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

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

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Abstract

Ni-H cell consists of a pressure housing with a cylindrical cell stack with several electrode plates, divided axially in the middle of the cell by a pair of passive centre plates (22). The electrode end plates next to the centre plates are hydraulically connected by one or several wicks (25) within the electrode contour, consisting of separator material used between positive and negative electrode. The material is formed of metallised fibre felt. ADVANTAGE - Permanent contact of electrolyte with housing weld joint is prevented.

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.The invention relates to a nickel / hydrogen cell according to the The preamble of claim 1, such as from the US-PS 45 46 045 emerges as known.

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 gleichungThe nickel / hydrogen cells are electrochemical secondary elements in a gas-tight, mostly cylindrical pressure housing with hemispherical domes ent a cell stack hold. This is made of circular nickel-shaped positive nickel oxide ground electrodes, negative hydrogen catalyst elec troden, separators arranged between the electrodes and Diffusion bodies built up. The alkaline electrolyte is in sucked up the pores of the stack components. The loading and Discharge of the cell is simplified by the reaction equation

angegeben.specified.

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. The negative mass is the pressure-stored hydrogen. Because of the construction of potentially long-lasting electrodes and the Un sensitivity to overloading and polarity reversal are the preferred Field of application Satellite batteries used by photovoltaic Generators are loaded.  

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.In the course of the development of the nickel / hydrogen cell Standard designs developed for certain applications; so is lower for cells under geostationary satellites Electricity and thermal loads are operated, a stack construction with two between negative electrodes back to back arranged positive sintered electrodes common (back-to-back configuration; US-PS 41 15 630). The electricity flags are on the outside the electrodes are attached and are between the stack edge and the cell housing to the poles in the housing tips. In the more heavily loaded cells for near-Earth satellite orbits (low earth orbit, LEO), however, each of the thin positive Sintered electrodes assigned a negative electrode (US-PS 40 38 461). In the stack axis by circular Ausspa a stacked cylindrical cavity forms in which the electricity flags led as well as the components center of the stack. The classic negative Electrode contains platinum as a catalyst on a carbon carrier and is hydrophobized by polytetrafluoroethylene. At that The side of the negative electrode facing away from the separator is used Plastic net as a spacer to the next stack component (depending on the type of positive or negative charge) to the nega tive mass hydrogen access to the reaction zone in the Allow catalyst electrode. Especially for LEO cells are also by plasma spraying on the cell housing inner wall applied ceramic layers commonly used as a wick greed (US-PS 41 77 328) and for a uniform electrolyte distribution in the electrode stack. In expansion Such wicks with catalyst strips were used for this purpose to improve the recombination of the result of overloading oxygen with the hydrogen of the cell atmosphere provided (US-PS 45 84 249). The the electrode edges wide Outstanding separators are the catalyst at a distance strip into the electrode edges and over therefore only overlap each other after insertion into the housing  on the catalyst-free wall zones. They form another wall-mounted electrolyte-filled wick system. Additional Porous bodies have been used as an electrolyte reservoir outside (US-PS 40 04 068) or within (US-PS 41 27 703) of the Elek trode stack used to a sufficient amount of electrolyte ready for the life of the cell. In the end cells are known which are perpendicular to the rotati in the middle of the cell onsachse of the cylindrical cell stack are divided (US-PS 45 46 054), resulting in less bulging of the cell by the hydrogen pressure and the halving of the "Sta pelatmung "by changing the volume of the positive mass result from the cyclization. It is also known (US-PS 44 20 545) with a central division of the cell housing common electrode stack supported on the housing domes to make. All mentioned characteristics of nickel / Hydrogen cells are known and belong to the state of the Technology.

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. The state of the art also includes the use of nickel-plated Fiber frameworks as diffusion bodies and electrically conductive Ka Talysatorträger for the negative electrode (US-PS 42 15 184). These fiber structures can serve as an electrolyte reservoir and ensure a hydraulic connection of all electrodes one Stacks without the use of wicks. They also improve temperature compensation within the electrode stack. There by it is possible to stack the electrodes against the cell housing by a cylindrical, pushed onto the stack Insulating jacket made of temperature-resistant plastic without for an electrolyte concentration compensation within the Sta to have to do without pels. The electrical insulation of the Sta pels against the case is still better than at the Ceramic layers applied to the housing.  

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.Disadvantages of the prior art mentioned are evident especially with the advantageous design with ge in the middle divided cell. By dividing the hydraulic Ver bonds between the electrode stack halves interrupted. This can be the case, especially with temperature differences between the Stack halves during operation, by transporting Water vapor to irreversible shifts in the amount of electrolyte lead and concentration in the stack halves. On the inside ceramic wall wicks applied to the wall of the cell housing also the disadvantage that it is the elastic expansion of the Ge have to take part in the cycle and therefore for Cracks in the coating are susceptible. The electrical Insulation of the housing is therefore with the number of cycles worse.

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.The invention is therefore based on the object led to avoid disadvantages with nickel / hydrogen cells and a nickel / hydrogen cell with a hydraulic Ver bond between the two stack halves of the middle split To create cell, also the sensitive zone of the Round weld seam as a connection between the halves of the cell housing is not used.

Diese gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Patentan­ spruch 1 gelöst.This task is inventively with the patent spell 1 solved.

Bevorzugte Ausführungsformen einer solchen Nickel/ Wasserstoff-Zelle werden in den Ansprüchen 2 bis 8 angege­ ben.Preferred embodiments of such a nickel / Hydrogen cells are specified in claims 2 to 8 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.Thus, in a preferred embodiment, the middle wick is in Shape of one or two separator strips the width of the Electrode flags run between those of the cell center closest end electrodes and the middle plate  clamped and guided through the flag channel in the stacking means will.

Anhand von Zeichnungen wird nachfolgend die Erfindung noch nä­ her erläutert:Based on drawings, the invention is still nä explained here:

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. Fig. 1 illustrates the previously described Ausfüh tion. It shows the between the end plates 11 and the middle plates 12 and the stacking halves 13 formed from these formed middle plate assembly, each encased by a thin, tight-fitting to the housing wall jacket 14 made of polyether ether ketone and strip through the separator 15 hydraulically are connected. The separator strips can alternatively be fixed in one or both halves of the stack between the working surfaces and the separators of the end electrodes.

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. Figs. 2 and 3 show other embodiments wherein the opposing portions of the symmetrical Mitel plates are recessed 22 and 32 and the free space between the diffusi onszonen the negative end electrodes with nickel fiber felt 25 and is filled 35, the so an electrolyte bridge between the two Stack halves 23 forms. In order to improve the mechanical stability, each nickel fiber felt bridge can be enclosed in interconnectable or interconnectable connecting tubes 26 and 36 between the middle plates 22 and 32 , respectively.

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.The advantages of the nickel / hydrogen cell according to the invention are particularly clearly visible in contrast to the prior art described:
the distance of the middle wick from the weld seam prevents permanent electrolyte contact with this corrosion-prone zone,
the separation of insulation and wick function by the electrical insulation of the stack by the tight tolerances on the housing wall Isolierzylinderman tel, which is additionally pressed by overlapping separators, is not at risk by the "breathing" of the housing during operation and still enables one good heat transfer between stack and housing and
the hydraulic connection between the two halves of the stack, which is produced simply by inserting two separator strips during stack assembly, produces a sufficient flow of electrolyte. The tubular covered nickel fiber scaffolding wicks as electrolyte bridges also result in a particularly rigid center plate composite element.

Claims (8)

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.1. Nickel / hydrogen cell with a cylindrical pressure arranged cylindrical cell stack with a plurality of electrode plates, which is divided axially in the middle of the cell perpendicular to the cylinder axis by a pair of passive center plates, characterized in that the end plates lying first of the center plates two stack halves are hydraulically connected with one or more wicks within the electrode contour. 2. Nickel/Wasserstoff-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dochte aus Separatorstreifen bestehen.2. nickel / hydrogen cell according to claim 1, characterized, that the wick or wicks consist of separator strips. 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.3. nickel / hydrogen cell according to claim 1 or 2, characterized, that as the wicking material in the cell between positive and negative electrode used separator material is. 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.4. nickel / hydrogen cell according to claim 1 to 3, characterized, that one or more separator strips the width of the Electrode lugs between the middle plate and those on it adjacent surfaces of the end electrodes is or are clamped  and by a recess in the axis of rotation of the cell stations of the stack components and the middle plate or the Center plate composite channel formed is or are. 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.5. nickel / hydrogen cell according to claim 1 to 3, characterized, that the wicks emanating from one or both halves of the stack between the separator and the end electrode of the middle plate lying electrodes are clamped or fixed. 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.6. nickel / hydrogen cell according to claim 1, characterized, that one or more opposing sub-areas of the Mit telplatte or the Mittelplattenverbundes are recessed and the electrodes behind by inserting an or several metallized fiber felts are hydraulically connected. 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.7. nickel / hydrogen cell according to claim 1 and 6, characterized, that the metallized fiber felt wicks into one another or connected connecting pipes between the Mit are included. 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.8. nickel / hydrogen cell according to claim 1, 6 and / or 7, characterized, that as the wick material preferably that in the cell as a diffuser sionskörper used metallized fiber felt is used.
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