DE3333475C1

DE3333475C1 - Druckfestes Gehäuse für alkalische elektrochemische Hybridzellen mit einem gasförmigen Reaktanten, insbesondere Metall-Wasserstoff-Zellen

Info

Publication number: DE3333475C1
Application number: DE3333475A
Authority: DE
Inventors: Rainer 7053 Kernen Klink
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Deutsche Automobil GmbH
Priority date: 1983-09-16
Filing date: 1983-09-16
Publication date: 1985-01-10
Also published as: FR2552268A1; FR2552268B1

Description

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Im Gegensatz zu den üblichen Akkumulatorsystemen, bei denen beide Reaktanten als Masse in Elektrodenplatten gespeichert sind, gibt es Systeme, bei denen einer der beiden Reaktanten gasförmig gespeichert wird. Solche Hybridsysteme sind beispielsweise Ag/H2, N1/H2 oder (VCd. Die größte technische Bedeutung hat zur Zeit das System Ni/H₂; es soll deshalb beispielhaft zur näheren Erläuterung herangezogen werden.

Eine Nickel/Wasserstoff-Zelle (Ni/H₂) enthält als aktive Zellenbestandteile eine positive Nickeloxid-Speicherelektrode und als negativen Reaktanten gasförmigen Wasserstoff, der über eine Wasserstoffkatalysator-Elektrode (negative Elektrode) zur elektrochemischen Reaktion gebracht wird.

Infolge der Notwendigkeit, eine ausreichende Batteriekapazität bei geringem Gewicht und kleinem Gehäusevolumen zur Verfügung zu stellen, ist es erforderlich, den Wasserstoff in dem Gehäuse unter einem Druck von bis zu 100 bar, im allgemeinen 30 bis 50 bar, zu speichern. Diese Anforderungen haben zur Folge, daß aus Gründen der Gestaltfestigkeit bisher nur kugelähnliche und zylindrische oder aus diesen zusammengesetzte Zellengefäße aus hochfesten, chemisch beständigen eo Blechen, wie z. B. Nickel-Chrom-Legierungen oder hochlegierte Cr-Ni-Stähle, verwendet werden. Der Gestaltungsfreiheit sind mit dieser Technologie aber relativ enge Grenzen gesetzt. Um der Forderung nach bestmöglicher Raumausnützung zu folgen, müssen die akti- «,5 ven Zellenteile ebenfalls meist als zylindrische Scheiben ausgeführt werden, was aber den Nachteil der ungünstigen Materialausnützung ergibt, wenn die aktiven Zellenteile wie üblich aus Platten oder Bändern hergestellt werden.

Auch das Verschweißen der Gefäßteile bei dem Zusammenbau der Zelle nach dem Einbringen des Plattenstapels erfordert hohe Sorgfalt, weil einerseits Gasdichtheit gepaart mit hoher Dauerschwellfestigkeit gefordert wird und andererseits die eng an die Gefäßwand angrenzenden aktiven Zellenteile im Inneren des Gefäßes keine hohen Temperaturen (im allgemeinen nur bis ca. 120⁰C) ertragen können.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Pole der Zelle gasdicht und elektrisch isoliert durch die Gefäßwand hindurchgeführt werden müssen. Gefäßseitig müssen dafür Augen eingeschweißt oder Hülsen, in die die Teile der elektrischen Durchführungen eingebracht werden, ausgezogen werden.

Weiterhin ist häufig eine Kühlung der Ni/H₂-Zellen erforderlich. Wird z. B. eine solche Zelle einer Hochstromentladung oder einer längeren Überladung ausgesetzt, kann sich eine beachtliche Temperaturerhöhung einstellen, die durch Kühlung begrenzt werden muß. Ohne dieses kann es zur Beschädigung von Zellenteilen (Kunststoffen) kommen, aber auch zur Kondensation von Wasserdampf an den Gefäßwänden und somit zur Störung des Elektrolythaushaltes, was wiederum zum Ausfall der Zelle führt, außerdem ist der Wirkungsgrad beim Aufladen der Nickel-Elektrode bei Temperaturen über 35° C wesentlich verringert.

Die geschilderten Probleme betrafen bisher nur die Einzelzellen. Werden aber bei technischen Anwendungen höhere Leistungen und Kapazitäten als bei Einzelzellen verlangt, ist es unumgänglich, mehrere Einzelzellen in Serie und/oder parallel zu schalten und auf engem Raum zusammenzustapeln. Hierdurch ergeben sich neue Schwierigkeiten hinsichtlich der Packungsdichte, der elektrischen Zellenverbindungen, der Wärmeabfuhr und der mechanischen Halterungen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein druckfestes Zellgehäuse für eine Hybridzelle mit gasförmigem Reaktanten zu finden, das einfach und preiswert zu fertigen ist und bei niedrigem Gewicht eine gute mechanische Stabilität und eine hohe Raumausnutzung durch gute Aneinanderreihbarkeit besitzt und über eine gute Kühlwirkung verfügt.

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Gehäuse gelöst.

Die Lösung besteht darin, daß anstelle der bisher verwendeten zylindrischen oder runden Blechgehäuse ein Gehäuse aus Leichtmetall verwendet wird, das, ähnlich wie ein Zylinderblock einer Verbrennungsmaschine, mehrere nebeneinander angeordnete Zellkammern enthält. Das Gehäuse soll dabei vorzugsweise einen Grundriß mit geraden Begrenzungslinien aufweisen, wodurch sich ebene Flächen ergeben, die eine gute Aneinanderreihung von mehreren Gehäusen ermöglichen. Die Ausbildung des Gehäuses aus Leichtmetall auf der Basis von Magnesium oder Aluminium ermöglicht eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung des Gehäuses und ermöglicht eine gute Wärmeabfuhr. Die Herstellung der Gehäuse erfolgt nach den allgemeinen Herstellungsverfahren für Leichtmetallgegenstände, z. B. durch Pressen oder Gießen, wobei Gießen bevorzugt wird. Das zur Herstellung der Gehäuse benutzte Leichtmetall sollte eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Streckgrenze sowie eine hohe Bruchdehnung aufweisen und gegenüber dem Elektrolyten (im allgemeinen KOH) möglichst beständig sein. Als besonders geeignet infolge ihrer geringen Dichte sowie ihrer guten Resistenz gegenüber KOH

haben sich Magnesiumlegierungen erwiesen, insbesondere die Legierung MgAl 9 Zn 1, aber auch die Legierung MgZn 4 SE 1 Zr 1 (SE = Seltene Erden). Falls eine Legierung keine ausreichende Beständigkeit gegenüber dem Elektrolyten besitzt, können die Innenwände der Zellkammern mit einer entsprechend widerstandsfähigen organischen Beschichtung, z. B. einem Chlor-Kautschuk-Lack versehen werden.

Die Ausbildung des Gehäuses aus Leichtmetall ermöglicht ferner, aufgrund der hohen Gestaltungsfreiheit, für eine besonders gute Kühlwirkung zu sorgen. So ist es bei gegossenen Gehäusen möglich, direkt in die Gehäusewandung Kühlkanäle einzugießen, durch die zur Wärmeabfuhr ein fluides Medium, im allgemeinen Kühlwasser, geleitet werden kann. Es ist aber auch möglich, insbesondere wenn eine nicht so große Kühlleistung erforderlich ist, das Gehäuse mit angegossenen Kühlrippen zu versehen, die die Gehäuseoberfläche im Sinne einer besseren Kühlung vergrößern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse an mindestens einer Außenwand mit Ausnehmungen in Form von Kühlkanälen versehen ist. Werden diese Ausnehmungen mit einem Deckel verschlossen, so ergeben sich in einfacher Weise Kühlkanäle. Weiterhin ist es möglich, zwei Gehäuse mit spiegelbildlich angeordneten Ausnehmungen miteinander zu verschrauben und so die Kühlkanäle zwischen beiden Gehäusen auszubilden.

Infolge der durch das niedrige Gewicht des Leichtmetalls möglichen größeren Wandstärke ist es ferner möglich, das Gehäuse aus zwei Gehäuseteilen aufzubauen, die unter Zwischenschaltung einer üblichen Dichtung, die z. B. aus Flach- oder Rundschnurdichtungen aus Metallen wie Kupfer oder Indium, Elastomeren wie (Chlor)-Kautschuk, Piastomeren wie PTFE, oder aus gasgefüllten Metallrohr-Dichtungen bestehen kann, herzustellen. In diesem Fall kann das aufwendige Verschweißen der Gehäuseteile unterbleiben. Jedoch auch, wenn das Gehäuse verschweißt werden soll, bietet die Ausbildung des Gehäuses aus Leichtmetall Vorteile, da die Temperatur zum Verschweißen von Leichtmetall ganz erheblich unter derjenigen Temperatur liegt, die für das Verschweißen von Nickel-Chrom-Legierungen erforderlich ist. Die Verbindung der Gehäuseteile unter Zwischenschaltung einer Dichtung, z. B. durch Verschrauben, wird jedoch bevorzugt, weil derartige Gehäuse leicht demontierbar und wieder verwendbar sind.

In der Abbildung wird ein Gehäuse in verschiedenen Ausführungsformen in beispielhafter, schematischer Art gezeigt. Es zeigt

F i g. 1 ein Gehäuse mit zwei Zellkammern im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Draufsicht längs der Teilungsebene I... I des Gehäuses, das für die Aufnahme von zwei zylindrischen Elektrodenstapeln vorgesehen ist,

F i g. 3 eine Draufsicht längs der Teilungsebene I... I des Gehäuses für einen prismatischen Elektrodenstapel,

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht von einem Zellenblock, der an der Außenwand Ausnehmungen in Form von Kühlkanälen trägt,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses mit einer Kühlverrippung,

F i g. 6 einen Teilschnitt durch ein Gehäuse für eine Doppelzelle mit zwei in Reihe geschalteten Elektrodenstapeln pro Zellkammer.

F i g. 1 zeigt ein Gehäuse mit zwei Zellkammern in Form einer Doppelzelle. Das Gehäuse 1 ist in ein Oberteil 2 und in ein Unterteil 3 aufgeteilt, wobei beide Hälften praktisch symmetrisch ausgeführt sind. Der Innenraum 4 enthält das komprimierte Gas sowie den Elektrodenstapel 5, dessen Form der Innenraum angepaßt ist. Die nahezu symmetrische Teilung des Gehäuses ist fertigungstechnisch besonders günstig, da es die Herstellung beider Gehäuseteil-Rohlinge mit einem Werkzeug ermöglicht.

F i g. 2 zeigt als Beispiel den Querschnitt eines Gefäßes für einen zylindrischen Zellenstapel und F i g. 3 einen solchen für einen prismatischen Zellenstapel. Es ist deutlich zu erkennen, daß bei der prismatischen Ausführung bei gleichen äußeren Abmessungen ein größerer Nutzraum zur Verfügung steht.

Der das unter Druck stehende Gas enthaltende Innenraum 4 muß gegenüber der Außenatmosphäre wegen des hohen Wasserstoffdruckes abgedichtet werden. Dies geschieht im einfachsten Fall an der Trennfuge 6 der beiden Gfäßteile durch Schweißen. Eine Dichtung ist jedoch auch durch andere Dichtungsmittel bzw. -verfahren möglich, wie z. B. durch Einlegen eines gemeinsamen Rundschnurringes aus geeignetem Material in die abgesetzte Fläche 7 (F i g. 2) oder 8 (F i g. 3) oder durch Flachdichtungen ähnlich einer Zylinderkopfdichtung. Werden die beiden Gehäusehälften durch Dichtungen nach außen abgedichtet, so ist es erforderlich, sie mittels Zugankern oder dgl. zusammenzuspannen. Solche Zuganker können beispielsweise durch eingegossene Löcher 9 (Fig.2) hindurchgeführt werden. Die beiden Zellstapel in den beiden Zellkammern können durch öffnungen 13 in den Zwischenwänden 14 durch elektrisehe Polverbinder 15 miteinander verbunden werden. Die öffnungen können ggf. jedoch auch elektrisch isoliert und flüssigkeitsdicht ausgeführt werden.

Wie aus den Fig.2 und 3 weiter zu erkennen ist, können in unmittelbarer Nähe der Innenwände des Gehäuses sehr einfach Kanäle 10 eingebracht werden, durch die Medien zur Kühlung oder Heizung der Zellen hindurchgeführt werden können. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch ein sehr intensiver Wärmeübergang zwischen dem Zellinnern und dem Wärmeträger ohne weiteren Raumanspruch möglich ist. Wie Fig.4 zeigt, können anstelle innen gelegener Kühloder Heizkanäle solche auch außen angebracht werden, indem man auf der Gehäuseaußenwand entsprechende Ausnehmungen, die die Form von Kühlkanälen haben, vorsieht. Eine solche Lösung ist besonders kostengünstig, da die entsprechenden Ausnehmungen bereits ohne jeden größeren Aufwand beim Guß oder bei der sonstigen Herstellung des Gehäuses erzeugt werden können. Wird nun die mit den Ausnehmungen versehene Außenwand mittels eines Deckels verschlossen, so werden auf einfache Weise geschlossene fertige Kühlkanäle gebildet. Es ist jedoch auch möglich, zwei Gehäuse mit entsprechenden spiegelbildlich angeordneten Ausnehmungen miteinander zu verschrauben, so daß der für die Kühlung erforderliche Strömungsquerschnitt der Kanäle in seiner Dicke auf die beiden angrenzenden Zellblökke verteilt wird.

F i g. 5 zeigt ein Gehäuse mit Kühlrippen. Anstelle der hier gezeigten horizontalen Rippen können je nach den Erfordernissen natürlich auch vertikale oder schräge Rippen eingebracht werden. Auch Gehäuse mit Kühlrippen können sehr günstig und raumsparend nebeneinander angeordnet werden. Im allgemeinen wird man jedoch bei der Anordnung vieler Gehäuse nebeneinander schon aus Gründen der besseren Kühlung glattwandige Gehäuse mit Flüssigkeitskühlung vorziehen. In jedem Fall erlaubt jedoch der Grundriß mit den geraden Begrenzungslinien, wobei selbstverständlich Kanten ab-

gerundet sein können, eine wesentlich bessere Raumausnutzung bei der Herstellung eines Verbundes aus mehreren Gehäusen als die bisher verwendeten zylindrischen oder kugelförmigen Gehäuse.

F i g. 6 zeigt eine Doppelzelle mit in Reihe geschalteten Elektrodenstapeln. Sie besteht aus jeweils zwei hintereinander geschalteten Stapeln, die in den beiden Zellkammern eines Gehäuses untergebracht sind. Schwierigkeiten können sich dadurch ergeben, daß Elektrolyt von dem oberen in den unteren Zellenstapel kriechen kann. Bei dem in F i g. 6 gezeigten Gehäuse kann das auf einfache Weise dadurch verhindert werden, daß zwischen die obere Gehäusehälfte 22 und die untere Gehäusehälfte 23 eine Dichtung 24 in Form einer Platte eingelegt wird, in die die entsprechenden Poldurchfüh- is rungen 25 eingebracht sind. Die geringe Festigkeit der Kunststoffdichtung 24 ist in diesem Fall nicht hinderlich, weil die Zellen alle miteinander geladen oder entladen werden und somit in den beiden Zellkammern jeweils auch derselbe Innendruck herrscht. Aus diesem Grund kann auch in einem Gehäuse die Wandung zwischen zwei Zellkammern schwächer gewählt werden, so daß sich bei der Verwendung eines Gehäuses mit vielen Zellkammern eine weitere zusätzliche Gewichtsersparnis ergibt. In F i g. 6 ist ferner noch dargestellt, daß die beiden in den Zellkammern befindlichen Zellstapel durch einen Polverbinder 15 miteinander verbunden sind, der elektrisch isoliert und flüssigkeitsdicht durch die Dichtung IS der Trennwand zwischen den beiden Zellkammern geführt ist.

Wie aus den Fig. 1, 3 und 6 hervorgeht, sind die Innenflächen der Zellkammern leicht gewölbt ausgestaltet. Dieses ist vorteilhaft, weil unter Berücksichtigung der Festigkeitslehre selbst bei nur leicht gewölbten Flächen gegenüber ebenen Flächen eine erheblich kleinere Wanddicke erforderlich ist.

Die dargestellte Trennebene I... I in Fi g. 1 ist vorteilhafterweise in die Symmetrieebene zu legen, weil dadurch unter Vernachlässigung kleiner Verschiedenheiten nur ein Guß- oder Preßstück hergestellt werden muß. Dadurch werden Formkosten erspart und die Stückzahl erhöht, was zur Kosteneinsparung beiträgt. Die Trennebene kann aber auch an jeder anderen Stelle ausgeführt werden, z. B. auch diagonal. Natürlich ist es möglich, insbesondere bei der Herstellung großer Stückzahlen, d. h., wenn ohnedies mehrere Formstücke gleichzeitig hergestellt werden, die Trennebene an jeden beliebigen anderen Punkt zu legen, beispielsweise sehr weit nach oben, und die andere Gehäusehälfte praktisch nur noch als Deckel auszubilden. Eine Aufteilung in mehrere Gehäuseteile, wie z. B. in ein Mittelstück und zwei Deckel, ist ohne weiteres möglich.

Auch bleibt die geschilderte Herstellung von Gehäusen nicht auf die dargestellte Art als Doppelzelle beschränkt, sondern ein Gehäuse kann je nach den Erfordernissen auch mehrere, beliebig nebeneinander angeordnete Zellkammern enthalten, wobei selbstverständlich auch vom rechtwinkligen Grundriß abweichende, z. B. wabenzellenförmige Gehäuse zur Anwendung kommen können..

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Druckfestes Gehäuse für alkalische elektrochemische Hybridzellen mit einem gasförmigen Reaktanten, insbesondere Metalloxid-Wasserstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Leichtmetall auf der Basis Magnesium oder Aluminium ausgebildet ist und mehrere Zellkammern enthält.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Grundriß mit geraden Begrenzungslinien aufweist.

3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Gehäuses oder der Zellkammern mit einer elektrolytbeständigen Beschichtung versehen ist.

4. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus zwei oder mehreren unter Zwischenschaltung von Dichtungen miteinander verbundenen Gehäuseteilen besteht.

5. Gehäuse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand mit eingegossenen Kühlkanälen versehen ist.

6. Gehäuse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es an seiner Außenseite mit Kühlrippen versehen ist.

7. Gehäuse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es an mindestens einer Außenwand mit Ausnehmungen in Form von Kühlkanälen versehen ist, die in Verbindung mit einem Deckel oder einem zweiten Gehäuse geschlossene Kühlkanäle bilden.