DE10151099A1

DE10151099A1 - Akkumulator

Info

Publication number: DE10151099A1
Application number: DE10151099A
Authority: DE
Inventors: Detlef Ohms; Michael Kohlhase; Katja Hogrebe; Gabor Benczur-Uermoessy; Willi Kitzhoefer; Birgit Bange
Original assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Current assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2003-04-30
Also published as: FR2830985A1; US20030152833A1; FR2830985B1

Abstract

Um einen Akkumulator (1) in bipolarer Stapelbauweise mit einer Vielzahl von in einem Gehäuse (2) schichtartig angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände (8) getrennten Subzellen (9), bei dem jede Subzelle (9) eine positive (10) und eine negative (11) Elektrode, einen zwischen den Elektroden (10, 11) angeordneten Separator (12) sowie einen mit den Elektroden (10, 11) in Kontakt stehenden Elektrolyten aufweist, dahingehend weiterzubilden, daß der aus den Subzellen (9) gebildete Stapel einfach und sicher mechanisch fixiert ist, wird vorgeschlagen, daß der aus mehreren aufeinandergeschichteten Subzellen (9) bestehende Stapel unter Beaufschlagung mit einer die einzelnen Elemente (8, 10, 11, 12) des Stapels in Kontakt haltenden Kraft unter Fortlassung weiterer Verbindungsmittel einzig durch einen mechanischen Zuganker (14) fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise mit einer Vielzahl von in einem Gehäuse schichtartig angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände getrennten Subzellen, wobei jede Subzelle eine positive und eine negative Elektrode, einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator sowie einen mit den Elektroden in Kontakt stehenden Elektrolyten aufweist.

Solchermaßen aufgebaute Akkumulatoren finden seit einiger Zeit verstärkte Beachtung als Alternative zu in der sogenannten Blockbauweise aufgebauten Akkumulatoren. Die letztgenannten Akkumulatoren sind aus einzelnen, abgeschlossenen Galvanozellen zusammengesetzt. Jede dieser Zellen weist dabei zwei Elektroden, einen dazwischen angeordneten Separator sowie eine Menge eines Betriebselektrolyten auf. Die Elektroden der einzelnen Galvanozellen send dabei über Polanschlüsse kontaktierbar, und es werden zum Aufbau eines Akkumulators mehrere Galvanozellen über geeignete elektrische Verbinder miteinander elektrisch verbunden. Der Akkumulator in der Blockbauweise ist also aus einzelnen, körperlich getrennten Galvanoelementen bzw. Zellen aufgebaut.

Im Gegensatz dazu ist der Akkumulator der eingangs genannten Art aus einzelnen Subzellen aufgebaut, welche direkt miteinander in elektrischer Verbindung stehen. Es sind also keine elektrischen Kontaktelemente zum Kontaktieren einzelner Galvanoelemente untereinander mehr vorzusehen. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, daß Leistungsverluste, die aufgrund derartiger Verbindungselemente anfallen, bei Akkumulatoren der eingangs genannten Art nicht gegeben sind.

Beim Aufbau von Akkumulatoren in bipolarer Stapelbauweise müssen die genannten Elektroden, Separatoren und leitfähigen Zwischenwände schichtartig so aufeinander gestapelt werden, daß eine gewünschte Anzahl von Subzellen gebildet wird. Die so zu einem Stapel aufgeschichteten Elemente müssen mechanisch miteinander verbunden werden, um ein Ablösen voneinander zu vermeiden. Da beim Betrieb des Akkumulators Gas, insbesondere Wasserstoffgas sowie Sauerstoffgas, freigesetzt wird, welches einen Druckanstieg bewirkt, muß die Verbindung druckfest ausgebildet sein, um zu verhindern, daß einzelne Elemente einer Subzelle sich voneinander lösen, sonst könnte es in nachteilhafter Weise zu einem Abreißen elektrischer Kontakte oder zu einem Austrag von Elektrolyt aus den Subzellen kommen, was den Betrieb des Akkumulators nachteilig beeinflußt.

Zum mechanischen und druckfesten Verbinden der einzelnen den Stapel aus Subzellen bildenden Elemente wurden verschiedene Verbindungstechniken vorgeschlagen. Allen vorgeschlagenen Techniken, beispielsweise die Verwendung von Klemmelementen, ist gemein, daß sie den Stapelaufbau verkomplizieren bzw. daß eine Mehrzahl von Verbindungselementen notwendig ist, um eine druckfeste, sichere mechanische Verbindung des Subzellenstapels zu bewirken.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der aus einzelnen Subzellen gebildete Stapel mit einfachen Mitteln druckfest fixierbar ist und daß der so gebildete Akkumulator einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der aus mehreren aufeinandergeschichteten Subzellen bestehende Stapel unter Beaufschlagung mit einer die einzelnen Elemente des Stapels in Kontakt haltenden Kraft unter Fortlassung weiterer Verbindungsmittel einzig durch einen mechanischen Zuganker fixiert ist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung eines mechanischen Zugankers zur druckfesten Fixierung des Stapels läßt sich einfach realisieren, und bei geeignetem Aufbau, beispielsweise bei auf die einzelnen Elemente des Stapel bezogener, mittiger Anordnung des Zugankers kann mit lediglich diesem einen Element eine sichere und druckfeste Fixierung des Stapels erreicht werden. Ein solcher Zuganker ist dabei kostengünstig bereitzustellen und läßt sich besonders leicht handhaben, so daß ein vergleichsweise einfaches Zusammensetzen des erfindungsgemäßen Akkumulators möglich ist.

Ein besonders vorteilhafter Aufbau des erfindungsgemäßen Akkumulators ergibt sich, wenn, wie gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, der Stapel aus mehreren aufeinandergeschichteten Subzellen mittels des Zugankers an einem Gehäusedeckel befestigt ist. Mit einer solchen Ausgestaltung läßt sich ein einfacher, modularer Aufbau des Akkumulators verwirklichen. Ein erstes Modul besteht aus dem Gehäuse ohne Deckel. Ein zweites Modul wird aus dem mittels des Zugankers an dem Gehäusedeckel befestigten Subzellenstapel sowie dem Gehäusedeckel selbst gebildet. Zum Zusammenfügen des Akkumulators werden die Subzellen in das Gehäuse eingesetzt, wobei das Gehäuse gleichzeitig mit dem Deckel verschlossen wird. Zwischen Gehäusedeckel und Gehäuse ist dabei vorzugsweise eine druckfeste Verbindung auszubilden. Der Gehäusedeckel fungiert bei einem solchen Aufbau in vorteilhafter Weise zugleich als Druckplatte, welche ein Widerlager für die über den Zuganker auf die Subzellen ausgeübten Kräfte ist. Den beim Betrieb des Akkumulators wirkenden, durch Entstehen von Gas ausgeübten Druckkräften wirken die mechanische Befestigungskraft des Zugankers sowie das starre Gehäuse entgegen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind jeweils am Ende des aus Subzellen gebildeten Stapels an das letzte Element angrenzend Kontaktplatten vorgesehen, über die die Subzellen mit Anschlußpolen zum Kontaktieren des Akkumulators verbunden sind. Über die Kontaktplatten, welche vorzugsweise mit den an sie angrenzenden Elementen der Subzellen in großflächigem Kontakt stehen, werden die mit den Kontaktplatten verbundenen Pole zuverlässig auf das Potential der jeweils mit der Kontaktplatte in Verbindung stehenden Seite der ersten bzw. der letzten Subzelle des Stapels gebracht. Zusätzlich zu den Kontaktplatten können auf der der Subzelle gegenüberliegenden Seite der Kontaktplatte Druckplatten vorgesehen sein, mittels welcher Druckkräfte zum stabilen Fixieren des Stapels auf die einzelnen Subzellen bzw. auf die die Subzellen bildenden Elemente ausgeübt werden können. Im Falle, daß, wie oben beschrieben, der Zuganker an dem Deckel des Gehäuses festgelegt ist, kann der Deckel die Funktion einer Druckplatte übernehmen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Zuganker aus dem Gehäuse herausgeführt ist und gleichzeitig einen Pol des Akkumulators bildet. Dabei sollte selbstverständlich eine Durchtrittsöffnung des Zugankers durch das Gehäuse bzw. den Gehäusedeckel abgedichtet sein, um das Austreten von Elektrolyt oder Gas aus dem Gehäuseinneren durch diese Öffnung hindurch zu verhindern.

Eine besonders günstige Verteilung der durch den Zuganker ausgeübten Anpreßkräfte ergibt sich, wenn der Zuganker, wie gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, durch zentrale Öffnungen der einzelnen, den Stapel bildenden Elemente geführt ist.

Bezüglich des Gehäuses wird schließlich gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß dies zylinderförmig aufgebaut ist. Ein zylinderförmiges Gehäuse, insbesondere ein kreiszylinderförmiges Gehäuse, erweist sich als besonders druckfest und damit als besonders gut geeignet, den beim Betrieb des Akkumulators entstehenden Drücken standzuhalten.

Der erfindungsgemäße Akkumulator ist vorzugsweise ein Metallhydrid- Akkumulator, besonders bevorzugt ein Nickel/Metallhydrid-Akkumulator.

Weitere Merkmaie und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen beigefügten Figur.

In der Figur ist in geschnittener Ansicht schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Akkumulators 1 in bipolarer Stapelbauweise dargestellt. Der Gesamtaufbau des Akkumulators 1 ist aufgenommen in einem Gehäuse 2, welches durch einen Gehäusedeckel 3 verschlossen ist. Gehäuse 2 und Gehäusedeckel 3 sind (in der Figur nicht dargestellt) druckfest, beispielsweise mittels Schrauben, miteinander verbunden. In dem Gehäuse sind stapelartig Subzellen 9 übereinander geschichtet, welche durch leitfähige Zwischenwände 8räumlich voneinander getrennt sind. Die leitfähigen Zwischenwände 8 verhindern, daß Elektrolyt aus dem Bereich einer Subzelle 9 in den Bereich einer anderen Subzelle 9 eindringt, schaffen jedoch eine elektrische Verbindung zwischen aneinander angrenzenden Subzellen 9.

Jede Subzelle 9 weist eine positive Elektrode 10, eine negative Elektrode 11 sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator 12 auf. Der Bereich zwischen den Elektroden 10 sowie 11 ist mit einem Elektrolyt (nicht dargestellt) befüllt. Zwischen der negativen Elektrode 11 einer Subzelle 9 und der positiven Elektrode 10 einer angrenzenden Subzelle 9 ist jeweils eine leitfähige Zwischenwand 8 angeordnet. Positive Elektrode 10 und negative Elektrode 11 der beiden angrenzenden Subzellen 9 stehen so elektrisch miteinander in Verbindung. Die leitfähige Zwischenwand 8 kann aufgrund der angrenzenden Elektroden unterschiedlicher Polarität auch als bipolare Zwischenwand bezeichnet werden.

In der Figur oben sowie unten ist der aus einzelnen Subzellen 9 gebildete Stapel jeweils durch einen Kontaktplatte 4 sowie 5 begrenzt. Die Kontaktplatten liegen vollflächig auf einer angrenzenden Subzelle 9 auf und stellen einen guten elektrischen Anschluß an die Subzelle 9 her. An die in der Figur unten dargestellte Kontaktplatte 5 schließt sich auf der dem Stapel aus Subzellen 9 gegenüberliegenden Seite eine Druckplatte 13 an, mit welcher zum Zusammenhalten des Stapels aus Subzellen 9 Druck auf diese ausgeübt werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite übernimmt der Gehäusedeckel 3 die Funktion einer Druckplatte.

Von der in der Figur unten dargestellten Kontaktplatte 5 ausgehend durchragt ein Zuganker 14 sämtliche Subzellen 9 jeweils in deren Zentrum. Der Zuganker 14 ist durch eine Öffnung des Gehäusedeckels 3 geführt und mittels einer Mutter 15 gegen den Gehäusedeckel 3 verschraubt. Der Bereich, in dem der Zuganker 14 den Gehäusedeckel durchtritt, ist dabei mittels geeigneter Dichtmittel so abgedichtet, daß weder Elektrolyt noch im Akkumulator während des Betriebes entstehendes Gas entweichen kann. Der Zuganker 14 ist elektrisch an die Kontaktplatte 5 angeschlossen und dient somit als positiver Pol 7 des Akkumulators. Der negative Pol 6 des Akkumulators ist mit der in der Zeichnung oben dargestellten Kontaktplatte 4 verbunden und ebenfalls dicht durch den Gehäusedeckel 3geführt. Durch Verschrauben der Mutter 15 auf dem Zuganker 14 werden die Druckplatte 13 und der Deckel 3 gegeneinander verpreßt und die dazwischen angeordneten Subzellen 9 unter Beaufschlagung mit einer Kraft fixiert.

Der in Fig. 1 dargestellte Akkumulator 1 ist zylindrisch aufgebaut mit einer kreisförmigen Grundfläche.

Zum Aufbau des Akkumulators wird zunächst ein Gehäuse 2 sowie ein Deckel 3 bereitgestellt. Sodann werden durch Anordnen positiver und negativer Elektroden 10, 11 sowie Zwischenordnung der Separatoren 12 Subzellen hergestellt, welche unter Zwischenordnung der leitfähigen Zwischenwände 8 übereinandergestapelt werden. Die einzelnen Subzellen werden mit einem Elektrolyten ausgestattet und es werden die Stapel begrenzende Kontaktplatten 4 sowie 5 angeordnet. Der an der Druckplatte 13 befestigte Zuganker 14 wird durch zentrale Öffnungen in den Elektroden 10, 11, den Separatoren 12 sowie den leitfähigen Zwischenwänden 8 hindurch und durch den Deckel 3 geführt. Durch Fixieren des Zugankers mittels der Mutter 15 wird der aus einzelnen Subzellen 9 aufgebaute Stapel mit einer vorgebbaren Preßkraft beaufschlagt und am Deckel 3 des Gehäuses 2 befestigt. Diese aus gestapelten Subzellen 9 und Deckel gebildete Montageeinheit wird schließlich in das Gehäuse 2 eingesetzt, wobei das Gehäuse 2 mit dem Deckel 3 verschlossen wird. Nun werden Deckel 3 und Gehäuse 2 mittels geeigneter Befestigungsmittel, beispielsweise durch Schrauben, druckdicht miteinander verbunden, und der in den Subzellen 9 gespeicherte Elektrolyt wird aktiviert. Bei dem dargestellten Akkumulator 1 ist erfindungsgemäß der Zuganker 14 das einzige Fixierungsmittel, welches den aus einzelnen Subzellen 9 gebildeten Stapel fixiert und mit einer Preßkraft beaufschlagt. Weitere Fixierungsmittel werden erfindungsgemäß nicht verwendet.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung und soll nicht beschränkend verstanden werden. Bezugszeichenliste 1 Akkumulator
2 Gehäuse
3 Gehäusedeckel
4 Kontaktplatte
5 Kontaktplatte
6 negativer Pol
7 positiver Pol
8 leitfähige Zwischenwand
9 Subzelle
10 positive Elektrode
11 negative Elektrode
12 Separator
13 Druckplatte
14 Zuganker
15 Mutter

Claims

1. Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise mit einer Vielzahl von in einem Gehäuse (2) schichtartig angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände (8) getrennten Subzellen (9), wobei jede Subzelle (9) eine positive (10) und eine negative (11) Elektrode, einen zwischen den Elektroden (10, 11) angeordneten Separator (12) sowie einen mit den Elektroden (10, 11) in Kontakt stehenden Elektrolyten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der aus mehreren aufeinander geschichteten Subzellen (9) bestehende Stapel unter Beaufschlagung mit einer die einzelnen Elemente (8, 10, 11, 12) des Stapels in Kontakt haltenden Kraft unter Fortlassung weiterer Verbindungsmittel einzig durch einen mechanischen Zuganker (14) fixiert ist.

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel über den Zuganker (14) an einem Gehäusedeckel (3) befestigt ist.

3. Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusedeckel (3) mit über dem Zuganker (14) daran festgelegten, aus einzelnen Subzellen (9) gebildeten Stapel an dem Gehäuse (2) druckdicht befestigt ist.

4. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die erste sowie die letzte Subzelle (9) des Stapels jeweils Kontaktplatten (4, 5) angeordnet sind, die die Subzellen (9) kontaktieren und an die Anschlußpole (6, 7) zum Kontaktieren des Akkumulators angeschlossen sind.

5. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Subzellen (9) aufgebauten Stapel endseitig begrenzende Druckplatten (3, 13) angeordnet sind.

6. Akkumulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Druckplatten durch den Gehäusedeckel (3) gebildet ist.

7. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (14) durch das Gehäuse (2) oder den Gehäusedeckel (3) geführt ist und einen elektrischen Pol (7) des Akkumulators bildet.

8. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (14) durch zentrale Öffnungen der den Stapel aus aufeinandergeschichteten Subzellen (9) bildenden Elemente geführt ist.

9. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zylinderförmig, vorzugsweise mit kreisförmiger Grundfläche, ausgebildet ist.

10. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ein bipolarer Nickel/Metallhydrid-Akkumulator ist.