DE3027068A1 - Nickeloxid-wasserstoff-zelle - Google Patents

Description

Deutsche Automobilgesellschaft mbH DAUG 77/4

Hannover ^EPT Dr

II.7.I98O

"Nickeloxid-Wasserstoff-Zelle"

Nickeloxid-Wasserstoff-Zellen sind elektrochemische Energiespeicher mit positiven Nickeloxid-Speicherelektroden und negativen Wasserstoff-Katalysatorelektroden, die als negative aktive Masse in einem üblicherweise zylindrischen Druckgehäuse mit gewölbten, meist halbkugelförmigen Enden druckgespeicherten Wasserstoff enthalten. Der alkalische Elektrolyt - z.B. KOH einer Dichte von 1,25 bis 1,35 - ist in den Poren der Elektroden und Separatoren festgehalten. Vorteile dieser Zelle, die zur Verwendung in dem extreme Anforderungen stellenden Einsatz in Satellitenbatterien führten, sind lange Lebensdauer bei Zyklen mit hoher Entladetiefe, Umpol- und Überladefestigkeit und die jederzeit vorhandene Information über den Ladezustand durch Messung des Wasserstoffdrucks in der Zelle.

Die Geometrie der Zelle wird durch die Druckspeicherung des Wasserstoffs bestimmt. Zellgehäuse der oben beschriebenen Form genügen den Anforderungen an die Druckfestigkeit bei geringstem Materialaufwand und werden daher im Interesse

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eines hohen gewichtsbezogenen Energieinhalts der Zelle bevorzugt.

Als günstigste Form für den Elektrodenstapel hat sich das sogenannte "Ananasscheiben-Design" durchgesetzt. Die Bauteile des Elektrodenstapels - positive Nickeloxidelektroden, negative Wasserstoff-Katalysatorelektroden, Separatoren und Gasdiffusionsnetze - werden in Form kreisrunder Scheiben mit einem ebenfalls kreisrunden zentralen Loch hergestellt und in geeigneter Folge, gehaltert zwischen Endplatten, zu einem zylindrischen Stapel zusammengesetzt. Die Ableiterfahnen, meist aus Nickelblech, werden in der zentralen Stapelöffnung geführt, deren Zylinderachse im montierten Zustand mit der Zylinderachse des Gehäuses zusammenfällt (US-PS 4 000 350). Zellenstapel mit einem Durchmesser von maximal etwa 8 cm werden auch ohne zentrale Öffnung ausgeführt; die Stromableiter sind dann seitlich an den Elektroden angebracht (DE-OS 28 11 183 oder US-PS 3 956 015) diese Lösung ist jedoch im allgemeinen nicht so günstigt.

Gemeinsam ist diesen Anordnungen, daß die Stromfahnen senkrecht zu den arbeitenden Flächen der Elektroden stehen und daß die Elektroden an der Stelle, an der sie mit den Fahnen verbunden sind, auf Biegung beansprucht werden. Weil aus thermischen Gründen der Zellendurchmesser begrenzt ist, können die arbeitenden Elektrodenflächen nicht größer

als etwa 100 cm gemacht werden. Für eine gegebene Zellenkapazität sind daher zahlreiche Elektroden erforderlich. Der größeren Elektrodenstapeldicke entsprechend müssen auch die Stromableiter der Elektroden langer werden, wodurch sich entweder ihr Gewichts- oder ihr Widerstandsanteil an

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der Zelle vergrößert. Diinensionsanderungen der positiven Elektroden während des Ladens und Entladens addieren sich im Stapel und können die Verbindung zwischen Stromfahnen und Elektroden mechanisch belasten. Es sind zwar bereits von der Anmelderin neue Elektroden entwickelt worden (US-PS k 117 206) mit der gegenüber dem Stand der Technik für eine gegebene Kapazität eine Halbierung der Anzahl der Elektroden erreicht wird; die Kapazität der Einzelelektrode wächst damit allerdings entsprechend an und erfordert Stromableiter mit größerem, den höheren Strömen angepaßten Querschnitt. Solche Stromabieiterfahnen, in konventioneller Technik aus Nickelblech gefertigt, sind verhältnismäßig steif und vergrößern:· die Gefahr, daß der Ableiter an der Verbindungsstelle mit der Elektrode ausbricht.

Es besteht daher die Aufgabe, eine einen Zellstapel mit zentraler Stapelöffnung und in dieser geführten Stromableitern enthaltende Nickeloxid-Wasserstoff-Zelle zu entwickeln, bei der die Gefahr des Ausbrechens der Ableiter aus den Elektroden beseitigt ist, die ferner eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Elektroden sicherstellt, die es gestattet, auch hohe Ströme zu entnehmen und bei der bei der Zusammenschaltung von Einzelzellen zu einer Batterie die Verringerung der volumenbezogenen Energie möglichst gering bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Nickeloxid-Wasserstoff-Zelle gelöst.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen näher

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erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Zelle , in der das Zellgehäuse durchsichtig dargestellt ist,

Fig. 2 einen Schnitt dieser Zelle in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse mit den Projektionen der Polbolzenachsen,

Fig. 3 ein als Stromableitungsfahne gemäß der Erfindung geeignetes Nickelgeflechtband sowie ein als negative Stromfahne geeignetes Kupfergeflechtband,

Fig. k einen Vergleich zwischen der Anordnung der Polbolzen nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Anmeldung,

Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 Beispiele verschiedener Möglichkeiten der Zusammenschaltung von Einzelzellen nach der vorliegenden Anmeldung zu einem Batterieverbund.

In allen Figuren bezeichnet i einen Polbolzen, 2 Metallgeflechtstromableiterfahnen, 3 den Zellenstapel, k das Zellengehäuse .

In Figur 1 ist eine bevorzugte Anordnung gemäß der Erfindung

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dargestellt, in der die Achsen der Polbolzen, auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Zellgehäuses (A-A') projiziert, miteinander einen Winkel von 6o bilden. Je nach der gewünschten Art der Zusammenschaltung mehrerer Zellen zu einer Batterie kann der Winkel auch 120° oder l8o° betragen, wie z.B. aus den Figuren 5 ^und 6 deutlich wird. Diese Winkel stellen das Optimum dar. Bei einer Abweichung von diesen Winkeln werden beim Zusammenschalten von mehreren Zellen die Stromwege und damit die Verluste größer.

Fig. 1 zeigt weiterhin, daß die Polbolzenachse mit der Zylinderachse des Gehäuses einen Winkel von 45° bildet. Dieser Winkel kann 30° bis 6o° betragen, bevorzugt wird jedoch ein Winkel von 45 , weil hierbei die Raumausnutzung am besten ist.

Fig. 1 läßt erkennen, daß die Stromfahnen um 2 Achsen gebogen werden müssen, um Elektroden und Polbolzen verbinden zu können. Bei konventionellen Nickelblech-Stromableitern wäre dies ohne Materialverformung nur mittels einer geeigneten Quetschfalte möglich. Flexible Metallgeflechtableiter nach der Erfindung, wie sie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt sind, weisen nicht nur eine hinreichende Beweglichkeit auf, um ohne Materialverformung die erforderliche Biegung mitzumachen, sie üben auch bei Relativbewegungen des Stapels zu den Polbolzen oder einzelner Elektroden gegeneinander wesentlich geringere mechanische Kräfte auf die Verbindungsstelle Elektrode - Stromfahne aus. Diese Verbindung kann beispielsweise aus einem gewinkelten Nickelblechstück bestehen, das einerseits an oder in dem Elektrodengerüst,

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andererseits an dem flexiblen Stromabieiterband durch Punktschweißen befestigt ist. Es ist aber auch möglich, den flexiblen Stromableiter mit dem Elektrodengerüst durch Punktschweißen direkt zu verbinden. Die Stromableiter sind jeweils in zwei Hälften der zentralen Stapelöffnung geführt. Die beiden Hälften werden durch eine Wand elektrisch voneinander isoliert. Durch Verlängerung dieser Wand nach beiden Seiten ergibt sich die eingezeichnete Teilungsebene B-B*.

Fig. 2 zeigt den Schnitt der Zelle durch die Ebene A-A¹ und alle Kombinationen von Anordnungen der Polbolzen gemäß der Erfindung, dargestellt durch die Projektionen der Polbolzenachsen in Richtung der Rotationsachse des Gehäuses auf die Ebene A-A¹ senkrecht zur Rotationsachse. Eingezeichnet ist weiterhin der Schnitt der Teilungsebene B-B¹ mit der Ebene A-A^f. Die Ebene B-B' teilt die zentrale Stapelöffnung, die durch die zentralen Öffnungen der Stapelkomponenten entsteht, in zwei Hälften mit halbkreisförmigem Querschnitt. Jede Hälfte nimmt ein Bündel von Metallgeflechtstromableiterfahnen jeweils gleicher Polarität auf. Die beiden Stromabi eiterfahnenbundel sind in geeigneter Weise voneinander elektrisch getrennt. Die Projektionen der Polbolzenachsen a und a¹ in Fig. 2, die einen Winkel von 6O° einschließen, entsprechen der in Fig. 1 gezeigten Ausführung der Zelle. Weitere mögliche Winkel der Polbolzenachsen werden durch die Projektionen b und b¹ gezeigt, die einen Winkel von l80 miteinander bilden. Die Polbolzen liegen sich hier gegenüber, die Stromableiterfahnen müssen in diesem Fall nur um eine Achse, um 30 bis 60 , gebogen werden, Ein Winkel von 120

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wird durch die Projektionen c unc c' verdeutlicht. An dieser Stelle soll angemerkt werden, daß bei Ableitern, die einen Winkel von 6o bzw. 120 miteinander bilden, die Verdrehung der Abieitergeflechtbänder gegen die Teilungsebene B-B¹ nicht mehr als 30° beträgt; bei einem Winkel von l80° tritt überhaupt keine Verdrehung auf. Die Polbolzen sollen, um eine gleichmäßige mechanische Belastung für jeden Ableiterstrang sicherzustellen, symmetrisch zu der die Stapelöffnung in zwei Hälften teilenden Teilungsebene stehen. Damit ergibt sich für einen Winkel der Polbolzenachsen (projiziert auf die Ebene senkrecht zur Rotationsachse) von 60 und 120 miteinander ein Winkel einer Polbolzenachse mit dieser Teilungsebene (B-B¹ in Fig. l) von 30° und bei einem Winkel der Polbolzenachsen von l80 ein Winkel mit der Teilungsebene von 90 . Versuche haben ergeben, daß z.B. die in Fig. 3 gezeigten Ableitergeflechtbänder dazu ausreichend beweglich sind. Sie bestehen für die positiven Elektroden aus 0,1 mm-Nickeldraht, der zu einem Litzenband mit einem Leiteraufbau 2k χ 53 x 0,1 (das bedeutet 2k Stränge aus je 53 Einzeldrähten mit 0,1 mm Durchmesser) und einem Querschnitt von 15 x 1 mm geflochten wurde. Mit dieser Stromfahne wurde eine Nickeloxidelektrode mit einem Außendurchmesser von 105 mm und einer Kapazität von 9i^ Ah kontaktiert. Für die zugehörigen negativen Elektroden, die beiderseits der positiven Elektroden angeordnet sind, wurde ein Kupfergewebeband der Abmessungen 5»8 χ 1,0 mm, Leiteraufbau 2k χ 27 χ 0,07 verwendet. Als Ableiter eignen sich auch Geflechte aus vernickeltem Kupfergewebeband, auch sind für das Gewebeband andere für Stromleitzwecke bekannte Legierungen, wie Messing, geeignet, solange das Gewebeband noch

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eine ausreichende Geschmeidigkeit behält und korrosionsfest ist. Die Geschmeidigkeit wird wesentlich beeinflußt durch die Stärke des einzelnen Drahtes. Eine Drahtstärke von 0,05 bis 0,2 ram für Gewebebänder und von 0,5 bis 2,5 mm für Flachseile wird bevorzugt. Bei steifen Drahtmaterialien wird man möglichst dünne Einzeldrähte bevorzugen. Bei der Herstellung ist darauf zu achten, daß die einzelnen Drähtchen zueinander beweglich bleiben, d.h., daß die Flechtung bzw. das Weben nicht zu stramm erfolgt. Die Herstellung derartiger Drahtgewebe - bzw. -Geflechtbänder ist allgemein bekannt und wird hier nicht weiter erläutert. Das Geflecht muß nicht unbedingt in Bandform vorliegen, es ist auch möglich, ein Seil oder ein seilartiges Geflecht mit rundem Querschnitt zu verwenden. Aus geometrischen Gründen wird jedoch die Bandforra bevorzugt.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung von geflochtenen bzw. gewebten Stromableitern ist es, daß man sämtliche Stromableiter von Elektroden einer Polarität einer Zelle zunächst senkrecht aus dem Stapel führen, in geeignetem Abstand vom Stapelrand auf gleiche Länge schneiden, in dieser Stellung an einem Polbolzen befestigen und dann das gesamte Strotnableiterbündel durch Drehung des Polbolzens in eine Einbaulage gemäß der vorliegenden Anmeldung bringen kann. Dabei werden keine unzulässigen Kräfte auf die Elektroden ausgeübt. Die Möglichkeit der Verwendung einer Quetschverbindung für die Verbindung des Polbolzens mit dem Stromabieiterbündel ist dabei aufgrund ihrer Einfachheit besonders bevorzugt.

Zweck der erfindungsgeraäßen Art und Anordnung von Stromab-

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leitern und Polbolzen ist es, durch die erzwungene Biegung der Stromabieiterfahnen zu den um 30°- 6o° gegen die Rotationsachse geneigten Polbolzen auf die Verbindungsstellen der Stromableiter mit den Elektroden wirkenden Kräfte bei Relativbewegungen des Stapels zum Polbolzen oder der Elektroden gegeneinander zu verringern. Weiterhin ermöglicht dieser geneigte Einbau der Polbolzen eine geringere Bauhöhe der Zelle, wie Fig. 4 zeigt. In Fig. k zeigt C eine Zelle nach dem Stand der Technik mit der Bauhöhe h¹ und C eine erfindungs gemäße Zelle mit der Bauhöhe h. Die Verdrehung der Polbolzenachsen gegeneinander, wie sie in der Projektion auf die Ebene A-A¹ (Fig. 1 und 2) sichtbar wird, erlaubt eine raumsparende Zusammenschaltung mehrerer Einzelzellen zu einer Batterie, wie in Fig. 5» Fig. 6 und Fig. 7 schematisch gezeigt ist.

Gegen die Rotationsachse der Zelle geneigt eingebaute Polbolzen wurden bisher nur verwendet, wenn beide Polbolzen an einem Ende des Druckbehälters angebracht waren. Diese Anordnung bringt jedoch Nachteile für die Stromverteilung auf die einzelnen Elektroden.im Stapel und erfordert eine individuelle Dimensionierung der Ableiter gemäß der Position der zugehörigen Elektrode im Zellenstapel, wie die US-PS 3 956 015 (Rogers) lehrt. Für Polbolzen, die an entgegengesetzten Endendes Druckgehäuses angeordnet wurden, benützte man bisher'stets die Position in der Rotationsachse des Zellengehäuses. Die vorliegende Anmeldung beseitig die mit beiden bekannten Lösungen verbundenen Nachteile ungleicher Stromverteilung bzw. größerer Bauhöhe und längerer ZeIl-

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verbinder beim Zusammenbau von Einzelzellen zu einer Batterie. Die erfindungsgemäße Zelle zeichnet sich nicht nur durch eine dauerhafte Verbindung zwischen den Elektroden und den Stromableitern sowie eine raumsparende Anordnung beim Zusammenschalten mehrerer Zellen zu einer Batterie aus, sondern trägt darüber hinaus auch den besonderen Anforderungen Rechnung, die bei der Verwendung von positiven Elektroden hoher flächenbezogener Kapazität in großen Zellen bestehen, die die Grenzen der thermischen Belastbarkeit erreichen.

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Claims (4)

Deutsche Automobilgesellschaft mbH DAUG 77/*t Hannover EPT Dr.Am/pfa II.7.198O Patentansprüche

1. Nickeloxid-Wasserstoff-Zelle mit einem druclcfesten zylindrischen Zellgehäuse mit gewölbten, die Polbolzen tragenden Enden sowie einem in dem Zellgehäuse enthaltenen Zellenstapel, bestehend aus scheibenförmigen Zellelementen mit einer durchgehenden, zentralen, mit der Zylinderachse laufenden Stapelöffnung, in der die Stromableiter der negativen und positiven Elektroden in zwei voneinander elektrisch isolierten Hälften geführt sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

1. Die Verbindung zwischen den Elektroden und den Polbolzen wird durch flexible Metallgeflechtoder -Gewebebänder gebildet,

2. die Achsender beiden Polbolzen bilden mit der Rotationsachse des zylindrischen Zellgehäuses jeweils einen Winkel von 30 bis 60 , insbesondere ^5 1

3- Die Projektionen der Polbolzenachsen auf eine Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse des Zellgehäuses bilden miteinander einen Winkel von 60 , 120 oder i8o°,

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4. jedes Ende des Zellgehäuses trägt einen Polbolzen.

2. Nickeloxid-V/asserstoff-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion der Achse eines Polbolzens auf eine Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse des Zellgehäuses mit der Geraden, die durch den Schnitt der die Stapelöffnung in zwei Hälften teilenden, die Rotationsachse enthaltenden Teilungsebene mit der Schnittebene gebildet wird, einen Winkel von 30 oder 90 bildet.

3- Nickeloxid-Wasserstoff-Zelle nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter mit den Polbolzen durch eine Quetschverbindung befestigt sind.

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