DE2715743A1

DE2715743A1 - Batterie mit schichtstruktur

Info

Publication number: DE2715743A1
Application number: DE19772715743
Authority: DE
Inventors: Kazuo Iwamoto; Kohki Tamura
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Showa Denko Materials Co ltd
Priority date: 1976-04-09
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1977-10-13
Also published as: DE2715743C3; DE2715743B2; FR2347786A1; JPS52122844A; US4101718A; FR2347786B1; JPS5422567B2

Description

Beschreibung

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Die Erfindung betrifft eine Batterie und insbesondere eine Batterie mit einer aus einer Vielzahl Zellen geschichteten Struktur, von denen jode Zelle nach dem Brennstoff- oder Sekun·· därprinzip arbeitet.

Die Batterie weist allgemein eine Vielzahl Zellen auf, in denen zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (EIlK) eine elektrochemische Reaktion aufrechterhalten wird. Diese Zellen weinen drei Kammern auf, beispielsweise eins Elektrolytkaminer, sowie zu beiden Seiten der Elektrolytkaramer angeordnete Kammern für kathocl-jnaktives Material und anodenaktives Material. An den Begrenzungen dieaer Kammern sind Kathoden- bzw. Anodenplatten angeordnet. Die von diesen Einheitszellen erzeugte elektromotorische Spannung (Strom) ist üblicherweise sehr viel kleiner als der gewünschte Wert, so daß in der Praxis eine große Anzahl derartiger Einheitszellen geschichtet und elektrisch in Serie oder zueinander parallel gaschaltet werden. Beispielsweise ist aus der US-PS 3 188 242 eine aus einer Vielzahl Einheitszellen geschichtete Batterie bekannt. Bei dieser Batterie sind die Anschlüsse der einzelnen Zellen an den Zellen angebracht und außerhalb des Batterierahxi'.ens durch Schweiß- oder Lötverbindungen bzw. Klemmschrauben, usw. miteinander verbunden. Der Widerstand der die Zellen elektrisch miteinander verbindenden Leiter oder die an den Kontaktwiderständen der Verbindungen der LeLter entstehenden elektrischen VerLunte aind jedoch so groß, daß sie nicht mehr vernachlüsiiLyt werden können. Da dia Verbindungen der LeLter außerhaLb des Batterierahmsna der bekannten Batterie f reLL ii.qün, erhöht, uich in imchteL I Lcjcir WuLne this Volumen und deiuantaprecheicJ dan Gewicht dor qauatiitun DabterLe.

Bei einer praktisch verwendbaren Batterie sollten jedoch das Volumen, das Gewicht und schließlich auch die Kosten der Batterie soweit als möglich gesenkt werden. Um dieses Problem zu losen, wurden bereits verschiedentlich Vorschläge gemacht.

Beispielsweise wurde vorgeschlagen, die elektrische Verbindung zwischen den Zellen einer Batterie als U-förmige Elektrodenplatten auszubilden. Dieser Vorschlag ist der japanischen Patentanmeldung 11o 663/1973 desselben Anmelders zu entnehmen. Gemäß diesem Vorschlag werden elektrisch gut leitende Materialplatten, beispielsweise Kupferplatten U-förmig abgebogen, so daß ein Elektroden-Halterahmen entsteht. Zu beiden Seiten des U-fönnigen Rahmens sind Fenster vorgesehen. In den einzelnen Fenstern sind Kathoden- und Anodenplatten befestigt. Zwischen beiden Seiten des U-förmigen Rahmens sind Trennrahmen vorgesehen, welche einander benachbarte Kammern für das kathodenaktive Material und das anodenaktive Material bilden. Eine Vielzahl dieser Rahmen wird zu einer Batterie mit mehrzelliger Schichtstruktur zusammengebaut. Bei einer derartigen Batterie dient der Boden des U-förmigen Elektrodenhalterahmens als elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen. Da jedoch zwischen zwei Seiten des U-förmigen Rahmens bei einer derartigen Struktur der Elektrodenplatten zwei Kammern vorgesehen sind, kann der Abstand zwischen den beiden Seiten des U-förmigen Rahmens nicht verringert werden, so daß die Bodenfläche des U-förmigen Rahmens relativ lang wird. Dies hat zur Folge, daß der elektrische Widerstand der Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen nicht wesentlich verringert werden kann. Wird eine sehr große Anzahl derartiger Zellen geschichtet, so wird der Innenwiderstand der gesamten Batterie relativ groß. Darüberhinaus ist die Herstellung derartiger U-förmiger Elektrodenplatten schwierig. Der Vorschlag hat den Nachteil, daß eine Batterie mit solchen U-förmigen Rahmen nur schwer zusammenzubauen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Batterie anzugeben, bei der die vorstehend erlüuterten Nachteile herkömmlicher Bat-

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terien vermieden sind und die kompakter, leichter zusammenzubauen und billiger ist sowie geringeres Gewicht hat.

Diese Aufgabe wird durch Batterien mit der nachstehend erläuterten Konstruktion gelöst. Bei derartigen aus einer Vielzahl Zellen geschichteter Batterien weist jede ZeLlLe eine Kammer für kathodenaktives Material und Kathodanplatten, eine Elektrolytkammer, eine Kanuner für anodenaktives Material und Anodenplatten auf. Die Batterie besteht aus einer Vielzahl Rahmen, von denen jeder durch Wände aus Isoliermaterial in wenigstens drei Räume unterteilt ist. Wenigstens einer der Räume weist daran befestigte Kathodenplatten auf. Wenigotens einer der anderen Räume weist daran befestigte Anodcnplatten auf. An den anderen Räumen sind Trennplatten vorgesehen oder angebracht. Jeder der Rahmen wird in der V7oise angefügt, daß jedem Raum zu beiden Seiten unterschiedliche Räume der geschichteten Rahmen benachbart sind, so daß die Kammer für kathodenaktives Material, die Elektrolytkairaner und die Kammer für anodenaktives Material entstehen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine Gesamtansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Brennstoffbatterie;

Fig. 2 eine teilweise auseinandergezogene und teilweise geschnittene Darstellung der Brennstoffbatterie nach Fig. 1 zur Erläuterung des Innenaufbaus;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch den Batterierahmen entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Abwicklung der Schnittansicht der Batterie

entlang der durch die gestrichelte Linie C in Fig. 1 bezeichneten Zylinderfläche zur Erläuterung des

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Batterieinneren;

Fig. 5 eine teilweise auseinandorgezogene und teilweise aufgebrochene Schnittanaicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Erläuterung der Innenkonstruktion der Batterie;

Fig. 5a und 5b Schnittansichten des Rahmens entlang den Linien A-A bzw. B-B in Fig. 5; und

Fig. 6 eine Abwicklung eines Schnitte entlang der in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie D bezeichneten Ebene zur Erläuterung de3 Batterieinneren einer

anderen Ausführungsform dieser Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffbatterie 1oo mit einem aus einer Vielzahl Rahmen geschichteten Aufbau. Eine praktisch verwendbare Batterie weist eine oehr große Anzahl derartiger Rahmen, beispielsweise einige zehn oder einige hundert Rahmen auf. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform der Batterie werden kreisförmige Rahmen mit zylindrischer Umrißgestalt benutztDiese Rahmen sowie die an den Enden angeordneten Endetüdce 1o sind mit Hilfe von fünf Bolzen 4oo fest miteinander verbunden. Die Rahmen sowie die an den Enden angebrachten Endstücke 1o können jedoch auch mittels Klebstoff oder dergleichen befestigt sein. An den Endstücken 1o sind vier Leitungen 11, 12, 13 und 16 angebracht, über diese Leitungen wird Ätzkalilauge (KOH), Sauerstoffgas (0~) und Wasserstoffgas (H₂) in das Innere der Brennstoffbatterie 1oo eingeleitet. Über die Leitung 16 wird als Kühlmittel Wasser zugeführt. Die Rahmen und die Endstücke 1o bestehen beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, etwa Kunststoff oder dergleichen.

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Pig. 2 zeigt die Endstücke 1o der Brennstoffbatterie 1oo sowie drei unterschiedliche Rahmen 2o, 3o und 4o. In den Endstücken1o sind fünf kleine Löcher 14 vorgesehen, durch die die vorstehend erwähnten Bolzen 4oo treten.

Die Rahmen 2o des ersten Typs weisen eine kreisförmige äußere Umfangsvand 22 sowie drei von der lütte radial nach außen sich erstreckende Wände 25 auf. Die Wände bilden drei gleiche Sektorräurae I, II und III. Der Raum I bildet eine Elektroiytkammer, die mit wässriger Ätzkalilösung (XOH) als Elektrolyt gefüllt ist. Der Raum II bildet eine Kammer für anodisch aktives Material und iot mit Wasserstoffgaa gefüllt, während der Raum III als Kammer für kathodisch aktives Material dient und mit Sauerstoffgas (O₂) gefüllt ist. Dor Raum III ist bodenseitig durch eine Trennplatte aus Isoliermaterial verschlossen.

Die Trennplatte ist einstückig an dem Rahmen 2o angeformt.

Die beiden anderen Räume I und II sind, wie nachstehend noch näher erläutert werden soll, bodenneitig durch Elektrodenplatten verschlossen. In den in drei Richtungen des Rahmsns radial sich erstreckenden Wänden 25 sind jeweils zwei Nuten 2o1 und 2o5 eingeformt. Die eine Nut 2o5 ist im Bereich der Mitte zwischen der äußeren Umfangswand 22 des Rahmens 2o und dessen Mittelpunkt angeordnet, während die andere Nut 2o1 auf der der äußeren ümfangewand 22 zugekehrten Seite der Nut 2o5 vorgesehen ist. Auf der dem Mittelpunkt zugekehrten Seite der Nut 2oü verbleibt:

genügend Platz für weitere Nuten. Jede der Nuten 2o1 öffnet eich im Gegenuhrzeigersinn zu den Räumen I, II und III. Die Nuten 2o1 bilden den Auslaß des jeweiligen Fluids, das heißt der wässrigen A'tzkalilösung, des Wasserstoffgase3 bzw. des Sauerstoffgases, und so weiter. Im Gegensatz hierzu öffnet sich jede der Nuten 2o5 im Uhrzeigersinn zu den Räumen I, II und III. Diese Nuten 2o5 dienen als Einlaß des jeweiligen Fluidr.. Im Bereich des Mittelpunkts des Rahmens 2o sind in Stellungen, die den drei Sektorräumen I, II und III entsprochen, drei bogen-

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förmige Löcher 26 vorgesehen, über nicht dargestellte Nuten in den Endstücken 1o wird diesen drei Löchern 26 das Kühlmittel der Leitung 16, beispielsweise Wasser oder dergleichen, zugeführt. Da bei einer großen Batterie aufgrund elektrochemischer Reaktionen in starkem Maß Wärme frei wird, kann durch Kühlen der Betrieb einer derartigen Batterie vorteilhaft beeinflußt werden.

Fig. 3 zeigt nochmals die in der Umgebung des Innenbereichs der radialen Wand 25 vorgesehene Nut 2o5 sowie die auf der Außenseite der Nut 2o5 angeordnete Nut 2o1. Wie die Schnittansicht der Fig. 3 deutlich zeigt, ist der Boden der als Fluideinlaß dienenden Nut 2o5 verschlossen, während die als Fluidauslaß dienende Nut 2o5 offen ist. Die Bezugszahlen 24 und 26 bezeichnen kleine Löcher für die Bolzen bzw. für den Durchfluß des Kühlmittels. Am bodenseitigen Umfangsrand der Räume I und II ist eine stufenförmige Aussparung 21o vorgesehen, in die, wie nachstehend noch näher erläutert werden soll, die Elektrodenplatten eingreifen. Die Zahl 22 bezeichnet wiederum die äußere Umfangswand des Rahmens.

Fig. 2 zeigt weiterhin eine Elektrodenplatte 29, die aus einer Kathodenplatte 291, einer Anodenplatte 293 und einem Elektrodenhalterahmen 292 besteht. Der Rahmen 292 besteht beispielsweise aus einer dünnen Platte oder dergleichen aus elektrisch gut leitendem Material, etwa Kupfer oder dergleichen· Der Rahmen 292 ist sektorförmig mit einem Winkel von etwa 24o° gestaltet und enthält zwei gleiche Sektorfenster mit einem Winkel von ungefähr 12o°. In den Fenstern ist die Kathodenplatte 291 bzw. die Anodenplatte 293 befestigt. Die Elektrodenplatte 29 ist so gestaltet, daß sie in die Aussparung 21o der äußeren Umfangswand 22 des Rahmens 2o eingreifen kann, wobei die Kathodenplatte 291 und die Anodenplatte 29 3 den Räumen I bzw. II des Rahmens 2o entsprechen kann. Der Rahmen 292 hat an

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einer dem Auslaß 2o1 des Rahmens 2o des ersten Typs entsprechenden Stelle ein kleines Loch 294. Der Rahmen 292 kann durch Pressen oder dergleichen leicht hergestellt v/erden. Die Kathodenplatte 291 und die Anodenplatte 29 3 sind in die beiden Fenster des Rahmens 292 eingeschweißt oder auf sonstige Weise fest angebracht. Die Kathodenplatte 291 und die Anodenplatte 293 besteht aus einem beschichteten Metallgitter aus Nickel oder dergleichen. Die Beschichtung kann beispielsweise au:; Silber-, Kupfer-, Nickel-, usw. Metalltei.lchen und einem Harz bestehen.

In den Figuren bezeichnen die Bezugszahlen 3o und 4o Rahmen eines zweiten und eines dritten Typs. Die Rahmen 3o und 4o sind bis auf die Stellung des Einlasses und des Auslasses in gleicher Weise aufgebaut wie der Rahmen 2o des ersten Typs.

Im einzelnen enthält der Rahmen 3o an einer dem Auslaß 2o1 des Rahmens 2o entsprechenden Stelle eine als Einlaß dienende Nut 3o5. Die Nut 3o5 ist auf der einer äußeren Umfangswand 32 zugekehrten Seite des Mittelbereichs einer radialen Wand 35 angeordnet. Jedes Fluid der einzelnen Räume I, II und III des Rahmens 2o wird auf diese Weise einem entsprechenden Raum I, II und III des Rahmens 3o zugeführt. An einer einem Einlaß 4o5 des Rahmens 4o entsprechenden Stelle ist jeweils eine Nut 3o1 als Auslaß für das Fluid auf der Innenseite des Mittelbereichs der radialen Wand 35 vorgesehen. Das Fluid der Räume I, II und III des Rahmens 3o kann auf diese V/eise entsprechenden Räumen I, II und III des Rahmens 4o zugeführt werden. Weiterhin ist an einer dem Auslaß 3o1 des an dem Rahmen 3o befestigten Elektrodenplattenhalterahraens entsprechenden Stelle ein kleines Loch in gleicher Weise wie beim Elektrodenhalterahmen 292 vorgesehen.

Die Figur zeigt weiterhin eine als Auslaß dienende Nut 4o1 an einer dem Einlaß 2o5 des Rahmens 2o entsprechenden Stelle in der Nähe des Mittelbereichs der radialen Wand sowie

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die als Einlaß dienende Nut 4o5 an einer dem Einlaß 3o1 des Rahmens 3o entsprechenden Stelle der Innenseite des mit 4o bezeichneten Rahmens des dritten Typs. An einer dem Auslaß 4o1 entsprechenden Stelle des am Rahmen 4o angebrachten, die Elektrodenplatten tragenden Elektrodenhalterahmens ist, wie bereits bei den beiden vorstellend erläuterten Elektrodenhalterahmen ein kleines Loch vorgesehen.

Die drei Arten von Rahmen 2o, 3o und 4o sind mit den jeweils daran befestigten Elcktrodenplatten 29 aneinandergereiht zur Batterie 1oo zusammengebaut. Die einzelnen Räume, beispielsweise der Raum I jeder der Schichten ist der Reihe nach in jeder Schicht um 12o° von der ersten zur letzten Schicht hin versetzt. Die Räume II und III sind in entsprechender Weise wie Raum I angeordnet. Die entsprechenden Räume in den einzelnen Schichten sind über die Einlasse und Auslässe miteinander verbunden und bilden einen spiralenförraigen Fluidweg. Es entsteht die in Fig. 1 dargestellte zylindrische Batterie 1oo. Fig. 4 zeigt die Abwicklung eines Zylinderschnitts entlang der in Fig. 1 dargestellten einfach gestrichelten Linie

C. In Fig. 4 sind η Rahmen aneinandergeschichtet. Am n-ten Rahmen ist jedoch keine Elektrodenplatte angebracht. Wie Fig. 4 zeigt, sind an die Elektrodenplatten der ersten und der (n-1)ten Schicht elektrische Ausgangsanschlüsse angeschlossen. Aus Gründen des Wirkungsgrads und der Kosten und so weiter werden die Elektrodenplatten der ersten und der (n-1)ten Schicht in nachfolgend erläuterter Weise ausgebildet. Wie Fig. 4 zeigt, ist aus dem Elektrodenhalterahmen der Elektrodenplatten des ersten Rahmens, welcher mit dem negativen Elektrodenausgangsanschluß der Batterie verbunden ist, kein Fenster für die Kathodenplatte, sondern lediglich ein Fenster für die Anodenplatte ausgeschnitten. An die Elektrodenplatten des (n-1)ten Rahmens ist der positive Ausgangsanschluß angeschlossen. Entsprechend wird aus dem Elektrodenhalterahmen der Elektrodenplatten kein Fenster für

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die Anodenplatte ausgeschnitten, sondern es ist lediglich eine Kathodenplatte vorgesehen.

Wie die Fig. 2 und 4 zeigen, wird dem Innenraum der Batterie 1oo über die Leitungen 11, 12 und 13 wässrige Atzkalilösung (KOII), Wasserstoffgas (H-) und Saueratoffgas (Ο~) zugeführt. Die wässrige Ätzkaliklösung der Leitung 11 wird über den Einlaß 2o5 des ersten Rahmen3 in die Elektrolytkammer I eingeleitet. Die Lösung wird über den Auslaß 2o1 des ersten Rahmens, das kleine Loch im Elektrodenhalterahmen 292 der Elektrodenpiacts 29 und den Einlaß des zweiten Rahmens 3o der Elektrolytkammer I ^-a zweiten Rahmens zugeführt. Anschließend wird die Lösung über den Auslaß 3o1 des zweiten Rahmens 3o, das kleine Loch in der Elektrodenplatte sowie den Einlaß 4o5 de3 dritten Rahmens 4o der Elektrolytkammer I des dritten Rahmens 4o zugeleitet. Die Lösung wird in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben spiralenförmig durch die Elektrolytkammern I der η-Rahmen geleitet und schließlich der Leitung 11 des Endstücks 1o zugeführt.

In gleicher Weise wird das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas über die Kammern II für das anodenaktive Material bzw. die Kammern III für das kathodenaktive Material spiralig durch die η Rahmen im Inneren der Batterie bzw. die Leitungen 12 und 13 geleitet. In Fig. 4 ist lediglich das Einführen dieser Fluide durch Pfeile angedeutet.

Wie Fig. 4 deutlich zeigt, besteht die erste Einheitszelle der aus geschichteten Rahmen aufgebauten Batterie aus der Kammer II für anodenaktives Material des ersten Rahmens einschließlich der Anodenplatten, der Elektrolytkammer des zweiten Rahmens einschließlich der Kathodenplatte sowie der Kammer III für das kathodenaktive Material des dritten Rahmens. Die zweite Einheitszelle umfaßt die Kammer II für das anodenaktive Material des zweiten Rahmens einschließlich der Anoden-

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platten, die Elektrolytkammer I des dritten Rahmens einschließlich der Kathodenplatten sowie die Kammer III für kathodenaktives Material de3 vierten Rahmens. Die Kathodenplattender ersten Einheitszelle und die Anodenplatteider zweiten Einheitszelle sind über den Elektrodenhalterahmen für die Elektrodenplatten des zweiten Rahmens elektrisch miteinander verbunden. In gleicher Weise umfaßt die (n-2)te Einheitszelle die Kammer II für anodenaktives Material des (n-2)ten Rahmens einschließlich der Anodenplatten,die Elektrolytkammer I des (n-1)ten Rahmens einschließlich der Kathodenplattenund die Kammer III für das kathodenaktive Material des letzten η-ten Rahmens, wobei die Anodenplatte dieser Zelle elektrisch mit der Kathodenplatte der (n-3)ten Einheitszelle über den Elektrodenhalterahmen für die Elektrodenplatten des (n-2)ten Rahmens verbunden ist. In dieser Ausführungsforra weist die Batterie (n-2)-Einheitszellen auf, die durch η in Serie geschaltete Rahmen gebildet werden.

In der vorstehend erläuterten Ausführungsform sind jeweils drei Räume vorgesehen. Es kann jedoch auch eine andere Anzahl Räume benutzt werden. Beispielsweise können in den drei Räumen der vorstehenden Ausführungsform radiale Wände eingezogen sein, die die Anzahl der Räume jedes Rahmens erhöhen. Bei sechs Räumen können zwei hiervon als Kammer für anodenaktives Material, weitere zwei als Elektrolytkammern und noch weitere zwei als Kammern für kathodenaktives Material dienen.

Fig. 5 zeigt eine aus geschichteten Rahmen aufgebaute Batterie, deren Rahmen jedoch im Gegensatz zur vorstehend erläuterten Ausführungsforra vier Räume I, II, III und IV aufweist. In den Figuren bezeichnet die Bezugszahl 5o Endstücke der Batterie, von denen jedes vier Leitungen 51, 52, 53 und 54 sowie fünf Bolzenlöcher 55 aufweist. Entsprechende Leitungen sind ähnlich Fig. 4 im anderen Endstück vorgesehen, über die Leitungen 52 und 54 wird als Elektrolyt wässrige Ätzkalilösung (KOH)

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zugeführt. Als anodenaktives Material wird über die Leitung Wasserstoffgas (H₂) und als anodenaktives Material über die Leitung 53 Sauerstoffgas (O₂) in das Innere der Batterie eingeleitet. Kühlvorrichtungen sind in den Figuren nicht dargestellt; sie können jedoch ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 1 ebenfalls vorhanden sein. Entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 2 können die Endstücke 5o und die Rahmen, wie nachstehend noch näher erläutert werden soll, aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff oder dergleichen, hergestellt und durch Bolzen oder Klebstoff oder dergleichen fest miteinander verbunden sein.

Fig. 5 zeigt weitere Typen von Rahmen, die mit den Bezugszahlen 6o und 7o bezeichnet sind. Der Rahmen 6o des ersten Typs weist eine quadratische äußere Umfangswand 61 sowie vier Wände 62 auf, welche vier im wesentlichen quadratische Räume I, II, III und IV begrenzen. In den Figuren sind die vier Räume I, II, III und IV aufeinanderfolgend im Uhrzeigersinn bezeichnet. Die Räume I und III bilden Elektrolytkammern, die mit wässriger Ätzkalilösung gefüllt sind, der Raum II bildet die Kammer für das anodenaktive Material und ist mit Wasserstoffgas gefüllt, während der Raum IV die Kammer für das kathodenaktive Material bildet und mit Sauerstoffgas gefüllt ist. In den vier Wänden 62 des Rahmens 6o sind jeweils zwei Aussparungen oder Nuten 6o1 und 6o5 vorgesehen. Die als Fluideinlae dienende Nut 6o5 ist in der Nähe der Mitte und die als Fluidauslaß dienende Nut 6o1 in der Nähe der äußeren Umfangswand 61 angeordnet. Die einzelnen Einlasse 6o5 öffnen sich im Uhrzeigersinn zu den Räumen I, II, III und IV, während die einzelnen Auslässe 6o1 im Gegenuhrzeigersinn zu den Räumen I, II, III und IV hin offen sind.

Die Fig. 5a und 5b zeigen Schnitte entlang den Linien A-A und B-B in Fig. 5. In Fig. 5a bezeichnen die Bezugszahlen

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6o1 und 6o5 wiederum die als Auslaß bzw. Einlaß dienenden Nuten In den Wänden 62. Wie diese Schnittansichten zeigen, ist der Boden der als Einlaß dienenden Nut 6o5 geschlossen, während der Boden der als Auslaß dienenden Nut 6o1 offen ist. Mit 65 sind in den Figuren Bolzenlöcher bezeichnet. Teilweise dargestellt sind stufenförmige Aussparungen 61o auf der Bodenseite der Räume I und II sowie am Umfang des Bodens der Räume III und IV. In diese Aussparungen greifen, v/ie nachstehend noch näher erläutert werden soll, Elektrodenplatten ein.

Fig. 5 zeigt weiterhin zwei mit 7o bezeichnete, am Rahmen 6o befestigte Elektrodenplatten. Die eine Elektrodenplatte greift in die Aussparung am Boden der Räume I und II des Rahmens 6o ein, während die andere Elektrodenplatte in die Aussparung am Boden der Räume III und IV eingreift. Jede der beiden Elektrodenplatten 7o weist einen Elektrodenpiattenhalterahmeη 71, eine Kathodenplatte 73 sowie eine Anodenplatte 75 auf. Der Halterahmen 71 ist aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer ähnlich dem Halterahmen nach Fig. 2 hergestellt. Aus dem Halterahmen 71 sind zwei quadratische Fenster 76 sowie ein kleines Loch 72 ausgeschnitten.

Die Kathodenplatte 73 und die Anodenplatte 75 sind in gleicher Weise hergestellt wie die Platten nach Fig. 2 und sind in diesen beiden Fenstern 76 befestigt. Wie die Figuren zeigen, werden die Räume I und IV des Rahmens 6o bodenseitig durch die Kathodenplatten 73 abgeteilt, während die Räume II und III bodenseitig durch die Anodenplatten 75 abgeteilt sind. Das in den Elektrodenhalterahmen 71 eingeformte Loch 72 ist an einer dem Auslaß 6o1 des Rahmens 6o entsprechenden Stelle angeordnet.

In den Figuren ist ein Rahmen 8o eines zweiten Typs dargestellt. Bis auf die Position eines Einlasses 8o5 und eines Auslasses 8o1 hat der Rahmen 8o die gleiche Struktur wie der Rahmen 6o. Der Einlaß 8o5 des Rahmens 8o ist in der

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Nähe der äußeren Umfangswand 81 angeordnet, während der Auslaß 8o1 ira Bereich des Einlasses 8o5 vorgesehen ist. VJIg Fig. 5b zeigt, ist der Boden der als Einlaß dienenden Nut 8o5 geschlossen, während der Boden der als Auslaß dienenden Hut δοΐ offen ist. Mit 85 sind Bolzenlöcher bezeichnet. Wie die Scnnit-.tansicht zeigt, sind am Boden der Räume III und IV des Rahmans 8o Aussparungen 8Io vorgesehen, in die die Elektrodenplattc eingreift. Diese Aussparungen liegen in der gleichen Ebene wie Aussparungen 81o auf der Rückseite von Wänden 82. Wie Fig. 5 zeigt, sind die beiden Arten von Rahmen 6o und 8o mit den daran befestigten Elektrodenplatten 7o der Reihe nach zu einer Batterie geschichtet, über die Leitungen 52 und 54 wird wässrige Ätzkalilösung (KOiI), über die Leitung 53 Wasserstoff gas (Η,) und über die Leitung 51 Sauerstoffgas (°₂^' ^wie

nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 noch erläutert wird, in das Innere der Batterie eingeleitet. Die wässrige Ätskalilösung wird über die Leitungen 52 und 54 in die Elektrolytkammern I und III des ersten Rahmens eingeleitet. Die Lösung tritt über die Auslässe 6o1 des ersten Ralimens 6o, das Loch in der an dem Rahmen befestigten Elektrodenplattc 7o und die Einlasse 8o5 des zweiten Rahmens 8o in die Elektrolytkaranern I und III des zweiten Rahmens ein. Die Lösung wird weiterhin über einen gleichartigen Weg durch die einzelnen Elektrolytkammern I und III von η Rahmen den Leitungen 52 und 54 des Endstücks 5o zugeführt, wobei die Kammern I, II und III im Inneren der Batterie spiralig angeordnet sind. Das Einleiten des Fluids ist in Fig. 5 durch Pfeile dargestellt.

Wie Fig. 6 zeigt, sind die beiden Ausgangsanachlüase der Batterie an zwei Elektroden des ersten Rahmens angeschlossen. Die Elektrodenplatto ist nicht an der letzten, η-ten Rahmen befestigt, zwei Elektroden des (n-1)ten Rahmens sind elektrisch verbunden. Als Elektrodcnpiatten des ersten Rahmens können zwei der vorstehend beschriebenen Elektrodenplatten

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mit jeweils einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte benutzt werden. Aus Gründen des Wirkungsgrads und der Kostender Batterie werden jedoch bevorzugt die nachstehend erläuterten Elektrodenplatten verwendet. Bei diesen Elektrodenplatten ist, wie Fig. 6 zeigt, im Elektrodenhalterahraen der mit dem negativen Ausgangsanschluß verbundenen Elektrodenplatten des ersten Rahmens kein Fenster zur Befestigung der Kathodenplatte sondern lediglich ein solches für die Anodenplatte vorgesehen. Andererseits ist im Elektrodenhalterahmen der mit dem positiven Ausgangsanschluß verbundenen Elektrodenplatte des ersten Rahmens kein Fenster zur Befestigung der Anodenplatte ausgeschnitten. Zum Abteilen der Räume I, II, III und IV des (n-1)ten Rahmens ist ein weiterer Elektrodenpiattentyp vorgesehen. Lediglich in den Bereichen, die den Elektrolytenkammern II und III des Elektrodenhalterahmens dieser Elektrodenplatte entsprechenden Bereichen sind Fenster ausgeschnitten und es sind Kathoden- und Anodenplatten hieran elektrisch angeschlossen. Die Kathoden- und Anodenplatten sind über den Elektrodenhalterahmen elektrisch miteinander verbunden.

Fig. 6 zeigt, daß die erste Einheitszelle der vorstehend erläuterten Batterie aus einer Kammer II für anodenaktives Material im ersten Rahmen und den zugehörigen Anodenplatten, der Elektrolytkammer I des zweiten Rahmens und der zugehörigen Kathodenplatte sowie der Kammer IV für kathodenaktives Material des dritten Rahmens besteht. Die zweite Einheitszelle setzt sich zusammen aus der Kammer für anodenaktives Material des zweiten Rahmens sowie den zugehörigen Anodenplatten, der Elektrolytkammer I des dritten Rahmens mit der zugehörigen Kathodenplatte und der Kammer IV für kathodenaktives Material des vierten Rahmens. Die Kathodenplatten der ersten Einheitszelle sind über den an den Räumen I und II des zweiten Rahmens angebrachten Elektrodenhalterahmen für die Elektrodenplatten mit den Anodenplatten der zweiten Einheitszelle verbunden. In gleicher Weise besteht die

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(n-2)te Einheitszelle aus der Kammer II für anodenaktives Material des (n-2)ten Rahmens sowie den zugehörigen Anodenplatten, der Elektrolytkammer I des (n-1)ten Rahmens und der zugehörigen Kathodenplatte und der Kammer IV für kathodenaktives Material des η-ten Rahmens, wobei die Anodenplatten dieser Zelle mit der Kathodenplatte der (n-3)ten Zelle verbunden sind. In dieser Ausführungsform besteht die (n-1)te Einheitszelle aus der Kammer für anodenaktives Material des letzten, η-ten Rahmens, der Elektrolytkarnmer III des (n-1)ten Rahmens und dessen Anodenplatte, der Kammer IV für kathodenaktives Material des (n-2)ten Rahmens und deren Kathodenplatte. In gleicher Weise wird die 2{n-2)te Einheitszelle durch die Kammer II für kathodenaktives Material des dritten Rahmens, die Elektrolytkammer III des zweiten Rahmens und deren Kathodenplatten sowie die Kammer IV für anodenaktives Material des ersten Rahmens und deren Anodenplatten gebildet. Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, können in dieser Ausführungsform 2(n-2) Einheitszellen elektrisch in Serie geschaltet werden, indem η Rahmen zu einer Batterie geschichtet werden.

Tabelle I zeigt die Umfangsabmessungen, die Volumina und Gewichte von zwei erfindungsgemäßen Ausführungsformen und von einer herkömmlichen Ausführungsform mit U-förmlgen Elektrodenplatten. Als Elektrolyt wird in diesen Batterien 3o%ige wässrige Ätzkalilösung, als kathodenaktives Material Sauerstoffgas und als anodenaktives Material Wasserstoffgas bei einer Betriebstemperatur von 65°C benutzt.

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Tabelle I

U-förmige Elektro- 3-Kammer-Rahmen 4-Kammer-Rahmen denplatte

Außenab- 1, 8cm·18cm.3o, 5cm 34,2cnr«1o, 2 cm 35cm·35cm·5,4cm messungen

Volumen
Gewicht

Leistung (W)/ Volumen (*/)

Leistung(W)/ Gewicht (kg)

9914,4 ml 14,46 kg

92,96 63,75

9363,6 ml 11, 93 kg

98, 42 77,26

6615,0 ml 1o,68 kg

139, 32 86, 3o

Wie Tabelle I zeigt, liegt die Ausgangsleistung pro Einheitsvolumen für die Batterie mit ü-förmiger Elektrodenplatte bei 92,96, während die Ausgangsleistung pro Einheits- volumen der beiden erfindungsgeraäßen Aueführungsformen auf 98,42 und 139,32 verbessert ist. Die Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit liegt bei der Batterie mit U-förmiger Elektrodenplatte bei 6 3,75, wohingegen die Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Batterien auf 77,26 und 86,3o verbessert werden konnte.

Um die Batterien bei gleichen Bedingungen miteinander vergleichen zu können, wurden jeweils Batterien mit 6o Zellen, einer Stromdichte von 75 mA/cm für jede der Einheitszellen aufgebaut. Die elektromotorische Kraft der Einheits-

2 zelle und die Gesamtfläche der Elektrode war 15,36o cm . Die

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Ausgangsleistungen betrugen 921,6 Watt. Die Außenabmassungen, die Volumina und Gewichte dieser drei Batterien wurden auf der Grundlage der hierbei erhaltenen Ergebnisse verglichen.

Die Erfindung ermöglicht weiterhin Zink-Luft-Sekundär-Batterien, indem Sauerstoff der Luft als kathodenaktives Material, Zink als anodenaktives Material und Ätzkali al3 Elektrolyt benutzt wird. Wird die Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit der Zink-Luft-Sekundär-Batterie dieses Aufbau3 mit einer herkömmlichen Batterie verglichen, so erhöht aich die Ausgangsleistung auf 11o W/kg gegenüber 9o W/kg bei der herkömmlichen Batterie;, In einer derartigen Zink-Luft-Sekundärbatterie können als nnodenplatten der Ano denk amme r Zinkplatten verwendet werden, und es können Zinkteilchen in die Anodenkammer eingefüllt und zinkbeschichtete Kickelgitter als Elektroden benutzt werden.

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Claims

PATENTANWA -IE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2*3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI BO, D-BOOO MONChEN 95

HITACHI, LTD. und 7. April 1977

HITACHI CHEMICAL CO., LTD.

DA-544O

Batterie mit Schichtstruktur

Patentansprüche

1. Batterie mit einer Vielzahl Einheitszellen, von denen jede eine Kammer für kathodenaktives Material, eine Elektrolytkammer und eine Kammer fUr anodenaktives Material aufweist, wobei die Elektrolytkammer zwischen den beiden anderen Kammern angeordnet ist und zum Zuführen der Materialien zu den einzelnen Kammern Fluidwege vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl aus Isoliermaterial bestehende Rahmen (2o, 3o, 4o) mit drei durch Wände abgeteilten Räumen vorgesehen sind, von denen der erste Raum als Elektrolytkanuner und der zweite Raum als Kammer für das anodenaktive Material dient und von denen der dritte Raum an seinem einen Ende verschlossen ist und als Kammer für

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ORIGINAL INSPECTED

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das kathodenaktive Material dient, daß an einem Ende des er3ten und des zweiten Raums Elektrodenplatten (29) in der Weise angeordnet sind, daß in dem ersten Raum die Elektrolytkamraer und in dem zweiten Raum die Kanuner für da3 anodenaktive Material entsteht und daß die zusammen mit den Elektrodenplatten (29) die Einheitszellen bildenden Rahmen (2o, 3o, 4o) so geschichtet sind, daß die Elektrolytkammar de3 Rahmans (2o, 3o, 4o) der einen Schicht zwischen den Kammern mit den beiden sich voneinander unterscheidenden Materialien der davor und dahinter liegenden Schichten angeordnet ist.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenplatte (29) aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht und einen Elektrodenhalterahmen (292) mit einem Fenster an einer dem ernten und dem zweiten Raum entsprechenden Stelle des Rahmens (2o, 3o, 4o) aufweist und daß in den entsprechenden Fenstern des Halterahmens (292) eine Anodenplatte (293) bzw. eine Kathodenplatte (291) befestigt sind.

3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wände (22, 25) den aus Isoliermaterial bestehenden Rahmen (2o, 3o, 4o) in drei gleiche Räume unterteilen und daß die Rahmen (2o, 3o, 4o) zusammen mit den

Elektrodenplatten (29) in jeweils um 12o° gedrehten Stellungen geschichtet sind.

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4# Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die den Rahmen (2o, 3o, 4o) unterteilenden Wände (25) zum Bilden der Fluidwege Nuten oder Aussparungen (2o1, 2o5, 3o1, 3o5, 4o1, 4o5) aufweisen. Über die das Fluid der jeweiligen Kammer zufUhrbar ist, womit der Fluidweg spiralförmig durch die einander entsprechenden Kammern in den Rahmen (2o, 3o, 4o) der Schichten verläuft.

5. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß in einem Teil der Wand des aus Isoliermaterial bestehenden Rahmens (2o, 3o, 4o) wenigstens ein Loch (26, 36) zum Hindurchleiten von Kühlmittel durch die geschichteten Rahmen (2o, 3o, 4o) vorgesehen ist.

6. Batterie mit einer Vielzahl Einheitszellen, von denen jede eine Kammer für kathodenaktives Material, eine Elektrolytkammer und eine Kammer für anodenaktives Material aufweist, wobei die Elektrolytkammer zwischen den beiden anderen Kammern angeordnet ist und zum Zuführen der Materialien zu den einzelnen Kammern Fluidwege vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl aus Isoliermaterial bestehender Rahmen (6o, 8o) mit vier durch Wände (61, 62, 81, 82) abgeteilten Räumen vorgesehen sind, von denen der erste und der zweite Raum als Elektrolytkammer, der dritte Raum als Kammer für anodenaktives Material und der vierte Raum als Kammer für kathodenaktives Material dient, daß an jeweils ein«

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Ende des ersten und des dritten Raum3 der Rahmen (6o, 6o) eine erste Elektrodenplatte (7o) in der Weise angeordnet ist, daß in dem ersten Raum die Elektrolytkammer und in dem dritten Raum die Kammer für anodenaktives Material entsteht, daß am jeweils einen Ende des zweiten und des vierten Raums der Rahmen (6o, 8o) eine zweite, von der ersten Elektrodenplatte (7o) elektrisch isolierte Elektrodenplatte in der Weise angeordnet ist, daß in dem zweiten Raum die Elektrolytkammer und in dem vierten Raum die Kammer für das kathodenaktive Material entsteht und daß die jeweils zusammen mit den beiden Elektrodenplatten die Einheitszellen bildenden Rahmen (6o, 8o) so geschichtet sind, daß die Elektrolytkaramer des Rahmens der einen Schicht zwischen den Kammern für die beiden von einander sich unterscheidenden Materialien der davor und dahinter liegenden Schicht angeordnet ist.

7. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrodenplatte (7o) aus elektrisch gut leitendem Material besteht und einen Elektrodenhalterahmen (71) mit einem Fenster (76) an zwei Räumen des Rahmens entsprechenden Stellen aufweist und daß in den Fenstern (76) des Halterahmens (71) eine Anodenplatte (75) bzw. eine Kathodenplatte (73) befestigt ist.

8. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wände (62, 82) den aua Isoliermaterial

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bestehenden Rahmen in vier gleiche Kanunern unterteilen und daß die Rahmen (60, 80) zusammen mit den Elektroden in je weils um 9o gedrehten Stellungen geschichtet sind.

9. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die den Rahmen (60, 80) unterteilenden Wände (62, 82) zum Bilden der Fluidwege Nuten oder Aussparungen (60I, 6o5, 80I, 8o5) aufweisen, über die das Fluid den je- weiligen Kammern zuführbar i3t, womit der Fluidweg spiralförmig durch die Kammern in den Rahmen (60, 80) der Schichten verläuft.

10. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet / daß in einem Teil der Wand des aus Isoliermaterial bestehenden Rahmens (60, 80) wenigstens ein Loch zum Hindurchleiten von Kühlmittel durch die geschichteten Rahmen vorgesehen ist.

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