DE4004040C1

DE4004040C1 - Nickel-hydrogen cell - has electrode end plates next to centre plates hydraulically connected by one or several wicks within electrode contour

Info

Publication number: DE4004040C1
Application number: DE4004040A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr. 7300 Esslingen De Gutmann
Original assignee: DEUTSCHE AUTOMOBILGESELLSCHAFT MBH 3000 HANNOVER DE
Current assignee: DEUTSCHE AUTOMOBILGESELLSCHAFT MBH 3000 HANNOVER DE
Priority date: 1990-02-10
Filing date: 1990-02-10
Publication date: 1991-04-11
Anticipated expiration: 2010-02-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel/Wasserstoff-Zelle nach dem Oberbegriff nach Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der US-PS 45 46 045 als bekannt hervorgeht.

Die Nickel/Wasserstoff-Zellen sind elektrochemische Sekundär elemente, die in einem gasdichten, meist zylindrischen Druck gehäuse mit halbkugelförmigen Kuppen einen Zellenstapel ent halten. Dieser ist aus kreisscheibenförmigen positiven Nickel oxid-Masseelektroden, negativen Wasserstoff-Katalysatorelek troden, zwischen den Elektroden angeordneten Separatoren und Diffusionskörpern aufgebaut. Der alkalische Elektrolyt ist in den Poren der Stapelbestandteile aufgesaugt. Der Lade- und Entladevorgang der Zelle wird vereinfacht durch die Reaktions gleichung

angegeben.

Die negative Masse ist der druckgespeicherte Wasserstoff. Wegen des Aufbaus aus potentiell langlebigen Elektroden und der Un empfindlichkeit gegen Überladen und Umpolen sind das bevorzugte Anwendungsgebiet Satellitenbatterien, die von photovoltaischen Generatoren geladen werden.

Im Zuge der Entwicklung der Nickel/Wasserstoff-Zelle haben sich Standard-Bauformen für bestimmte Anwendungen herausgebildet; so ist für Zellen, die in geostationären Satelliten unter geringer Strom- und thermischer Belastung betrieben werden, ein Stapel aufbau mit zwei zwischen negativen Elektroden Rücken an Rücken angeordneten positiven Sinterelektroden üblich (back-to-back- configuration; US-PS 41 15 630). Die Stromfahnen sind außen an den Elektroden befestigt und werden zwischen dem Stapelrand und dem Zellengehäuse zu den Polen in den Gehäusekuppen geführt. In den höher belasteten Zellen für erdnahe Satellitenumlaufbahnen (low earth orbit, LEO) wird dagegen jeder der dünnen positiven Sinterelektroden eine negative Elektrode zugeordnet (US-PS 40 38 461). In der Stapelachse wird durch kreisrunde Ausspa rungen der Stapelbestandteile ein zylindrischer Hohlraum ge bildet, in dem die Stromfahnen geführt sowie die Komponenten des Stapels zentriert befestigt 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 (je nach Bauart positiver oder negativer Ladung), um der nega tiven Masse Wasserstoff den Zugang zur Reaktionszone in der Katalysatorelektrode zu gestatten. Insbesondere für LEO-Zellen sind ferner durch Plasmasprühen an der Zellgehäuse-Innenwand aufgetragene Keramikschichten gebräuchlich, die als Docht fun gieren (US-PS 41 77 328) und für eine gleichmäßige Elektrolyt verteilung im Elektrodenstapel sorgen sollen. In Erweiterung dieser Funktion wurden solche Dochte mit Katalysatorstreifen zur Verbesserung der Rekombination des bei Überladen entste henden Sauerstoffs mit dem Wasserstoff der Zellenatmosphäre versehen (US-PS 45 84 249). Die die Elektrodenränder weit überragenden Separatoren sind im Abstand der Katalysator streifen bis an die Elektrodenränder eingeschnitten und über lappen einander daher nach dem Einschieben in das Gehäuse nur an den katalysatorfreien Wandzonen. Sie bilden ein weiteres, der Wand anliegendes elektrolytgefülltes Dochtsystem. Zusätz lich wurden poröse Körper als Elektrolytreservoir außerhalb (US-PS 40 04 068) oder innerhalb (US-PS 41 27 703) des Elek trodenstapels eingesetzt, um eine ausreichende Elektrolytmenge für die Lebensdauer der Zelle bereit zu halten. Schließlich sind Zellen bekannt, die in Zellenmitte senkrecht zur Rotati onsachse des zylindrischen Zellenstapels geteilt sind (US-PS 45 46 054), woraus sich ein geringeres Ausbeulen des Zellenge häuses durch den Wasserstoffdruck und die Halbierung der "Sta pelatmung" durch die Volumenänderung der positiven Masse wäh rend des Zyklisierens ergeben. Weiterhin ist es bekannt (US-PS 44 20 545) eine mittige Teilung des Zellengehäuses mit durch gängigem, an den Gehäusedomen abgestütztem Elektrodenstapel vorzunehmen. Alle genannten Merkmale von Nickel/ Wasserstoff-Zellen sind bekannt und zählen zum Stand der Technik.

Zum Stand der Technik zählt auch die Anwendung vernickelter Fasergerüste als Diffusionskörper und elektrisch leitender Ka talysatorträger für die negative Elektrode (US-PS 42 15 184). Diese Fasergerüste können als Elektrolytreservoir dienen und sorgen für eine hydraulische Verbindung aller Elektroden eines Stapels ohne die Anwendung von Dochten. Sie verbessern außerdem den Temperaturausgleich innerhalb des Elektrodenstapels. Da durch ist es möglich, den Elektrodenstapel gegen das Zellenge häuse durch einen zylindrischen, auf den Stapel aufgeschobenen Mantel aus temperaturbeständigem Kunststoff zu isolieren, ohne auf einen Elektrolytkonzentrationsausgleich innerhalb des Sta pels verzichten zu müssen. Die elektrische Isolierung des Sta pels gegen das Gehäuse ist gleichwohl besser als bei auf das Gehäuse aufgetragenen Keramikschichten.

Nachteile des genannten Standes der Technik zeigen sich vor allem bei der an sich vorteilhaften Bauform mit mittig ge teilter Zelle. Durch die Teilung werden die hydraulischen Ver bindungen zwischen den Elektrodenstapelhälften unterbrochen. Dies kann, insbesondere bei Temperaturdifferenzen zwischen den Stapelhälften während des Betriebes, durch den Transport von Wasserdampf zu irreversiblen Verschiebungen der Elektrolytmenge und -konzentration in den Stapelhälften führen. An der Innen wand des Zellengehäuses aufgetragene Keramik-Wanddochte haben außerdem den Nachteil, daß sie die elastische Dehnung des Ge häuses während des Zyklisierens mitmachen müssen und daher für Rißbildung in der Beschichtung anfällig sind. Die elektrische Isolierung des Gehäuses wird daher mit der Zyklenzahl schlechter.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufge führten Nachteile bei Nickel/Wasserstoff-Zellen zu vermeiden und eine Nickel/Wasserstoff-Zelle mit einer hydraulischen Ver bindung zwischen den beiden Stapelhälften der mittig geteilten Zelle zu schaffen, wobei außerdem die empfindliche Zone der Rundschweißnaht als Verbindung der Hälften des Zellengehäuses nicht in Anspruch genommen wird.

Diese gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Patentan spruch 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen einer solchen Nickel/ Wasserstoff-Zelle werden in den Ansprüchen 2 bis 8 angege ben.

So wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Mitteldocht in Form eines oder zweier Separatorstreifen von der Breite der Elektrodenfahnen ausgeführt, die zwischen die der Zellenmitte am nächsten gelegenen Endelektroden und die Mittelplatte geklemmt und durch den Fahnenkanal in der Stapelmittel geführt werden.

Anhand von Zeichnungen wird nachfolgend die Erfindung noch nä her erläutert:

Die Fig. 1 verdeutlicht die vorhergehend beschriebene Ausfüh rung. Sie zeigt die zwischen den Endplatten 11 und den Mittel platten 12 bzw. dem aus diesen gebildeten Mittelplattenverbund angeordneten Stapelhälften 13, die jeweils von einem dünnen, eng an der Gehäusewand anliegenden Isolier-Zylindermantel 14 aus Polyether-Etherketon umhüllt und durch die Separator streifen 15 hydraulisch verbunden sind. Die Separatorstreifen können alternativ in einer oder in beiden Stapelhälften zwi schen den arbeitenden Flächen und den Separatoren der Endelek troden fixiert sein.

Die Fig. 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen, wobei die gegenüberliegenden Teile der symmetrischen Mitelplatten 22 bzw. 32 ausgespart werden und der freie Raum zwischen den Diffusi onszonen der negativen Endelektroden mit vernickeltem Faserfilz 25 bzw. 35 gefüllt wird, der so eine Elektrolytbrücke zwischen beiden Stapelhälften 23 bildet. Zur Verbesserung der mecha nischen Stabilität kann jede Nickelfaserfilzbrücke in ineinan der- oder aneinandersteckbare Verbindungsrohre 26 bzw. 36 zwi schen den Mittelplatten 22 bzw. 32 eingeschlossen werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Nickel/Wasserstoff-Zelle werden im Kontrast zum geschilderten Stand der Technik beson ders deutlich erkennbar:
die Distanz des Mitteldochts von der Gehäuseschweißnaht ver hindert dauernden Elektrolytkontakt mit dieser korrosionsgefährdeten Zone,
die Auftrennung von Isolierungs- und Dochtfunktion durch die elektrische Isolierung des Stapels durch den mit engen Toleranzen an der Gehäusewand anliegenden Isolierzylinderman tel, der durch überlappende Separatoren zusätzlich angedrückt wird, ist durch das "Atmen" des Gehäuses im Betrieb nicht ge fährdet und ermöglicht dennoch einen guten Wärmeübergang zwi schen Stapel und Gehäuse und
die einfach durch Einlegen zweier Separatorstreifen bei der Stapelmontage hergestellte hydraulische Verbindung zwischen beiden Stapelhälften stellt einen ausreichenden Elektrolytfluß her. Die rohrförmigen umhüllten Nickelfasergerüstdochte als Elektrolytbrücken ergeben außerdem ein besonders steifes Mit telplattenverbundelement.

Claims

1. Nickel/Wasserstoff-Zelle mit in einem zylindrischen Druck gehäuse angeordneten zylindrischen Zellenstapel mit mehreren Elektrodenplatten, der axial in der Zellenmitte senkrecht zu der Zylinderachse durch ein Paar von passiven Mittelplatten geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Mittelplatten zunächst liegenden Endelektroden platten der beiden Stapelhälften mit einem oder mehreren Dochten innerhalb der Elektrodenkontur hydraulisch verbunden sind.

2. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dochte aus Separatorstreifen bestehen.

3. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Dochtmaterial das in der Zelle zwischen positiver und negativer Elektrode verwendete Separatormaterial eingesetzt ist.

4. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Separatorstreifen von der Breite der Elektrodenfahnen zwischen die Mittelplatte und den an diese anliegenden Flächen der Endelektroden geklemmt ist bzw. sind und durch einen in der Rotationsachse der Zelle durch Ausspa rungen der Stapelkomponenten und der Mittelplatte bzw. des Mittelplattenverbundes gebildeten Kanal geführt ist bzw. sind.

5. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer oder beiden Stapelhälften ausgehenden Dochte zwischen Separator und Endeleketrode der der Mittelplatte an liegenden Elektroden geklemmt bzw. fixiert sind.

6. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere gegenüberliegende Teilflächen der Mit telplatte bzw. des Mittelplattenverbundes ausgespart sind und die dahinter liegenden Elektroden durch Einlegen eines oder mehrerer metallisierter Faserfilze hydraulisch verbunden sind.

7. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Faserfilzdochte in ineinandergesteckten bzw. aneinandergesteckten Verbindungsrohren zwischen den Mit telplatten eingeschlossen sind.

8. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1, 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dochtmaterial vorzugsweise der in der Zelle als Diffu sionskörper verwendete metallisierte Faserfilz dient.