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Galvanische Speicherzelle Die Erfindung betrifft eine galvanische
Speicherzelle mit einer Mehrzahl von schichtartig angeordneten positiven und negativen
Speicherelektroden, zwischen denen zur Bildung von Kathoden- und Anodenräumen jeweils
ein Diaphragma angeordnet ist, insbesondere mit Elektrolytumwälzun.
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Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau und die anordnung für
Elektroden galvanischer Speicherzellen mit Wasserstoff-Speicherelektroden.
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Es ist bekannt, Wasserstoff-Speicherelektroden beispielsweise mit
Raney-Nlckel als aktivem Elektrodenmaterial und Nickelpulver als Gerustmaterial
durch Sinterung herzustellen, Eu ist weiterhin bekannt, Wasserstoff-Speicherelcktroden
mit Vorteil zusaren mit Sauerstoff- bzw. Luft-Elektroden oder O Oxydelektroden zu
galvanischen Elementen zu kombinieren.
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Um mit solchen Elementen möglichst große massenbezogene Energie- bzw.
Kapazitätswerte zu erhalten, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Elektroden
mit Hilfe möglichst weniger Bauteile zu einer Zelle bzw. Batterie zusammengebaut
werden, wobei ein geringer Gewichts- und Raumbedarf anzustreben ist.
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Insbesondere zur Anwendung in der traktion sollen die Elektroden eine
möglichst hohe spezifische Belastung (mW/cm2 bzw. mA/cm2) aufweisen. Ebenso muß
dafür Sorge getragen werden, daß die in der galvanischen Zelle entstehende Verlustwärme
gut und schnell abgeführt wird.
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Dies ist besonders wichtig, wenn als positive Elektrode eine NiO(OH)-Elektrode
anstelle einer Sauerstoff-Diffusionselektrode eingesetzt wird.
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In allen Fällen, in denen den Speicherbatterien elektrische Energie
zugefuhrt wird, wie beim Ladevorgtang oder bei der Energierückführung Cz.B. Nutzbremsun),
muß damit gerechnet werden, daß Wasserstoff und Sauerstoff an den jeweiligen Elektroden
entwickelt wird. Um dabei die Bildung von Knallgasgemischen C112/O2-Gemisch) zu
verhindern, werden vorteilhafterweise die Elektrodenräume (iLathoden-und Anodenraum)
durch ein Diaphragma getrennt. Die jeweiligen GasA lektroly-t-Gemische können dann
getrennt zu einer Gastreunvorrichtung geführt und dort der Wasserstoff und der Sauerstoff
getrennt abgegeben werden.
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Bei den bekannten Anordnungen sind die Elektroden im wesentlichen
plattenförmig. Da eine möglichst keiq akte Bauweise besonders wesentlich ist, können
keine größeren Toleranzen in den Abmessungen der Elektroden hingenonmen werden.
Dadurch wird die Ilerstellunu der gesinterten Wasserstoff-
Speicherelektroden
stark erschwert. Insbesondere gilt dies f-ür Elektroden größerer Fläche (z.B. 200
bis 400 cm2) und vor allem für Elektroden nach der frsnzösischen Patentschrift 1
565 808.
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Die Kufgabe der Erfindung besteht darin, eine Speicherzelle der eingangs
genannten Ärt zu schaffen, welche aus besonders einfach und trotzdem mit hoher Genauigkeit
herstellbaren Elektroden aufgebaut ist, ein hohes massenbezogenes Energie-Gewicht
aufweist und höhere Stromentnahme bei gleicher Klemmenspannung gestattet.
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Z-r lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß mindestens
eine der beiden Elektrodenarten aus eine Schicht bildenden Stäben aufgebaut ist.
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Eine bevorzugte Ausfübrungsform der Erfindung besteht darin, daß jeder
Elektroden-Einzolstab als Rundstab ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß der Querschnitt des Einzelstabs ein Vieleck ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindiüg ist
voresehen, daß der Querschnitt des Einzelstabes ein regelmäßiges Sechseck ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, da; jeweils die eine Schicht bildenden Einzelstäbe in Berührung miteinander
angeordnet sind.
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Nach einer weiteron bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß zumindest die negativen Elektrodenstäbe am Diaphragma unmittelbar
anliegen.
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Eine besonders vorteilhafte Elektrodenform ergibt sich dadurch, daß
die Elektrodenstäbe mindestens über einen gebil ihrer Länge einen Leitungsdraht
einschließen, der mindestens an dem einen Stabende herausragt.
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Z r Stromabführung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß der
Leitungsdraht ein Nickeldraht ist.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Leitungsdrähte mit mindestens
einer Stromfahne leitend verbunden sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch,
daß ein Einzelstab aus mehreren koaxial fluchtend angeordneten Stabstümpfen aufgebaut
ist, die durch einen Iieitungsdraht miteinander verbunden sind.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung mit einer Wasserstoff-Speicherelektrode,
die mit einer Sauerstoff-Diffusionselektrode, oder einer Laft-Diffusionselektrode
oder mit einer Oxydelektrode kombiniert ist, zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens
die Wasserstoff-Speicherelektrode in Stabform aufgebaut ist.
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Eine weitere vorteilhafte Asführungsform sieht vor, daß als Oxydelektrode
eine positive NiO(OH)-Elektrode verwendet wird.
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Schließlich ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
vorgesehen, daß sowohl die positiven als auch die negativen Elektrodenstäbe am Diaphragme
unmittelbar anliegen.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Herstellung
der erfindungsgemäßen Elektrodenstäbe nach Sinter- oder Schmelzprozessen erheblich
einfacher ist als die Herstellung großflächiger Elektrodenplatten. Dies gilt insbesondere
auch für eine eventuell notwendige mechanische Nacharbeitung> um nicht eingehaltene
Dickentoleranzen zu korrigieren. Zudem ist es auf einfache Weise möglich, mittels
der Stäbe in der Fläche unterschiedliche Elektroden herzustellen. Bei Elektrodenplatten
wäre dies nur mit einem unwirtschaftlich und unvertretbar hohen Werkzeugaufwand
möglich.
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Der erfindungssgemäß erreichbare Vorteil kommt insbesondere dann zum
Tragen, wenn Batterien mit verschieden großen Elektroden für unterschiedliche Anwendungszwecke
gebaut werden sollen.
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Ueber diesen herstellungsmöglichen Vorteil hinaus bietet der Aufbau
der Elektroden aus Stäben beim Zusaranienbau der Zelle weitere wesentliche Vorteile.
Beispielsweise kann bei einer erfindungsgemäß aufgebauten Speicherzelle auf die
gemäß dem Stand der Technik üblichen Stege zwischen den Elektroden und dem Diaphragma
verzichtet werden, da aufgrund der geometrischen Form der Elektrodenstäbe die gemäß
dem Stand der Technik zwischen den Stegen gebildeten Elektrodenräume in einfacherer
Weise ausgebildet werden können.
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Das Diaphragma kann damit außerdem einfacher (ohne Stege) und mechanisch
weniger stabil (dünner) ausgeführt sein.
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Neben dieser Vereinfachung des Zellenaufbaus können durch die erfindungsgemäße
Elektrode auch die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode und damit auch
der Zelle verbessert
werden. Der massenbezogene Energiewert einer
Zelle mit den erfindungsgemäßen Elektroden liegt höher als bei den üblichen Plattenelektroden.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich hinsichtlich der zur Verfügung stehenden
Elektrodenfläche. Auf grund der Stabstruktur ist nämlich die aktive geometrische
Oberfläche zu den Elektrolyträumen hin wesentlich größer als bei der herköjnmlichen
Plattenstruktur. Diese bei der erfindungsgemäßen Elektrode relativ vergrößerte aktive
geometrische tDcrfläche führt zu dem besseren tberlastverhalten der erfindungsgemäßen
Zelle.
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Die erfindungsgemäßen Elektrodenformen eignen sich zur IIerstellung
von Wasserstoff-Speicherelektroden aus dem in der französischen Patentschrift 1
565 808 beschriebenen und an sich nicht leicht verarbeitbaren Naterial auf Niclbel-'Ditan-Basis
besonders gut.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise amland der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 das Schema einer herkömmlichen Zelle mit einer
Wasserstoff-Speicherelektrode und einer Sauerstoff-Difftisienselektrode, Fig. 2
das Schema einer herkömmlichen Zelle mit einer Wasserstoff-Speicherelektrode und
einer NiO(OH)-Elektrode, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Elektrodenstabes, Fig. 4 eine perspektivische schematische Darstellung einer bevorzugen
erfindung 5 gemäßen Elektrodenanordnung,
Fig. 5 das Schema einer
erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung und Fig. 6 das Schema einer weiteren erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung.
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claus der schematischen Darstellung einer herkömmlichen Zelle in der
Fig. 1 ist ersichtlich, in welcher Weise die Zelle aus einer plattenförmigen Wasserstoff-Speicherelektrode
1 und einer Sauerstoff-Diffusionselektrode 2 aufgebaut ist, wobei ein Diaphragma
4 sowie Stege 5 derart zwischen den Elektroden angeordnet sind, daß die Elektrodenräume
6 festgelegt werden.
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In der Fig. 2 ist in schematischer Darstellung eine ähnliche herkömmliche
Zelle veranschaulicht, welche eine Wasserstoff-Speicherelektrode 1 und eine NiO(OH)-Elektrode
3 umfaßt. Der durch die Elektrodenräume 6 geleitete Elektrolyt dient gleichzeitig
zur Wärme- und Gasabführung.
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Da in den beiden Fällen der Fig. 1 und 2 die Stege von dem Diaphragma
gehalten werden müssen, muß letzteres eine genügende mechanische Festigkeit aufweisen,
was bei Verwendung von Lunststoffen zu dickerem ilatorial führt C--.B. 0,5 mm).
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Die Dicke des Elektrodenraumes liegt im allgemeinen bei etwa 1 mm,
damit Gasblasen ohne Schwierigkeiten abgeführt werden köiuien. Die Elektroden selbst
sind bei den bekannten A@sführungen nach dem Stand der Technik, wie dies auch als
den Fig.
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1 und 2 hervorgeht, im wesentlichen plattenförmig.
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In der li. 3 ist ein Rundstab 9 dargestellt, welcher beispielsweise
nach einem Sinter- oder Schmelzverfahren hergestellt sein kann und welcher erfindungsgemäß
als Einzelstab verwendet wird, wobei ein Stromleiter 7 vorgesehen ist, welcher oben
undenten aus dem Elektrodenstab herausragt.
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Gemäß der schematischen Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
kann der zur Stromführung vorgeschene Draht 7 durch Schweißen oder andere Maßnahmen
an einer Stromfahne 8 befestigt sein, wobei letztere
mit mehreren Elektrodenstäben 9 verbunden
und außer der stromableitenden Funktion kann der Drabt 7 auch die Fixierung einer
aus vielen Stäben bestehenden Gesauntelektrodenanordnung übernehmen, wie es die
Fiß. 1 zeigt.
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Aus der Fig. 5 ist zu entnelnen, daß bei einer Elektrode aus Stäben
auf die Stege 5 (vgl. Eg. 1 und 2) verzichtet werden kann, da durch die besondere
geometrische Form zustellen mit dem angelegten Diaphragma 4 bereits die Elektrodenraumkanäle
G gebildet werden. Damit werden an die mechanische Festigleit des Diaphragmas keine
sehr hohen Anforderungen gestellt, so daß dieses Diaphragma gemäß der Erfindung
im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauweise der Zelle dünner ausgeführt sein
kann.
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Daß durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung auch die elektrochemischen
Eigenschaften der Elektrode und damit diewenigen der Zelle verbessert werden können,
zeigt der folgende Vergleich: bei der Anordnung gemäß Fig. 1 oder 2 beträgt der
Abstand von Diaphragma zu Diaphragma beispielsweise 4 mm. Er teilt sich folgendermaßen
auf: 1 mm Elektrolytraui'idicke, 2 mm Elektrodendicke, 1 mm Elektrolytraumdicke.
Bei einer Elektrodenfläche von 160 mm x 150 mm enthalt die Zelle somit 43 cm3 Wasserstoff-Speicherelektrode.
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Bei der in der Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Elektro dc hingegen
befinden sich bei gleichem Abstand von Diaphragma zu Diaphragma und gleicher Elektrodenfläche
von 160 em x 150 iuii etwa 75 cm3 Wasserstoff-Speicherelektrode in der Zelle. Deingemäß
ist der massenbezogene Energiewert einer Zelle mit den
erfindungsgemäßen
Elektroden wesentlich höher als derjenige mit den üblichen Plattenelaktroden.
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Bei der Fortfährung der obigen Überlogungen ergibt sich für die erfindungsgemäße
Elektrodenanordnung ein weiterer Vorteil hinsichtlich der zur Verfägung stchenden
Elektrodenfläche. bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 oder 2 weist die Elektrode zu
den Elektrolyträumen hin eine aktive geometrische Fläche von 480 cm2 auf, wobei
nicht beiücksichtigt ist, daß ein Teil dieser Fläche dadurch verlorengeht, daß er
durch die Stege abgedeckt ist. Wird nun der Zelle ein Strom von 48 A entnommen,
so entspricht dies einer Stromdichte für die Elektrode von 100 mA/cm2.
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Die in der Fig. 5 dargestellte erfindungsgemäße Elektrodenschicht
10 hat zu den Elektrolyträumen hin hingegen eine aktive geometrische Fläche von
etwa 750 cm2, was bei dem vorgegebenen Strom von 48 A einer Stromdichte von etwa
65 mA/cm2 entspricht.
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A s diesem Vergleich geht klar hervor, daß die erfindungsgemäße Elektrodenschicht
10 ein wesentlich besseres Überlastverhalten aufweist.
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Im Hinblick auf eine möglichst vereinfachte Darstellung wurde die
@ Erfindung im wesentlichen anhand von Wasserstoff-Speicherelektroden beschrieben.
Es ist jedoch ohne weiteres erkennbar, daß die erfindungsgemäßen Vorteile auch mit
positiven Speicherelektroden wie beispielsweise NiO(OH)-Elektroden erreichbar sind.
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Gerade eine solche, aus gemäß der Erfindung ausgebildeten positiven
Schichten 11 und negativen Schichten 10 aufgebaute, galvanische Zelle gestattet
gemäß der Darstellung in der Fig. 6 eine optimale Ausnutzung des Grundgedankens
der Erfindung, da bei dieser bevorzugten Ausführungsform auf die Stege 5 (vgl.
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Fig. 1, 2, 5) überhaupt verzichtet werden kann. Damit ergibt sich
eine noch kompaktere Bauweise der erfindungsgemäßen Zelle.
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- Patentansprüche -