DE1934974C3 - Galvanische Speichereinheit bestehend aus einer Brennstoffzellenvorrichtung und einer dazu parallel schaltbaren Akkumulatorvorrichtung mit gemeinsamer negativer Elektrode - Google Patents

Description

dall diese schlecht belastbar wird. Has hai eine weitere Verminderung der Strom-Spannungs-Wertc der Anordnung hei Nenuhedingungen zur Folge. Da/u hat die Perforation der Nickeloxidelektrode!! /ur Folge, daß die der negativen Elektrode gegenüberstehende geometrische Fläche der Nickeloxidelektrode verringert wird, wodurch die durch die Kombination der beiden galvanischen Systeme he/weckte Hochstroinbelastharkeii stark beeinträchtigt wird. I-in weiterer Nachteil der Perforation ist schließlich darin /u sehen, dall die in der positiven Elektrode gespeicherte Kapazität stark reduziert wird.

F-in anderer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin m sehen, daß heim Laden an der Nickeloxidelektrode Sauerstoff entwickelt wird, der die lirenn-Stoffzellenelektrode bespült. Es ist bekannt, daß diese dadurch in ihren Daten und ihrer l.eberü-.'J-nicr verschlechtert wird, insbesondere trifft dies hei den Elek-Irodcn /u, die Silber als Katalysator einhalten, was im ungemeinen der Fall ist.

Fin weiterer Nachteil resiillicit schließlich daraus, tlaß iler für die beiden pos/'iven Elektroden gemein-Kiinc Elektrolytraum da/u führt, daß die I lektroden auch hei gleicher Temperatur betrieben werden. Die Tatsache, daß Nickeloxidelektroden vorteilhaft bei lElcktrolyttemperaturen 45 C betrieben werden, um eine bei höherer Temperatur einsetzende irreversible Alterung zu verhindern, und daß positive i'.rcnnstoffzelleneiektroden zum Vorteil oberhalb 60 C betrieben werden, um die Polarisation klein /u halten, stellt die praktische Ersetzbarkeit der Anordnung ganz in Frage.

Aufgabe der Erfindung ist e,. einen galvanischen Speicher anzugehen, der sowohl die für die Dauerl.ist als auch für die Überlast notwendigen Ströme abgeben kann und dabei überraschend hohe massen- bzw. voliimcnbezogene Fnergiewei te erreichbar werden läßt.

Erfind;.ngsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die den beiden Systemen gemeinsame positive Akkumulatorelektrode in der Mitte angeordnet ist und daß spicgclsymmetrisch zu dieser nach außen fortschreitend je ein Elektrolytraum, eine für jede» Einzelsystem gemeinsame reversible negative Elektrode, eine elektrisch trennende Separatoischkht. eine Euftelektrüdc, ein Luftraum mit Haltestegen für die l.uftclektrode sowie die Zellcuwand folgen.

Iki einem von der Erfindung hevor/iigtc,'. Ausfiihrungsbeispicl ist vorgesehen, daß die gemeinsame positive Elektrode des Doppclsystems eine Niekelo\id-Elektrot'c ist. Demgegenüber ist vorgesehen, daß die negativen Elektroden des Doppelsystems Wassei >toffspeicher-Elektroden sind.

Bei dem von der Erfindung bevorzugten Ausfiihrungsbcispiel ist besonders förderlich, wenn die negativen Elektroden des Doppelsystems Metall-F lektroden mit Zink, Kobalt oder Eisen als der elektrochemisch aktiven Komponente sind. Diese Maßnahme bringt zusammen mit einer positiven Nickeloxid-Elektrode einen hohen Wh/kg-Wert mit sich.

Vorteilhaft ist, wenn im jeweiligen Ein/eUystem zwischen der gemeinsamen negativen Elektrode und der positiven Elektrode der Hicnnstoff/ellenvorrichtung ein beide Elektroden elektronisch trennender, jedoch mechanisch verbindender poröser Separator vorgesehen ist. Damit können alle Elektroden im gemeinsamen Elektrolyten bleiben, und man kann trotzdem durch den Sepatator die positive Elektrode der Brennstoffzelle mechanisch stützen, indem man sie mechanisch mit der gemeinsamen negativen Elektrode durch diesen Separator verbindet. Bei der von der Erfindung bevorzugten Ausführungsform besteht der in einem Einzelsystem des Doppelsyslems vorhandene s Separator aus Asbest.

Die erfindiingsgemäße Anordnung gestattet,
auf einen zusätzlichen Pufferakkumulator zu verzichten (nur eine Elektrode wird -tatt dessen zusätzlich benötigt),

die reversible Ni-o.xid-Elektrode so auszulegen, daß sie nur die Energie für die Leistungsspitzen speichert (sie wird also kleiner und leichter),
auf eine zusätzliche Elektrode bei der TiH₁-- oder Me-Luft-Zeüc zu verzichten, die nötig wäre, um eine Oo-Abscheidungselektrode für das Laden der negativen Elektrode im System zu haben.

Diese aufgeführten Punkte führen dazu, daß die

erl'mdungsgemäße Anordnung günstigere massen- und voliimenbezogene Energie- und I.eistungswerte (gleichzeitig) aufweist als die bekanrucn Systeme (vgl. nachstehende Tabelle).

Grundlast, kW

Überlast

Stunden

kW

Gespeicherte Energie. kWh
Tid-U'Ni-Akku, Wh kg ..
Ti(H.,)/Luft-Zelle, Wh/kg
Erlinduneseemäße Zelle.

Wh.keV.

Tabelle — Vergleich der nuisscnbezv/gcnen
Energiedaten verschiedener Energiequellen

L: I	5	t Li tic/C	t (Stunden)	115	28
28		5		1.5
(J	28	2S	84
0	0,5	1	224
140	84	84	73
70	168	196	115
140	71	72	110
140	93 ' 105
125

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die erlindungsgemaße galvanische Zelle in dem für die Traktion interessanten Bereich von 0 his 2P¹Y₀ Überlast eindeutig überlegen ist. Berücksichtigt man darüber hinaus noch, daß der Bau von Luftelektroden technisch aufwendiger und kostspieliger als die Herstellung von Akkumulatoren ist und dall die angegebenen Daten für die auf eine: Temperatur von SO C befindliche TiH._r/Luft-Zelle gehen, während die Daten für die erlindimgsgemäße Zelle auch bei 0 bis 20 C zutreffen, so ist der •.echnische Vorteil der letzteren offensichtlich.

Ein schematiches praktisches Ausführungsbeispicl ist in der Zeichnung dargestellt, li. einem Polysulfon-Rahmen 21, der aus verklebten .Schuhten besieht, befinden sich Polysulfonstcge 22, die jeweils eine Liiftelcktrode 18 auf ihrer einen Seite abstützen Eine solche Luftelektrode kann 1 mm dick sein und 300 cm² haben. Hierauf folgt eine AsbcshchiclU 17 als Separator mit einer Dicke von 0.5 mm. Hierauf wiederum folgt gleich anschließend je eine Elektrode 16 aus TiH_x, die 1,5 mm dick ist. Hierauf wiederum folgt je ein Elektrolytraum 23, 2-4, die beide durch die positive Elektrode 14 voneinander getrennt skid, welche aus NiO(OH) besteht und 1 min stark ist. Oben ist ein Lufteintrittskanal 26 mit Stichleitungen 27 dargestellt, durch den Luft zu den Luftelektrodcn 18 gebracht werden kann. Es ist auch ein entsprechender nicht dargestellter Luftaustritt vorgesehen.

Entsprechend ist ein Elektrolyl-EintriUskanal 28 mit Slichlcitiingcn 29 vorgesehen, durch die ilen Elektrolyträumcn 23, 24 [Elektrolyt zugeführt werden kann, Ein entsprechender Klcklrolytaustritt ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht dargestellt, /wischen den Pdlysulfonstegen 22 befindet sich ein (lasrauni 31. der I mm breit ist.

Für die l.uftclektrodcn 18 kann man Euft/Kohle-Elekiroden verwenden, wie sie \on R. Ci. Haldemann, letzter Absatz S. 5 im Prospeklblalt der Cyanamid-Corporalion vom Juni 1967 beschrieben wurden. Die Stege 22 können auch aus Teflon hergestellt sein, sind 4 bis 5 mm breit und dienen als Stützen sou ic zur Gasverteilung im Ciasraum 31.
Die Elektrode M kann ein poröser Nickcl-Sintei-Körpcr sein, der mit akli\ein NiO(OII) imprägniert wurde.

Wegen der günstigen Energie- und Lcistungsgewichte eignet sich der angegebene galvanische ίο Speicher insbesondere für Traklionszewcke.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Traktion ergiht sich heim Einsatz einer solchen nega-

   Patenianspriiche: liven Elektrode ein Akkuinulalur mit wesentlich

   günstigeren Energiewerien, ι. B.

   \ Galvanische .Speicheieinheit, insbesondere für Bleiakkumulator 35 Wh/kg,

   Frakl.onszwecke, bestehend aus einem Doppel- :". _Nj,c\|-Akkumulator 40 Wh kg,

   system aus /we. Emzelsystcmen, deren jede, au, ΠΙI ,NiO(OI I)-Akkimuilaior 70 WIUp.

   einer BreniistolTzdlenvomchtuug und einer da/u

   parallel sehaitbaren, kurz/eilig hohe Ströme ab- Daß für diesen Akkumulator trot/ des h >hen

   gebenden Akkuniulaiorvorricluung mit gemein- inassenliezogenen Energiewertes der negativen Elek-

   samer reversibler negativer Elektrode besieht, in trode von 4(M) Wh/kg - unrein Wert sun 70 Wh/kg 211

   dad u rcli gekennzeichnet, daü die verwirklichen ist, liegt daran, dall die positive Elek-

   den beiden Systemen gemeinsame positive Akku- trode nur Werte von etwa U)O VVh kg aufweist,

   mulatorelektrode (14) in der Mitte angeordnet ist E;^: wäre daran zu denken, an Stelle der positiven

   und daß spiegclsvinmetrisch zu dieser nach außen Elektrode eine aus der Brennstoffzellen-Technik her

   fortschreitend je ein Elektrolytrauni (24), eine für 15 bekannte Luftelektrode ein/nset/en. Oa diese nicht

   jedes Einzelsystem gemeinsame, reversible negative als Speicherelektrode arbeitel, sondern die umgebende

   Elektrode (16), eine elektrisch trennende Separator- Atmosphäre als Sauerstoff-Speicher aiisnu'/t u.i..;t sie

   schicht (17). eine ! Liftelektrode (18), ein Luftraum nalurgcmäll einen hohen massenbezogenen Lauungs-

   (31) mit Halteriemen (22) für die Luftelektrode so- wert auf

   wie die Zellenwand folgen. 20 Es wäre daher möglich, für eine Zelle bzw. Batterie
2. 2. Galvanische .Speichereinheit nach Anspruch 1, zu Werten von 140 Wh/kg zu gelangen Der Nachteil dadurch gekennzeichnet, dall die gemeinsame einer solchen Anordnung liegt nun dann, daß wegen positive Elektrode (14) des Doppelsvslenis eine der beschränkten Belastbarkeit der Luftelektrode Nickeloxidelektrode ist. insbesondere dann, wenn man aus Wirtschafllich-
3. 3. Galvanische Speicheieinheit nach Anspruch I, 25 keitsgründen auf Edelmetall als Katalysatoren ver daduich gekennzeichnet, daß die negativen Flck- ziehten muli die I eistungsdichie (W cm²) der Elektroden (16)des Doppelsystem·» Wasserstoffspcichei- troden klein ist. So ergeben sich vergleichsweise fol-Elcktroden sind. gende Werte:
4. 4. Galvanische bpeicl-ereinheit nach einem oder uieiakkumulalor 0.03 bis 0.1 W/uiv.

   mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch 30 _TilIr/Nio,OH)-Akkumuutor .. 0.05 bis 0,14 W/cm*,

   gekennzeichnet, daß der in einem tm/.elsystcm des Till _r/Luft-Zelle 0 04 bis 0.06 W/cm-. Dnppdsvstcms vorhandene Scpai.tor (17) aus

   Asbest besieht. Denkt man an Anwendung bei der Traktion, bei

   der für Anfahrvorgänge usw. hohe Leistungen be-

   i'j nötigt werden, so wird es notwendig, eine Till_r/l ufi-

   Bütterie im folgenden auch als Urennstoff/ellenvorrichlung bezeichnet - mit einem iu.it/lichen Akku-

   Die Erfindung betrifft eine galvanische Speicher- nullator zu kombinieren, der von dir Batterie dauernd einheit, insbesondere für Traktionszvvecke, bestehend geladen wird und der die Leistungsspitzen deckt. Das aus einem Doppelsystem aus zwei Einzelsystemen. 4" zunächst vorteilhafte Energiegewicht erleidet dadurch tieren jedes aus einer Brennstoffzellenvorriehliing und erhebliche Einbußen.

   einer dazu parallel sclialtburen. kurzzeitig hohe Ströme Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits eine

   abgebenden Akkumulatorvoirichtting mit gemein- •»Mybrid-Brcnnstoff/ellc« vorgeschlagen, die aus einer '.amer reversibler negativer Elektrode besteht. Es sind Akkumulalorvorrichumg und einer Brennstoffzellengalvanische Systeme bekanntgeworden, die, wie bei- 45 Vorrichtung mit einer gemeinsamen reversiblen negaipiclswcisc der Bleiakkumulator, imstande sind, rever- liven Elektrode bestellt, wobei letztere zentral angcsihle elektrische Energie abzugehen und in l'oini ordnet ist und ihr beidseitig je eine reversible positive chemischer Energie wieder zu speichern. Mit solchen Elektrode (/. B. NiOOH-Elcklrode) llächcnhaft gegen Systemen lassen sich massen- bzw. volumenbezogene übersieht und hinter diesen Elektroden zusätzlich je Energiewerte von 40 Wh kg bzw. 90 Wh/dm' er- 5" eine positive Brennstoffzellen-Elektrode für den Sauerreichen, wenn man nicht zu Systemen mit sehr kost- stoffumsatz angeordnet ist (französische Patentschrift spieligen Materialien, wie z. B. dem Ag'Zn-Akku- 1 541 349).

   mutator, übergehen will. Derartige Akkumulatoren Eine solche Anordnung weist eine Reihe wcsciil-

   Miul aber für eine wirtschaftliche Anwendung auf dem licher Nachteile auf, die zur I olge haben, dall die vorSektor der Traktion nicht geeignet. 5T) geschlagene »Hybrid-BreiinsUilT/i.-llc« für den prakti-

   Es ist nun vorgeschlagen worden, die negative Elek- sehen Einsatz ungeeignet ist. Einige dieser Nachteile trode in einem konventionellen Akkumulator z. B. resultieren aus der Tatsache, daü die /wischen der durch eine Raue)niekel-Elektrodc (deutsche Auslege- positiven Brennstoffzellen-Elektrode und der negaschrift 1 IIS 843 vom 27. II. 1959) oder eine liian- liven Elektrode angeordnete positive reversible Elckliydrid-l lektrode zu erset/.en. Diese Elektroden eignen 60 trode notwendigerweise perforiert sein muß, damit der sich dazu, die aktive Masse (hier Wasserstoff) mit innere Widerstand der Brennstoffzcllenanordnung einer höheren l.adiingsdichte zu speichern, als dies keine unzulässig hohen Werte annimmt. Auch bei der üblicherweise bei negativen Elektroden der Fall ist. vorgeschlagenen Perforation von 20 bis 70ⁿ/₀ muß Darüber hinaus resultieren weitere elektrochemische jedoch eine beträchtliche Erhöhung des inneren WiderVorteile, die sich aus der Tatsache ergeben, daß der 65 Standes im Nennbetrieb in Kauf genommen werden, elektrochemisch wirksame Stoff nicht in Form eines was zu einer Verschlechterung der Daten der Anordkristallographischen Gitters bei der Abscheidung (d. h. niing führt. Dazu wird bei der Perforation der Nickelbeim Ladevorgang) aufgebaut werden muß. Für die oxidelektrode die Luftelektrodc teilweise abgedeckt, so