DE3923308C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zylindrische Nickel/Wasserstoffzelle mit Metallgehäuse und innenseitiger Isolierung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der US-PS 41 77 328 als bekannt hervorgeht.

Nickel-Wasserstoffzellen sind elektrochemische Sekundärelemente, die in einem gasdichten, meist zylindrischen, druckdichten Metallgehäuse mit halbkugelförmigen Böden einen Elektrodenstapel enthalten. Dieser ist aus kreisscheibenförmigen positiven Nickeloxid-Masseelektroden, aus negativen Wasserstoff-Katalysatorelektroden, ferner aus zwischen den Elektroden angeordneten Separatoren und aus Diffusionskörpern aufgebaut. Der alkalische Elektrolyt ist in den Poren der Stapelbestandteile aufgesaugt. Der Lade- und Entladevorgang der Zelle wird vereinfacht durch die Reaktionsgleichung

beschrieben. Negative Masse ist der druckgespeicherte Wasserstoff. Wegen des Aufbaus aus potentiell langlebigen Elektroden und der Unempfindlichkeit gegen Überladen und Umpolen ist das bevorzugte Anwendungsgebiet: Satellitenbatterien, die von fotovoltaischen Generatoren geladen werden.

Im Zuge der Entwicklung der Nickel/Wasserstoffzelle haben sich Standardbauformen für bestimmte Anwendungen herausgebildet. So ist für Zellen, die in geostationären Satelliten unter geringer Strom- und thermischer Belastung betrieben werden, ein Stapelaufbau mit zwei zwischen negativen Elektroden Rücken an Rücken angeordneten positiven Sinterelektroden üblich (vgl. z. B. die US-PS 41 15 630). Die Stromfahnen sind bei diesen Zellen außen an den Elektroden befestigt und werden zwischen dem Stapelrand und dem Zellengehäuse zu den Polen in den Gehäusestirnseiten geführt. In den höher belasteten Zellen für erdnahe Satellitenumlaufbahnen wird dagegen jeder der dünnen positiven Sinterelektroden eine negative Elektrode zugeordnet (vgl. z. B. die US-PS 40 38 461). In der Stapelachse wird durch kreisrunde Aussparungen der Stapelbestandteile ein zylindrischer Hohlraum gebildet, in dem die Stromfahnen geführt sowie die Komponenten des Stapels zentriert und aufeinander gespannt werden. Die klassische negative Elektrode enthält Platin als Katalysator auf einem Kohleträger und ist durch Polytetrafluorethylen hydrophobiert. An der dem Separator abgewandten Seite der negativen Elektrode dient ein Kunststoffnetz als Abstandshalter zur nächsten Stapelkomponente, um der negativen Masse Wasserstoff den Zugang zur Reaktionszone in der Katalysatorelektrode zu gestatten.

Aus Sicherheitsgründen ist der Elektrodenstapel gegen das druckdichte Metallgehäuse dieser Zelle, wie im übrigen auch in anderen Zellen mit Metallgehäusen, elektrisch isoliert. Üblich sind in diesem Zusammenhang z. B. Wickel aus elektrolytbeständiger Isolierfolie um den Elektrodenstapel herum, die jedoch axial nicht fixiert werden und sich bei der Montage der Zelle undefiniert verschieben können. Bekannt sind auch zumindest annähernd vollständig aus Kunststoff bestehende Gehäuse, die lediglich metallarmiert sind. Diese Gehäusebauform hat den Nachteil, daß sie nicht gasdicht ist und eine Diffusion beispielsweise von Sauerstoff oder Wasserstoff aus dem bzw. in das aus Kunststoff bestehende Zellengehäuse nicht unterbinden können. Bei gasdichten Metallgehäusen ist es ferner bekannt, diese innen mit Kunststoff zu beschichten. Es ist jedoch schwierig, hinreichend beständige, gut haftende Materialien zu finden, die speziell von alkalischen Elektrolyten nicht unterkrochen werden können. Insbesondere für Nickel/Wasserstoffzellen für einen Satelliteneinsatz in der höher belasteten erdnahen Umlaufbahn sind zur Isolierung Keramikschichten im Plasmasprühverfahren an der Innenseite des Metallgehäuses angebracht worden (US-PS 41 77 328).

Bekannt sind auch elektrische Speicherzellen, bei denen die Elektrodenstapel innerhalb des Zellengehäuses in Serie geschaltet sind. Diese Zellen stellen besonders hohe Anforderungen an die Stapelisolierung. Bei derartigen Zellen ist es bekannt, ineinandersteckbare becherförmige Isolierkörper aus Polytetrafluorethylen zu verwenden (US-PS 43 27 158).

Aus der US-PS 42 15 184 ist es ferner bekannt, vernickelte Fasergerüste als Diffusionskörper und als elektrisch leitender Katalysatorträger für die negative Elektrode zu verwenden. Diese Fasergerüste können als Elektrolytreservoir dienen und sorgen für eine hydraulische Verbindung aller Elektroden eines Stapels ohne die Verwendung von Dochten. Sie verbessern außerdem den Temperaturausgleich innerhalb des Elektrodenstapels. Gleichwohl ist es auch hier erforderlich, den Elektrodenstapel gegen das Gehäuse zu isolieren.

Bei aus Isolierfolie gewickelter Isolation zwischen Elektrodenstapel und Metallgehäuse ist es schwierig, derartige Wickel lagedefiniert in das Metallgehäuse einzubringen und innerhalb des Verbundes in der gewünschten Lage zu sichern. Bei Speicherzellen mit Kunststoffgehäusen ist deren Fertigung sehr schwierig und meist mit einem sehr großen Materialverbrauch verbunden. Keramikbeschichtungen an der Innenseite von Metallgehäusen haben den Nachteil, daß sie die elastische Dehnung des Gehäuses während der entlade- bzw. aufladebedingten Druckänderung nicht ohne weiteres mitmachen können und daher zur Rißbildung neigen. Die elektrische Isolierung eines derart beschichteten Gehäuses wird daher mit zunehmendem Alter der Speicherzelle schlechter.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Speicherzelle mit Metallgehäuse dahingehend zu verbessern, daß die Isolierung leicht ist, rasch und problemlos hergestellt, auf einfache Weise lagedefiniert in die Zelle eingebaut und in ihrer Lage darin gesichert werden kann sowie in ihrer elektrisch isolierenden Wirkung lebensdauerbeständig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Der auf einfache Weise im Folientiefziehverfahren herstellbare Isolierkörper wird axial über den fertig montierten Elektrodenstapel geschoben. Sein Rand kann entweder zwischen Endelektrode und Endplatte des Elektrodenstapels eingeklemmt werden oder aber bis an die Endplatte des fertig montierten Elektrodenstapels geschoben werden. Im letzteren Falle wird der Isolierkörper durch die Reibung zwischen Gehäusewand und Stapel festgehalten. Er kann zusätzlich mit dem nach innen überstehenden Bund an der Stapelendplatte fixiert werden. Wesentlich ist in jedem Fall eine enge Passung des Außendurchmessers des Zylindermantels des Isolierkörpers mit der Innenwand des Metallgehäuses, um einen innigen, wärmeleitenden Kontakt zwischen beiden zu erzielen, damit es nicht innerhalb des Elektrodenstapels zu einem Wärmestau kommen kann, sondern die Wärme zügig über das Metallgehäuse nach außen abgegeben werden kann. Der Elektrodenstapel wird im Innern des Zylindermantels des Isolierkörpers durch die am Außenrand überstehenden Ränder der Separatorblätter auf Abstand gehalten und zentriert. Eine zusätzliche Zentrierung kann durch Noppen am Außenrand der Stapelendplatten erfolgen, die den erwähnten Abstand überbrücken. Die Länge des Zylindermantels des Isolierkörpers ist ausreichend groß bemessen, um alle Teile eines Elektrodenstapels axial zu überdecken. Aufgrund dessen ist einem Kriechstrom zwischen Metallgehäuse und Elektrodenstapel ein maximaler Widerstand entgegengesetzt.

Geeignete Materialien für die Herstellung der Isolierkörper sind thermoplastische, tiefziehfähige Folien, die elektrolytbeständig sind. Besonders bevorzugt sind transparente, gut temperaturbeständige Materialien wie Polysulfon (PSU), Polyetherketon (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK). Transparente Materialien gestatten eine Kontrolle des Zustandes der Separatorränder nach der Montage des Isolierkörpers. Eine hohe Temperaturbeständigkeit erlaubt die Positionierung des Bauteils bis nahe an die Rundschweißnaht des Gehäuses und erleichtert damit die konstruktive Gestaltung der Anbindung des Stapels an das Gehäuse.

Als Verfahren zur Herstellung der Isolierkörper ist insbesondere das Vakuumtiefziehen geeignet. Es erlaubt die Verwendung von thermoplastischen Folien als Ausgangsmaterial, die geringe Wandstärken und damit einen sparsamen Materialeinsatz sowie niedriges Gewicht ergeben. Zunächst wird aus einem quadratischen Folienzuschnitt ein Zylinder mit flachem Boden gezogen, aus dem ein kreisrundes Teil ausgestanzt wird, so daß ein etwa 1 bis 5 mm nach innen abragender Bund übrig bleibt. Anschließend wird am axial gegenüberliegenden Ende des Isolierkörpers der in Form einer Hutkrempe übrig gebliebene Folienrand abgeschnitten. Vor allem die Formgebung durch positives Vakuumtiefziehen über einen Stempel liefert gut maßhaltige und dünnwandige Zylinder mit reproduzierbarer Wandstärke.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 eine Gesamtdarstellung einer Nickel/Wasserstoffzelle mit mittig geteiltem Metallgehäuse und Elektrodenstapel,

Fig. 2 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Isolierkörpers,

Fig. 3 eine vergrößerte, ausschnittsweise Einzeldarstellung der Einzelheit III aus der Speicherzelle nach Fig. 1, bei der der Bund des Isolierkörpers zwischen Endelektrode und Stapelendplatte eingeklemmt ist und

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführung, bei der der Bund außenseitig an der Stapelendplatte anliegt.

In der Gesamtdarstellung nach Fig. 1 ist eine zylindrische Nickel/Wasserstoffzelle 1 dargestellt, die zwei Elektrodenstapel 2 aufweist, bei der runde Elektrodenplatten 3 bzw. 3′ unter Zwischenschaltung von blattförmigen Separatoren 4 senkrecht zur Zylinderachse 16 aufgestapelt sind. Die Elektrodenplatten sind im Bereich ihres Zentrums kreisförmig ausgespart und dort auf Zentrierdorne aufgereiht. Dort greifen auch die Stromableiterfahnen 7 an den einzelnen Elektrodenplatten an, die zu den isoliert angebrachten Polbolzen 6 führen. In einem axialsymmetrischen Aufbau sind zwei Elektrodenstapel hintereinanderliegend angebracht, wobei die beiden Elektrodenstapel 2 jeweils zwischen einer Mittelplatte 9 und einer Endplatte 5 angeordnet sind. Die beiden Mittelplatten stützen sich axial an einem Schweißring 10 ab. Das die Elektrodenstapel eng umschließende, dünnwandige Metallgehäuse 8 ist aus zwei Gehäusehälften gebildet, die im Bereich des Schweißringes über eine Umfangsnut druckdicht miteinander verschweißt sind, wobei zugleich der Schweißring 10 mit dem Gehäuse verschweißt wird. Die Böden 11 des Gehäuses sind kugelkalottenförmig oder halbellipsenförmig ausgebildet.

Lediglich im Bereich der Durchführung der Polbolzen ist ein entsprechendes Auge an den Boden 11 angeformt.

Zur elektrischen Isolierung zwischen der Innenseite des Metallgehäuses 8 und dem Außenumfang des Elektrodenstapels ist jeweils ein einheitlicher dünnwandiger Isolierkörper 12 für jeden Elektrodenstapel vorgesehen, der in Form eines in Umfangsrichtung geschlossenen Zylindermantels 13 mit an einer Endseite radial nach innen ragendem Bund 14 ausgebildet ist. Der Zylindermantel erstreckt sich axial über die Gesamtlänge des Elektrodenstapels 2. Die Wanddicke s des Isolierkörpers 12 kann etwa 30 bis 150 µm betragen. Er kann aus tiefziehfähigem thermoplastischem Folienmaterial bestehen, wobei vorzugsweise transparenter oder durchsichtiger Werkstoff verwendet wird. Polysulfone oder Polyetheretherketone sind hierfür geeignete Werkstoffe.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Isolierkörper 12 mit seinem radial nach innen ragenden Bund 14 zwischen die - negative - End-Elektrodenplatte 3′ und die Stapelendplatte 5 eingeklemmt und dadurch axial innerhalb des Elektrodenstapels 2 fixiert. Der Isolierkörper 12 liegt engt an der Innenseite des Gehäuses 8 an. Die Separatoren 4 des Elektrodenstapels zwischen den negativen Elektroden 3′ und den positiven Elektroden 3 reichen gerade bis an die Innenseite des Zylindermantels 13 des Isolierkörpers 12. Auch dadurch kommt eine gewisse Zentrierung des Isolierkörpers in Relation zum Elektrodenstapel zustande.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Abwandlung des Ausführungsbeispieles liegt der Isolierkörper 12 mit seinem radial nach innen ragenden Bund 14 axial an der freien Stirnseite der Stapelendplatte 5′ des Elektrodenstapels 2 an. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Isolierkörper nur in einer Richtung formschlüssig axial fixiert, nämlich in Aufsteckrichtung des Isolierkörpers von oben auf den Elektrodenstapel. Gegen Abziehen des Isolierkörpers 12 vom Elektrodenstapel nach oben wird er lediglich reibschlüssig durch die innenseitig am Zylindermantel 13 unter Vorspannung anliegenden Ränder der Separatorblätter 4′ fixiert. Diese üben jedoch eine ausreichend hohe Kraft gegen ein Abziehen des Isolierkörpers vom Elektrodenstapel aus; auch im Betrieb ist dadurch eine ausreichende Halterung des Isolierkörpers gegen ein erschütterungsbedingtes axiales Ausweichen nach oben gegeben. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Elektrodenstapel über die Ränder der Separatorblätter innenseitig an dem Isolierkörper zentriert. Außerdem ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eine Zentrierung der Stapelendplatte 5′ über Noppen 15 vorgesehen, die radial vom Außenumfang der Stapelendplatte 5′ abragen. Die Noppen 15 zentrieren die Stapelendplatte 5′ unter Zwischenschaltung des Zylindermantels 13 des Isolierkörpers an der Innenseite des Metallkörpers 8. Wie in Fig. 3 strichpunktiert angedeutet, könnten auch bei der dort vorgesehenen Stapelendplatte 5 entsprechende Noppen 15 vorgesehen sein, die die Stapelendplatte 5 unmittelbar an der Innenseite des Metallgehäuses 8 zentrieren.

Nachfolgend soll noch ein Beispiel für die Herstellung eines Isolierkörpers 12 gegeben werden: für eine axial mittig geteilte Nickel/Wasserstoffzelle mit einer Speicherkapazität von 50 Ah wurde ein Isolierkörper gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere nach Fig. 2 angefertigt. Ausgangsmaterial war eine Folie aus Polyetheretherketon mit einer Dicke von 250 µm; dieses Folienmaterial ist unter der Bezeichnung PEEK Stabar K 200, Imperial Chemical Industries, UK im Handel erhältlich. Diese Folie ist amorph und transparent und hat eine Glasübergangstemperatur T_g von 143°C. Aus dieser Folie wurden Quadrate mit einer Seitenlänge von 250 mm ausgeschnitten. Sie wurden auf 160 bis 170°C erwärmt. Durch positives Vakuumtiefziehen über einen auf weniger als 130°C erwärmten Stempel wurde ein zylindrischer Becher mit flachem Boden ausgeformt. Die Höhe des Bechers war zunächst 10 mm größer als für die Höhe des Elektrodenstapels benötigt. Die Wandstärke des Zylindermantels betrug 120 ± 50 µm, sein durchschnittlicher Außendurchmesser war um etwa 0,1 mm geringer als der Innendurchmesser des Metallgehäuses 8 der Speicherzelle. Aus dem Boden eines solcherart geformten Bechers wurde eine kreisrunde Fläche von 83 mm Durchmesser zentrisch ausgestanzt und der Zylindermantel auf das erforderliche Höhenmaß geschnitten.

Die Erfindung kann naturgemäß in vielfältigen Variationen angewandt werden. Beispielsweise können metallische Endplatten anstelle von Kunststoff-Endplatten verwendet werden. In diesem Falle ist es zweckmäßig, nur eine kleine Öffnung in den ebenen Boden des Isolierkörpers als Durchlaß für die Elektrodenfahnen zu stanzen und den Boden zur Isolierung gegen die Endplatten zu benützen. Auch kann in axial geteilten Speicherzellen der eingezogene Bund anstelle der in Fig. 3 dargestellten Verwendungsmöglichkeit auch zwischen der Mittelplatte 9 und der benachbarten Endelektrodenplatte eingeklemmt werden. Solche Änderungen verlassen nicht den Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Abgesehen von der Lösung des weiter oben geschilderten, der Erfindung zugrunde gelegten technischen Problems werden auch noch weitere Vorteile der Erfindung im Vergleich zum geschilderten Stand der Technik deutlich:

• - Der transparente Isolierkörper erlaubt nach dem Aufstecken auf den Elektrodenstapel eine Kontrolle des Zustandes der Ränder der Separatoren und schützt diese beim Einbau in das Metallgehäuse der Speicherzelle.
• - Der Isolierkörper dient auf diese Weise bei der Montage der Speicherzelle als Einbauhilfe und läßt das Metallgehäuse leicht und zentrisch über den Elektrodenstapel gleiten.
• - Die Art der axialen Fixierung des Isolierkörpers am Elektrodenstapel läßt eine gegenseitige Verschiebung von Metallgehäuse und Isolierkörper in Richtung der Zylinderachse zu und vermeidet auf diese Weise eine Übertragung mechanischer Kräfte zwischen Elektrodenstapel und Metallgehäuse; gleichwohl wird die elektrische Isolierung aufrechterhalten.
• - Die Funktionstrennung zwischen Dochtfunktion einerseits und Isolierfunktion andererseits aufgrund des gegenüber dem Metallgehäuse gesonderten und lösbaren Isolierkörpers gewährleistet gleichwohl aufgrund einer engen Passung zwischen Isolierkörper und Metallgehäuse einen guten Wärmeübergang. Andererseits können überlappende Ränder der Separatorblätter nicht nur die Dochtfunktion übernehmen, sondern diese Ränder drücken außerdem den Zylindermantel des Isolierkörpers innig an die Innenseite des Metallgehäuses an, so daß der Wärmeübergang durch das "Atmen" des Metallgehäuses während der Ladezyklen nicht beeinträchtigt wird.

Claims (10)

1. Zylindrische Nickel/Wasserstoffzelle mit senkrecht zur Zylinderachse aufgestapelten Elektroden und Separatoren - Elektrodenstapel -, wobei jede der zentrisch ausgesparten Elektrodenplatten jeweils am Rand dieser Aussparung mit einer Stromableiterfahne versehen ist, und mit einem den Elektrodenstapel umschließenden, mit halbkugelförmigen oder halbellipsoidförmigen, stirnseitigen Böden abgeschlossenen, druckfesten Metallgehäuse, ferner mit einer elektrischen Isolierung zwischen der Innenseite des Metallgehäuses und dem Außenumfang des Elektrodenstapels, wobei die Isolierung unter einem innigen, wärmeleitenden Kontakt innenseitig am Metallgehäuse anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolierung aus einem separaten, dünnwandigen Isolierkörper (12) in Form eines in Umfangsrichtung geschlossenen Zylindermantels (13) mit einseitig radial nach innen ragenden Bund (14) besteht, dessen Zylindermantel (13) sich axial über die gesamte Länge des Elektrodenstapels (2) erstreckt, wobei der radial nach innen ragende Bund (14) des Isolierkörpers (12) axial zwischen der im Elektrodenstapel (2) letzten Elektrodenplatte (3′) und der stirnseitigen Stapelendplatte (5) eingeklemmt ist oder wobei der radial nach innen ragende Bund (14) des Isolierkörpers (12) axial an der freien Stirnseite der Stapelendplatte (5′) des Elektrodenstapels (2) anliegt.

2. Nickel/Wasserstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (s) des Isolierkörpers (12) etwa 30 bis 150 µm beträgt.

3. Nickel/Wasserstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (12) aus tiefziehfähigem, thermoplastischem Folienmaterial besteht.

4. Nickel/Wasserstoffzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (12) aus einem durchsichtigen Werkstoff besteht.

5. Nickel/Wasserstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (12) aus einem Werkstoff der Gruppe der Polysulfone (PSU) besteht.

6. Nickel/Wasserstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (12) aus einem Werkstoff der Gruppe Polyetherketon (PEK) oder aus einem Werkstoff der Gruppe Polyetheretherketon (PEEK) besteht.

7. Nickel/Wasserstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (12) mit seinem Zylindermantel (13) den Elektrodenstapel (2) umschließt und unter leichter Vorspannung an den überstehenden Rändern der Separatorblätter (4, 4′) anliegt, wobei diese (4, 4′) den Elektrodenstapel (2) im Isolierkörper (12) zentrieren.

8. Nickel/Wasserstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelendplatte (5, 5′) über radial von ihrem Außenumfang abragende Noppen (15) innerhalb des Metallgehäuses (8) zentriert ist.

9. Nickel/Wasserstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelendplatte (5′) über die Noppen (15) unter Zwischenlage des Zylindermantels (13) des Isolierkörpers (12) innerhalb des Metallgehäuses (8) zentriert ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen, zylindrischen Isolierkörpers mit einseitig radial nach innen abragendem Bund zur Anwendung bei einer Nickel/Wasserstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Herstellen eines ebenen Zuschnittes aus einer tiefziehfähigen thermoplastischen Folie,
• b) Erwärmen des Folienzuschnittes auf Tiefziehtemperatur,
• c) Ausformen eines becherförmigen zylindrischen Körpers über einem formgebenden Werkzeug durch Vakuum-Tiefziehen mit anschließendem Abkühlen und Ausformen des Rohlings vom Werkzeug,
• d) Besäumen des Rohlings am freien Ende des zylindrischen Teils (13) des Körpers und
• e) Ausstanzen einer Ronde aus dem "Boden" des becherförmigen Körpers zum Freilegen des radial nach innen abragenden Bundes (14).