DE3318307A1

DE3318307A1 - Durchfuehrungsklemme fuer hochleistungszelle

Info

Publication number: DE3318307A1
Application number: DE19833318307
Authority: DE
Inventors: Thomas David 60451 Lenox Ill. Kaun
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-05-28
Filing date: 1983-05-19
Publication date: 1983-12-01
Also published as: CA1191890A; GB2121596B; FR2527840A1; GB2121596A; JPS58216357A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Speicherzellen und insbesondere auf eine Durchführungsklemme für eine eine hohe spezifische Leistung aufweisende Speicherzelle, die höchst korrodierende interne Reaktionsmittel enthält.

Bei der Entwicklung effizienterer Energiequellen wird viel Arbeit in die Entwicklung von Hochtemperaturzellen mit hoher spezifischer Leistung investiert. Diese Energiequellen werden im allgemeinen durch das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Gewicht bewertet, wobei im allgemeinen Zellen mit hoher spezifischer Leistung solche sind, die in der Lage sind, mehr als 180 Watt pro kg zu liefern. Diese Zellen enthalten typischerweise Alkalimetalle und deren Legierungen als negative Elektroden und Chalcogene oder Metallchalcogene als positive Elektrodenmaterialien. Diese Zellen verwenden typischerweise ferner einen stark korridierenden geschmolzenen Salzelektrolyten un.d arbeiten bei hohen Temperaturen. Die Trennung zwischen den Zellenkomponenten wird durch chemisch nichtreaktive, hochtemperaturbeständige, elektrisch inerte Materialien bewahrt.

Obwohl große Energiemengen in diesen elektrochemischen Zellen erzeugt werden können, muß doch Sorge dafür getragen werden, daß diese stark reaktionsfreudigen Materialien in der Zelle eingeschlossen bleiben und von den Materialien der elektrischen Leiter getrennt bleiben, d.h.

von den elektrischen Leitern, die zur Herausführung der elektrischen Energie verwendet werden. Die Isolation oder Trennung dieser Leiter gegenüber dem korrodierenden Materialinhalt der Zelle ist für den Zellenbetrieb wichtig und auch für die Zuverlässigkeit der Zellen, da diese leitenden Elemente selbst im allgemeinen dann leicht geschädigt und zerstört werden können, wenn sie diesen korrodierenden Materialien ausgesetzt sind. Zudem muß die elektrische Kopplung zwischen den Klemmenleitern und den Elektroden innerhalb der Zelle einen elektrischen Wirkungsgrad für die Maximierung der Zellenausgangsgröße besitzen. Bei bekannten mehrere Platten aufweisenden Zellen der allgemeinen obenbeschriebenen Form wird mehr als 50% des Gesamtzellenwiderstands auf die elektrischen Verbindungen zurückgeführt, die außerhalb der internen Zellenelektroden verwendet werden.

Die den Zellen mit hoher spezifischer Leistung innewohnende feindliche Umgebung hat weitere Forderungen hinsichtlich der'Konstruktion gestellt. Beispielsweise können die internen Zellentemperaturen während des Betriebs beträchtlich ansteigen. Dies beeinflußt nicht hur den Widerstand der Zellenklemmen, der natürlich für optimale Leistungsfähigkeit minimiert werden kann, sondern beeinflußt auch die physikalische und körperliche Konfiguration der äußeren Zellenkomponenten hinsichtlich deren Ausdehnungs- und Zusarnmenziehungs-Verhalten bei diesen extremen Temperaturen. Der Zellenkonstrukteur versucht daher, einen Klemmenleiter von erhöhter Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen einzubauen, beispielsweise dadurch, daß die Querschnittsfläche des Leiters vergrößert wird. Das Vergrößern der Klemmenleitergröße erhöht aber auch das Oberflächengebiet der Zelle in'der Nähe der Klemme, von der aus die heißen Elektrolyten in der Zelle austre-

tren können. Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Probleme ist natürlich die Verwendung gewöhnlicher Materialien, die außerordentlich inert und strukturelle, d.h. baulich stabil oder fest sind. Diese Lösungsmöglichkeit würde jedoch den ausgedehnten kommerziellen Gebrauch dieser Energiequelle verhindern.

Ein weiteres Konstruktionsziel bei Zellen mit hoher spezifischer Leistung, im Hinblick auf deren weite Anwendung, besteht darin, daß sie baulich stabil, unempfindlich und in der Lage sein müssen, unter den unterschiedlichsten ümgebungsbedxngungen verwendet zu werden. Beispielsweise ist ein mögliches Anwendungsgebiet für diese neuen elektrochemischen Zellen das der elektrischen Fahrzeugantriebe. Diese Zellen sind auf diesem Gebiet besonders attraktiv, weil sie eine hohe Energieausgangsgröße pro Einheitsgewicht (spezifische Energie) besitzen. Demgemäß sind Energiezellen dieser Bauart in idealer Weise für den Betrieb in Automobilen geeignet.

Die folgenden Patente veranschaulichen die Entwicklungen auf dem allgemeinen Gebiet der elektrochemischen Zellen mit hoher spezifischer Leistung: US-Patent 4 110 517 beschreibt eine elektrochemische Zelle, die zerbrechliche Formen aus Bornitrid und anderen Keramikmaterialien als eine elektrisch isolierende Zellentrennung verwendet. US-PS 4 029 86 0 beschreibt eine unterteilte oder wabenartige Struktur, die als Stromsammler verwendet wird und elektrochemisch aktives Material innerhalb der Elektrode einer elektrochemischen Zelle trägt. US-PS 4 011 beschreibt die Verwendung eines unter Wärmeeinwirkung abhärtenden Harzes als ein formbares Material, in welches elektrochemisch aktives Material zur Herstellung der

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Elektroden eingemischt wird. US-Patente 4 087 905 und 4 086 396 beschreiben eine elektrochemische Zelle mit einer Lage aus gepulvertem elektrisch isolierendem Material zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität.

Zudem beschreibt die US-Patentanmeldung Serial No. 148 312, zugelassen am 12. Juni 1981, für die Erfinder Kaun et al., mit dem Titel "Electrode for Electrochemical Cell", eine Elektrodenstruktur für eine sekundäre elektrochemische Zelle, die ein starres elektrisch leitendes Metallblech aufweist, und zwar mit perforierten öffnungen darinnen, die ein Abteil definieren, welches elektrochemisch aktives Material enthält. Die Umschließung kann in der Form erster und zweiter Tabletts erfolgen, jeweils mit einem starren Blech aus perforiertem elektrisch leitendem Metall an den Hauptseitenoberflächen, wobei die positiven und negativen Elektroden in einer abwechselnden Anordnung mit den dazwischen eingesetzten Zwischenelektroden-Trennmitteln angeordnet sind. Die Klemmen erstrecken sich hindurch und sind elektrisch isoliert gegenüber einer oberen Wand des Zellengehäuses durch isolierende Durchführungen. Elektrische Sammelschienen sind mit Längsabstand voneinander innerhalb des Zellengehäuses angeordnet und sie sind mit den einzelnen Elektroden durch entsprechende elektrische Leiter verbunden.

Zusammenfassung der Erfindung. Im Hinblick auf die obigen Ausführungen besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte elektrische Klemmenstruktur für eine Zelle mit hoher spezifischer Leistung vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Durchführangsk]emmo für eine elektrochemische Hochenergiezelle anzugeben, die einen niedrigen Widerstandspfad für die

leistungserzeugenden elektrischen Komponenten besitzt und so die Zellenenergieerholung verbessert.

Weiterhin bezweckt die Erfindung einen elektrisch leitenden Durchführungspfad für eine elektrochemische Leistungszelle vorzusehen, die elektrochemisch aktive Materialien enthält, um diese Materialien darinnen zu umschließen, wobei der Leiter gegenüber den korrodierenden und destruktiven Effekten dieser Materialien isoliert oder geschützt ist.

Ferner bezweckt die Erfindung eine kompakte, unempfindliche, kostengünstige, leicht eanbaubare Durchführklemme für eine elektrochemische Zelle mit hoher spezifischer Leistung anzugeben, wobei eine flache Sammelschiene mit einer Vielzahl von Stromsainmelelementen innerhalb der Zelle gekuppelt ist. - ;

Ferner bezweckt die Erfindung eine Temperatur kompensierende Durchführungsklemme für eine Zelle mit hoher spezifischer Leistung anzugeben, um so die Zelle in abgedichtetem Zustand selbst dann zu halten, wenn extrem hohe Betriebstemperaturen auftreten, wobei gleichzeitig ein elektrischer Pfad niedrigen Widerstandes für die Zelle geschaffen wird.

Die vorliegende Erfindung sieht vor, daß eine leitende Durchführungsklemme für eine elektrochemische Speicherzelle mit hoher spezifischer Leistung angegeben wird, die eine Kopplung mit niedrigem Widerstandswert zu den internen Elektroden der Zelle vorsieht und eine Isolation der leitenden Klemmenelektrode von den hochkorrodierenden Materialien innerhalb der Leistungszelle ermöglicht. Eine einen großen Durchmesser besitzende zylindrische Kupferelektrode ist abdichtbar in einem aus rostfreiem Stahl bestehendem Rohr umschlossen, welches durch eine Öffnung in der Zellenabdeckanordnung sich erstreckt und über einen

Teil der Länge der Kupferelektrode. Eine BN-Pulverdurchführungsdichtung ist in Dichtbeziehung koaxial um das aus rostfreiem Stahl bestehende Rohr herum angeordnet, und zwar mittels aufeinanderzuweisender nahe und entfernt gelegener, isolierender Büchsen (Buchsen) und unter Verwendung einer äußeren Durchführungshülse, die ebenfalls koaxial bezüglich des rostfreien Stahlrohrs positioniert ist. Ein Endteil des Kupferleiters ist direkt mit einer flachen "Schmetterling"-Sammelschiene innerhalb der Zelle silberverlötet, wobei das benachbarte Ende der umgebenden äußeren Durchführungshülse fest mit der gleichen Sammelschiene verschweißt ist. Eine mit Gewinde versehene Dichtung ist fest auf einem entfernt gelegenen Teil des aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohrs positioniert, und zwar unmittelbar benachbart zur entfernt gelegenen isolierenden Buchse, um so in kompressiver zusammendrückender Weise die BN-Pulverdurchführungsdichtung zu umschließen, was eine stabile, nicht störanfällige, lecksicherer elektrische Durchführung für den Klemmenleiter ergibt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus der Beschreibung von Ausfüh— rungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische

Ansicht einer elektrochemischen Zelle mit hoher spezifischer Leistung, und zwar mit einer erfindungsgemäßen Durchführungsklemme;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Durchführungs-

klemme für die erfindungsgemäße Zelle mit hoher spezifischer Leistung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in Fig. 2,

wobei hier die Verbindung zwischen der

Durchführungsklemme und einer Sammelschiene innerhalb der Leistungszelle dargestellt ist.

Im folgenden sei das bevorzugte Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.■ Fig. 1 zeigt eine Zelle 10 mit hoher spezifischer Leistung zur Umwandlung elektrochemischer Energie in eine elektrische Ausgangsgröße. Die Leistungszelle weist ein Gehäuse 12 auf, welches eine Vielzahl von gekuppelten Seitenwänden, eine (nicht gezeigte) Basis und eine (teilweise weggeschnitten gezeigte) Abdeckanordnung aufweist. Vom Gehäuse 12 wird eine Vielzahl von plattenartigen, abwechselnd mit Abstand angeordneten negativen und positiven Elektroden 28, 30 umschlossen. Das rechteckig geformte Gehäuse 12 weist mindestens zwei Endwände 19 und mindestens zwei Seitenwände 21 auf.

Die Elektroden sind in der dargestellten Weise in einer abwechselnden Anordnung negativer und positiver Elektroden ausgerichtet, und zwar jeweils getrennt durch einen Isolator 26. Der Isolator 26 ist ein zerbrechliches, poröses, elektrisch isolierendes Material,mit Abstand angeordnet zwischen unmittelbar benachbarten Elektroden entgegengesetzter Polarität und der Isolator weist eine.filzartige Zusammensetzung aus Bornitrid (BN) auf. Zudem ist eine Lage oder Schicht des BN-Isolators 26 zwischen den Enden der Elektrodenanordnung und den unmittelbar benachbarten entsprechenden Seitenwänden 19 des Leistungszellengehäuses 12 positioniert.

Jede Elektrode weist eine Außenoberfläche aus elektrisch leitendem Material, die eine Vielzahl von öffnungen 22 umfaßt, auf. Das elektrochemisch aktive Material 25, enthaltend innerhalb der negativen und ppsitiven Elektroden 28, 30,

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kann von irgendeiner geeigneten Art sein, um so diese abwechselnde elektrische Konfiguration vorzusehen. Feste, solide Legierungen aus Alkalimetallen oder Legierungen von Erdalkalimetallen, die Legierungsmaterialien wie Aluminium, Silicium, Magnesium und Kombinationen daraus enthalten, werden bei der vorliegenden Leistungszelle verwendet.·Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Zelle weisen die negativen Elektroden 28 eine Li-Al-Legierung auf, wohingegen die positiven Elektroden 30 FeS aufweisen. Zellen, die verschiedene Alkalimetallegierungen kompatibel mit der Leistungszelle 10 enthalten, sind bekannt Und werden in den obengenannten Patenten beschrieben.

Bei der dargestellten abwechselnden Anordnung der Elektroden befindet sich eine ungerade Anzahl von Elektroden innerhalb des Gehäuses 12. Die Mittelelektrode ist von der gleichen Polarität, wie sie bei den Endelektroden der mit Abstand angeordneten Anordnung aus negativen und positiven Elektroden 28, 30 auftritt. Die Endelektroden können entweder positiv oder negativ sein, oder aber sie können die gleiche Polarität besitzen, was die schädlichen Folgen bei einem Isolationsausfall zwischen den Endelektroden 28 und den Seitenwänden 21 des Gehäuses 12 minimiert.

Jede negative Elektrode 28 in der Leistungszelle ist mittels einer negativen Elektrodenklemme 16 mit einer negativen Sammelschiene, oder Sammelleitung 20 gekuppelt. In gleicher Weise ist auch jede positive Elektrode 30 mit einer positiven Sammelleitung oder Schiene 18 mittels einer positiven Elektrodenklemme 17 gekuppelt. Die positiven und negativen Sammelschienen 18 und 20 sind innerhalb des Gehäuses 12 der Leistungszelle unmittelbar benachbart zur Abdeckanordnung 54 positioniert. Jede Sammelschiene besteht aus Nickelmetall oder weist dieses auf, und zwar gemäß einem

bevorzugten Ausführungsbeispiel. Nickel ist für den vorliegenden Anwendungsfall besonders gut geeignet, da es eine relativ hohe Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen besitzt, wobei es relativ inert gegenüber der stark korrodierenden Umgebung innerhalb der Leistungszelle ist. Die "Schmetterling"-Konstruktion der Sammelschienenplatten gemäß den Fig. 1 und 3 bietet eine große Verbindungsschweißfläche, um eine einen niedrigen Widerstand aufweisende Verbindung der Elektrodenklemmen an einer zugehörigen Sammelschiene vorzusehen. Die Verbindungen zwischen der negativen Sammelschiene 20 und jeder negativen Elektrodenklemme 16 und zwischen der positiven Sammelschiene 18 und jeder positiven Elektrodenklemme 17 erfolgen direkt unterhalb der entsprechenden negativen und positiven Zellenklemmen 24, 14, um den Strompfad zwischen den entsprechenden Zellenelektroden und -klemmen zu minimieren. Zudem schaffen die oberen flachen Oberflächen der entsprechenden Schienen ein bequemes und wirtschaftliches Mittel zur Kupplung zwischen den entsprechenden Sammelschienen und Zellenklemmen.

Fig. 1 zeigt in einer teilweise weggeschnittenen Ansicht eine Durchführungs/positive Zellen-Klemme 14 für eine Hochleistungszelle gemäß der Erfindung. In ähnlicher Weise zeigt Fig. 2 einen Querschnitt der Durchführungs/positive Zellenklemme 14 gemäß Fig. 1. Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei einer positiven Zellenklemme beschränkt, sondern kann in gleicher Weise auch für die negative Klemme einer Hochleistungszelle Verwendung finden. Die Hauptvorteile des Vorsehens eines Pfades mit niedrigem Widerstand von der Sammelschiene der Leistungszelle und den Innenelektroden zu einer externen Klemme, wobei die Zelle in einem hoch abgedichteten Zustand gehalten wird, können sowohl bei der Struktur als auch beim Einbau von entweder einer positiven oder negativen Zellenklemme in einer Leistungszelle gemäß Fig. 1 verwendet werden.

Die ZeIlenklemme 14 weist eine am weitesten innengelegene positive Klemmenelektrode 40 auf, die aus Kupfer besteht und im bevorzugten Ausführungsbeispiel zylindrisch ist. Der untere Endteil oder die Basis der positiven Klemmenelektrode 40 ist körperlich und elektrisch mit der oberen flachen Oberfläche der positiven Sammelschiene 18 mittels Silberlötens verbunden. Wie man in den Fig. 2 und 3 erkennt, erstreckt sich die Silberlötverbindung 56 über die gesamte Basis der positiven Klemmenelektrode 40, was eine einen niedrigen Widerstandswert aufweisende,baulich feste Kupplung zwischen der positiven Klemmenelektrode 40 und der positiven Sammelschiene 18 bewirkt. Unmittelbar benachbart und koaxial bezüglich der positiven Klemmenelektrode 40 befindet sich ein ausgehöhlter zylindrischer Klemmenkörper 42.

Der Klemmenkörper 42 erstreckt sich über einen Teil der Länge der positiven Klemmenelektrode 40, was gestattet, das entfernt gelegene Ende davon bezüglich der Leistungszelle elektrisch mit einem (nicht gezeigten) elektrischen Leiter der Vorrichtung verbunden werden kann,an die elektrische Energie geliefert wird. Der Klemmenkörper 42 ist um .die positive Klemmenelektrode 40 herum in einer engpassenden Beziehung positioniert. Das nahegelegene Ende des Klemmenkörpers 42 ist über eine Unterlegscheibe 60 mit der oberen flachen Oberfläche der positiven Sammelschiene 18 TIG-verschweißt. Die Unterlegscheibe 60 wird als erstes mit der Basis des Klemmenkörpers 4 2 verschweißt, und sodann mit der oberen flachen Oberfläche der Sammelschiene 18 bei 58. Dieses Kopplungsverfahren und diese Konfiguration bringen eine beträchtliche strukturelle Verbesserung gegenüber der direkten Kehlschweißung des unteren Teils des Klemmkörpers 42 mit der positiven Sammelschiene 18, wie dies zuvor verwendet wurde.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Klemmenkörper aus rostfreiem Stahl. Der umgebende, aus rostfreiem Stahl bestehende Klemmenkörper 4 2 isoliert somit die Kupferelektrode gegenüber den hochkorrosiven Komponenten innerhalb der Leistungszelle 10. Die auf diese Weise ausgebildete geschweißte Verbindung verbessert auch die strukturelle Integrität der Klemmeninstallation.

Eine Durchführungsausbildung der Ram-Bauart wird dadurch erreicht, daß man den Klemmenkörper 4 2 durch eine ringförmige oder ringwulstförmige, untere Büchse 5OB drückt oder rammt. Die untere Büchse 5OB ist am unteren oder nahegelegenen Endteil des Klemmenkörpers 42 angeordnet, und* zwar in direktem Kontakt mit der Unterlegscheibe 60, die mit der Oberfläche der positiven Sammelschiene 18 verschweißt ist. Die untere Büchse 5OB erstreckt sich - wie in Fig. 2 gezeigt - durch die Abdeckanordnung 54 und gerade über die untere Oberfläche der Leistungszelle hinaus. Eine kreisförmige öffnung in der Abdeckanordnung 54 steht in engpassender Beziehung mit der unteren Büchse 50B. Mit der Kombination aus der positiven Klemmenelektrode 40, des Klemmenkörpers 42 und der unteren Büchse 5OB, positioniert in einer kreisförmigen öffnung in der AbdeckanOrdnung 54, ist eine äußere Hülse oder ein Durchführgehäuse 48 in engpassender Beziehung mit dem Außenumfang der unteren Büchse 5OB angeordnet. Isoliermaterial 52 wird sodann zwischen den unmittelbar benachbarten Teilen des Klemmenkörpers 42 und des Durchführgehäuses 48 eingesetzt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Isoliermaterial 52 aus einem BN~Pulver, angeordnet im Ringraum der durch Klemmenkörper 42 und Durchführgehäuse 48 definiert ist und die keramischen Büchsen bestehen aus BeO.

Sodann wird eine obere Büchse 5OA,unmittelbar benachbart zum oberen Endteil des Durchfjihrgehäuses 48 und in eng-

passender Beziehung zwischen dem Klemmenkörper 42 und dem Durchführgehäuse 48 positioniert. Das Isoliermaterial 52 wird sodann auf den Ringraum beschränkt, der durch obere untere Büchsen 5OA, 5OB und den Klemmenkörper 42 und Durchführgehäuse 48 definiert ist. Die isolierende Abdichtung 52 kann sodann hydraulisch innerhalb des Ringraums zusammengepreßt werden, und zwar durch konventionelle Mittel, wobei die oberen und unteren Isolierbüchsen 5OA, 5OB fest entlang der Länge des Klemmenkörpers 42 positioniert sind, und zwar mittels eines (nicht gezeigten) Schnapprings oder mittels eines Rings, der an seinem Platz entlang der Länge des Klemmenkörpers 52 angeschweißt ist. Der obere Endteil des Klemmenkörpers 42 weist einen Gewindeteil 43 auf, über dem ein Abstandselement oder eine Unterlegscheibe 46 positioniert wird, und zwar gefolgt von der gewindemäßigen Positionierung eines Kupplungselements, wie beispielsweise einer Mutter 44. Durch Anziehen des mit Gewinde versehenen Kupplungselements 44 auf dem Klemmenkörper 42 können Unterlegscheibe 46 und obere Büchse 5OA nach unten derart versetzt werden, daß die Pulverdichtung 42 eng umschlossen und zusammengedrückt wird. Auf diese Weise wird die Zusammendrückung der ringförmigen Pulverdichtung 52 mittels einer Befestigungsvorrichtung, wie beispielsweise einer.Mutter erreicht, und nicht mittels einer Büchse, welche die Pulverdichtung, befestigt am Zellengehäuse, enthält. Dies gestattet, daß die Dichtung dicht bleibt, wenn die Klemmenelektrode 40 und die Büchsen 5OA, 5OB sich ausdehnen, möglicherweise in unterschiedlicher Weise, was beim Ansteigen der Zellenbetriebstemperaturen geschehen kann. Durch die Positionierung der Pulverdichtung 52 in direktem Kontakt mit den oberen und unteren Keramikbüchsen 5OA, 5OB werden zudem Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen derselben ausgeglichen, beispielsweise Versetzungen, Eindrückungen, Stufen usw., und das Risiko des Brechens des keramischen Isolators wird beträchtlich vermindert. Schließlich kann die

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Klemmenelektrode 40 in bequemer Weise gegenüber der unteren Büchse oder Buchse 5OB versetzt werden, ohne langgestreckte elektrische Isolation, die sich um die Klemmenelektrode 40 herum erstrecken müßte, wie dies bei früheren Ausführungen der Fall war. Die Konfiguration der Klemme gemäß der Erfindung sieht eine langgestreckte,glatte Verlängerung von der Leistungszelle vor und vermeidet die Verwendung von Fittings, die gequetscht werden können und somit kleine Spalte oder
Räume bilden, in denen sich Schmutz oder Staub ansammeln
kann, was schließlich zu einem Kurzschluß der Leistungszelle führt.

Bislang wurde somit eine Durchführungsklemme mit niedrigem Widerstandswert für eine elektrochemische Zelle hoher spezifischer Leistung beschrieben, und zwar eine Klemme mit
einer außerordentlich sicheren Abdichtung für den Einschluß hochkorrodierender Reaktionsmittel innerhalb der Zelle,
während der Leiter der Klemme gegenüber diesen stark korridierenden Reaktionsmitteln isoliert ist. Die Umschließung
einer Pulverdichtung unter hohem Druck vermindert die Tendenz des Reißens der Isolatoren der Klemme bei Hochtemperaturbeanspruchung, da ein Leiter mit' niedrigem Widerstandswert von hoher Querschnittsfläche in effizienter Weise mit den elektrischen Komponenten innerhalb der Zelle gekuppelt ist. .

Abwandlungen liegen im Rahmen der Erfindung.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Es wird eine Durchführungsklemme für eine elektrochemische Speicherzelle hoher Leistung beschrieben, wobei eine einen niedrigen Widerstand besitzende Kupplung mit den leitenden Elementen darinnen vorgesehen wird, wobei gleichzeitig die Klemmenelektrode gegenüber der äußerst korrodierenden

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Umgebung innerhalb der Zelle abgeschlossen ist. Eine einen großen Durchmesser besitzende zylindrische Kupferelektrode wird in einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohr eingeschlossen, und zwar mit einer BN-Pulverdurchführungsdichtung, die um das rostfreie Stahlrohr herum mittels aufeinanderzuweisenden isolierenden Buchsen und einer Außenhülse gehalten wird. Ein Ende des Kupferleiters ist direkt mit einer flachen "schmetterlingsartigen" Sammelschiene innerhalb der Zelle silberverlötet, wobe.i das benachbarte Ende der umgebenden äußeren Durchführungshülse mit der Sammelleitung verschweißt ist. Eine mit Gewinde versehene Dichtung ist fest auf einem entfernt gelegenen Teil des rostfreien Stahlrohrs positioniert, und zwar unmittelbar benachbart zu der entfernt gelegenen Isolierbüchse, um so die Durchführungsdichtung in engpassender Beziehung um das rostfreie Stahlrohr herum zusammenzudrücken, was eine störungsfreie,unempfindliche, lecksichere elektrische Durchführungsklemme für die Leistungszelle ergibt.

Leerseite

Claims

R 5862

Durchführungsklemme für Hochleistungszelle

Ansprüche

(1,y· In einer elektrocheinischen Zelle mit einem eine

öffnung aufweisenden Gehäuse, wobei eine Elektrode im Gehäuse angeordnet ist und eine elektrische Durchführungsklemme in der Öffnung positioniert ist, gekennzeichnet durch:

einen langgestreckten elektrischen Leiter, positioniert innerhalb der öffnung derart, daß er sich durch das Gehäuse erstreckt, wobei der elektrische Leiter ein erstes mit der Elektrode elektrisch gekoppeltes Endteil aufweist,

eine koaxial um den elektrischen Leiter herum in engpassender Beziehung angeordnete Hülse, die sich über einen Teil der Länge und durch die öffnung erstreckt, wobei die Hülse einen ersten Endteil abdichtend gekuppelt mit der Elektrode aufweist,.-

eine isolierende Dichtung, koaxial um die Hülse herum angeordnet und sich über einen Teil von deren Länge ■ und durch die Öffnung erstreckend, und

Druckabdichtmittel koaxial und mit Isolator um die Hülse herum angeordnet und anstoßend am äußeren Teil des Gehäuses, unmittelbar benachbart zur Öffnung, um die iso-. lierende Dichtung in engpassender Beziehung um die Hülse herum zu halten.
2. Elektrische Klemme nach Anspruch 1, ferner mit einer leitenden Sammelschiene, positioniert innerhalb der elektrochemischen Zelle und verbunden zwischen elektrischem Leiter und der Elektrode.
3. Elektrische Klemme nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrochemische Zelle eine erste Vielzahl von positiven Elektroden und eine zweite Vielzahl von negativen Elektroden aufweist, und wobei die erwähnte leitende Sammelschiene aus Nickel besteht und eine Vielzahl von äußeren Kanten und inneren Schlitzen besitzt, und zwar zur metallurgischen Verbindung mit einer flachen Oberfläche jeder der ersten Vielzahl von positiven Elektroden.
4. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Hülse elektrochemisch inerter ist und eine niedrigere Leitfähigkeit besitzt als der elektrische Leiter.
5. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter aus Kupfer besteht und die Hülsen aus rostfreiem Stahl bestehen. *
6. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Endteil des elektrischen Leiters mit der leitenden Sammelschiene mittels einer Silberlötung gekoppelt ist, und daß der erste Endteil der Hülse mit der leitenden Sammelschiene verschweißt ist.
7. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Abdichtmittel, die fest gekuppelt zwischen dem ersten Endteil der Hülse und der leitenden Sammelschiene vorgesehen sind, wobei die Abdichtmittel eine Öffnung darinnen aufweisen, durch welche sich der elektrische Leiter bei Kopplung mit der leitenden Sammelschiene in dichter Beziehung demgegenüber erstreckt.
8." Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengedrückten Abdichtmittel eine Zugkraft auf die Hülse längs der Achse des elektrischen Leiters zum Gehäuse hin ausüben.
9. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Dichtung ein inertes Pulver aufweist, welches zwischen der Hülse und den zusammengedrückten (kompressiven) Abdichtmitteln eingeschlossen ist.
10. Elektrische Klemme nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Pulver Bornitrid ist.
11. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der · vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengedrückten Abdichtmittel entfernt gelegene und nahegelegene Isolierbüchsen aufweisen, und zwar positioniert unmittelbar benachbart und auf jeder Seite der isolierenden Dichtung und längs der Hülse und eines zylindrischen Gehäuses in Abdichtkontakt mit dem entfernt gelegenen und den nahegelegenen Isolierbüchsen, um so einen Ringraum zu definieren, der koaxial um die Hülse herum positioniert ist, um die isolierende Dichtung darinnen einzuschließen.
12 Elektrische Klemme nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die entfernt gelegenen und nahegelegenen Büchsen aus einem Keramikmaterial bestehen, wobei die nahegelegene Büchse abdichtend mit dem Teil des die Öffnung definierenden Gehäuses gekuppelt ist.
13. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressiven Dichtungsmittel ferner Verriegelungsmittel aufweisen, die in variabler Weise längs der Hülse positioniert sind, und zwar in Kontakt mit der entfernt gelegenen Büchse, um die entfernt gelegene Büchse zum Gehäuse hin zu drücken, und zwar beim Zusammendrücken der isolierenden Abdichtung und unter Beibehaltung der isolierenden Abdichtung in enger Paßbeziehung um die Hülse herum.
14. Elektrische Klemme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere entfernt gelegene Teil der Hülse mit Gewinde versehen ist, und daß die Verriegelungsmittel eine mit Gewinde versehene Mutter und Unterlegscheiben-Kombination aufweisen, wodurch

die Drehung der Mutter auf der Hülse die Unterlegscheibe längs der Hülse versetzt, um so die äußere Büchse oder Buchse anzuziehen, und zwar entgegen der isolierenden Dichtung, wodurch die auf diese Dichtung ausgeübte kornpressive Kraft erhöht wird.
15. In einer elektrochemischen Zelle mit einem Gehäuse einschließlich einer oberen Platte mit einer Kreisöffnung darinnen, wobei das Gehäuse eine Vielzahl von elektrochemischen Elementen zur Erzeugung elektrischer Energie enthält, und wobei eine elektrische Durchführungsklemme vorgesehen ist, gekenn zeichnet durch:

einen langgestreckten zylindrischen soliden Leiter, positioniert innerhalb der Öffnung und sich hindurcherstreckend, und zwar elektrisch gekoppelt mit mindestens einem der elektrochemischen Elemente,

eine innere sich durch die Öffnung erstreckende Hülse koaxial angeordnet in engpassender Beziehung um den Leiter herum, wobei die Hülse ein nahegelegenes Endteil fest verbunden mit mindestens dem einen elektrochemischen Element aufweist, und zwar mit Abstand derart angeordnet, daß der Leiter vom Innenteil der elektrochemischen Zelle isoliert wird,

eine äußere koaxial mit Abstand um die Innenhülse herum angeordnete Hülse, um so einen Ringraum dazwischen zu definieren, wobei die äußere Hülse ein nahegelegenes Endteil aufweist, welches in Anstoßkontakt mit der Außenoberfläche der oberen Platte,unmittelbar benachbart zu der Öffnung positioniert ist,

eine isolierende Dichtung, ■ angeordnet in und sich über einen Teil des Ringraums erstreckend, und

strukturelle Mittel, angeordnet auf jeder Seite der isolierenden Dichtung in dem Ringraum, um die isolierende Dichtung darinnen einzuschließen, wobei diese strukturellen Mittel einen Teil davon linear versetzbar längs der. Innenhülse aufweisen, um so die isolierende Dichtung innerhalb des Ringraums zusammenzupressen.