形式储存在每个有效平板部件18之中，以备以后放电产生有效电流。前述类型的镍氢电池可由太阳电池陈列用如约5安培1.5伏经过约14小时的充电周期从放电状态充满到约50安培小时的容量。电压和充电时间变化很大，这依赖于太阳电池陈列提供的功率和空间飞行器的轨道限定的循环时间。

根据本发明，电池12在其内部含有当电池两端的电压超过约负1.5伏（即，比负1.5伏更负）时将电池短路的装置。在较好的实施方案中，该装置为电池12中的与有效平板部件18平行的短路平板部件50，其较好的实施方案在图3中详细描述。短路平板部件50包括短路电极52，可溶电极54和将可溶电极54支撑在其上的电极支架56，以及介于短路电极52和可溶电极54之间的短路隔离器58。短路平板部件50由引线26与有效平板部件18在电气上并联;并可方便地固定在中芯28上成为叠层阵列30的附件（如图3所示）。短路电极52与正电极20相连，而可溶电极54与负电极22相连。所使用的制造材料对于短路电极52最好是镍片对于可溶电极54最好是烧结的银片，对电极支架56最好是镍片，而对短路隔离器58最好是改进的氧化锆布。

电池12处于正常工作状态时，流经短路平板部件50的电流因为电极52和54上有过压而可忽略。如果电池12失效，如因压力容器破裂使氢和/或电解液漏失，而处于开路状态，则会有大于负1.5伏的大的负电压加在电池12两端。可溶电极54的材料于是被氧化成可溶于电解液的形式。在可溶电极为银的所述情况下，银被氧化成为一氧化银，在氢氧化钾电解液中它形成络合物并被溶解。溶解的氧化银淀积在镍电极52上。通过电池10的重复的充/放电周期，沉积的银的厚度增加，最后变得足够厚使得它在电极52和54之间构成桥路，于是在电极52和54之间形成电流通路或短路。所以产生高负压的电池故障直接导致电极52和54的内部短路。电池发生故障处于短路状态而非开路状态，因而以故障电池为其一个部件的电池组可以以减低了的电压继续工作。

短路平板部件50的另一实施方案由图4描述。除了插在短路隔离器58和短路电极52之间的镍网60外，该平板部件的结构类似于图3所示的短路平板单元的结构。当银淀积在短路电极52上并开始形成将平板部件50短路的桥时，产生足够的热量，Belleville垫圈38迫使可溶电极54的剩余部分朝向短路电极52并进入镍网60的孔中，从而加速了短路过程。

现在在图5中描述短路平板部件50的另一实施方案。该结构类似于图3中描述的短路平板部件，只是取消了电极支架56。电极支架56支撑可溶电极54和建立并保持与其的电接触，但它并不起其它的必不可少的作用。如果可溶电极54有足够的刚性并可与其建立可靠的电接触，则可如图5所示的实施方案那样取消电极支架56。然而，使用可溶电极支架54所增加的可靠性补偿了增加的少量重量，所以最好包括支架。

因为镍材料适合于有效平板部件18的正电极20，所以短路电极52最好为镍。虽然其它金属包括铅，铜和镉也适于做可溶电极54，但其最好为银。这些材料在31%氢氧化钾溶液中的氧化势为为：银，负0.35伏;铜，0.36伏;铅，0.58伏;和镉，0.87伏。所以具有最负的氧化势的材料，银，是最合适的。

利用下面的例子描述本发明的各方面，但是不能将其看成对本发明任何方面的限制。

例1

制备图3中描述的较好类型的短路平板部件并分别使银可溶电极为负（相当于正常工作状态）和为正（相当于故障状态）进行测试。下列的表Ⅰ总结了测试结果：

表Ⅰ

时间间隔    银状态    电压（伏）    电流（毫安）

初始    -    1.30    8

-    1.91    19

-    2.54    2250

-    1.58    1

反向    +    -0.44    0

+    -0.66    1

+    -1.50    16

+    -2.58    2781

+    -3.03    10110

当短路平板单元工作在小于约1.7伏的正电压和不负于约0.3伏的负电压的正常范围内时，基本没有电流流过。当电压增加到超过负1.50伏时（即比负1.50伏更负），相当于故障电池，电流开始变大，表示银电极溶解，并淀积在镍电极上将电池短路。

例2

与例1所用的同样结构的短路平板部件通过连续的15安培电流，同时使银电极为正（相当于故障电池）。该电池电压作为时间的函数如下面的表Ⅱ所报告。

表Ⅱ

经历时间（分）    平板单元电压（伏）

0    3.6

0.1    3.1

0.6    2.9

0.86    2.7

0.88    2.6

0.9    1.1

1.8    0.9

3    0.66

12    0.59

26    0.57

67    0.53

123    0.50

189    0.49

251    0.46

397    0.43

电压的条带记录仪轨迹显示连续的没有瞬变的下降，表明存在所希望的通过平板部件的短路电路在缓慢，不断地建立起来。

例3

在例1中所用类型的短路平板部件工作在通常的充电和放电条件下（如图6所示）。通过在短路平板部件上加大的负电压，同时使银可溶电极为正，建立模拟的故障。在负电压增高时，短路平板单元以所希望的方式起作用，短路使跨过平板部件的电压很低。

如例子所展示的，本发明的短路平板部件以所希望的方式运行，使其所在的电池因故障不能工作时处在短路，而不是开路状态。不需要外部的故障保护电路，从而在保证了电池组的连续运动的同时减少了它的重量。虽然为描述方便详细地叙述了本发明的特别的实施方案，但是可在不偏离本发明的精神和领域的情况下做出各种改进。所以，本发明不被限制，除非来自所附的权利要求书。

Claims (16)

1、镍氢蓄电池，包括：

有效平板部件，所述有效平板部件包括镍正电极、氢负电极以及在所述正电极和所述负电极之间的隔离器；

与所述有效平板部件平行的短路平板部件，所述短路平板部件包括短路电极，可溶电极和在所述短路电极和所述可溶电极之间的短路隔离器，所述可溶电极是由与短路电极的材料配合在电池正常工作时(此时所述电池最高负电压为约负0.3伏)具有高过压的材料构成，并且它在电解液中是惰性的，而当加到所述短路平板部件上的负电压大于负1.5伏左右时所述可溶电极材料在所述电解液中可溶解并能淀积在短路电极上；

包括所述有效平板部件，所述短路平板部件和电解液的压力容器，所述压力容器包括联到所述平板部件上的馈电通路。

2、权利要求1的蓄电池，其中所述可溶电极由从包括银，铅，铜和镉的一组材料中选出的材料构成。

3、权利要求1的蓄电池，其中所述可溶电极由银构成。

4、权利要求1的蓄电池，其中所述短路电极由镍构成。

5、权利要求1的蓄电池，其中所述可溶电极支撑在电极支架上。

6、权利要求1的蓄电池，其中所述短路平板单元进一步包括插在所述短路电极和所述短路隔离器之间的网。

7、权利要求1的蓄电池，包括许多所述有效平板单元。

8、权利要求1的蓄电池，其中电解液是氢氧化钾的水溶液。

9、镍氢蓄电池，包括：

有效平板部件，所述有效平板部件包括镍正电极，氢负电极和在所述正电极和所述负电极之间的隔离器;

与所述有效平板部件平行的短路平板部件，所述径路平板部件包括镍短路电极，银可溶电极和在所述镍短路电极和所述银可溶电极之间的短路隔离器;

内含所述有效平板部件，所述短路平板部件和电解液的压力容器，所述压力容器包括通到所述平板部件的馈电通路。

10、权利要求9的蓄电池，包括许多所述有效平板部件。

11、权利要求9的蓄电池，其中电解液为氢氧化钾的水溶液。

12、权利要求9的蓄电池，其中可溶电极支撑在电极支架上。

13、权利要求9的蓄电池，进一步包括在所述短路电极和所述短路隔离器之间的网。

14、权利要求9的蓄电池，其中所述径路隔离器由氧化锆构成。

15、镍氢蓄电池，包括：

有效平板部件，包括镍正电极，氢负电极和在所述正电极和所述负电极之间的隔离器;

包含所述有效平板部件和电解液的压力容器，所述压力容器具有联到所述有效平板部件上的馈电通路;

包含在所述压力容器中的装置，用于当所述电池两端的电压超过负的特征值时用电化学将通过所述电池的电流通道短路，从而所述电池处于短路状态。

16、权利要求15的蓄电池，其中所述装置包括短路平板单元。

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