DE102021110599A1 - Akkumulator mit bipolarem aufbau - Google Patents

Akkumulator mit bipolarem aufbau Download PDF

Info

Publication number
DE102021110599A1
DE102021110599A1 DE102021110599.4A DE102021110599A DE102021110599A1 DE 102021110599 A1 DE102021110599 A1 DE 102021110599A1 DE 102021110599 A DE102021110599 A DE 102021110599A DE 102021110599 A1 DE102021110599 A1 DE 102021110599A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
separator
accumulator
cells
recombination catalyst
cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102021110599.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Lukas WILHELM
Jens Burfeind
Christian Doetsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102021110599.4A priority Critical patent/DE102021110599A1/de
Publication of DE102021110599A1 publication Critical patent/DE102021110599A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H01M10/28—Construction or manufacture
    • H01M10/281—Large cells or batteries with stacks of plate-like electrodes
    • H01M10/282—Large cells or batteries with stacks of plate-like electrodes with bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4242—Regeneration of electrolyte or reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417—Polyolefins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/029—Bipolar electrodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Akkumulator (1,22) mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über eine Bipolarplatte (3,4,27) getrennten Zellen (2,21), wobei die Zellen (2,21) jeweils zwei Elektroden (5,6,23,24), einen zwischen den beiden Elektroden (5,6,23,24) angeordneten Separator (10, 25), einen in dem Separator (10,25) aufgenommenen alkalischen Elektrolyt (11,30) und einen Rekombinationskatalysator (19,26) zur Rekombination von beim Laden der Zelle (2,21) entstehendem molekularen Wasserstoff (H2) und molekularen Sauerstoff (02) zu Wasser (H2O), wobei die Elektrolyte (11,30) der mehreren Zellen (2,21) getrennt voneinander in den mehreren Zellen (2,21) vorgesehen sind. Damit auf einfache Weise ein Austrocknen und übermäßige Konzentrationsunterschiede der Elektrolyte in den Zellen vermieden werden können, ist vorgesehen, dass der Rekombinationskatalysator (19,26) in den Separatoren (10,25) der Zellen (2,21) und/oder über dem Separator (10,25) und/oder wenigstens einer Elektrode (23,24) in den Zellen (2,21) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Akkumulator mit einem Zellstack aus einer Mehrzahl von jeweils über eine Bipolarplatte getrennten Zellen, wobei die Zellen jeweils zwei Elektroden, einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Separator, einen in dem Separator aufgenommenen alkalischen Elektrolyt und einen Rekombinationskatalysator zur Rekombination von beim Laden der Zelle entstehendem molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff zu Wasser, wobei die Elektrolyte der mehreren Zellen getrennt voneinander in den mehreren Zellen vorgesehen sind.
  • Akkumulatoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von Batteriezellen, die auch kurz als Zellen bezeichnet werden. Die einzelnen Zellen eines Akkumulators sind oft in einer Reihe angeordnet oder aufeinandergestapelt. Man spricht in diesem Zusammenhang daher auch von einem Zellstack.
  • Die einzelnen Zellen wiederum setzen sich aus Halbzellen zusammen, die Elektroden umfassen, welche durch einen mit Elektrolyt getränkten Separator voneinander getrennt sind. Bei Akkumulatoren mit einem monopolaren Aufbau sind die einzelnen Zellen über inerte, elektrisch nicht leitende Materialen voneinander getrennt und lediglich über Leitungen elektrisch miteinander verbunden. Bei Akkumulatoren mit einem bipolaren Aufbau werden die Zellen über elektrisch leitende Bipolarplatten voneinander getrennt. Dabei befinden sich regelmäßig auf den gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten jeweils eine Anode und eine Kathode angrenzender Zellen. Zudem sind die Anode und die Kathode typischerweise jeweils in direktem elektrisch leitendem Kontakt mit der dazwischen angeordneten Bipolarplatte. Um einen kompakten Aufbau der Akkumulatoren mit bipolarem Aufbau zu erreichen, ist der Elektrolyt einer jeden Zelle getrennt von dem Elektrolyt in den anderen Zellen des Akkumulators angeordnet.
  • Bei Akkumulatoren mit einem alkalischen Elektrolyten ist es bekannt, dass beim Ladevorgang, insbesondere bei einem Überladen, der Akkumulatoren an den beiden Elektroden einer Zelle Wasser in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff gespalten werden kann. Es laufen hierbei an den unterschiedlichen Elektroden die folgenden Teilreaktionen ab:
    • Negative Elektrode: 4 H2O + 4 e- -> H2 + 4 OH-
    • Positive Elektrode: 4 OH- -> 2 H2O + O2 + 4 e-
    • Gesamtreaktion: 2 H2O -> 2 H2 + O2
  • Wenn der so gebildete molekulare Wasserstoff und molekulare Sauerstoff aus den Zellen entweicht, können die Zellen schrittweise austrocken. Um dies zu verhindern, müsste regelmäßig Wasser nachgefüllt werden. Alternativ müssten der molekulare Wasserstoff und der molekulare Sauerstoff wieder katalytisch zu Wasser rekombiniert werden, um einen entsprechenden Wasserverlust wieder auszugleichen. Dies ist bei Akkumulatoren mit bipolarem Aufbau umso wichtiger, da in Akkumulatoren mit bipolarem Aufbau aus Gründen der Kompaktheit nur wenig überschüssiger Elektrolyt in den Zellen vorgehalten werden kann. Das Nachfüllen von Wasser ist bei solchen Akkumulatoren aufgrund der voneinander getrennten Elektrolyte jedoch kaum zu realisieren. Des Weiteren kann bei Akkumulatoren mit bipolarem Aufbau keine Rekombination des molekularen Wasserstoffs und des molekularen Sauerstoffs außerhalb der Zellen vorgenommen werden, wie dies bei Akkumulatoren mit monopolarem Aufbau bekannt ist. Das so erzeugte Wasser kann bei Akkumulatoren mit bipolarem Aufbau nämlich nicht oder nur mit hohem Aufwand wieder gleichmäßig auf die Zellen des Akkumulators aufgeteilt werden.
  • Um bei Akkumulatoren eine Rekombination des molekularen Wasserstoffs und des molekularen Sauerstoffs innerhalb der jeweiligen Zellen zu realisieren, ist bereits vorgeschlagen worden, einen Rekombinationskatalysator zwischen der negativen Elektrode und der Bipolarplatte vorzusehen oder in die Bipolarplatte zu integrieren. Beides hat jedoch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt. Es kann sich nämlich der Kontakt zwischen den Bipolarplatten und den Elektroden verringern und damit den inneren Widerstand des Akkumulators erhöhen. Zudem kann der Rücktransport des durch die Rekombination gebildeten Wassers behindert sein, wodurch es zu ungleichmäßigen Konzentrationen der Elektrolyte in den unterschiedlichen Zellen kommen kann. Ferner kann es zu Leckagen des Elektrolyten kommen.
  • Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Akkumulator derart auszugestalten und weiterzubilden, dass auf einfache Weise ein Austrocknen und übermäßige Konzentrationsunterschiede der Elektrolyte in den Zellen vermieden werden können.
  • Diese Aufgabe ist bei einem Akkumulator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Rekombinationskatalysator in den Separatoren der Zellen und/oder über dem Separator und/oder wenigstens einer Elektrode in den Zellen vorgesehen ist.
  • Auf diese Weise kann der molekulare Wasserstoff und der molekulare Sauerstoff zuverlässig in der Zelle rekombiniert werden und zwar in unmittelbarer Nähe zum Entstehungsort des molekularen Wasserstoffs und des molekularen Sauerstoffs. Es besteht dabei weder die Gefahr des Austrocknens noch einer Leckage des Elektrolyten. Auch werden die inneren Widerstände des Akkumulators durch diese Anordnung des Rekombinationskatalysators allenfalls unwesentlich beeinträchtigt.
  • Wenn der Rekombinationskatalysator im Separator angeordnet ist, kann das an dem Rekombinationskatalysator gebildete Wasser direkt wieder vom Elektrolyt aufgenommen werden. Wenn der Rekombinationskatalysator über dem Separator und/oder über wenigstens einer Elektrode angeordnet wird, kann der molekulare Wasserstoff und der molekulare Sauerstoff einfach durch den Separator zu dem Rekombinationskatalysator aufsteigen und dort rekombiniert werden. Das so gebildete Wasser kann dann infolge der Schwerkraft wieder zurück nach unten in den Separator strömen und dort von Elektrolyten aufgenommen werden.
  • Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Akkumulators ist der über dem Separator vorgesehene Rekombinationskatalysator zwischen den Elektroden vorgesehen. Auf diese Weise wird der wirksame Zellquerschnitt für die zwischen den Elektroden wandernden Ionen, insbesondere die Hydroxydionen, nur bedingt beschränkt. Zugleich kann aber ausgenutzt werden, dass der molekulare Wasserstoff und der molekulare Sauerstoff nach oben steigen und dort mit dem Rekombinationskatalysator in Kontakt kommen. So kann Rekombinationskatalysator eingespart und der verbliebene Rekombinationskatalysator effizient genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der über dem Separator angeordnete Rekombinationskatalysator zwischen den benachbarten Bipolarplatten vorgesehen sein. Auf diese Weise wird der wirksame Zellquerschnitt für die zwischen den Elektroden wandernden Ionen, insbesondere die Hydroxydionen, nicht beschränkt. Zugleich kann der Rekombinationskatalysator aber platzsparend in der Zelle vorgesehen werden. Es können zudem ferner bedarfsweise die Elektroden kleiner ausgebildet und mithin Elektrodenmaterial eingespart werden. Wenn der Rekombinationskatalysator in dem Separator vorgesehen ist, dann kann der Rekombinationskatalysator darin so verteilt angeordnet werden, dass das Wandern der Ionen, insbesondere die Hydroxydionen, durch den Separator nicht nennenswert behindert wird.
  • Ein besonders einfacher und zugleich besonders zuverlässiger Aufbau der Zellen des Akkumulators lässt sich erreichen, wenn der über dem Separator vorgesehene Rekombinationskatalysator jeweils in direktem Kontakt mit dem Separator steht. Dann kann der Rekombinationskatalysator das durch Rekombination gebildete Wasser direkt wieder an den Separator ableiten und/oder den molekularen Wasserstoff und den molekularen Sauerstoff von dem Separator direkt aufnehmen, um daraus im Wege der Rekombination wieder Wasser zu bilden.
  • Insbesondere der in dem Separator angeordnete Rekombinationskatalysator kann bevorzugt in Form von voneinander getrennten Partikeln vorgesehen und bedarfsweise im Separator verteilt vorgesehen sein. Dabei ist es für eine geleichmäßige Rekombination zudem bevorzugt, wenn die Partikel des Rekombinationskatalysators gleichmäßig in dem Separator verteilt sind, und zwar insbesondere über dessen Längserstreckung. In einer einfachen Ausgestaltung können die Partikel des Rekombinationskatalysators in einer wenigstens im Wesentlichen mittleren Schicht, beispielsweise zwischen zwei äußeren Schichten des Separators vorgesehen sein. Bei einer Aufnahme der Partikel des Rekombinationskatalysators im Separator müssen der molekulare Wasserstoff und der molekulare Sauerstoff nicht erst über weitere Strecken durch den Separator wandern, um an dem Rekombinationskatalysator zu Wasser rekombiniert zu werden. Zudem kann so verhindert werden, dass die Wanderung der Ionen, insbesondere der Hydroxidionen, von einer Elektrode zur anderen nennenswert behindert wird.
  • Damit die Rekombination am Rekombinationskatalysator nicht durch den Elektrolyt behindert wird und der molekulare Wasserstoff sowie der molekulare Sauerstoff problemlos in Kontakt mit dem Rekombinationskatalysator gelangen können, bietet es sich an, wenn der Rekombinationskatalysator auf einem hydrophoben Trägermaterial aufgebracht und/oder von einer hydrophoben Hüllschicht umgeben ist. Das entsprechende hydrophobe Material verhindert mithin eine übermäßige Benetzung des Rekombinationskatalysators oder gar ein Fluten des Rekombinationskatalysators mit Elektrolyt. Zudem sorgt das hydrophobe Material dafür, dass das durch die Rekombination am Rekombinationskatalysator gebildete Wasser wieder an den Separator abgegeben wird. Der molekulare Wasserstoff und der molekulare Sauerstoff können aber trotz des hydrophoben Materials im Wege der Diffusion an die aktiven Zentren des Rekombinationskatalysators gelangen.
  • Um einen einfachen und kostengünstigen Aufbau der Zellen sicherzustellen, kann es sich anbieten, wenn die hydrophobe Hüllschicht vom Separator gebildet wird. Beispielsweise kann der Separator aus zwei Schichten gebildet werden, wobei an wenigstens einer der aneinandergrenzenden Seiten des Separators mit einem hydrophoben Material versehene Aufnahmen für den Rekombinationskatalysator bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Rekombinationskatalysator zusammen mit einer hydrophoben Trägerschicht in die Aufnahmen eingebracht werden. Der Rekombinationskatalysator kann dabei in Form von Partikeln verteilt über den Separator in diesen eingebracht werden. Der Rekombinationskatalysator kann aber auch in Form einer Gitterstruktur oder einer anderen bereichsweise durchlässigen Struktur vorgesehen werden. So können die Ionen, insbesondere die Hydroxidionen von Elektrode zu Elektrode durch den Separator wandern, ohne vom Rekombinationskatalysator zu sehr behindert zu werden. Gleichzeitig findet aber eine Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff im Separator selbst statt.
  • Ein geeigneter Rekombinationskatalysator kann aus Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Nickel, Kobalt und/oder wenigstens einem Polythiophen gefertigt sein. Dabei kann es zudem ausreichen, wenn lediglich das katalytisch aktive Material aus Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Nickel, Kobalt und/oder wenigstens einem Polythiophen gebildet wird. Der Rekombinationskatalysator kann also auch aus einer entsprechenden Legierung gebildet werden oder ein katalytisch inertes Trägermaterial aufweisen, das dann bedarfsweise das hydrophobe Material des Rekombinationskatalysators bilden kann.
  • Besonders effektiv kann es sein, wenn der Separator wenigstens im Wesentlichen aus wenigstens einem Kunststoff gebildet ist. Dabei bieten sich insbesondere Kunststoffe in Form von Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyetheretherketon (PEEK) oder Mischungen davon an.
  • Die beschriebene Anordnung des Rekombinationskatalysators erlaubt es zudem, die Zellen in Stapelrichtung des Zellstacks jeweils durch Bipolarplatten und senkrecht zu dieser Stapelrichtung durch Zellrahmen zu begrenzen. So kann ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Akkumulators erreicht werden, ohne dass dies zulasten der Effizienz des Akkumulators geht. Dies gilt insbesondere, wenn die Bipolarplatten und die Zellrahmen flüssigkeitsdicht ausgebildet werden und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden.
  • Dabei bietet es sich ganz grundsätzlich aus Kostengründen und aus Fertigungsgründen an, wenn die Zellrahmen und/oder die Bipolarplatten aus wenigstens einem Kunststoff gebildet sind. Diese lassen sich dann im Falle eines thermoplastischen Kunststoffs auch einfach und zuverlässig miteinander verschweißen.
  • Wenn alternativ oder zusätzlich die Zellen des Zellstacks, insbesondere die Zellrahmen und/oder die Bipolarplatten, miteinander verschweißt sind, kann ein einfacher, dichter und zuverlässiger Aufbau des Akkumulators erreicht werden. Gleiches kann auch dadurch erreicht werden, dass die Zellen des Zellstacks, insbesondere die Zellrahmen und/oder die Bipolarplatten, miteinander verspannt sind. Dann ist die Fertigung des Akkumulators einfacher, benötigt aber zusätzlich eine entsprechende Verspanneinrichtung, welche den Zellstack zusammenhält.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
    • 1 einen ersten erfindungsgemäßen Akkumulator in einer schematischen Schnittansicht quer zur Stapelrichtung der Zellen des Akkumulators,
    • 2 eine Zelle des Akkumulators aus 1 in einer schematischen Schnittansicht und
    • 3 eine Zelle eines zweiten Akkumulators in einer schematischen Schnittansicht entsprechend 2.
  • In der 1 ist ein Akkumulator 1 mit einem bipolaren Aufbau in einer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Dabei umfasst der Akkumulator 1 einen Stapel (Zellstack Z) von einzelnen Zellen 2, die in einer Stapelrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Zellen 2 sind jeweils Bipolarplatten 3,4 vorgesehen, die an einer Seite an einer negativen Elektrode 5 einer Zelle 2 anliegt und an der gegenüberliegenden Seite an einer positiven Elektrode 6 einer angrenzenden Zelle 2 anliegt. Dabei kann die Bipolarplatte 4 bedarfsweise als eine Kühlplatte ausgebildet sein, welche Kühlrippen zum Abführen von im Akkumulator 1 entstehender Wärme aufweist. Auf die Bipolarplatten 4 in Form von Kühlplatten kann bedarfsweise aber auch verzichtet werden. An den beiden gegenüberliegenden Enden des Akkumulators 1 ist jeweils eine Endplatte 7,8 mit innenliegenden elektrisch leitfähigen Ableiterplatten 9 vorgesehen, wobei der Ableiterplatte 9 der linken Endplatte 7 eine negative Elektrode 5 anliegt und an der Ableiterplatte 9 der rechten Endplatte 8 eine positive Elektrode 6 anliegt. Die Ableiterplatten 9 sind an nicht dargestellte elektrische Leitungen angeschlossen, über die der Akkumulator 1 entladen und wieder geladen werden kann.
  • Eine jede Zelle 2 umfasst zwei Elektroden 5,6 die über einen zwischen den Elektroden 5,6 angeordneten Separator 10 voneinander getrennt sind, der von einem Elektrolyt 11 getränkt ist. Zudem sind um die Elektroden 5,6 herum Zellrahmen 12 angeordnet, die bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Akkumulator 1 mit den angrenzenden Bipolarplatten 3,4 umlaufend verschweißt sind. Auf diese Weise sind die einzelnen Zellen 2 flüssigkeitsdicht verschlossen, so dass kein Elektrolyt 11 austreten kann. In diesem Falle können die Bipolarplatten 3,4 jeweils aus zwei Bipolarplattenhälften zusammengesetzt sein, wobei jede der beiden Bipolarplattenhälften dann einer anderen Zelle 2 zugeordnet ist. Jede der zusammengehörigen, eine Bipolarplatte 3,4 bildenden Bipolarplattenhälften kann dann mit dem Zellrahmen 12 einer anderen Zelle 2 verschweißt werden. Sodann können die dicht verschlossenen Zellen 2 der Reihe nach zu einem Zellstack Z aufeinander gestapelt werden. Die jeweiligen Bipolarplattenhälften können dann miteinander verschweißt sein. Alternativ können die Bipolarplattenhälften auch bloß aneinander anliegen und miteinander verspannt sein.
  • Die Zellen 2 könnten aber auch auf andere Weise verschlossen und gestapelt sein. Beispielsweise können immer mehrere Zellen 2 des Akkumulators 1 zu einem Modul M verbunden werden, das jeweils für sich flüssigkeitsdicht verschlossen ist, wie dies ebenfalls exemplarisch in der 1 dargestellt ist. Bei einem solchen Modul M können die zwischen zwei Zellen 2 eines Moduls M vorgesehenen Bipolarplatten 3,4 einteilig ausgebildet und jeweils mit gegenüberliegenden Zellrahmen 12 verschweißt sein. Die so gebildeten Module M können dann der Reihe nach zu einem Zellstack Z des Akkumulators 1 gestapelt werden, wobei zwischen zwei Modulen M jeweils zwei Bipolarplatten 3,4 in Anlagen aneinander gelangen. Die äußeren Bipolarplatten 3 der äußeren Module M können dann an Ableiterplatten 9 in Anlage gelangen, an die sich dann die Endplatten 7,8 des Akkumulators 1 anschließen.
  • In der Praxis wird es regelmäßig bevorzugt sein, wenn der Zellstack Z ausschließlich aus separaten, einzelnen Zellen 2 zusammengesetzt ist, wie dies in der 1 auf der linken Seite dargestellt ist, oder ausschließlich aus separaten, einzelnen Modulen M zusammengesetzt ist, wie dies in der 1 in der Mitte dargestellt ist. Die einzelnen Zellen 2 und/oder Module M können aber alternativ oder zusätzlich auch unverschweißt im Wege des Verspannens miteinander zu einem Zellstack Z zusammengesetzt sein.
  • Die Ableiterplatten 9 können ganz grundsätzlich und unabhängig von dem konkreten Aufbau des Akkumulators 1 mit den Bipolarplatten 3 oder alternativ zu den Bipolarplatten 3 mit den Zellrahmen 12 verschweißt sein. Im letztgenannten Fall kann an der Stelle einer Ableiterplatte 9 auf eine Bipolarplatte 3 verzichtet werden, wobei die dort vorgesehene Ableiterplatte 9 dann als Bipolarplatte 3 fungieren kann.
  • In der 2 ist eine Zelle 2 des Akkumulators 1 aus 1 dargestellt. Zu beiden Seiten der Zelle 2 ist eine Bipolarplatte 3 vorgesehen, an die entweder eine negative Elektrode 5 oder eine positive Elektrode 6 angrenzen. Die positive Elektrode 6 ist bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Zelle 2 aus Nickel gefertigt, während die negative Elektrode 5 aus Eisen gefertigt ist. Beide Elektroden 5,6 und der dazwischen vorgesehene Separator 10 sind von einem Zellrahmen 12 umfasst, der seitlich mit den Bipolarplatten 3 verschweißt ist.
  • Der Separator 10 ist aus zwei Teilen gebildet, und zwar einer linken Schicht 13 und einer rechten Schicht 14. Jede dieser Schichten 13,14 weist Aufnahmen 15 auf, die durch eine hydrophobe Schicht 16 begrenzt werden. Zudem sind die Aufnahmen 15 so vorgesehen, dass die Aufnahmen 15 der gegenüberliegenden Schichten 13,14 des Separators 10 in Überdeckung gelangen und eine gemeinsame, vorliegend wenigstens im Wesentlichen kugelförmige, Aufnahme 17 bilden, die nach außen durch die hydrophoben Schichten 16 abgeschlossenen werden. Die Aufnahmen könnten beispielsweise alternativ auch eine längliche, insbesondere eine stabförmige, Erstreckung aufweisen. Die Aufnahmen 15 bilden dann zusammen hydrophobe Hüllschichten 18 zum Umhüllen des Rekombinationskatalysators 19. Die hydrophoben Schichten 16 bzw. die Hüllschichten 18 erlauben jedoch einen Übertritt von molekularem Wasserstoff H2 und molekularem Sauerstoff O2 nach innen in Richtung des Rekombinationskatalysators und von Wasser H2O nach außen in Richtung des Materials des Separators 10, und zwar wenigstens im Wege der Diffusion. In den Aufnahmen 15 zwischen den beiden hydrophoben Schichten 16 des Separators 10 bzw. innerhalb der Hüllschicht 18 ist jeweils wenigstens ein Partikel des Rekombinationskatalysators 19 eingeschlossen. Zwischen den Partikeln des Rekombinationskatalysators 19 können Hydroxidionen OH- von einer Elektrode 5,6 zur anderen Elektrode 6,5 wandern.
  • Gelichzeitig kann an den Elektroden 5,6 gebildeter molekularer Wasserstoff H2 und molekularer Sauerstoff O2 durch die gemeinsame hydrophobe Aufnahme 17 hindurch diffundieren und in Kontakt mit dem Rekombinationskatalysator 19 gelangen. Dabei wird der Sauerstoff O2 und der Wasserstoff H2 zu Wasser H2O rekombiniert, das infolge der hydrophoben Aufnahmen 16 und bedarfsweise eines hydrophoben Trägermaterials 20 des Rekombinationskatalysators 19 aus der gemeinsamen Aufnahme 17 in den angrenzenden Bereich des Separator 10 transportiert wird.
  • In der 3 ist eine alternative Zelle 21 eines Akkumulators 22 dargestellt, der ähnlich wie der Akkumulator 1 aus der 1 aufgebaut sein kann, aber nicht muss. In der Zelle 21 sind ebenfalls zwei Elektroden 23,24 vorgesehen, die über einen Separator 25 voneinander getrennt sind. Der Separator 25 weist aber keinen Rekombinationskatalysator 26 auf. Dieser Rekombinationskatalysator 26 ist dafür oberhalb des Separators 25 vorgesehen und kann sich wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung der Zelle 21 erstrecken. Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Zelle 21 ist der Rekombinationskatalysator 26 in direktem Kontakt mit dem darunter vorgesehenen Separator 25. Zur Seite ist der Rekombinationskatalysator 26 von zwei Bipolarplatten 27 und nach außen durch den Zellrahmen 28 der Zelle 20 begrenzt, der mit den Bipolarplatten 27 verschweißt ist, aber nicht sein müsste. An den Seiten der Zelle 21 und an dem Boden der Zelle 21 sind die Bipolarplatten 27 mit dem Zellrahmen 28 verschweißt, ohne dass dort zwischen den Bipolarplatten 27 ein Rekombinationskatalysator 26 vorgesehen wäre. Der an den Elektroden 23,24 gebildete molekulare Wasserstoff H2 und molekulare Sauerstoff O2 diffundieren durch den Separator 25 nach oben in den Rekombinationskatalysator 26, der ein hydrophobes Trägermaterial 29 aufweist. Durch den Kontakt des Wasserstoffs H2 und des Sauerstoffs O2 mit dem Rekombinationskatalysator 26 werden der Sauerstoff O2 und der Wasserstoff H2 zu Wasser H2O rekombiniert. Das Wasser H2O wird dann infolge des hydrophoben Trägermaterials 29 des Rekombinationskatalysators 26 aus diesen ausgetrieben und gelangt mit der Schwerkraft in den Separator 25, wo das Wasser H2O in dem Elektrolyt 30 der Zelle 21 aufgenommen wird. Der Elektrolyt 30 ist ein wässriger Elektrolyt 30 und bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Zelle 21 ein alkalischer Elektrolyt 30. Dieser enthält Hydroxidionen OH-, die durch den Separator 25 von einer Elektrode 23,24 zur anderen Elektrode 23,24 wandern können, ohne dass diese Wanderung durch den Rekombinationskatalysator 26 beeinträchtigt wäre.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Akkumulator
    2
    Zelle
    3
    Bipolarplatte
    4
    Bipolarplatte
    5
    Elektrode
    6
    Elektrode
    7
    Endplatte
    8
    Endplatte
    9
    Ableiterplatte
    10
    Separator
    11
    Elektrolyt
    12
    Zellrahmen
    13
    Schicht
    14
    Schicht
    15
    Aufnahme
    16
    hydrophobe Schicht
    17
    gemeinsame Aufnahme
    18
    Hüllschicht
    19
    Rekombinationskatalysator
    20
    Trägermaterial
    21
    Zelle
    22
    Akkumulator
    23
    Elektrode
    24
    Elektrode
    25
    Separator
    26
    Rekombinationskatalysator
    27
    Bipolarplatte
    28
    Zellrahmen
    29
    Trägermaterial
    30
    Elektrolyt
    M
    Modul
    R
    Stapelrichtung
    Z
    Zellstack

Claims (12)

  1. Akkumulator (1,22) mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über eine Bipolarplatte (3,4,27) getrennten Zellen (2,21), wobei die Zellen (2,21) jeweils zwei Elektroden (5,6,23,24), einen zwischen den beiden Elektroden (5,6,23,24) angeordneten Separator (10, 25), einen in dem Separator (10,25) aufgenommenen alkalischen Elektrolyt (11,30) und einen Rekombinationskatalysator (19,26) zur Rekombination von beim Laden der Zelle (2,21) entstehendem molekularen Wasserstoff (H2) und molekularen Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O), wobei die Elektrolyte (11,30) der mehreren Zellen (2,21) getrennt voneinander in den mehreren Zellen (2,21) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekombinationskatalysator (19,26) in den Separatoren (10,25) der Zellen (2,21) und/oder über dem Separator (10,25) und/oder wenigstens einer Elektrode (23,24) in den Zellen (2,21) vorgesehen ist.
  2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den gegenüberliegenden Elektroden (5,6) und/oder zwischen den benachbarten Bipolarplatten (3,4,27) vorgesehen ist.
  3. Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der über dem Separator (25) vorgesehene Rekombinationskatalysator (26) zum Ableiten des rekombinierten Wasserstoffs (H2) an den jeweiligen Separator (25) und/oder zur Aufnahme des molekularen Wasserstoffs (H2) und molekularen Sauerstoffs (O2) von dem jeweiligen Separator (25) in direktem Kontakt mit dem Separator (25) steht.
  4. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekombinationskatalysator (19) in Form von voneinander getrennten Partikeln im Separator (10), insbesondere in einer mittleren Schicht des Separators (10), verteilt vorgesehen ist.
  5. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekombinationskatalysator (19,26) auf einem hydrophoben Trägermaterial (20,29) aufgebracht und/oder von einem hydrophoben Hüllschicht (18) umgeben ist.
  6. Akkumulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Hüllschicht (18) vom Separator (10) gebildet wird.
  7. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekombinationskatalysator (19,26) Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Nickel, Kobalt und/oder wenigstens ein Polythiophen aufweist.
  8. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (10,25) wenigstens im Wesentlichen aus wenigstens einem Kunststoff, insbesondere Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und/oder Polyetheretherketon (PEEK), gebildet ist.
  9. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2,21) in Stapelrichtung (R) des Zellstacks (Z) jeweils durch Bipolarplatten (3,4,27) und senkrecht zu dieser Stapelrichtung (R) durch Zellrahmen (12,28), insbesondere flüssigkeitsdicht, begrenzt werden.
  10. Akkumulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (12,28) und/oder die Bipolarplatten (3,4,27) aus wenigstens einem Kunststoff gebildet sind.
  11. Akkumulator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (12,28) mit dem Bipolarplatten (3,4,27) verschweißt sind.
  12. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2,21) des Zellstacks (Z), insbesondere die Zellrahmen (12,28) und/oder die Bipolarplatten (3,4,27), miteinander verschweißt und/oder verspannt sind.
DE102021110599.4A 2021-04-26 2021-04-26 Akkumulator mit bipolarem aufbau Pending DE102021110599A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021110599.4A DE102021110599A1 (de) 2021-04-26 2021-04-26 Akkumulator mit bipolarem aufbau

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021110599.4A DE102021110599A1 (de) 2021-04-26 2021-04-26 Akkumulator mit bipolarem aufbau

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102021110599A1 true DE102021110599A1 (de) 2022-10-27

Family

ID=83508219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021110599.4A Pending DE102021110599A1 (de) 2021-04-26 2021-04-26 Akkumulator mit bipolarem aufbau

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102021110599A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4567119A (en) 1984-03-12 1986-01-28 Hughes Aircraft Company Nickel-hydrogen bipolar battery
DE3841245A1 (de) 1987-12-25 1989-07-06 Vni Pk I T Akkumuljatornyj I Elektrischer akkumulator und verfahren zu dessen herstellung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4567119A (en) 1984-03-12 1986-01-28 Hughes Aircraft Company Nickel-hydrogen bipolar battery
DE3841245A1 (de) 1987-12-25 1989-07-06 Vni Pk I T Akkumuljatornyj I Elektrischer akkumulator und verfahren zu dessen herstellung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2919380C2 (de)
EP1194976B1 (de) Batterie in bipolarer stapelbauweise sowie verfahren zu deren herstellung
EP2389697B1 (de) Elektrochemische energiespeicherzelle
DE2811183A1 (de) Metalloxid-wasserstoff-batterie
DE19539959C2 (de) Brennstoffzellenanordnung
DE3543574A1 (de) Metall-halogen-sammlerbatterie aus aneinandergeschichteten elementen mit elektrolytumwaelzung
EP2405527A1 (de) Akkublock mit einer Kühlvorrichtung
DE2838857A1 (de) Metalloxid/lanthannickelhydrid- akkumulator
EP2795710B1 (de) Redox-flow-batterie mit aussenliegender versorgungsleitung und/oder entsorgungsleitung
EP1306911A2 (de) Dicht verschlossener Akkumulator
DE1496362A1 (de) Spiralfoermige Batteriezelle
WO2022063610A1 (de) Elektrochemische zelle, insbesondere einer redox-flow-batterie, sowie entsprechender zellstack
DE102021110599A1 (de) Akkumulator mit bipolarem aufbau
DE1942331C3 (de) Verfahren zum Laden einer galvanischen Batterie mit mehreren Zellen, die eine positive Sauerstoffelektrode und eine wiederaufladbare negative Elektrode enthalten
DE2440619C3 (de) Wiederaufladbare Zink-Cholor-Zelle
DE102021204659A1 (de) Hochvolt-Batteriesystem
DE3039013A1 (de) Elektrochemischer generator
DE1696563C3 (de) Alkalische Akkurrmlatorenzelle mit positiven Silberelektroden und negativen Zinkelektroden
DE19708209A1 (de) Wiederaufladbare Batterieanordnung und deren Verwendung
EP0438044B1 (de) Galvanisches Element, insbesondere wiederaufladbare Zink/Brom-Batterie
DE3841245A1 (de) Elektrischer akkumulator und verfahren zu dessen herstellung
DE2819487A1 (de) Sekundaer-brennstoffzelle
DE102022004497B3 (de) Batterieeinzelzelle, Befüllvorrichtung und Verfahren zum Befüllen der Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt
DE10236997B4 (de) Elektrochemischer Zellenstapel
DE2054491A1 (de)

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication