DE3900381C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sekundärbatterie mit mindestens zwei Einzelzellen, die je mindestens eine Gehäusewand mit Vorsprüngen aufweisen, die an einer Gehäusewand der benachbarten Einzelzelle unter Bildung von Kanälen für ein Kühlmedium anliegen.

Eine derartige Sekundärbatterie ist bereits bekannt (US-PS 37 45 048). Bei dieser Sekundärbatterie berühren sich die Vorsprünge der Gehäuse nebeneinanderliegender Einzelzellen, die an ihren Oberseiten Polklemmen für elektrische Leitungen haben. Die Oberseiten und die Unterseiten ruhen auf Abstandsstücken, zwischen denen Kühlmittelkanäle verlaufen. Die Einzelzellen sind in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet.

Bekannt ist auch eine luftgekühlte Akkumulatorenbatterie, die einen Kasten mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Akkumulatoren enthält. Die Akkumulatoren weisen an den Seitenwänden Rillen auf. Die Rillen der Seitenwände nebeneinander angeordneter Akkumulatoren bilden Kühlmittelkanäle. An den Oberseiten der Akkumulatoren sind Polklemmen vorgesehen (DE-PS 23 54 150).

Schließlich ist eine Akkumulatorenbatterie mit in einem Gehäuse angeordneten Nickel-Kadmium-Zellen bekannt, die jeweils Rillen an ihren Seitenwänden aufweisen. Benachbarte Zellen berühren sich an den Enden der versetzt zueinander angeordneten Rillen. Zwischen den Rillen verlaufen Kühlmittelkanäle. Die dem Gehäuse zugewandten Rillen liegen an der ebenen Gehäusewand unter Bildung von Kühlkanälen an. Die Oberseiten der Zellen weisen Polklemmen auf (US-PS 44 68 440).

Hochenergiebatterien mit Festelektrolyten wie Na/S- oder Zebra-Batterien werden heute normalerweise als zylinderförmige Zellen mit einem U-förmigen Elektrolyten aus β-Al₂O₃ aufgebaut. Dies ist ausführlich bei Angelis, Birnbreier, Haase: ETZ 14/87 und Dell, Bones: B. Electrochem 4 (4), 319 (1988) dargestellt. Die Zellen der Batterie sind mit 2 Polen (+ und -) versehen, wobei im allgemeinen das Gehäuse der Zelle einen Pol darstellt; der andere Pol wird am oberen Ende des Zylinders, in der Mitte isoliert, mittels einer Metallkeramikverbundes, herausgeführt. In der Batterie sind die Zellen durch entsprechende Verbindung des Pluspoles der einen Zelle mit dem Minuspol der folgenden in Serie geschaltete, um entsprechende Spannungen der Batterie aufzubauen. Das bedeutet, daß beim Aufbau der Batterie die Schaltung mit Schweiß- bzw. Montagearbeiten verbunden ist.

Plattenförmige Zellen mit Festelektrolyten sind aus der Literatur bekannt; in der o. a. Literaturstelle wird eine flache Zelle bereits dazu benutzt, um das Prinzip einer Sekundärzelle mit Festelektrolyt zu beschreiben (Na/S- Zelle), bisher wurden aber nur die zylindrischen Zellen für die praktische Anwendung weiterentwickelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sekundärbatterie der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß durch einfache Aneinanderreihung von Einzelzellen ein gewünschtes Vielfaches der Zellenspannung erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einzelzellen plattenförmig sind und daß je zwei benachbarte, einander gegenüberstehende Gehäusewände zweier Einzelzellen zumindest an den Berührungsstellen der Vorsprünge elektrisch leitend als Stromableiter je für unterschiedliche Polaritäten ausgebildet sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige Kühlung bei geringem Kühlaufwand und ein einfacher Batterieaufbau mit einfacher Verschaltung erzielt wird. Herausgeführte Polklemmen sind an den plattenförmigen Einzelteilen nicht notwendig. Die elektrische Verbindung für in Reihe geschaltete Einzelzellen läßt sich daher mit minimalem Aufwand erreichen.

Die Gehäusewände bestehen insbesondere aus Metall. Durch das Aneinanderreihen der Einzelzellen werden diese elektrisch in Serie geschaltet. Die Gehäusewände an den Enden eines Stapels von Einzelteilen führen somit unterschiedliche Polaritäten. An den Enden steht die Summe der Spannungen der Einzelzellen zur Verfügung.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der oben beschriebenen Maßnahmen sind in den Ansprüchen 3 bis 9 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigt

Fig. 1 eine Einzelzelle im Querschnitt,

Fig. 2 mehrere, in Serie angeordnete Einzelzellen von der Seite, teilweise im Querschnitt.

Eine Einzelzelle 1 ist plattenförmig ausgebildet und enthält einen flachen, z. B. in Form einer ebenen Platte ausgebildeten, Festelektrolyten 2. Der Festelektrolyt 2 kann aus β-Aluminiumoxid bestehen, das natriumionenleitend ist. Beiderseits des Festelektrolyten sind Gehäuseteile 4, 5 angeordnet, die an ihren Rändern mit dem Rand 3 verbunden sind und aus Metall bestehen. Durch den Rand 3 bzw. einen Streifen des Randes 3 sind die Metallteile 4, 5 voneinander elektrisch isoliert. Die Gehäuseteile 4, 5 bilden jeweils den +Pol und den -Pol der Einzelzelle 1. Das Metallteil 4 ist als ebenen Platte ausgebildet und hat eine ebene Gehäusewand. Das Gehäuseteil 5 hat Vorsprünge 6, deren äußere Enden in einer gedachten, nicht näher in der Zeichnung dargestellten Ebene liegen. Die Vorsprünge 6 beruhen auf einer wellenförmigen Ausgestaltung der Gehäusewand 7 des Gehäuseteils 5. Zwischen dem Festelektrolyten 2 und den Gehäuseteilen 4, 5 erstrecken sich Hohlräume 8, 9, die die Masse der positiven Elektrode und die Masse der negativen Elektrode aufnehmen, z. B. Natrium als negative Elektrode und Nickelchlorid als positive Elektrode zusammen mit dem zusätzlichen Elektrolyten NaAlCl₄ im Falle der Zebrazelle. Die Gehäuseteile, die auch haubenförmig ausgebildet sein können, haben zumindest bei einem der beiden Gehäuseteile eine wellen­ förmige Oberfläche mit parallel angeordneten Wellen.

Wenn das Gehäuseteil 4 einer Einzelzelle 1 mit einer ebenen Gehäusewand auf einer Gehäusewand 7 einer benachbarten Einzelzelle aufliegt, begrenzen die Gehäusewände Kanäle, durch die ein Kühlmedium, z. B. Luft, hindurchtreten kann. Zugleich sind der positive Pol der einen Einzelzelle und der negative Pol der anderen Einzelzelle miteinander leitend verbunden, so daß die Einzelzellen elektrisch in Serie geschaltet sind.

Es ist auch günstig, wenn die beiden Gehäuseteile einer Einzelzelle, also der + und -Pol, eine wellenförmige Oberfläche aufweisen. Eine entsprechende Batterie ist in Fig. 2 dargestellt. Die Einzelzellen 10, 11, 12, die jeweils gleiche Festelektrolyte 2 enthalten, weisen auf zwei, einander entgegen­ gesetzten Gehäuseteilen jeweils wellenförmige Gehäusewände 13, 14 auf, deren Wellenabstand gleich ist, während die Wellenhöhe im allgemeinen unterschied­ lich ist. Die drei Einzelzellen 10, 11, 12 sind zu einem Stapel vereinigt, wobei jeweils die Gehäusewände 13, 14 benachbarter Einzelzellen 10, 11 bzw. 11, 12 einander unter Bildung von Kanälen 15 berühren. Im allgemeinen ist die Wellenhöhe des -Pols, also die der Gehäusewand 13 geringer als die der Gehäusewand 14.

Beim Aneinanderreihen der Zellen 10, 11, 12, das horizontal, also mit liegenden Zellen 10, 11, 12, oder vertikal, also mit stehenden Zellen, erfolgen kann, greifen die Wellen des einen Gehäuseteils der ersten Zelle direkt in die Wellen des anderen Gehäuseteiles der folgenden Zelle. Durch die unterschiedliche Höhe der Wellen entstehend die Kanäle 15, die der Führung eines Kühlmediums, z. B. Kühlluft, dienen. Weiter wird durch das Aneinander­ reihen unmittelbar die Reihenschaltung der Zellen 10, 11, 12 erreicht. Die Zellstapel werden lediglich isolierend mechanisch verspannt, um den Übergangswiderstand von Zelle zu Zelle zu minimieren. Es ist natürlich möglich, zusätzlich durch Verschrauben, Verschweißen oder Verlöten von diskreten Anschlüssen die gewünschte Schaltung zu realisieren.

Im Fall einer glatten Oberfläche eines Gehäuseteiles 4 und der wellen­ förmigen des anderen 5 wird ganz analog verfahren. Durch Aneinanderreihen der ersten Zelle mit der glatten Seite an die gewellte Seite der folgenden Zelle erreicht man die Reihenschaltung bei gleichzeitiger Bildung der kühlluft­ führenden Kanäle.

Bei beiden Varianten werden die einzelnen Zellen beidseitig von der zuge­ führten Kühlluft gekühlt und Temperaturgradienten innerhalb einer Zelle minimiert. Durch das Stapeln der Einzelzellen in der Batterie wird außerdem automatisch eine Reihenschaltung erreicht, die vielfach unerläßlich ist, um praxisgerechte Spannungen aus den Spannungen der Einzelzellen, im Fall der Zebrazelle liegt die Ruhespannung für Na/NiCl₂ bei 2,59 V, zu erzeugen.

Es ist möglich, daß die Geometrie der Einzelzelle rund, quadratisch oder rechteckig ist, d. h. die Breitseiten sind rund, quadratisch oder rechteckig. Während bei quadratischen und rechteckigen Zellen alle parallel angeordneten Kanäle gleich lang sind und gleichen Luftwiderstand aufweisen, werden bei Rundzellen die Kanäle immer kürzer je weiter man sich zum Rand bewegt und damit der Luftwiderstand bei gleicher Kanalgeometrie immer kleiner. Der Anfall an Verlustleistung ist aber bei runden Zellen in der Mitte am größten. Daher wird bei runden Zellen der Kanalquerschnitt zunehmend kleiner gewählt, je weiter der Kanal am Rand liegt. Es hat sich als günstig erwiesen, den Quotienten Kanallänge/Wellenbreite für alle Kanäle einer Rundzelle gleich zu halten.

Es hat sich gezeigt, daß die Formgebung der Gehäuseteile nicht zwangsläufig wellenförmig sein muß. Auch trapezartige oder rechteckige Stege erfüllen den gleichen Zweck, soweit beim Aneinanderreihen der Zellen Kühl­ kanäle entstehen und automatisch eine Serienschaltung realisiert wird.

Auch unregelmäßige Erhebungen auf den Gehäuseteilen, wie Ausstülpungen oder höckerartige Erhebungen, die beim Aneinanderreihen der Zellen zur Serien­ schaltung führen und dabei Zwischenräume für die Luftführung schaffen, sind geeignet.

Generell sind unter Vorsprüngen oder Erhebungen bei den Gehäuseteilen alle Maßnahmen zu verstehen, die beim Aneinanderreihen der Zellen zur Bildung von Räumen führen, die der Kühlmittelführung dienen, d. h. es können auch Abstandsstücke eingefügt werden, die nicht integraler Bestandteil der Gehäusewandung sind. Derartige Abstandsstücke können kraft- und oder formschlüssig an den Gehäuseteilen befestigt sein. Die von den Einzelzellen ausgehende Wärme wird dabei über die Gehäusewände zum Teil unmittelbar dem Kühlmedium und zum Teil über die Abstandsstücke dem Kühlmedium zugeführt.

Das Kühlmedium kann auch zwangsweise bewegt werden, wobei das Kühlmedium­ volumen pro Zeiteinheit an die erzeugte Verlustwärme angepaßt werden kann, indem z. B. mittels einer Regelung die Temperatur in den Kühlkanälen konstant gehalten wird.

Claims (9)

1. Sekundärbatterie mit mindestens zwei Einzelzellen, die je mindestens eine Gehäusewand mit Vorsprüngen aufweisen, die an einer Gehäusewand der benachbarten Einzelzelle unter Bildung von Kanälen für ein Kühlmedium anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen plattenförmig sind und daß je zwei benachbarte, einander gegenüberstehende Gehäusewände zweier Einzelzellen zumindest an den Berührungsstellen der Vorsprünge elektrisch leitend als Stromableiter je für unterschiedliche Polaritäten ausgebildet sind.

2. Sekundärbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewände (4, 5; 13, 14) aus Metall bestehen.

3. Sekundärbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand (13, 14) mit parallel laufenden, wellenförmigen Erhebungen versehen sind.

4. Sekundärbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewände mit unregelmäßig geformten Erhebungen versehen sind.

5. Sekundärbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen (1, 10, 11, 12) auf ihrer Breitseite rund sind.

6. Sekundärbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei runden Einzelzellen der Quotient Kanallänge/Kanalbreite für alle Kanäle gleich ist.

7. Sekundärbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aneinandergereihte Einzelzellen (10, 11, 12) isolierend verspannt sind.

8. Sekundärbatterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einem mechanischen Andruck durch Aneinanderreihen und Verspannen die Einzelzellen an den Polen durch eine gelötete, geschweißte oder mechanisch montierte Verbindung verschaltet sind.

9. Sekundärbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen (10, 11, 12) beim Stapeln in der Batterie vertikal angeordnet sind.