DE2715743B2

DE2715743B2 - Batterie

Info

Publication number: DE2715743B2
Application number: DE2715743A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Iwamoto; Kohki Tamura
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1976-04-09
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE2715743C3; FR2347786A1; FR2347786B1; DE2715743A1; US4101718A; JPS52122844A; JPS5422567B2

Description

ger Elektrodenplatten schwierig. Der Vorschlag hat den Nachteil, daß eine 3atterie mit solchen U-förmigen Rahmen nur schwer zusammenzubauen ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie anzugeben, die kompakter, leichter zusammenzubauen und billiger ist sowie geringeres Gewicht hat.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 3 gekennzeichnet. Danach besteht die Batterie aus einer geringen Anzahl unterschiedlicher Bauelemente, die unter zyklischer Versetzung derart übereinandergestapelt sind, daß die einzelnen dabei gebildeten Zellen elektrisch hintereinander geschaltet sind und gleichzeitig die das jeweils gleiche Materid enthaltenden Kammern miteinander in Verbindung stehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 4 bis 6 angegeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Gesamtansicht einer ersten Ausführungsform einer Brennstoffbatterie,

Fig.2 eine teilweise auseinandergezogene und teilweise geschnittene Darstellung der Brennstoffbatterie nach F i g. 1 zur Erläuterung des Innenaufbaus,

F i g. 3 eine Schnittansicht durch den Batterierahmen entlang der Linie III-III in F i g. 2,

Fig.4 eine Abwicklung der Schnittar.sieht der Batterie entlang der durch die gestrichelte Linie C in F i g. 1 bezeichneten Zylinderfläche zur Erläuterung des Batterieinneren,

F i g. 5 eine teilweise auseinandergezogene und teilweise aufgebrochene Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform zur Erläuterung der Innenkonstruktion der Batterie,

F i g. 5a und 5b Schnittansichten des Rahmens entlang den Linien A —A bzw. B—B in F i g. 5, und

F i g. 6 eine Abwicklung eines Schnitts entlang der in F i g. 5 durch die gestrichelte Linie D bezeichneten Ebene zur Erläuterung des Batterieinneren dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine Brennstoffbatterie 100 mit einem aus einer Vielzahl Rahmen geschichteten Aufbau. Eine praktisch verwendbare Batterie weist eine sehr große Anzahl derartiger Rahmen, beispielsweise einige zehn oder einige hundert Rahmen auf. In dieser Ausführungsform der Batterie werden kreisförmige Rahmen mit zylindrischer Umrißgestaltung benutzt. Diese Rahmen sowie die an den Enden angeordneten Endstücke 10 sind mit Hilfe von fünf Bolzen 400 fest miteinander verbunden. Die Rahmen sowie die an den Enden angebrachten Endstücke 10 können jedoch auch mittels Klebstoff oder dergleichen befestigt sein. An den Endstücken 10 sind vier Leitungen 11, 12, 13 und 16 angebracht. Über diese Leitungen wird Ätzkalilauge (KOH), Sauerstoffgas (O₂) und Wasserstoffgas(H2) in das Innere der Brennstoffbatterie 100 eingeleitet. Über die Leitung 16 wird das Kühlmittel Wasser zugeführt. Die Rahmen und die Endstücke 10 bestehen beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, etwa Kunststoff oder dergleichen.

F i g. 2 zeigt die Endstücke 10 der Brennstoffbatterie 100 sowie drei unterschiedliche Rahmen 20, 30 und 40. In den Endstücken 10 sind fünf kleine Löcher 14 vorgesehen, durch die die vorstehend erwähnten Bolzen 400 treten.

Die Rahmen 20 des ersten Typs weisen eine kreisförmige äußere Umfangswand 22 sowie drei von

der Mitte radial nach außen sich erstreckende Stege 23 auf. Die Stege bilden drei gleiche Sektorräume I, H und III. Der Raum I bildet eine Elektrolytkammer, die mit wäßriger Ätzkalilösung (KOH) als Elektrolyt gefüllt ist. Der Raum II bildet eine Kammer für anodisch aktives Material und ist mit Wasserstoffgas gefüllt, während der Raum III als Kammer für kathodisch aktives Material dient und mit Sauerstoff gas (O₂) gefüllt ist Der Raum III ist bodenseitig durch eine Trennplatte 27 aus Isoliermaterial verschlossen. Die Trennplatte ist einstückig an dem Rahmen 20 angeformt Die beiden anderen Räume I und II sind, wie nachstehend noch näher erläutert werden soll, bodenseitig durch Elektrodenplatten verschlossen. In den drei in drei Richtungen des Rahmens 20 radial sich erstreckenden Stegen 25 sind jeweils zwei Nuten 201 und 2O5 eingeformt. Die eine Nut 205 ist im Bereich der Mitte zwischen der äußeren Umfangswand 22 des Rahmens 20 und dessen Mittelpunkt angeordnet, während die andere Nut 201 auf der der äußeren Umfangswand 22 zugekehrten Seite der Nut 205 vorgesehen ist. Auf der dem Mittelpunkt zugekehrten Seite der Nut 205 verbleibt genügend Platz für weitere Nuten. Jede der Nuten 201 öffnet sich im Gegenuhrzeigersinn zu den Räumen 1, II und III. Die Nuten 201 bilden den Auslaß des jeweiligen Fluids, das heißt der wäßrigen Ätzkalilösung, des Wasserstoffgases bzw. des Sauerstoffgases, und so weiter. Im Gegensatz hierzu öffnet sich jede der Nuten 205 im Uhrzeigersinn zu den Räumen I, II und III. Diese Nuten 205 dienen als Einlaß des jeweiligen Fluids. Im Bereich des Mittelpunkts des Rahmens 20 sind in Stellungen, die den drei Sektorräumen I, II und III entsprechen, drei bogenförmige Durchführungen 26 vorgesehen. Über nicht dargestellte Nuten in den Endstücken 10 wird diesen drei Durchführungen 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.

F i g. 3 zeigt nochmals die in der Umgebung des Innenbereichs des radialen Steges 25 vorgesehene Nut 205 sowie die auf der Außenseite der Nut 205 angeordnete Nut 201. Wie die Schnittansicht der F i g. 3 deutlich zeigt, ist der Boden der als Fluideinlaß dienenden Nut 205 verschlossen, während die als Fluidauslaß dienende Nut 201 offen ist. Die Bezugszahlen bezeichnen kleine Löcher für Bolzen. Am bodenseitigen Umfangsrand der Räume I und II ist eine stufenförmige Aussparung 210 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 Kathode 291, einer Anode 293 und einem Elektrodenrahmen 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 240° gestaltet und enthält zwei gleiche Sektorfenster mit einem Winkel von ungefähr 120°. In den Fenstern ist die Kathode 291 bzw. die Anode 293 befestigt. Die Elektrodenplatte 29 ist so gestaltet, daß sie in die Aussparung 210 der äußeren Umfangswand 22 des Rahmens 20 eingreifen kann, wobei die Kathode 291 und die Anode 293 den Räumen 1 bzw. Il des Rahmens 20 entsprechen kann. Der Rahmen 292 hat an einer der

Nut 201 des Rahmens 20 des ersten Typs entsprechenden Stelle ein kleines Loch 294. Der Rahmen 292 kann durch Pressen oder dergleichen leicht hergestellt werden. Die Kathode 291 und die Anode 293 sind in die beiden Fenster des Rahmens 292 eingeschweißt oder auf sonstige Weise fest angebracht. Die Kathode 291 und die Anode 293 bestehen aus einem beschichteten Metallgitter aus Nickel oder dergleichen. Die Beschichtung kann beispielsweise aus Silber-, Kupfer-, Nickelteilchen und einem Harz bestehen.

In F i g. 2 bezeichnen die Bezugszahlen 30 und 40 Rahmen eines zweiten und eines dritten Typs. Die Rahmen 30 und 40 sind bis auf die Stellung der Einlaß- und Auslaßnuten in gleicher Weise aufgebaut wie der Rahmen 20 des ersten Typs. Im einzelnen enthält der Rahmen 30 an einer der Nut 201 des Rahmens 20 entsprechenden Stelle eine als Einlaß dienende Nut 305. Die Nut 305 ist auf der einer äußeren Umfangswand 32 zugekehrten Seite des Mittelbereichs eines radialen Steges 35 angeordnet Jedes Fluid der einzelnen Räume I₁II und III des Rahmens 20 wird auf diese Weise einem entsprechenden Raum I, II und IiI des Rahmens 30 zugeführt. An einer einer Einlaß-Nut 405 des Rahmens 40 entsprechenden Stelle ist jeweils eine Nut 301 als Auslaß für das Fluid auf der Innenseite des Mittelbereiches des radialen Steges 35 vorgesehen. Das Fluid der Räume I, Hund III des Rahmens 30 kann auf diese Weise entsprechenden Räumen I, II und III des Rahmens 40 zugeführt werden. Weiterhin ist an einer der Auslaß-Nut 301 des an dem Rahmen 30 befestigten Elektrodenrahmens entsprechende Stelle ein kleines Loch in gleicher Weise wie beim Elektrodenrahmen 292 vorgesehen.

F i g. 2 zeigt weiterhin eine als Auslaß dienende Nut 401 an einer der Einlaß-Nut 205 des Rahmens 20 entsprechenden Stelle in der Nähe des Mittelbereichs des radialen Steges sowie die als Einlaß dienende Nut 405 an einer der Einlaß-Nut 301 des Rahmens 30 entsprechenden Stelle der Innenseite des mit 40 bezeichneten Rahmens des dritten Typs. An einer der Auslaß-Nut 401 entsprechenden Stelle des am Rahmen 40 angebrachten, die Elektrodenplatten tragenden Elektrodenrahmens ist, wie bereits bei den beiden vorstehend erläuterten Elektrodenrahmen ein kleines Loch vorgesehen. Für die Bolzen sind kleine Löcher 34 und 44 vorgesehen.

Die drei Arten von Rahmen 20,30 und 40 sind mit den jeweils daran befestigten Elektrodenplatten 29 aneinandergereiht zur Batterie 100 zusammengebaut. Die einzelnen Räume, beispielsweise der Raum I jeder der Schichten sind der Reihe nach in jeder Schicht um 120° von der ersten zur letzten Schicht hin versetzt. Die Räume II und 111 sind in entsprechender Weise wie Raum I angeordnet Die entsprechenden Räume in den einzelnen Schichten sind über die Einlaß- und Auslaßnuten miteinander verbunden und bilden einen spiralenföi-migen Fluidweg. Es entsteht die in F i g. 1 dargestellte zylindrische Batterie 100. Fig.4 zeigt die Abwicklung eines Zylinderschnitts entlang der in F i g. 1 dargestellten einfach gestrichelten Linie C. In Fig.4 sind η Rahmen aneinandergeschichtet. Am 77-ten Rahmen ist jedoch keine Elektrodenplatte angebracht Wie F i g. 4 zeigt sind ar. die Elektrodenplatten der ersten und der (n— 1)ten Schicht elektrische Ausgangsanschlüsse angeschlossen. Aus Gründen des Wirkungsgrads und der Kosten werden die Elektrodenplatten der ersten und der (n— l)ten Schicht in nachfolgend erläuterter Weise ausgebildet. Wie F i g. 4 zeigt, ist aus dem Elektrodenrahmen der Elektrodenplatten de ersten Rahmens, welcher mit dem negativen Elektro denausgangsanschluß der Batterie verbunden ist, keir Fenster für die Kathode, sondern lediglich ein Fenste für die Anode ausgeschnitten. An die Elektrodenplatter des (n-l)ten Rahmens ist der positive Ausgangsan Schluß angeschlossen. Entsprechend wird aus dem Elektrodenrahmen der Elektrodenplatten kein Fenster für die Anode ausgeschnitten, sondern es ist lediglich

ίο eine Kathode vorgesehen.

Wie die F i g. 2 und 4 zeigen, wird dem Innenraum dei Batterie 100 über die Leitungen 11, 12 und 13 wäßrige Ätzkalilösung (KOH), WasserstoffgasJH₂) und Sauer stoffgas (O₂) zugeführt. Die wäßrige Ätzkalilösung dei Leitung ii wird über die EiniaB-Nut 205 des erster Rahmens in die Elektrolytkammer I eingeleitet. Dit Lösung wird über die Auslaß-Nut 201 des erster Rahmens, das kleine Loch im Elektrodenrahmen 292 de Elektrodenplatte 29 und die Einlaß-Nut des zweiter Rahmens 30 der Elektrolytkammer I des zweiter Rahmens zugeführt. Anschließend wird die Lösung übe die Auslaß-Nut 301 des zweiten Rahmens 30, das klein« Loch in der Elektrodenplatte sowie die Einlaß-Nut 40! des dritten Rahmens 40 der Elektrolytkamnier 1 de dritten Rahmens 40 zugeleitet. Die Lösung wird ir gleicher Weise wie vorstehend beschrieben spiralenför mig durch die Elektrolytkammern I der η Rahmer geleitet und schließlich der Leitung 11 des Endstücks K zugeführt.

jo In gleicher Weise wird das Wasserstoffgas und da Sauerstoffgas über die Kammern II für das anodenakti ve Material bzw. die Kammern III für das kathodenakti ve Material spiralig durch die π Rahmen im Inneren der Batterie bzw, die Leitungen 12 und 13 geleitet. In Fi g. 4 ist lediglich das Einführen dieser Fluide durch Pfeile angedeutet.

Wie F i g. 4 deutlich zeigt, besteht die erste Einheits zelle der aus geschichteten Rahmen aufgebauter Batterie aus der Kammer II für anodenaktives Materia des ersten Rahmens einschließlich der Anode, der Elektrolytkammer des zweiten Rahmens einschließlich der Kathode sowie der Kammer III für das kathodenak tive Material des dritten Rahmens. Die zweit« Einheitszelle umfaßt die Kammer II für das anodenakti-

-t5 ve Material des zweiten Rahmens einschließlich der Anode, die Elektrolytkammer I des dritten Rahmen; einschließlich der Kathode sowie die Kammer III für kathodenaktives Material des vierten Rahmens. Di« Kathode der ersten Einheitszelle und die Anode dei

so zweiten Einheitszelle sind über den Elektrodenrahmer für die Elektrodenplatten des zweiten Rahmen! elektrisch miteinander verbunden. In gleicher Weis« umfaßt die (n — 2)te Einheitszelle die Kammer II füi anodenaktives Material des (n—2)ten Rahmens ein schließlich der Anode, die Elektrolytkammer I de; (n- l)ten Rahmens einschließlich der Kathode und dk Kammer III für das kathodenaktive Material des letzter /7-ten Rahmens, wobei die Anode dieser Zelle elektrisct mit der Kathode der (n—3)ten Einheitszelle über der Elektrodenrahmen für die Elektrodenplatten de« fn-2)ten Rahmens verbunden ist In dieser Ausfüh rungsform weist die Batterie (n—2)-Einheitsze!Ien aui die durch π in Serie geschaltete Rahmen gebilde werden.

In der vorstehend erläuterten Ausführungsform sim jeweils drei Räume vorgesehen. Es kann jedoch aue eine andere Anzahl Räume benutzt werden. Beispiels weise können in den drei Räumen der vorstehende

Ausführungsform radiale Stege eingezogen sein, die die Anzahl der Räume jedes Rahmens erhöhen. Bei sechs Räumen können zwei hiervon als Kammer für anodenaktives Material, zwei als Elektrolytkammern und zwei als Kammern für kathodenaktives Material ^r> dienen.

Fig. 5 zeigt eine aus geschichteten Rahmen aufgebaute Batterie, deren Rahmen jedoch im Gegensatz zur vorstehend erläuterten Ausführungsform vier Räume I, II, III und IV aufweist. In Fig.5 bezeichnet die in Bezugszahl 50 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 Ätzalkalilösung (KOH) zugeführt. Als anodenaktives Material wird über die Leitung 53 Wasserstoffgas (H₂) und als kathodenaktives Material über die Leitung 53 Sauerstoff gas (O₂) in das Innere der Batterie eingeleitet. Kühlvorrichtungen sind in den Figuren nicht dargestellt; sie können jedoch ähnlich der Ausführungsform nach F i g. 1 ebenfalls vorhanden sein. Entsprechend der Ausführungsform nach F i g. 2 können die Endstücke 50 und die Rahmen, wie nachstehend noch näher erläutert werden soll, aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff, hergestellt und durch Bolzen oder Klebstoff fest miteinander verbunden sein.

F i g. 5 zeigt zwei weitere Typen von Rahmen, die mit den Bezugszahlen 60 und 80 bezeichnet sind. Der Rahmen 60 des ersten Typs weist eine quadratische J<> äußere Umfangswand 61 sowie vier Stege 62 auf, welche vier im wesentlichen quadratische Räume I₁II, III und IV begrenzen. In den Figuren sind die vier Räume I₁ 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 Stegen 62 des to Rahmens 60 sind jeweils zwei Nuten 601 und 605 vorgesehen. Die als Fluideinlaß dienende Nut 605 ist in der Nähe der Mitte und die als Fluidauslaß dienende Nut 601 in der Nähe der äußeren Umfangswand 61 angeordnet. Die einzelnen Einlaß-Nuten 605 öffnen sich im Uhrzeigersinn zu den Räumen I. II, III und IV, während die einzelnen Auslaß-Nuten 601 im Gegenuhrzeigersinn zu den Räumen I₁II, III und IV hin offen sind.

Die F i g. 5a und 5b zeigen Schnitte entlang den Linien A-A und B-B in Fig. 5. In Fig. 5a bezeichnen die Bezugszahlen 601 und 605 wiederum die als Auslaß bzw. Einlaß dienenden Nuten in den Stegen 62. Wie diese Schnittansichten zeigen, ist der Boden der als Einlaß dienenden Nut 605 geschlossen, während der Boden der als Auslaß dienenden Nut 601 offen ist. Mit 65 sind in den Figuren Bolzenlöcher bezeichnet. Teilweise dargestellt sind stufenförmige Aussparungen 610 auf der Bodenseite der Räume I und II sowie am Umfang des Bodens der Räume III und IV. In diesen Aussparungen greifen, wie nachstehend noch näher erläutert werden *>" soll, Elektrodenplatten ein.

F i g. 5 zeigt weiterhin zwei mit 70 bezeichnete, am Rahmen 60 befestigte Elektrodenplatten. Die eine Elektrodenplatte greift in die Aussparung am Boden der Räume I und II des Rahmens 60 ein, während die andere b5 Elektrodenplatte in die Aussparung am Boden der Räume III und IV eingreift. Jede der beiden Elektrodenplatten 70 weist einen Elektrodenrahmen 71, eine Kathode 73 sowie eine Anode 75 auf. Der Elektrodenrahmen 71 ist aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, ähnlich dem Elektrodenrahmen nach Fi g. 2 hergestellt. Aus dem Elektrodenrahmen 71 sind zwei quadratische Fenster 76 sowie ein kleines Loch 72 ausgeschnitten. Die Kathode 73 und die Anode 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 60 bodenseitig durch die Kathoden 73 abgeteilt, während die Räume II und III bodenseitig durch die Anoden 75 abgeteilt sind. Das in den Elektrodenrahmen 71 eingeformte Loch 72 ist an einer der Auslaß-Nut 601 des Rahmens 60 entsprechenden Stelle angeordnet.

In den Figuren ist ein Rahmen 80 eines zweiten Typs dargestellt. Bis auf die Position einer Einlaß-Nut 801, und einer Auslaß-Nut 805 hat der Rahmen 80 die gleiche Struktur wie der Rahmen 60. Die Einlaß-Nut 801 des Rahmens 80 ist in der Nähe der äußeren Umfangswand 81 angeordnet, während die Auslaß-Nut 805 nahe der Mitte vorgesehen ist. Wie Fig.5b zeigt, ist der Boden der als Einlaß dienenden Nut 801 geschlossen, während der Boden der als Auslaß dienenden Nut 805 offen ist. Mit 85 sind Bolzenlöcher bezeichnet. Wie die Schnittansicht zeigt, sind am Boden der Räume III und IV des Rahmens 80 Aussparungen 810 vorgesehen, in die die Elektrodenplatte eingreift. Diese Aussparungen liegen in der gleichen Ebene wie Aussparungen 810 auf der Rückseite von Stegen 82. Wie F i g. 5 zeigt, sind die beiden Arten von Rahmen 60 und 80 mit den daran befestigten Elektrodenplatten 70 der Reihe nach zu einer Batterie geschichtet. Über die Leitungen 52 und 54 wird wäßrige Ätzkalilösung (KOH), über die Leitung 53 Wasserstoff gas (H₂) und über die Leitung 51 Sauerstoffgas (O₂), wie nachfolgend an Hand der F i g. 5 und 6 noch erläutert wird, in das Innere der Batterie eingeleitet. Die wäßrige Ätzkalilösung wird über die Leitungen 52 und 54 in die Elektrolytkammern I und III des ersten Rahmens eingeleitet. Die Lösung tritt über die Auslaß-Nuten 601 des ersten Rahmens 60, das Loch 72 in der an dem Rahmen befestigten Elektrodenplatte 70 und die Einlaß-Nuten 801 des zweiten Rahmens 80 in die Elektrolytkammern 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 50 zugeführt, wobei die Kammern I₁ II, III und IV im Inneren der Batterie spiralig angeordnet sind. Das Einleiten des Fluids ist in F i g. 5 durch Pfeile dargestellt

Wie F i g. 6 zeigt, sind die beiden Ausgangsanschlüsse der Batterie an zwei Elektroden des ersten Rahmens angeschlossen. An den letzten, n-ten Rahmen sind keine Elektrodenplatten befestigt, und die beiden Elektroden des (n— l)ten Rahmens sind elektrisch verbunden. Als Elektrodenpiatten des ersten Rahmens können zwei der vorstehend beschriebenen Elektrodenplatten mit jeweils einer Anode und einer Kathode benutzt werden. Aus Gründen des Wirkungsgrads und der Kosten der Batterie werden jedoch bevorzugt die nachstehend erläuterten Elektrodenplatten verwendet. Bei diesen Elektrodenplatten ist, wie F i g. 6 zeigt, im Elektrodenrahmen der mit dem negativen Ausgangsanschluß verbundenen Elektrodenplatten des ersten Rahmens kein Fenster zur Befestigung der Kathode, sondern lediglich ein solches für die Anode vorgesehen. Andererseits ist im Elektrodenhalterahmen der mit dem positiven Ausgangsanschluß verbundenen Elektroden-

platte des ersten Rahmens kein Fenster zur Befestigung der Anode ausgeschnitten. Zum Abteilen der Räume I, II, III und IV des (n-l)ten Rahmens ist ein weiterer Elektrodenplattentyp vorgesehen. Lediglich in den Bereichen, die den Elektrolytenkammern I und III des Elektrodenrahmens dieser Elektrodenplalte entsprechenden Bereichen sind Fenster ausgeschnitten und es sind Kathoden und Anoden hieran elektrisch angeschlossen. Die Kathoden- und Anodenplatten sind über den Elektrodenhalterahmen elektrisch miteinander verbunden.

F i g. 6 zeigt, daß die erste Einheitszelle der vorstehend erläuterten Batterie aus einer Kammer II für anodenaktives Material im ersten Rahmen und den zugehörigen Anoden der Elektrolytkammer I des zweiten Rahmens und der zugehörigen Kathode sowie der Kammer IV für kathodenaktives Material des dritten Rahmens besteht. Die zweite Einheitszelle setzt sich zusammen aus der Kammer II für anodenaktives Material des zweiten Rahmens sowie der zugehörigen Anode, der Elektrolytkammer I des dritten Rahmens mit der zugehörigen Kathode und der Kammer IV für kathodenaktives Material des vierten Rahmens. Die Kathoden der ersten Einheitszelle sind über den an den Räumen I und II des zweiten Rahmens angebrachten Elektrodenrahmen für die Elektrodenplatten mit den Anoden der zweiten Einheitszelle verbunden. In gleicher Weise besteht die (n — 2)te Einheitszelle aus der Kammer II für anodenaktives Material des (n—2)ten Rahmens sowie der zugehörigen Anode, der Elektrolytkammer I des (n— l)ten Rahmens und der zugehörigen Kathode und der Kammer IV für kathodenaktives Material des /Men Rahmens, wobei die Anode dieser Zelle mit der Kathode der (n — 3)ten Zelle verbunden ist. In dieser Ausführungsform besteht die (n-\)ic Einheitszelle aus der Kammer für anodenaküves Material des letzten, n-ten Rahmens, der Elektrolytkammer III des (n— l)ten Rahmens und dessen Anode, der Kammer IV für kathodenaktives Material des (/? —2)ten Rahmens und deren Kathode. In gleicher Weise wird die 2(7?-2)te Einheitszelle durch die Kammer II für anodenaktives Material des dritten Rahmens, die Elektrolytkammer III d>:s zweiten Rahmens und deren Anode sowie die Kammer IV für kathodenaktives Material des ersten Rahmens und deren Kathode gebildet. Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, können in dieser Ausführungsform 2(n — 2) Einheitszellen elektrisch in Serie geschaltet werden, indem π Rahmen zu einer Batterie geschichtet werden.

Tabelle I zeigt die Umfangsabmessungen, die Volumina und Gewichte von zwei nach der Erfindung gebauten Ausführungsformen und von einer herkömmlichen Ausführungsform mit U-förmigen Elektrodenplatten. Als Elektrolyt wird in diesen Batterien 30%ige wäßrige Ätzkalilösung, als kathodenaktives Material Sauerstoffgas und als anodenaktives Material Wasserstoffgas bei einer Betriebstemperatur von 65°C benutzt.

Tabelle I

	U-förmige	3-Kammer-Rahmen	4-Kammer-Rahmen
	Elektrodenplatte
Außenabmessungen	1,8 cm · 18 cm · 30,5 cm	34,2 cm 0 ■ 10,2 cm	35 cm ■ 35 cm ■ 5,4 cm
Volumen	9914,4 ml	9363,6 ml	6615,0 ml
Gewicht	14,46 kg	11,93 kg	10,68 kg
Leistung (W)/Volumen (1)	92,96	98,42	139,32
Leistung (WVGewicht (kg)	63,75	77,26	86,30

Wie Tabelle I zeigt, liegt die Ausgangsleistung pro Einheitsvolumen für die Batterie mit U-förmiger Elektrodenplatte bei 92,96, während die Ausgangsleistung pro Einheitsvolumen der beiden nach der Erfindung gebauten Ausführungsformen auf 98,42 und 139,32 verbessert ist. Die Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit liegt bei der Batterie mit U-förmiger Elektrodenplatte bei 63,75, wohingegen die Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit für die nach der Erfindung gebauten Ausführungsformen der Batterien auf 77,26 und 86,30 verbessert werden konnte.

Um die Batterien bei gleichen Bedingungen miteinan-■Γ) der vergleichen zu können, wurden jeweils Batterien mit 60 Zellen, einer Stromdichte von 75 mA/cm² für jede der Einheitszellen aufgebaut. Die elektromotorische Kraft der Einheitszelle und die Gesamtfläche der Elektrode war 15,360 cm². Die Ausgangsleistungen betrugen 921,6 ·-><) Watt. Die Außenabmessungen, die Volumina und Gewichte dieser drei Batterien wurden auf der Grundlage der hierbei erhaltenen Ergebnisse verglichen.

Hierzu 4 Blall Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Batterie mit einer Vielzahl von Einheitszellen, von denen jede eine Kammer für kathodenaktives Material, eine Elektrolytkammer und eine Kammer für anodenaktives Material sowie zwei poröse Elektroden aufweist, wobei zum Zuführen der Materialien zu den einzelnen Kammern Fluidwege vorgesehen sind, gekennzeichnetdurch

(a) aus Isoliermaterial bestehende Rahmen (20,30, 40) mit jeweils drei durch Stege (25, 35) abgeteilten, im wesentlichen gleichen Räumen (I, II, III), von denen ein Raum (III) einseitig geschlossen ist,

(b) zwei elektrisch miteinander verbundene, als Anode und Kathode dienende poröse Elektroden (291,293), die die beiden anderen Räume (I, II) einseitig begrenzen,

(c) wobei diese Bauteile unter zyklischer Versetzung um jeweils eine Teilung übereinander gestapelt sind und

(d) alle jeweils das gleiche Material enthaltenden Kammern über Durchführungen (201, 205,301, 305,401,405) in den Stegen (25,35) miteinander verbunden sind.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (291, 293) in Fenstern eines leitfähigen Elektrodenrahmens (292) gehalten sind.

3. Batterie mit einer Vielzahl von Einzelteilen, von denen jede eine Kammer für kathodenaktives Material, eine Elektrolytkammer und eine Kammer für anodenaktives Material sowie zwei poröse Elektroden aufweist, wobei zum Zuführen der Materialien zu den einzelnen Kammern Fluidwege vorgesehen sind, gekennzeichnet durch

(a) aus Isoliermaterial besteilende Rahmen (60, 80) mit jeweils vier durch Stege (62,82) abgeteilten, im wesentlichen gleichen Räumen (I... IV),

(b) vier jeweils paarweise miteinander verbundene poröse Elektroden (73, 75), die die vier Räume (I... IV) einseitig begrenzen, wobei eine Elektrode (73) jedes Paares als Kathode und die andere Elektrode (75) als Anode dient,

(d) alle jeweils das gleiche Material enthaltenden Kammern über Durchführungen (601, 605, 801, 805) in den Stegen (62, 82) miteinander verbunden sind.

4. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Elektrodenpaar (73, 75) in Fenstern (76) eines leitfähigen Elektrodenrahmens (71) gehalten ist und die beiden Elektrodenrahmen (71) elektrisch getrennt in einer Ebene angeordnet sind.

5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (25, 35; 62, 82) in jedem Rahmen (20, 30, 40; 60, 80) gleiche Winkel miteinander bilden.

6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rahmen (20, 30, 40; 60, 80) Durchführungen (26, 36) für Kühlmittel vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft eine Batterie und insbesondere eine Batterie mit einer aus einer Vielzahl Zellen geschichteten Struktur, von denen jede Zelle nach dem Brennstoff- oder Sekundärprinzip arbeitet
Die Batterie weist allgemein eine Vielzahl Zellen auf, in denen zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (EMK) eine elektrochemische Reaktion aufrechterhalten wird. Diese Zellen weisen drei Kammern auf, beispielsweise eine Elektrolytkammer, sowie zu beiden

ίο Seiten der Elektrolytkammer angeordnete Kammern für kathodenaktives Material und anodenaktives Material. An den Begrenzungen dieser 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 Eirnieitszellen geschichtet und elektrisch in Serie oder zueinander parallel geschaltet werden. Beispielsweise ist aus der US-PS 31 88 242 eine aus einer Vielzahl Einheitszellen geschichtete Batterie bekannt Bei dieser Batterie sind die Anschlüsse der einzelnen Zellen an den Zellen angebracht und außerhalb des Batterierahmens 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 Leiter entstehenden elektrischen Verluste sind jedoch so groß, daß sie nicht mehr vernachlässigt werden können. Da die Verbindungen der Leiter außerhalb des Batterierahmens der bekannten Batterie freiliegen, erhöht sich in nachteiliger Weise das Volumen und dementsprechend das Gewicht der gesamten Batterie.

Bei einer praktisch verwendbaren Batterie sollten

J5 jedoch das Volumen, das Gewicht und schließlich auch die Kosten der Batterie soweit als möglich gesenkt werden. Um dieses Problem zu lösen, wurden bereits verschiedentlich Vorschläge gemacht. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, die elektrische Verbindung zwischen den Zellen einer Batterie als U-förmige Elektrodenplatten auszubilden. Dieser Vorschlag ist aus der japanischen Offenlegungsschrift 50-61 638 bekannt. Gemäß diesem Vorschlag werden elektrisch gut leitende Materialplatten, beispielsweise Kupferplatten U-förmig abgebogen, so daß ein Elektroden-Halterahmen entsteht. Zu beiden Seiten des U-förmigen 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,

wi 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

H5 wesentlich verringert werden kann. Wird eine sehr große Anzahl derartiger Zellen geschichtet, so wird der Innenwiderstand der gesamten Batterie relativ groß. Darüber hinaus ist die Herstellung derartiger U-förmi-