DE19704584C2

DE19704584C2 - Doppelschichtkondensator aus mehreren Doppelschichtkondensatoreinzelzellen, verwendbar als Energiespeicher, Stromquelle oder elekronisches Bauteil

Info

Publication number: DE19704584C2
Application number: DE19704584A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Dipl Ing Schmid; Peter Dr Kurzweil; Hans-Peter Dr Heidrich
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: DE19704584A1; US5930108A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator aus mehreren Doppelschichtkondensatoreinzelzellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie er z. B. aus der EP 05 90 366 A1 be kannt ist. Eine Einzelzelle umfaßt da bei zwei in Serie geschaltete Elektroden sowie einen zwischen den Elektro den angeordneten Elektrolyten, so daß zwei kapazitive Grenzflächen Elektro de/Elektrolyt entstehen.

Doppelschichtkondensatoren sind weiterhin z. B. aus der DE 43 13 474 A1 bekannt. In dieser Literaturstelle sind auch Prinzip und Funktionsweise der Doppel schichtkondensatoren, im folgenden auch mit DSK abgekürzt, umfassend be schrieben. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau eines Doppelschichtkondensators.

Doppelschichtkapazität und reale Oberfläche der Grenzfläche Elektrode/Elek trolyt sind proportional. Deshalb werden für DSK vorzugsweise Elektroden eingesetzt, die eine hohe BET-Oberfläche aufweisen. Zur Bewertung der rea len Elektrodenoberfläche dient der Rauhigkeitsfaktor r, der das Verhältnis der realen Oberfläche zur geometrischen beschreibt.

Zur Designauslegung des DSK sind geometrische Oberfläche und flächen spezifische Kapazität der Einzelzelle von Bedeutung. Dabei wird definiert: flächenspezifische Kapazität = Zellenkapazität/Zellquerschnitt.

Um kompakte und leistungsfähige Doppelschichtkondensatoren zu realisie ren, spielt ferner die Anordnung und Verbindung der Doppelschichtkondensa toreinzelzellen eine wesentliche Rolle. Für die Massen- und Volumenoptimie rung sind die in der Tabelle 1 aufgeführten Beziehungen dienlich. Grundsätz lich muß der Innenwiderstand des DSK wesentlich kleiner dimensioniert wer den als der Verbraucherwiderstand, um eine hohe Leistung an den Verbrau cher abgeben zu können.

Analog wird die massen- oder volumenbezogene Leistung (kurz: spezifische Leistung oder Leistungsdichte) aus der Leistung P = U²/R erhalten (Gleichung 10, 11, Tabelle 1).

Die maximale Ladespannung einer Einzelzelle eines Kondensators wird be stimmt durch die Zersetzungsspannung des Elektrolyten. Unterhalb dieser Zersetzungsspannung muß der Doppelschichtkondensator betrieben werden, um irreverisble Beschädigung zu vermeiden. Die erlaubte maximale Betriebs spannung des DSK ergibt sich durch die Zahl elektrisch hintereinander ge schalteter Einzelzellen und der Summe der Einzelzellspannungen (Gleichung 3, Tabelle 1).

Auf Basis der Auslegungsgleichungen (Tabelle 1) können zusammenfassend folgende Zielvorstellungen bzw. Anforderungen für die Designparameter ab geleitet werden:

Die ohmschen Widerstände des DSK bewirken bei elektrischer Stromzufuhr (Laden) und Stromabfuhr (Entladen) einen Wärmestrom, der durch angepaßte Designmaßnahmen entsprechend abgeführt werden muß, um eine Überhit zung und damit Zerstörung des DSK zu vermeiden. Die ohmschen Verluste des DSK, der aus hintereinander geschalteten Einzelzellen besteht, setzen sich zusammen aus ohmschen Verlusten der elektrischen Zu- und Ableitungen am Kondensator und den Zellwiderständen. Für identische Zellen im Konden sator gilt Gleichung 6 von Tabelle 1.

Da gut leitfähige Elektrodenmaterialien eingesetzt werden, wird der Zellwider stand im wesentlichen durch den Widerstand der Elektrolytschicht und Kon taktwiderstände bestimmt.

Aufgrund des Innenwiderstandes wird die ohmsche Verlustleistung P = I(t)²R erzeugt, die wirkungsvoll abgeführt werden muß (Gleichung 13, Tabelle 1).

Je nach Anwendungsfall muß eine aktive Kühlung (Wasserkühlung, Luftküh lung) oder passive Kühlung (freie Konvektion) über eine größere Austausch fläche vorgesehen werden.

Die Lebensdauer eines DSK ebenso wie die bekannter Elektrolytkondensato ren hängt signifikant von der Betriebstemperatur ab. Mit zunehmender Be triebstemperatur steigt der Dampfdruck des Elektrolyten und somit die Diffu sion des Dampfes durch Dichtungsflächen zur Umgebung. Dies führt zur irre versiblen Aufkonzentrierung oder Zersetzung des Elektrolyten und letztlich zur Unbrauchbarkeit des DSK. Die größten Dampfleckströme erfolgen aufgrund der vergleichsweise zu den anderen DSK-Bauteilen deutlich höheren Dampf permeationsraten über die Dichtungen, die das Zellinnere von der Umgebung hermetisch abtrennen. Aus den genannten Gründen kommt dem Dichtungs konzept des DSK eine zentrale Bedeutung zu.

Letztlich ist nur eine Doppelschichtkondensatortechnologie sinnvoll, die die geforderten Leistungsdaten kostengünstigst, verläßlich und sicher mit kom paktem Design erfüllt.

Bekannte Doppelschichtkondensatoren, gemäß Fig. 1 und wie z. B. in Journal of Power Sources 60 (1996) 219-224 beschrieben, weisen folgende Nachteile auf:

1. Problem der Abdichtung des Elektrolytraumes und der Hintereinander schaltung von Einzelzellen

Wird jede Einzelzelle abgedichtet, z. B. durch eine Flachdichtung, erfordert die Anordnung hohen Fertigungs- und Montageaufwand. In einem Stapel er wächst ein sicherheitstechnisches Risiko, wenn beispielsweise aufgrund inho mogener Kondensatorspannungsaufteilung an einer oder an mehreren Zellen die Zersetzungsspannung des Elektrolyten überschritten wird und damit Gas entwicklung stattfindet. Der erzeugte Überdruck kann zum Bersten der Dich tung des Gehäuses und zur Zerstörung der Zellen führen.

Durch die Fehlfunktion nur einer Einzelzelle wird der ganz DSK unbrauchbar. Nach aufwendiger Identifikation der defekten Zelle und Demontage des Kon densators in seine Einzelzellen und Einzelzellbauteile kann die Funktion des Kondensators wieder hergestellt werden.

Die Lebensdauer wird in Abhängigkeit der Betriebsverhältnisse (Temperatur, Betriebszyklus, etc.) weiterhin durch die Austrocknungsgeschwindigkeit der Elektrolytschicht limitiert. Ursache dafür ist die Wasserdampfdiffusion durch die Dichtungen und die Grenzflächen zwischen Dichtungen und dem Dicht körper. Bekannte Dichtungskonzepte, die eine Abdichtung für jede Einzelzelle vorsehen, erleiden Leckverluste, die nicht reversibel gestaltet werden können, ohne den DSK in seine Einzelzellen zu demontieren.

Die Lebensdauer wird weiterhin begrenzt durch die Aufschichtung von Dich tungen zwischen den Elektroden. Entlang des verpreßten Stapels ergibt sich eine Druckverteilung, die zu einer temperaturabhängigen kontinuierlichen plastischen Verformung der Dichtungen führt. Gegen diese Vorgänge muß durch aufwendige Gestaltung der Stapelpreßeinrichtung (z. B. mit Tellerfe dern) Rechnung getragen werden. In einem Stapel mit mehr als ca. 50 Einzel zellen erschwert die Vielzahl der in den Zellen hintereinander angeordneten verformbaren Dichtungen die erforderliche konstante Verpressung des Sta pels (auch mit Tellerfedern).

2. Problem der elektrischen Kontaktierung von Zelle zu Zelle und von Zellblöcken

Die bislang bekannten Doppelschichtkondensatoren wurden durch loses Auf einanderschichten der Einzelzellen und Einzelzellelemente (bipolare Elektro den, Elektrolyt, Dichtungen) aufgebaut (Fig. 1). Die Folge sind hohe Über gangswiderstände zwischen den geschichteten Bauteilen, die sich nachteilig auf den Innenwiderstand des Kondensators auswirken.

3. Problem der Montage und Reparatur

Die Vielzahl der Kondensatorelemente bedingt einen hohen Montageauf wand und hohe Ausschußraten. Die Reparatur eines Kondensators, der aus einer Vielzahl von Einzelzellen besteht, ist kaum möglich.

Bei bekannten Doppelschichtkondensatoren sind die genannten Probleme nicht optimal gelöst worden - oder sie wurden dadurch teilweise umgangen, daß statt einer bipolaren Zellanord nung aus einer größeren Anzahl von Einzelzellen und hoher Gesamtspan nung Einzelzellen von nur wenigen Volt Nennspannung realisiert wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen betriebssicheren und war tungsfähigen Doppelschichtkondensator anzugeben, der bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit (Energiedichte und Lei stungsdichte) über eine lange Lebensdauer verfügt, wobei bei großen Exemplaren mit merklichen Gestehungskosten eine Reparatur möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird durch einen Doppelschichtkondensator mit den Merkmalen des Patentan spruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Doppelschichtkondensator ist folgendermaßen aufge baut (siehe z. B. Prinzipskizze nach Fig. 2):

Er umfaßt mindestens 2 Doppelschichtkondensatoreinzelzellen. Es sind ab wechselnd bipolare Elektroden 4 und Elektrolytschichten 5 angeordnet. Zwi schen Elektroden und Elektrolytschichten werden keine weiteren Schichten, wie z. B. Dichtungsschichten für den Elektrolyten oder separate Ionen-Sperr schichten, die auch zur Zelltrennung dienen, benötigt.

Dabei stehen die Einzelzellen und Einzelzellelemente (Elektroden, Elektrolyt) im festen mechanischen Verbund miteinander. Dazu ist ein elektrisch leitfähi ger Binder in der Aktivschicht der Elektrode integriert oder es ist eine separate Verbindungsschicht 3 zur Haftvermittlung von Aktivschicht und Elektrolyt schicht vorhanden.

Die Elektrode entsteht durch Aufbringung der Aktivschicht 2 mit hoher Ober fläche, geringem Widerstand und hoher Kapazität fest haftend auf einer dünnen, elektrisch gut leitfähigen, mechanisch stabilen, makro-, meso- und/oder mikropo rösen, thermisch und chemisch stabilen Trägerschicht 1, die als elektrisch leitfä hige Barriere zwischen den anliegenden ionenleitenden Schichten dient.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und umfassen die Ausbildung in Hinblick auf folgende zusätzliche Merk male:

- Aufschichtung der Elektroden und Elektrolytschichten zu einem Stapel mit einer größeren Anzahl (»2) von Einzelzellen. Alternativ kann ein Stapel, der nur wenige Einzelzellen (z. B. zwei Einzelzellen) umfaßt, sprialförmig oder schleifenförmig oder mäanderförmig angeordnet sein.
- Einbettung der Aktiveinheit in ein hermetisch dichtes oder weitgehend ga sundurchlässiges Gehäuse.
- Installation einer elektrischen Stromab- und -zufuhr mit geringen ohmschen Verlusten.
- Gestaltung einer ausreichenden Wärmeabfuhr, um eine Zerstörung des Bauteils durch Überhitzung zu vermeiden.
- Verschaltung mehrerer DSK mit dem Ziel, hohe Nennspannungen und Ka pazität der Gesamtschaltung zu erreichen.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Aufbau eines Doppelschichtkondensators gemäß dem Stand der Technik

Fig. 2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators als Stapel aus bipolaren Elektroden und Elektrolytschichten, teilweise explodiert dargestellt

Fig. 3 eine Skizze zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Doppel schichtkondensators

Fig. 4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators im Stapelde sign, teilweise explodiert dargestellt

Fig. 5 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators im Stapelde sign mit Bördelgehäuse

Fig. 6 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators im Stapelde sign mit einem Gehäuse in der Form einer Büchse

Fig. 7 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators im Stapelde sign mit einem Gehäuse in der Form eines Rohres sowie einem Druckpuffer

Fig. 8 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators im Stapelde sign mit Vergußmasse

Fig. 9 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators im Schleifen design

Fig. 10 eine Darstellung der Leistungsdaten mehrerer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Doppelschichtkon densators mit bezugsbezeichneten Schichten, wobei die Schichten im folgenden näher beschrieben werden.

1. Elektrolytschicht 5

Die Erfindung betrifft insbesondere DSK mit festen, pastösen oder gelartigen Elektrolyten, die eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen.

Die Elektrolytschicht muß so ausgebildet werden, daß kein elektronenleiten der Kontakt zwischen den Elektroden entsteht. Ausführungsbeispiele sind wie folgt:

- Festelektrolyte wie Ionen- oder Protonenaustauschmembranen (z. B. Na fion® oder GORE Select®). Ebenso eignen sich gelartige protonleitende Massen, die auf den Träger aufgetragen werden.
- sogenannte festgelegte Elektrolyte, die eine pastöse bzw. gelartige Struktur aufweisen und beispielsweise durch Binder mit flüssigen Elektrolyten zu einer streichfähigen Paste verarbeitet werden. Zur Vermeidung eines Kurz schlusses über die Elektrolytschicht bei sehr geringem Abstand zwischen den Elektroden ist es auch vorteilhaft, gasdurchlässige Abstandshalter (wie z. B. Netze oder Gewebe) in die Elektrolytschicht zu integrieren.

2. Trägerschicht 1

Die Trägerschicht besitzt die Aufgabe, für die Aktivschicht, die beidseitig auf gebracht wird, eine möglichst hohe Querschnittsfläche bereitzustellen und eine ionenleitende Barriere zwischen den anliegenden Elektrolytschichten zu realisieren sowie letztlich mechanische, thermische, chemische und elektro chemische Stabilität zu gewährleisten. Hierfür sind folgende Materialien ge eignet:

- Grundsätzlich sind poröse oder dichte Schichten bzw. Kombinationen ge eignet. Bei der Verwendung von porösen Schichten muß gewährleistet sein, daß weder Ionenleitung über den Träger erfolgt noch elektrische Ver bindung der Aktivschichten auftritt. Diese Probleme werden gelöst durch Hydrophobisieren der porösen Träger vor Aufbringen der Aktivschicht. Mögliche Trägerschichten sind dichte metallische Schichten (Metallfolien oder poröse metallische Schichten wie Netze, Gewebe, Schäume, Vliese, Papiere etc.) sowie nichtmetallische dichte Schichten (wie leitfähige Kunst stoffolien oder Graphitfolien oder poröse Schichten wie z. B. Graphit-, Koh lepapiere etc.).

3. Aktivschicht 2

Die Aktivschicht wird auf die Trägerschicht und/oder auf die Elektrolytschicht beidseitig aufgebracht. Die Aktivschicht besteht aus einem elektrisch leitfähi gen elektroaktiven Material wie z. B. hydratisierten, nicht vollständig oxidierten Metalloxiden von Ruthenium, Iridium, Tantal, Palladium, Platin, Titan und deren Mischungen. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind Mischungen aus Metall oxide(n) und einem Füllstoff wie z. B. Ruß, Graphit, die eine hohe Oberfläche erzeugen und damit auch zur Reduzierung der Metalloxidbelegung beiträgt. Die Aktivschicht wird durch thermische Behandlung haftend auf Träger- oder Elektrolytschicht aufgebracht oder es wird ein Haftvermittler beigemengt. Als Haftvermittler werden Polymere, anorganische oder organische Binder ver wendet. Unterhalb von ca. 200°C haben sich Nafion®-Lösungen als vorteil haft erwiesen. Für Aktivschichten, die bei höheren Temperaturen (bis 500°C) aufgebracht werden, werden PTFE-Suspensionen eingesetzt. Weitere vorteil hafte Haftvermittler sind "Dicköl" und metallisch-organische Verbindungen. Dicköl ist ein Zwischenprodukt der Lackherstellung.

4. Verbindungsschicht 3

Treten zwischen Aktiv- und Trägerschicht erhebliche Haftungsprobleme auf, kann eine Verbindungsschicht aufgebracht werden. Sie ist elektrisch leitfähig, kann unterbrochen oder durchgehend ausgeführt werden und wirkt sich vor teilhaft auf die Haftfähigkeit zwischen Elektroden- und Elektrolytschicht aus. Mögliche Verbindungsschichten sind u. a. leitfähige Metall-Harzmischungen und Lacke sowie auch Nafion®-Lösungskonfigurationen.

Eine geeignete kohlenstoffhaltige Haftschicht entsteht auch bei der thermi schen Zersetzung organischer Verbindungen, wie Zucker, Fette oder Produkte landwirtschaftlicher Herkunft (Milch).

Dabei wird eine pulverförmige Vorstufe der Aktivschicht, z. B. Metalloxidpulver, mit dem organischen Produkt vermischt, auf den Träger aufgebracht, gestri chen, getaucht, gedruckt und unter Wärmeeinwirkung thermisch zersetzt.

5. Bifunktionale Verbindungsschicht

Die sog. bifunktionale Verbindungsschicht garantiert die Haftung der Aktivschicht auf dem Träger und gleichzeitig auf der Elektrolytschicht.

Sie ist ursächlich für den kompakten mechanischen und gut elektrisch leitfähi gen, untrennbaren Verbund der erfindungsgemäßen Einheit.

6. Gesamtaufbau des Doppelschichtkondensators (Fig. 3)

Der Doppelschichtkondensator umfaßt mindestens zwei Doppelschichtkon densatoreinzelzellen und wird in vorteilhaften Ausführungen als gewickeltes Band oder Stapel angeordnet. Eine Skizze zur Herstellung zeigt Fig. 3: Aufschichtung der Kondensatorelemente-/-komponenten, wobei bipolare Elektrodenschichten 4 und Elektrolytschichten 5 alternierend angeordnet werden. Oberste und unterste Schicht ist eine einseitig zur Elektrolytschicht ausgebildete Elektrode. Der Verbund zwischen Elektroden- und Elektrolyt schichten erfolgt aufgrund folgender Mechanismen:

1. Fall a): - Durch die adhäsive Wirkung der Verbindungsschicht 3 wird ein fester Verbund jeweils zwischen Elektrode 4 und Elektrolyt schicht 5 realisiert. Dabei dienen Preßeinrichtungen im wesent lichen nur zur homogenen Aufschichtung der Schichten.
2. Fall b): - Mittels der adhäsiven Wirkung der Verbindungsschicht in Verbin dung mit einer Pressung und/oder Temperierung der zu verbin den Bauteile (z. B. durch eine Heißpresse oder Heißwalze) wird eine feste Verbindung erzielt.
3. Fall c): - Unter Verzicht auf die Verbindungsschicht kann der Verbund durch den Binder in der Aktivschicht erreicht werden, der die Auf gabe besitzt, eine feste Haftung zur Trägerschicht zu gewährlei sten.
4. Fall d): - Analog zu Fall c), jedoch durch Einprägung von Energie mittels Pressung und/oder Wärme, wird eine feste Verbindung zwischen Elektrode und Elektrolytschicht erzielt.

Beispiele Stapeldesign (Fig. 4)

Vorteilhaft werden bei der Vorgabe einer hohen Kondensatorspannung und hoher Kapazität Stapelbauformen eingesetzt. Zur Realisierung eines Stapels werden die Kondensatorelemente (bipolare Elektrode 4, Elektrolytschicht 5) aufeinander geschichtet und innerhalb einer Spannvorrichtung, z. B. einem Flansch angeordnet. Erfindungsgemäß werden die einzelnen Kondensator elemente miteinander verbunden.

Ausführungsbeispiel A

Trägerschicht: ist poröses Kohlepapier oder dichtes Kohlepapier mit einem Kohlebinder
Aktivschicht: ist ein Metalloxid nach DE 43 13 474 A1. Es liegt als hydratisiertes, nicht vollständig oxidiertes Pulver vor.
Verbindungsschicht: entsteht durch Auftragung von Nafionlösung auf die Aktivschicht.
Elektrolytschicht: ist eine Protonenaustauschmembran wie Nafion® oder GORE Select® sowie gelartige protonleitende Masse.

Durch alternierende Anordnung von Elektroden- und Elektrolytschichten, wo bei die äußere Schicht aus einer einseitig zur Elektrolytschicht hin beschichte ten Elektrode besteht, entsteht der Stapel.

Der Verbund wird vorteilhaft mittels einer Heißpresse durch Druck und Tem peratur mit anschließender Kühlung des Verbundes hergestellt. Bei der Ver wendung von Protonenaustauschmembranen ist es vorteilhaft, Heißpreßtem peraturen <100°C und einen Preßdruck von <1 bar zu verwenden.

Ausführungsbeispiel B

Trägerschicht: ist eine dichte Kohlepapierfolie z. B. von ca. 40 µm Dicke
Aktivschicht: ist ein Metalloxid nach DE 43 13 474 A1. Es liegt als hy dratisiertes, nicht vollständig oxidiertes Pulver vor.
Verbindungsschicht: ist eine Nafionlösung
Elektrolytschicht: ist eine Protonenaustauschmembran (Dicke ca. 40 µm)

Die Aufschichtung und die Herstellung des Verbundes erfolgt analog Ausfüh rungsbeispiel A.

Vorteilhaft ist die geringe Dicke der Verbundeinheit und damit die hohe erziel bare Energie- und Leistungsdichte.

Ausführungsbeispiel C

Trägerschicht: ist eine dichte Metallfolie z. B. von ca. 40 µm Dicke
Aktivschicht: ist ein Metalloxid
Verbindungsschicht: ist eine feste Verbindung zwischen Gewebe und Trägerschicht, die durch einen Anlöseprozeß er reicht wird
Elektrolytschicht: ist eine streichfähige Paste, in ein Gewebe integriert (Dicke ca. 50 µm)

Die Paste besteht aus Schwefelsäure und Aluminiumoxid, das Gewebe aus Zirkondioxid-Polysulfon.

Nach Aufschichtung der Elektroden-Elektrolyt-Elemente wird der entstandene Stapel unter Temperatureinwirkung verpreßt.

Aufgrund des pastösen Elektrolyten ist die Abdichtung der Elektrolyträume ver zichtbar.

Ausführungsbeispiel D

Träger ist eine Metallfolie oder eine Graphitfolie.

Darauf wird ein poröses Kohlenstoffgewebe aufgebracht, die Anordnung mit dem Metalloxid beschichtet, sodann mit Nafionlösung fixiert und der PEM-Fest elektrolyt aufgebracht. Mehrere dieser Einheiten werden gestapelt und unter Druck- und Wärmeeinfluß zur Verbundeinheit verdichtet.

Gehäuse und elektrische Kontaktierung eines Stapelkondensators

Der Stapel umfaßt mindestens zwei Kondensatoreinzelzellen und kann wie folgt elektrisch kontaktiert und verpreßt werden:

a) Endplattendesign (Fig. 5)

Zwei Flanschplatten 52, 55, die durch ein Bördelgehäuse 53 mechanisch auf den Stapel 54 gedrückt werden, realisieren den elektrischen Kontakt mit dem Stapel. Dabei dienen die Dichtungen 51 am Bördelgehäuse zur hermetischen Abdichtung. Eine Berstsicherung oder ein Überdruckventil 50, das an dem Flansch 52 angebracht wird, dient als Überdrucksicherung bei einer Fehlfunktion durch Gasbildung.

b) Dosendesign

Der Stapel wird in einer Büchse 61 mit Deckel 62 integriert (Fig. 6). Die Büchse kann aus Kunststoff oder aus Metall bestehen. Im letztgenannten Fall ist eine elektrisch isolierende Schichten 60 auf der inneren Wandung der Büchse vorhanden. Der Stapel ist wie beim obenbeschriebenen End plattendesign zwischen zwei Flanschplatten angeordnet, wobei die eine Flanschplatte auf dem Deckel 62 der Büchse aufliegt, und die andere an die Büchse mittels Bördeln verbunden ist. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über die Flanschplatten.

In einer weiteren Ausführung (Fig. 7) ist der Stapel in ein elektrisch isolier tes Metallrohr oder ein isolierend wirkendes Kunststoffrohr 71 eingelegt. Die Kontaktierung des Stapels erfolgt über die elektrisch leitenden Flanschplatten. Die Wärmeausdehnungen werden durch einen elektrisch leitfähigen mechanischen Puffer 70 ausgeglichen, so daß eine entspre chende Pressung und damit gute Kontaktierung vorliegt.

c) Vergußdesign (Fig. 8)

Der Stapel wird in eine Gußform (z. B. aus PTFE) mit Endflanschen einge legt und mit einer Vergußmasse 80 (z. B. Epoxidharz/Elastomer Gemisch) vergossen. Hierbei kann die Vergußmasse 80 gleichzeitig Gehäusefunk tionen übernehmen, wobei die elektrische Kontaktierung über End flansche erfolgt. Die Eingießung des Stapels gelingt über Guß massenzu- und -abführöffnungen. Insbesondere die Methode der Ein bettung des Stapels durch Vergußmassen ist vorteilhaft für kleine DSK, die eine kostengünstige Reparatur nicht erlauben würden.

Ausführungsbeispiel für das Gehäuse

Das Gehäuse erfüllt Schutzfunktionen: Eine Kontamination des Elektrolyten und der Elektroden mit der Umgebungsatmosphäre muß verhindert werden, Wärme muß abgeführt werden, so daß geringe Temperaturdifferenzen zwi schen dem Zellinneren und der Umgebung entstehen.

Folgende Ausführungen haben sich als vorteilhaft erwiesen:

- Mit einer Oberflächenerhöhung des Gehäuses (z. B. mittels einer Berip pung) werden die Voraussetzungen für eine gute Wärmeabfuhr geschaffen. Dabei werden z. B. die Flansche aus gut leitfähigen Materialien (Aluminium, Graphit etc.) hergestellt.
- Bei Bedarf wird eine Gasüberdrucksicherung in das Gehäuse integriert.
- Die Gehäusebauteile werden oberflächenbeschichtet. Die Flanschhälften, die in direktem Kontakt zum Stapel stehen und zur elektrischen Kontaktie rung dienen, werden mit elektrisch leitfähigen und korrosionsstabilen Schichten behandelt. Beispielsweise wird das Bördelgehäuse aus metalli schem Material mit einer elektrisch isolierenden Schicht (z. B. Polyamid) be arbeitet.

Wickel- oder wickelähnlicher DSK

Durch Heißwalzen hergestellte Kondensatorstapel (z. B. aus zwei Einzelzel len) in Bandform werden gewickelt und in ein Gehäuse mit elektrischer Kon taktierung integriert. Vorteilhafte Wickelbauarten sind Gegenstand folgender Ausführungen:

a) Wickeldesign

Der Wickel wird durch spiralförmiges Aufrollen erzeugt und danach in ein Ge häuse integriert. Anschließend wird das Gehäuse hermetisch dicht verschlos sen.

b) Schleifendesign (Fig. 9)

Das Band 90 wird schleifen-, bogen- oder mäanderförmig gewickelt und zwi schen zwei Platten 91, 93 verpreßt. Zwischen den Schleifen wird eine isolie rende Schicht 92 (z. B. Kunststoffplatte) angeordnet, die Kurzschlüsse zwi schen den Schleifen verhindert und definierte Biegeradien der Schleifen gar antiert. Außerdem wird in vorteilhaften Ausführungen die isolierende Schicht 92 strukturiert z. B. durch Kanäle, damit eine verbesserte Wärmeabfuhr auch über die Isolierschichten erfolgen kann.

Leistungsdaten

Mit den beschriebenen DSK werden hochleistungsfähige Energiespeicher, Stromquellen etc. hergestellt. Fig. 10 zeigt Leistungsdaten (Energiedichte und spezifische Energie), die mit den oben beschriebenen DSK-Ausführungsbei spielen A bis D erreicht werden. Dabei ist jedoch zu bemerken, daß in die Be rechnung nur der Aktivkörper eingeht.

Anordnung und Verschaltung von DSK

Zur kostengünstigen Realisierung der DSK ist die Einführung von Baureihen unumgänglich. Die Anpassung an die geforderte Leistungsgröße erfolgt dann durch Verschaltung von mehreren DSK. Hierbei werden DSK mit separatem Gehäuse und/oder DSK ohne separatem Gehäuse mit einem Gehäuse ange ordnet und elektrisch verschaltet.

Grundsätzlich sollte die Anzahl der DSK mit separatem Gehäuse so gering wie möglich gehalten werden, da das Gehäuse einen wesentlichen Anteil an der Gesamtmasse und dem Gesamtvolumen besitzt.

Tabelle 1

Auslegungsgleichungen Doppelschichtkondensator

Bezugszeichenliste

1

Träger

2

Aktivschicht

3

Verbindungsschicht

4

bipolare Elektrode

5

Elektrolytschicht

50

Überdruckventil

51

Dichtung

52

Stromanschluß (Flansch)

53

Bördelgehäuse

54

Kondensatorstapel

55

Stromanschluß (Flansch)

60

isolierende Schicht

61

Büchse (Gehäuse)

62

Decke

70

Druckpuffer

71

Rohr, z. B. aus Kunststoff

80

Vergußmasse

81

Gehäuse

90

Kondensatorstapel

91

,

93

Flansch

92

Zwischenschichten

Claims

1. Doppelschichtkondensator aus mindestens zwei hintereinanderge schalteten Doppelschichtkondensatoreinzelzellen, wobei

1. abwechselnd bipolare Elektroden (4) und Elektrolytschichten (5) oh ne zusätzliche Zwischenschichten angeordnet sind, und
2. eine bipolare Elektrode (4) eine elektrisch leitfähigen Träger (1) und eine beidseitig aufgebrachte Aktivschicht (2) mit geringem Wider stand und hoher aktiver Oberfläche umfaßt, und
3. der Träger (1) als elektrisch leitende Barriere zwischen den anlie genden ionenleitenden Elektrolytschichten wirkt, und
4. die Elektroden (4) und Elektrolytschichten (5) einen festen Verbund bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Haftvermittlung von Elektroden (4) und Elektrolytschichten (5)

1. ein elektrisch leitfähiger, adhäsiver Binder in der Aktivschicht (2) in tegriert ist, der gleichzeitig die Haftung der Aktivschicht (2) auf dem Träger (1) bewirkt, oder
2. eine separate, adhäsive Verbindungsschicht (3) vorhanden ist.

2. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektrolytschicht (5) ein Festelektrolyt wie z. B. eine Protonenaustauschmembran ist.

3. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrolytschicht (5) aus einer pastösen oder gelartigen Masse besteht.

4. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) eine oder meh rere dichte oder poröse Schichten umfaßt.

5. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus ebenen Me tall- oder Kohlenstoff-Folien oder porösen Schichten wie Netzen, Ge weben, Schäumen, Vliesen oder Papieren aus Metall oder Kohlenstoff besteht.

6. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Elektrolytschicht (5) ein gasdurchlässiger Abstandshalter wie z. B. ein Gewebe oder Vlies befindet.

7. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschicht (2) ein hydrati siertes, nicht vollständig oxidiertes Metalloxidpulver ist.

8. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschicht (2) auf den Trä ger mittels anorganischer oder organischer Binder wie Nafion®-Lö sung aufgebracht wird, so daß ein fester Verbund von Trägerschicht (1) und Aktivschicht (2) entsteht.

9. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschicht (2) einen Füller wie Kohlepulver enthält.

10. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß er zwischen zwei Flanschplat ten verpreßt ist.

11. Doppelschichtkondensator einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Verbund aus Elektroden (4) und Elektrolytschichten (5) in einem Gehäuse, z. B. in der Form einer Büch se (61) mit Deckel (62) oder eines Rohrs (71) integriert ist.

12. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Flanschplatten (52, 55) und Gehäuse (53) durch Bördeln verbunden sind.

13. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus Elektroden (4) und Elektrolytschichten (5) in dem Gehäuse vergossen ist.

14. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche oder/und das Ge häuse zur Erhöhung der Wärmeabfuhr und mechanischen Stabilität berippt ausgeführt sind.

15. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche und/oder das Ge häuse aus leitfähigen Nichtmetallen wie Graphit bestehen.

16. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche und/oder das Ge häuse zusätzlich als Korrosionsschutzschichten ausgeführt sind.

17. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabführung und Stromzuführung mittels den Flanschen und/oder dem Gehäuse erfol gen kann.

18. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und/oder die Flansche eine Gasüberdrucksicherung, wie z. B. Überdruckventil (50) oder Berstscheibe (Sollbruchstelle), aufweisen.

19. Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund (90) aus Elektro den (4) und Elektrolytschichten (5) spiralförmig oder schleifenförmig oder mäanderförmig angeordnet ist.

20. Verwendung des Doppelschichtkondensators nach einem der voran gehenden Ansprüche als Energiespeicher, Stromquelle oder elektro nisches Bauteil.