ES2714304T3 - Pila estratificada y batería ensamblada que incluye una pila estratificada - Google Patents

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Abstract

Pila estratificada que comprende: una carcasa exterior tubular; un electrodo positivo; un electrodo negativo; un separador dispuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo; y un colector de corriente eléctricamente conductor que pasa a través del electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador en una dirección axial de la carcasa exterior, en la que el electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador están apilados en la dirección axial de la carcasa exterior, un primer electrodo que es uno del electrodo positivo y el electrodo negativo entra en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior para conectarse eléctricamente a la superficie interior de la carcasa exterior, pero no está en contacto con el colector de corriente, un segundo electrodo que es el otro del electrodo positivo y el electrodo negativo no está en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior, pero entra en contacto con el colector de corriente para conectarse eléctricamente al colector de corriente, el borde exterior del separador está cubierto con el primer electrodo, el borde periférico de un orificio, a través del cual pasa el colector de corriente, en el separador está cubierto con el segundo electrodo, el borde exterior del segundo electrodo está cubierto con el separador, y el borde periférico de un orificio, a través del cual pasa el colector de corriente, en el primer electrodo está cubierto con el separador, y en la que el diámetro del orificio en el separador es más grande que el diámetro de un orificio, a través del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo.

Description

DESCRIPCION
Pila estratificada y batena ensamblada que incluye una pila estratificada
Campo tecnico
La presente invencion se refiere a una pila estratificada. Espedficamente, la presente invencion se refiere a una pila estratificada con rendimiento de refrigeracion mejorado y a una batena ensamblada que incluye la pila estratificada.
Tecnica anterior
Las estructuras de electrodos de una pila secundaria se clasifican principalmente en dos tipos, es decir, un tipo enrollado en espiral y un tipo estratificado. En una pila que tiene una estructura de electrodos de tipo enrollado en espiral (una pila enrollada en espiral; vease, por ejemplo, el documento de patente 1), un electrodo positivo y un electrodo negativo, que estan enrollados en espiral con un separador interpuesto entre ellos, se alojan en una cubierta de pila. En una pila que tiene la estructura de electrodos de tipo estratificado (una pila estratificada), un grupo de electrodos que incluye un electrodo positivo y un electrodo negativo, que estan apilados de manera alterna con un separador interpuesto entre ellos, esta alojado en una cubierta de pila. El documento de patente 2 divulga una pila de tipo cilmdrico en la que estan apilados electrodos en forma de disco. El documento de patente 3 divulga una pila de tipo rectangular en la que estan apilados electrodos en forma de lamina rectangular.
El documento JP 2000 048854 divulga una barra metalica colectora de corriente, que tiene la parte de terminal de electrodo positivo en forma de disco que esta conectada directamente a un electrodo positivo en forma de disco y que esta aislada de un electrodo negativo en forma de disco que tiene la periferia exterior en contacto con un recipiente a traves de un anillo de aislamiento. Ambos electrodos estan apilados de manera alterna mediante la interposicion de un separador en forma de disco de material textil no tejido de polipropileno que tiene un diametro mas grande que el electrodo positivo en forma de disco y mas pequeno que el electrodo negativo en forma de disco, y un grupo de electrodos que tiene un separador tambien esta dispuesto en las capas mas superiores/mas inferiores. Por tanto, los electrodos respectivos estan formados como alta densidad, se produce un cortocircuito interno mediante rebabas y puede evitarse la reduccion en la eficiencia de recogida de corriente al desprenderse de un material activo. El grosor del separador puede ser mas fino y puede obtenerse alta capacidad.
El documento EP 2012 378 divulga una unidad de placas de electrodo capaz de suprimir un cortocircuito interno producido por el destello que se forma en la parte de extremo de una placa de electrodo positivo y una batena que usa la misma. La unidad de placas de electrodo incluye un grupo de placas de electrodo en el que una pluralidad de placas de electrodo positivo y una pluralidad de placas de electrodo negativo estan laminadas de manera alterna mediante separadores, una placa colectora de electrodo positivo esta conectada a una cara lateral del grupo de placas de electrodo para su conexion a la placa de electrodo positivo, y una placa colectora de electrodo negativo esta conectada a otra cara lateral del grupo de placas de electrodo para su conexion a la placa de electrodo negativo, en la que la parte de borde de la placa de electrodo positivo sobresale de la parte de borde de la placa de electrodo negativo en todas las caras laterales excluyendo la cara lateral a la que esta conectada la placa colectora de electrodo negativo del grupo de placas de electrodo.
El documento JP 2000268854 divulga una batena de mquel-hidrogeno que incluye un electrodo negativo dotado de aleacion de almacenamiento de hidrogeno y un electrodo positivo equipado con una capa de material activo de electrodo positivo que contiene un material activo de electrodo positivo usando como material de base al menos cualquiera de hidroxido de mquel y oxido de mquel y un elemento que tiene una propiedad tal como el aumento de la velocidad de utilizacion del material activo de electrodo positivo cuando se anade al mismo y una propiedad para obtener segregacion cuando aumenta el numero dclico de carga y descarga. El ajuste se realiza de modo que la relacion de la capacidad del electrodo positivo con respecto a la capacidad del electrodo negativo sea (de 1,1 a 2,0): 1, y que se potencie la durabilidad contra la repeticion del ciclo de carga-descarga.
El artroulo cientffico “Development of NiMH-based Fuel Cell/Battery (FCB) system: Characterization of Ni(OH)2/MnO2 positive electrode for FCB” de Bokkyu Choi, Sunmook Lee, Chihiro Fushimi, Atsushi Tsutsumi, publicado en el “Journal of Power Sources”, Elsevier, Vol. 194, n.° 2, 1 de diciembre de 2009, paginas 1150-1155 describe el rendimiento de un electrodo positivo compuesto por una mezcla de hidroxido de mquel (Ni(OH)2) y una pequena cantidad de dioxido de manganeso (MnO2) en un sistema de pila de combustible/batena (FCB)
El documento US 5.173.376 describe una batena de metal-oxfgeno-hidrogeno que tiene modulos de pila sellados con contencion de electrolito y ventilacion de hidrogeno. La batena incluye un recipiente de presion exterior que contiene una pluralidad de modulos de pila, que tienen cada uno un terminal positivo y uno negativo y que contienen un electrolito ifquido tal como hidroxido de potasio. Cada modulo de pila esta rodeado por una bolsa sellada flexible que es impermeable al flujo del electrolito. La bolsa es una estructura de multiples capas compuesta preferiblemente por pelroula termoplastica. Cada bolsa esta dotada con un orificio de ventilacion que es permeable al flujo de gas hidrogeno pero impermeable al flujo del electrolito. Estan conectados cables electricos a los terminales de cada modulo de pila y se extienden en relacion sellada a traves de la bolsa.
Lista de referencias
Bibliografia de patentes
Documento de patente 1: JP 2002-198044 A
Documento de patente 2: JP 2000-48854 A
Documento de patente 3: WO 2008/099609 A
Sumario de invencion
Problema tecnico
Con respecto a la pila enrollada en espiral, el separador con baja conductividad termica se proporciona de una manera en multiples capas entre la superficie y el centro de la celula. Como resultado, incluso cuando la temperatura de superficie de la cubierta de pila esta proxima a la temperatura ambiental, la temperatura de una parte alrededor del centro de la pila enrollada en espiral llega a ser considerablemente alta.
La pila estratificada de tipo cilmdrico divulgada en el documento de patente 2 tiene una estructura para recoger electricidad de tal manera que los electrodos apilados entren en contacto con los terminales, respectivamente. Por consiguiente, en el transcurso del ensamblaje de la pila estratificada de tipo cilmdrico, existe la posibilidad de fallos iniciales debido a un cortocircuito entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. Ademas, el electrodo se contrae y se expande repetidamente por la repeticion de carga y descarga. Como resultado, existe la posibilidad de fallos seculares debido a la deformacion y al desplazamiento del electrodo y el cortocircuito entre el electrodo positivo y el electrodo negativo.
La presente invencion se ha ideado para resolver los problemas descritos anteriormente, y un objeto de la misma es restringir la elevacion de temperatura dentro de una pila e impedir un cortocircuito entre electrodos.
Solucion al problema
La presente invencion se define en las reivindicaciones adjuntas.
Con el fin de lograr el objeto descrito anteriormente, una pila estratificada segun la presente invencion incluye: una carcasa exterior tubular; un electrodo positivo; un electrodo negativo; un separador dispuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo; y un colector de corriente electricamente conductor que pasa a traves del electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador en una direccion axial de la carcasa exterior. En el presente documento, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador estan apilados en la direccion axial de la carcasa exterior. Un primer electrodo que es uno del electrodo positivo y el electrodo negativo entra en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior para conectarse electricamente a la superficie interior de la carcasa exterior, pero no esta en contacto con el colector de corriente. Un segundo electrodo que es el otro del electrodo positivo y el electrodo negativo no esta en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior, pero entra en contacto con el colector de corriente para conectarse electricamente al colector de corriente. El borde exterior del segundo electrodo esta cubierto con el separador. El borde periferico de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el primer electrodo esta cubierto con el separador.
Segun esta configuracion, la carcasa exterior esta compuesta por metal, y sirve de terminal de colector de corriente del primer electrodo. La dimension hacia el exterior del primer electrodo es ligeramente mas grande que la dimension hacia el interior de la carcasa exterior tubular, de modo que toda la periferia exterior del primer electrodo o una parte de la periferia exterior esta en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior. Cuando el primer electrodo se introduce en la carcasa exterior bajo presion, el primer electrodo entra en contacto firmemente con la carcasa exterior. Por tanto, el primer electrodo esta conectado a la carcasa exterior con resistencia termicamente pequena. Por tanto, esta configuracion actua eficazmente sobre la refrigeracion del primer electrodo.
En el presente documento, la dimension hacia el exterior del electrodo se refiere a una dimension desde el centro grafico hasta la periferia exterior de un electrodo en forma de lamina. En el caso de un electrodo en forma de disco, la dimension hacia el exterior se denomina diametro exterior. Asimismo, la dimension hacia el interior de la carcasa exterior se refiere a una dimension entre el centro grafico en una seccion vertical de la carcasa exterior tubular en la direccion axial y la superficie interior de la carcasa exterior. En el caso de una carcasa exterior cilmdrica, la dimension hacia el interior se denomina diametro interior.
La dimension hacia el exterior del segundo electrodo es mas pequena que la dimension hacia el interior de la carcasa exterior tubular, de modo que el segundo electrodo no entra en contacto con la carcasa exterior. Por consiguiente, el segundo electrodo esta aislado de la carcasa exterior.
El calor generado a partir del primer electrodo se transfiere directamente a la carcasa exterior. El calor generado a partir del segundo electrodo se transfiere al primer electrodo a traves del separador.
El coeficiente de transferencia de calor global (U1) de una pila enrollada en espiral se representa por la formula matematica 1 tal como se describira posteriormente. Por otra parte, el coeficiente de transferencia de calor global (U2) de la pila estratificada segun la presente invencion se representa por la formula matematica 2. Es evidente a partir de una comparacion entre los dos coeficientes que hay una gran diferencia con respecto al termino del numero de vueltas n. En la pila enrollada en espiral, a medida que el numero de vueltas n se hace mas grande, el coeficiente de transferencia de calor global se hace mas pequeno. En las siguientes realizaciones se facilitara una descripcion detallada usando la sustitucion de valores numericos espedficos.
En la pila estratificada segun la presente invencion, tal como se describio anteriormente, no hay necesidad de un tubo o un disipador de calor para alimentar un refrigerante en la pila con el fin de restringir la temperatura dentro de la pila. Por consiguiente, la estructura de la pila estratificada segun la presente invencion es compacta. En la pila estratificada segun la presente invencion, ademas, es posible restringir facilmente la elevacion de temperatura dentro de la pila refrigerando la superficie de la carcasa exterior.
Cada uno del electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador tiene un orificio formado en el centro de los mismos, para permitir que el colector de corriente pase a su traves. El colector de corriente en forma de varilla pasa a traves de los orificios. El diametro del orificio del primer electrodo es mas grande que la dimension hacia el exterior del colector de corriente en forma de varilla. Por tanto, el primer electrodo no entra en contacto con el colector de corriente. El diametro del orificio del segundo electrodo es mas pequeno que la dimension hacia el exterior del colector de corriente en forma de varilla. Por tanto, el segundo electrodo entra en contacto con el colector de corriente y esta conectado electricamente al colector de corriente. El colector de corriente esta compuesto por un metal y sirve de terminal de colector de corriente del segundo electrodo. Ademas, el colector de corriente es preferiblemente una varilla redonda, pero puede ser una varilla rectangular.
Con respecto a la pila estratificada segun la presente invencion, ademas, en el estado en que los electrodos y el separador estan apilados, el borde exterior del segundo electrodo esta cubierto con el separador, y el borde periferico del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el primer electrodo esta cubierto con el separador. Por tanto, el primer electrodo y el segundo electrodo estan separados entre sf por el separador con fiabilidad en el borde exterior del segundo electrodo y en el borde periferico del orificio en el primer electrodo. Por consiguiente, los electrodos no entran en contacto entre sf en el borde exterior de uno de los electrodos y en el borde periferico del orificio en el otro electrodo debido a la deformacion de los electrodos. En el caso del electrodo en forma de disco, el diametro exterior del separador es mas grande que el diametro exterior del segundo electrodo. En el caso en que el colector de corriente es una varilla redonda, ademas, el diametro de orificio del separador es mas pequeno que el diametro de orificio del primer electrodo.
En la pila estratificada segun la presente invencion, el primer electrodo esta rodeado por un primer separador en forma de bolsa en un estado en que el borde exterior del primer electrodo esta expuesto en el exterior del primer separador, y el segundo electrodo esta rodeado por un segundo separador en forma de bolsa en un estado en que el borde periferico de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo esta expuesto en el exterior del segundo separador. Segun esta configuracion, puesto que los separadores tienen forma de bolsa, los separadores impiden que se produzca un cortocircuito entre los electrodos debido a polvo o materias extranas derivadas de los electrodos.
En la pila estratificada segun la presente invencion, el colector de corriente tiene una superficie lateral en la que esta formada una hendidura, el diametro de la parte mas estrecha del colector de corriente es mas grande que el diametro del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo, y el diametro de la parte mas gruesa del colector de corriente es mas pequeno que el diametro del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el primer electrodo.
Existe la posibilidad de que, en el momento del ensamblaje de los electrodos, se afloje el acoplamiento entre el colector de corriente y el electrodo y se dificulte el estrecho contacto entre el colector de corriente y el electrodo. Con el fin de resolver este problema, la pila estratificada segun la presente invencion incluye el colector de corriente en el que esta formada una hendidura de rosca. Segun esta configuracion, se hace posible mantener el estado en que el segundo electrodo esta encajado firmemente en el colector de corriente por la hendidura de rosca formada en el colector de corriente. Esta configuracion impide que se afloje el acoplamiento entre el electrodo y el colector de corriente en el momento del trabajo de ensamblaje de la pila estratificada.
En la pila estratificada segun la presente invencion, el electrodo negativo contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno. En la pila estratificada segun la presente invencion, ademas, cada uno del electrodo positivo y el electrodo negativo es un electrodo que se carga y se descarga, y es tambien un electrodo que aplica electrolisis a un electrolito retenido en la pila estratificada con una corriente electrica alimentada desde el exterior. Segun esta configuracion, cada uno de los electrodos positivo y negativo desempena el papel de un electrodo que se carga y se descarga en una pila secundaria y el papel de un electrodo que genera gas hidrogeno.
En la pila estratificada segun la presente invencion, preferiblemente, la capacidad de carga del electrodo negativo es mas pequena que la capacidad de carga del electrodo positivo. La pila estratificada es una denominada pila de tipo de regulacion de electrodo negativo. En el presente documento, estas capacidades de carga se denominan simplemente capacidad del electrodo positivo y capacidad del electrodo negativo, respectivamente, en algunos casos.
La pila estratificada segun la presente invencion incluye ademas una camara de almacenamiento de hidrogeno dispuesta dentro de la carcasa exterior, para almacenar gas hidrogeno generado a partir del electrodo negativo. En el presente documento, la camara de almacenamiento de hidrogeno puede ser un espacio independiente. Ademas, la camara de almacenamiento de hidrogeno no es un espacio independiente, pero puede formarse en un espacio en el electrodo y en un espacio en el separador.
En la pila estratificada de tipo de regulacion de electrodo negativo, cuando avanza la carga, el electrodo negativo se carga completamente antes de que el electrodo positivo se cargue completamente. En la sobrecarga en que continua la carga desde el estado de carga completa, se genera gas hidrogeno a partir del electrodo negativo (vease la formula de reaccion (1)).
H+ e- ^ 1/2H2 (1)
El gas hidrogeno generado a partir del electrodo negativo se almacena en la aleacion de almacenamiento de hidrogeno del electrodo negativo para servir como fuente de energfa en el momento de descarga. En el caso de un electrodo positivo compuesto por oxihidroxido de mquel, la formula de reaccion en el momento de descarga es la formula de reaccion (2).
Electrodo negativo 1/2H2 ^ H+ e-Electrodo positivo NiOOH e- H+ ^ Ni(OH)2 (2)
Total NiOOH I /2 H2 ^ Ni(OH)2
Puesto que la aleacion de almacenamiento de hidrogeno es cara, el electrodo negativo afecta significativamente al precio de la pila. En una pila secundaria de tipo de regulacion de electrodo positivo normal, la cantidad de materiales para un electrodo negativo es de 1,5 a 2 veces mayor que para un electrodo positivo. Sin embargo, se permite que la pila estratificada segun la presente invencion reduzca la cantidad de materiales caros para el electrodo negativo. Por tanto, es posible obtener una pila estratificada economica.
En la pila estratificada segun la presente invencion, el electrodo negativo se carga de tal manera que la aleacion de almacenamiento de hidrogeno contenida en el electrodo negativo almacena el gas hidrogeno almacenado en la camara de almacenamiento de hidrogeno. Segun esta configuracion, el electrodo negativo se carga con el gas hidrogeno generado por la sobrecarga. Por consiguiente, el gas hidrogeno se utiliza de manera eficaz. La aleacion de almacenamiento de hidrogeno contenida en el electrodo negativo actua como un denominado catalizador.
En la pila estratificada segun la presente invencion, preferiblemente, el electrodo positivo contiene dioxido de manganeso. Hasta ahora, se ha usado un electrodo positivo de dioxido de manganeso para una pila primaria que se conoce como pila de dioxido de manganeso-cinc, pero no se ha usado para una pila secundaria. El motivo para ello es el siguiente. Es decir, cuando el electrodo positivo de dioxido de manganeso se descarga hasta hidroxido de manganeso, se genera tetraoxido de trimanganeso Mn3O4, que no puede cargarse de nuevo. Sin embargo, los inventores de la presente invencion han encontrado que no se genera tetraoxido de trimanganeso reversible poniendo en contacto el electrodo positivo con oxfgeno. Los inventores de la presente invencion han tenido exito en adoptar dioxido de manganeso como material para un electrodo positivo de una pila secundaria suministrando oxfgeno a la circunferencia del electrodo positivo.
En la pila estratificada segun la presente invencion, la carcasa exterior tiene una parte lateral conformada para dar una forma cilmdrica. Ademas, la carcasa exterior tiene partes abombadas que tienen forma de cupula en dos extremos axiales de la misma, y la camara de almacenamiento de hidrogeno se proporciona en cada una de las partes abombadas.
Cuando continua la carga una vez que el electrodo negativo esta cargado completamente, se genera gas hidrogeno a partir del electrodo negativo. El gas hidrogeno generado se almacena en la camara de almacenamiento de hidrogeno, se almacena en el electrodo negativo en el momento de descarga y se utiliza eficazmente. Por tanto, se hace posible reducir la cantidad de materiales caros para un electrodo negativo. Por tanto, es posible fabricar una pila estratificada economica. La estructura en que cada uno de los dos extremos de la envoltura cilmdrica se abomba en forma de cupula es adecuada para el almacenamiento de gas hidrogeno a alta presion.
Una batena ensamblada incluye una pluralidad de pilas estratificadas segun la presente invencion, y las pilas estratificadas estan conectadas entre sf por medio de un elemento de ajuste metalico en columna. En el presente documento, en cada una de las pilas estratificadas, la carcasa exterior tiene una parte de cuerpo cilmdrica compuesta por un metal, y partes de tapa para cubrir aberturas formadas en dos extremos axiales de la parte de cuerpo, y el colector de corriente pasa a traves de las partes de tapa. El elemento de ajuste metalico tiene una superficie superior y una superficie inferior que tienen cada una, una cavidad de conexion formada en la misma. El extremo del colector de corriente en una de las pilas estratificadas puede encajar en la cavidad de conexion formada en la superficie superior del elemento de ajuste metalico. El extremo del colector de corriente en la diferente de las pilas estratificadas colindantes a la pila estratificada puede encajar en la cavidad de conexion formada en la superficie inferior del elemento de ajuste metalico, con un elemento aislante interpuesto entre el extremo y la cavidad de conexion. La superficie inferior del elemento de ajuste metalico esta conectada electricamente a la carcasa exterior en la pila estratificada diferente.
La superficie inferior y la superficie superior del elemento de ajuste metalico son capaces de entrar en contacto de superficie con las partes de tapa de las pilas estratificadas colindantes. El elemento aislante esta interpuesto entre la cavidad formada en la superficie inferior del elemento de ajuste metalico y el colector de corriente. En las dos pilas estratificadas colindantes entre sf, por tanto, los colectores de corriente estan aislados entre sf El colector de corriente en una de las pilas estratificadas y la carcasa exterior en la pila estratificada adyacente estan conectados entre sf por medio del elemento de ajuste metalico. Como resultado, las pilas estratificadas colindantes estan conectadas en serie por medio del elemento de ajuste metalico.
Una batena ensamblada incluye una pluralidad de pilas estratificadas segun la presente invencion. En el presente documento, la carcasa exterior en cada una de las pilas estratificadas tiene un deposito cerrado en un extremo que tiene una seccion rectangular, y un elemento de tapa para cubrir la abertura del deposito. Las pilas estratificadas estan conectadas entre sf de manera que el deposito en una de las pilas estratificadas y el elemento de tapa en la diferente de las pilas estratificadas colindantes a la pila estratificada estan en contacto de superficie entre sf.
Segun esta configuracion, el elemento de tapa en una pila estratificada y la parte inferior del deposito en la pila estratificada adyacente entran en contacto entre sf, de modo que las dos pilas estratificadas estan apiladas y conectadas electricamente en serie. Es posible elevar la tension de salida de una batena ensamblada conectando un gran numero de pilas estratificadas tal como se describio anteriormente.
Efectos ventajosos de la invencion
Segun la presente invencion, se restringe la elevacion de temperatura dentro de una pila sin necesidad de espacio redundante para la refrigeracion. Ademas, la pila estratificada segun la presente invencion permite impedir un cortocircuito entre electrodos.
Breve descripcion de los dibujos
[Figura 1] La figura 1 es un diagrama que ilustra una configuracion esquematica de una pila estratificada de tipo cilmdrica segun una primera realizacion, que ilustra en particular una seccion axial.
[Figura 2A] La figura 2A es una vista en seccion que ilustra un primer electrodo y un segundo electrodo rodeados cada uno por un separador en forma de bolsa.
[Figura 2B] La figura 2B es una vista en planta que ilustra el primer electrodo rodeado por el separador en forma de bolsa.
[Figura 2C] La figura 2C es una vista en planta que ilustra el segundo electrodo rodeado por el separador en forma de bolsa.
[Figura 3] La figura 3 es un diagrama que ilustra una configuracion esquematica de una pila estratificada de tipo tubo segun una segunda realizacion.
[Figura 4A] La figura 4A es un diagrama que ilustra una configuracion esquematica en un estado en que un elemento de ajuste metalico esta unido a la pila estratificada de tipo tubo.
[Figura 4B] La figura 4B es un diagrama que ilustra una configuracion en el caso en que una batena ensamblada esta configurada con la pila estratificada de tipo tubo.
[Figura 5] La figura 5 es un diagrama que ilustra una configuracion esquematica de una pila estratificada de tipo capsula segun una tercera realizacion.
[Figura 6A] La figura 6A es una vista en seccion que ilustra, en una direccion axial, una pila estratificada de tipo rectangular segun una cuarta realizacion.
[Figura 6B] La figura 6B es una vista en planta que ilustra la pila estratificada de tipo rectangular segun la cuarta realizacion.
[Figura 7] La figura 7 es un diagrama que ilustra una configuracion en el caso en que una batena ensamblada esta configurada con la pila estratificada de tipo rectangular segun la cuarta realizacion.
[Figura 8] La figura 8 es una vista en seccion que ilustra esquematicamente, en una direccion axial, una pila estratificada de tipo cilmdrica segun una quinta realizacion de la presente invencion.
[Figura 9] La figura 9 es una vista en seccion que ilustra esquematicamente una estructura de rosca de un colector de corriente.
[Figura 10] La figura 10 es un diagrama que ilustra una realizacion en la que el colector de corriente tiene una estructura distinta de la estructura de rosca.
[Figura 11] La figura 11 es una vista en seccion que ilustra, en una direccion axial, un metodo para ensamblar la pila estratificada.
[Figura 12] La figura 12 es un grafico que muestra resultados de una prueba de elevacion de temperature en la pila estratificada.
Descripcion de realizaciones
Con referencia a los dibujos, a continuacion en el presente documento, se facilitara la descripcion de realizaciones de la presente invencion; sin embargo, no se pretende que la presente invencion se limite a estas realizaciones. Antes de la descripcion de las realizaciones respectivas de la presente invencion, en primer lugar, se facilitara la descripcion de un ejemplo de una pila secundaria a la que se aplica la presente invencion. La pila secundaria no se limita a los tipos que van a describirse en las realizaciones respectivas, y pueden ser pilas secundarias tales como una pila de mquel-hierro, una pila de cinc-manganeso y una pila de mquel-cadmio.
<Pila de mquel-hidruro metalico>
El electrodo negativo contiene, como material principal, una aleacion de almacenamiento de hidrogeno, por ejemplo, lantano-mquel. Se uso oxihidroxido de mquel como material activo del electrodo positivo. Se uso una disolucion acuosa alcalina tal como una disolucion acuosa de KOH, que normalmente se usa en una pila de mquel-hidruro metalico, como electrolito que va a retenerse en un separador.
El electrodo negativo que va a usarse en el presente documento se obtiene tal como sigue. Es decir, se aplico una pasta obtenida anadiendo un disolvente a una aleacion de almacenamiento de hidrogeno, una carga electricamente conductora y un aglutinante sobre un sustrato para conformarse en forma de lamina, y entonces se curo. Asimismo, el electrodo positivo que va a usarse en el presente documento se obtiene tal como sique. Es decir, se aplico una pasta obtenida anadiendo un disolvente a un material activo de electrodo positivo, una carga electricamente conductora y un aglutinante sobre un sustrato para conformarse en forma de lamina, y entonces se curo.
La carga electricamente conductora que iba a usarse en el presente documento era una partfcula de carbono. El aglutinante que iba a usarse en el presente documento era una resina termoplastica que se disuelve en un disolvente soluble en agua. El sustrato que iba a usarse en el presente documento era una lamina de mquel espumable. El separador que iba a usarse en el presente documento era una fibra de polipropileno.
<Pila de dioxido de manganeso>
El electrodo negativo contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno. El electrodo positivo contiene dioxido de manganeso como material activo. El electrodo positivo y el electrodo negativo que iban a usarse en el presente documento se obtuvieron tal como sigue. Es decir, se aplico una pasta obtenida anadiendo un disolvente a un material activo, una carga electricamente conductora y un aglutinante sobre un sustrato de mquel para conformarse en forma de lamina, y entonces se curo. La carga electricamente conductora, el aglutinante, el separador y el electrolito que iban a en el presente documento eran los mismos que los de la pila de mquel-hidruro metalico.
En el electrodo positivo de la pila de dioxido de manganeso, el dioxido de manganeso MnO2 cambia a oxihidroxido de manganeso MnOOH, y luego cambia a hidroxido de manganeso Mn(OH)2 en el transcurso de la descarga. Cuando el electrodo positivo se descarga hasta hidroxido de manganeso, se genera tetraoxido de trimanganeso Mn3O4, que no es capaz de cargarse de nuevo. Sin embargo, incluso cuando el dioxido de manganeso se somete a la oxidacion por la descarga, el contacto con oxfgeno permite que el oxihidroxido de manganeso retorne a dioxido de manganeso. Por tanto, el dioxido de manganeso no cambia hasta hidroxido de manganeso, de modo que no se genera tetraoxido de trimanganeso irreversible. Por lo tanto, el electrodo positivo no contiene tetraoxido de trimanganeso o contiene tetraoxido de trimanganeso en menos del 5 % como mucho. El gas oxfgeno generado a partir del electrodo positivo en el momento de la sobrecarga se almacena en la pila y se usa.
<Pila de ion litio>
Con respecto al electrodo negativo, en primer lugar, se mezclaron titanato de litio, carboximetilcelulosa (CMC) y negro de Ketjen (KB), de modo que se preparo una mezcla en suspension. A continuacion, se aplico esta mezcla sobre una lamina metalica de acero inoxidable, se seco temporalmente y luego se sometio a tratamiento termico. De ese modo se obtuvo el electrodo negativo.
Con respecto al electrodo positivo, en primer lugar, se mezclaron fosfato de litio-hierro, CMC, carbon activo y KB, de modo que se preparo una mezcla en suspension. A continuacion, se aplico esta mezcla sobre una lamina metalica de acero inoxidable, se seco temporalmente y luego se sometio a tratamiento termico. De ese modo se obtuvo el electrodo positivo.
Un separador que iba a usarse en el presente documento era una pelmula microporosa compuesta por polipropileno. Un electrolito que iba a usarse en el presente documento era LiPF6/EC:DEC 1 mol/l. Un agente electroconductor que iba a usarse en el presente documento era KB.
Un aglutinante que iba a usarse en el presente documento era CMC. Un colector de corriente que iba a usarse en el presente documento era acero inoxidable.
<Pila de mquel-cinc>
Una pila de mquel-cinc incluye: un electrodo negativo que contiene cinc o un compuesto de cinc; un electrodo positivo que contiene oxido de mquel, hidroxido de mquel u oxihidroxido de mquel; y un electrolito que contiene fosfato en un intervalo de desde 0,025 M hasta 0,25 M y alcali libre en un intervalo de desde 4 M hasta 9 M.
<Primera realizacion>
La figura 1 es una vista en seccion que ilustra esquematicamente, en una direccion axial, una pila estratificada de tipo cilmdrica (a continuacion en el presente documento, denominada simplemente pila estratificada) segun una primera realizacion de la presente invencion. Tal como se ilustra en la figura 1, la pila estratificada 11 incluye, como elementos constituyentes principales, una carcasa exterior 15, un colector de corriente 17 y unidades de electrodo 13 alojadas cada una en la carcasa exterior. La carcasa exterior 15 esta configurada con una envoltura cilmdrica cerrada en un extremo 12 y un elemento de tapa en forma de disco 16 unido a una abertura 12c de la envoltura cilmdrica. Cada uno de la envoltura cilmdrica 12 y el elemento de tapa 16 esta compuesto por hierro, pero puede estar compuesto por un metal diferente. El diametro exterior del elemento de tapa 16 es ligeramente mas grande que el diametro interior de la abertura 12c de la envoltura cilmdrica. Una vez alojadas las unidades de electrodo 13 en la carcasa exterior 15, el elemento de tapa 16 se ajusta estrechamente en la abertura 12c de la envoltura cilmdrica.
Cada una de las unidades de electrodo 13 esta configurada con un electrodo positivo 13a que contiene un material activo de electrodo positivo, un electrodo negativo 13b que contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno, y un separador 13c dispuesto entre el electrodo positivo 13a y el electrodo negativo 13b, para permitir que los iones pasen a su traves, pero impedir que los electrones pasen a su traves. Las unidades de electrodo 13 estan apiladas en una direccion axial (una direccion X en la figura 1) de la envoltura cilmdrica 12 y estan alojadas en la carcasa exterior 15. En el presente documento, un electrolito (no ilustrado) esta retenido en el separador 13c. Cada uno del electrodo positivo 13a, el electrodo negativo 13b y el separador 13c tiene forma de disco con un orificio formado en el centro. El diametro exterior del electrodo negativo 13b es mas pequeno que el diametro interior de la envoltura cilmdrica 12, de modo que el borde exterior 13bb del electrodo negativo no esta en contacto con la superficie interior 12a de la envoltura cilmdrica. Por otra parte, el diametro exterior del electrodo positivo 13a es mas grande que el diametro interior de la envoltura cilmdrica 12, de modo que el borde exterior 13ab del electrodo positivo esta en contacto con la superficie interior 12a de la envoltura cilmdrica, y el electrodo positivo 13a esta conectado electricamente a la envoltura cilmdrica 12. Preferiblemente, el diametro exterior del electrodo positivo 13a es mas grande en 100 |im que el diametro interior de la envoltura cilmdrica 12.
El colector de corriente 17 esta compuesto por hierro niquelado, y tiene una parte de arbol en forma de varilla 17a y una parte de sujecion 17b formada en un extremo de la parte de arbol 17a. El tratamiento de niquelado impide que el colector de corriente 17 se corroa por el electrolito contenido en el separador 13c. La parte de arbol 17a del colector de corriente pasa a traves del centro de la unidad de electrodo 13 que incluye el electrodo positivo 13a, el electrodo negativo 13b y el separador 13c, en la direccion axial (la direccion X en la figura 1) de la carcasa exterior 15. El diametro del orificio formado en el centro del electrodo negativo 13b es mas pequeno que el diametro exterior de la parte de arbol 17a. Por consiguiente, el borde periferico 13ba del orificio del electrodo negativo entra en contacto con la parte de arbol 17a, de modo que el electrodo negativo 13b esta conectado electricamente al colector de corriente 17. Por otra parte, el diametro del orificio formado en el centro del electrodo positivo 13a es mas grande que el diametro exterior de la parte de arbol 17a. Por consiguiente, el borde periferico 13aa del orificio del electrodo positivo no entra en contacto con la parte de arbol 17a, de modo que el electrodo positivo 13a esta aislado electricamente del colector de corriente 17.
Las unidades de electrodo 13 estan dispuestas para apilarse secuencialmente en la parte de sujecion 17b del colector de corriente. La parte de sujecion 17b impide que la unidad de electrodo 13 se desenganche del extremo del colector de corriente 17 durante el ensamblaje. La parte de sujecion 17b tiene forma de disco. La parte de sujecion 17b esta dispuesta en la parte inferior 12b de la envoltura cilmdrica con una placa de aislamiento 14 interpuesta entre la parte de sujecion 17b y la parte inferior 12b. La placa de aislamiento 14 impide un cortocircuito electrico debido al contacto directo del colector de corriente 17 con la envoltura cilmdrica 12. El extremo opuesto de la parte de arbol 17a con respecto a la parte de sujecion 17b se soporta por un soporte de arbol 18 proporcionado en el centro del elemento de tapa 16. El soporte de arbol 18 esta compuesto por un material aislante con el fin de impedir un cortocircuito electrico entre el elemento de tapa 16 y la parte de arbol 17a. La parte de arbol que sobresale del elemento de tapa 16 sirve como terminal de electrodo positivo 17c. La envoltura cilmdrica 12 sirve como terminal de electrodo negativo.
A continuacion, se facilitara una descripcion de una relacion entre los tamanos del electrodo positivo 13a, el electrodo negativo 13b y el separador 13c y los tamanos de la carcasa exterior 15 y el colector de corriente 17. El borde exterior del separador 13c esta cubierto con el electrodo positivo 13a (primer electrodo), y el borde exterior del electrodo negativo 13b (segundo electrodo) esta cubierto con el separador 13c. Ademas, el borde periferico del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente 17, en el electrodo positivo 13a esta cubierto con el separador 13c, y el borde periferico del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente 17, en el separador 13c esta cubierto con el electrodo negativo 13b.
En otras palabras, el diametro exterior del separador 13c es mas grande que el diametro exterior del electrodo negativo 13b (segundo electrodo). Por tanto, el electrodo positivo 13a y el electrodo negativo 13b estan completamente separados entre sf por el separador 13c en las proximidades de una superficie circunferencial interior de la carcasa exterior 15. Por tanto, los electrodos no entran en contacto entre sf ni siquiera cuando se deforman. Ademas, el diametro del orificio formado en el centro del separador 13c es mas pequeno que el diametro del orificio formado en el centro del electrodo positivo 13a. Por tanto, el electrodo positivo 13a y el electrodo negativo 13b estan completamente separados entre sf por el separador 13c en las proximidades de una superficie circunferencial exterior del colector de corriente 17. Por tanto, los electrodos no entran en contacto entre sf ni siquiera cuando se deforman. Ademas, el diametro exterior del separador 13c es mas pequeno que el diametro exterior del electrodo positivo 13a (primer electrodo). Por tanto, el separador 13c no esta interpuesto entre el electrodo positivo 13a y la envoltura cilmdrica 12. Ademas, el diametro del orificio formado en el centro del separador 13c es mas grande que el diametro del orificio formado en el centro del electrodo negativo 13b. Por tanto, el separador 13c no esta interpuesto entre el electrodo negativo 13b y el colector de corriente 17.
El borde exterior del electrodo positivo 13a se lleva en contacto con la superficie interior, que sirve como terminal de colector de corriente, de la carcasa exterior 15, de modo que la electricidad y el calor generado a partir del electrodo positivo 13a pueden transmitirse a la carcasa exterior 15 con buena eficiencia. Asimismo, el borde periferico del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente en el electrodo negativo 13b se lleva en contacto con el colector de corriente 17 que sirve como terminal de colector de corriente, de modo que la electricidad generada a partir del electrodo negativo 13b puede transmitirse al colector de corriente 17 con buena eficiencia.
Los inventores de la presente invencion han adoptado una pila cilmdrica que tiene una estructura apilada como estructura de electrodo. Por tanto, los inventores de la presente invencion han permitido transmitir electricidad y el calor generado de los electrodos a una carcasa exterior y un colector de corriente con buena eficiencia. De ese modo, los inventores de la presente invencion han realizado una pila estratificada con rendimiento de refrigeracion y rendimiento de recogida de corriente mejorados.
A continuacion, se facilitara una descripcion de las funciones y los efectos de una estructura de refrigeracion en la primera realizacion.
El borde exterior 13ab del electrodo positivo esta presionado firmemente contra la superficie interior 12a de la envoltura cilmdrica y esta en estrecho contacto con la superficie interior 12a de la envoltura cilmdrica. El calor generado a partir del electrodo positivo 13a se transfiere directamente a la envoltura cilmdrica 12. Ademas, el calor generado a partir del electrodo negativo 13b se transfiere al electrodo positivo 13a por medio del separador 13c. El separador 13c fino e individual no impide demasiado la transferencia de calor. Tal como se describio anteriormente, el calor generado a partir de cada uno de los electrodos 13a y 13b se transfiere a la envoltura cilmdrica 12 con baja resistencia al calor, de modo que se restringe la elevacion de temperatura dentro de la pila estratificada.
En el presente documento, se facilitara una descripcion de la diferencia en la elevacion de temperatura entre la pila estratificada segun la realizacion de la presente invencion y una pila enrollada en espiral convencional, basandose en un ejemplo de calculo. En la pila enrollada en espiral, el coeficiente de transferencia de calor global (U1) se expresa mediante la formula matematica 1. En la pila estratificada, por otra parte, el coeficiente de transferencia de calor global (U2) se expresa mediante la formula matematica 2.
[Fórmula matematica 1]
Figure imgf000010_0001
en este caso, n; numero de vueltas, k, k+, k-, ks; conductividad termica, t, t+, t-, ts; grosor, ho, hi;
[Fórmula matematica 2]
Figure imgf000010_0002
en este caso, k, k*; conductividad termica, t, t*; grosor, ho, hi; pelfcula laminar
En el presente documento, el calculo se realiza con respecto a una pila de tipo 18650 usada como ejemplo. La pila enrollada en espiral tiene las siguientes especificaciones.
t = 0,5 mm, t+ = t- = ts = 10 pm, k = k+ = k- = 40 Wm-2 grad-1
ho = 100 Wm-2 grad-1, h = 1 Wm-2 grad-1, ks = 1 Wm-2 grad-1,
n = 9/0,03 = 300
La formula matematica 1 en la que se sustituyen estos valores da como resultado U1 = 0,0011 Wm-2 grad-1.
Por otra parte, la pila estratificada segun esta realizacion tiene las siguientes especificaciones.
h0 = 100 Wm-2 grad-1, t = 0,5 mm, k = 40 Wm-2 grad-1
h1 = 10000 Wm-2 grad-1, t* = 0,009 m, k* = 40 Wm-2 grad-1
Por tanto, la formula matematica 2 en la que se sustituyen estos valores da como resultado U2 = 100 Wm-2 grad-1.
Una comparacion entre los dos ejemplos indica que la pila estratificada segun la realizacion de la presente invencion es mas excelente en transferencia de calor, en aproximadamente 100000 veces, que la pila enrollada en espiral convencional.
A continuacion, se facilitara una descripcion de un ejemplo de modificacion de la primera realizacion.
Espedficamente, este ejemplo de modificacion adopta separadores en forma de bolsa.
La figura 2A es una vista en seccion que ilustra los electrodos rodeados por los separadores en forma de bolsa. Por motivos de simplificacion, la figura 2A ilustra un electrodo positivo 13a y un electrodo negativo 13b. El electrodo positivo 13a esta rodeado por el separador en forma de bolsa 13ca excepto en el borde exterior. Ademas, el electrodo negativo 13b esta rodeado por el separador en forma de bolsa 13cb excepto en el borde periferico del orificio a traves del cual pasa el colector de corriente.
La figura 2B es una vista en planta que ilustra el electrodo positivo 13a (primer electrodo) rodeado por el separador en forma de bolsa. La figura 2C es una vista en planta que ilustra el electrodo negativo 13b (segundo electrodo) rodeado por el separador en forma de bolsa.
El electrodo positivo 13a esta intercalado entre dos separadores que tienen cada uno un diametro exterior que es mas pequeno que el diametro exterior del electrodo positivo 13a y un diametro de orificio que es mas grande que el diametro de orificio del electrodo positivo 13a, y las partes solapantes en los dos separadores (los bordes de los orificios) estan unidas entre sf mediante soldadura termica. De ese modo, puede formarse el electrodo positivo 13a rodeado por el separador en forma de bolsa 13ca. El electrodo negativo 13b esta intercalado entre dos separadores que tienen cada uno un diametro exterior que es mas grande que el diametro exterior del electrodo negativo 13b y un diametro de orificio que es mas pequeno que el diametro de orificio del electrodo negativo 13b, y las partes solapantes en los dos separadores (las partes perifericas exteriores) estan unidas entre sf mediante soldadura termica. De ese modo, se forma el electrodo negativo 13b rodeado por el separador en forma de bolsa 13cb.
Quedan atrapados polvo o materias extranas derivadas de los electrodos en el transcurso del transporte de la pila y en el transcurso del ensamblaje de la pila, dentro del separador en forma de bolsa. Los separadores en forma de bolsa impiden que el polvo o las materias extranas derivadas de los electrodos se interpongan entre los electrodos y entre el electrodo y el terminal de colector de corriente. Por tanto, no se produce un cortocircuito interno. Ademas, se impide que los separadores en forma de bolsa se interpongan entre el electrodo positivo 13a y la envoltura cilmdrica 12 y entre el electrodo negativo 13b y el colector de corriente 17 porque los separadores se dispongan fuera del lugar correcto.
<Segunda realizacion>
La figura 3 es una vista en seccion que ilustra esquematicamente, en una direccion axial, una pila estratificada de tipo tubo (a continuacion en el presente documento, denominada simplemente pila estratificada) segun una segunda realizacion de la presente invencion. Tal como se ilustra en la figura 3, la pila estratificada 21 tiene casi la misma estructura que la de la pila estratificada 11 ilustrada en la figura 1 excepto en parte de la carcasa exterior y en parte del colector de corriente. Espedficamente, la carcasa exterior 25 esta configurada con un tubo redondo 22 y elementos de tapa en forma de disco 26 unidos a aberturas 22b formadas en dos extremos del tubo redondo 22. El colector de corriente 27 pasa a traves del elemento de tapa 26 y se soporta por el elemento de tapa 26.
A continuacion en el presente documento, se facilitara principalmente una descripcion de la diferencia entre la pila estratificada 21 y la pila estratificada 11.
Las unidades de electrodo 23 cada una de las cuales esta configurada con un electrodo positivo 23a, un electrodo negativo 23b y un separador 23c, estan apiladas secuencialmente en un estado de manera que una parte de arbol 27a del colector de corriente pasa a su traves. El colector de corriente 27 se soporta por soportes de arbol 28 formados en los centros de los elementos de tapa 26, respectivamente, en dos extremos 27b de los mismos. Cada uno de los soportes de arbol 28 esta compuesto por un material aislante con el fin de impedir un cortocircuito electrico entre el elemento de tapa 26 y el colector de corriente 27. Cada uno de los extremos del colector de corriente 27b que sobresalen de los elementos de tapa 26 sirve como terminal de electrodo negativo. El tubo redondo 22 sirve como terminal de electrodo positivo.
A continuacion, se facilitara una descripcion de una batena ensamblada que incluye la pila estratificada 21. La figura 4A ilustra un estado en que un elemento de ajuste metalico 29 esta unido a la pila estratificada 21. El elemento de ajuste metalico 29 esta dispuesto entre la pila estratificada 21 y la pila estratificada adyacente 21' para llevarse en contacto de superficie con el elemento de tapa 26 de la pila estratificada 21. El elemento de ajuste metalico 29 esta compuesto por un metal en forma de columna, pero puede estar compuesto por un metal en forma de prisma. Una direccion axial del elemento de ajuste metalico 29 se corresponde con una direccion axial (una direccion X en la figura 4A) del colector de corriente 27. El elemento de ajuste metalico 29 tiene una superficie superior 29a (el lado izquierdo en la figura), y una cavidad 29aa esta formada en el centro de la superficie superior 29a en una direccion vertical con respecto a la superficie superior 29a. La cavidad 29aa permite que el colector de corriente 27' de la pila estratificada adyacente 21' se ajuste en ella. El elemento de ajuste metalico 29 tambien tiene una superficie inferior 29b (el lado derecho en la figura), y una cavidad 29ba esta formada en el centro de la superficie inferior 29b en una direccion vertical con respecto a la superficie inferior 29b. La cavidad 29ba permite que un elemento de aislamiento 24 se ajuste en ella. Ademas, una cavidad 24a esta formada en el centro del elemento de aislamiento 24 en la direccion vertical con respecto a la superficie inferior 29b. La cavidad 29a permite que la parte de arbol 27b del colector de corriente en la pila estratificada 21 se ajuste en ella. La superficie inferior 29b del elemento de ajuste metalico entra en contacto de superficie con el elemento de tapa 26 de la pila estratificada, de modo que la pila estratificada 21 y la pila estratificada adyacente 21' estan conectadas electricamente entre sf por medio del elemento de ajuste metalico 29. En el presente documento, el elemento de aislamiento 24 impide un cortocircuito electrico debido al contacto del colector de corriente 27 con la carcasa exterior 25.
Tal como se ilustra en la figura 4B, es posible obtener la batena ensamblada 20 en la que las pilas estratificadas estan conectadas en serie, acoplando las pilas estratificadas 21 colindantes entre sf usando el elemento de ajuste metalico 29.
<Tercera realizacion>
La figura 5 es una vista en seccion que ilustra esquematicamente, en una direccion axial, una pila estratificada de tipo capsula (a continuacion en el presente documento, denominada simplemente pila estratificada) segun una tercera realizacion de la presente invencion. La pila estratificada 31 incluye, como elementos constituyentes principales, una carcasa exterior 35, un colector de corriente 37 y unidades de electrodo 33 alojadas cada una en la carcasa exterior. La carcasa exterior 35 esta configurada con una unidad estructural exterior cilmdrica 32 de un extremo cerrado y un elemento de tapa 36 unido a una abertura 32c de la unidad estructural exterior 32. Cada uno de la unidad estructural exterior 32 y el elemento de tapa 36 esta compuesto por hierro niquelado, pero puede estar compuesto por un metal tal como aluminio o titanio.
La unidad estructural exterior 32 tiene una parte lateral tubular 32a y una parte abombada 32b que se abomba en forma de cupula en la parte inferior de la misma, y el elemento de tapa 36 tambien tiene una parte lateral tubular 36a y una parte abombada 36b que se abomba en forma de cupula en la parte inferior de la misma. El diametro exterior de la parte lateral 36a del elemento de tapa es mas pequeno que el diametro interior de la abertura 32c de la unidad estructural exterior 32. La abertura 32c esta cubierta con el elemento de tapa 36 en una direccion tal que la parte abombada 36b se abomba hacia el exterior de la abertura 32c de la unidad estructural exterior. El elemento de tapa 36 esta unido a la unidad estructural exterior 32 mediante un elemento de sello de aislamiento 38. El elemento de sello de aislamiento 38 desempena un papel para aislar electricamente la unidad estructural exterior 32 del elemento de tapa 36, y tambien desempena un papel para formar un espacio sellado dentro de la carcasa exterior 35 mediante el sello de la parte unida. El elemento de sello de aislamiento 38 esta compuesto por un material que tiene una propiedad de aislamiento y una propiedad de sellado, tal como betun asfaltico.
Cada una de las unidades de electrodo 33 esta configurada con un electrodo positivo 33a que contiene un material activo de electrodo positivo, un electrodo negativo 33b que contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno, y un separador 33c dispuesto entre el electrodo positivo 33a y el electrodo negativo 33b, para permitir que los iones pasen a su traves, pero impedir que los electrones pasen a su traves. Ademas, las unidades de electrodo 33 estan apiladas en una direccion axial (una direccion X en la figura 5) de la unidad estructural exterior 32 y estan alojadas en la carcasa exterior 35. En el presente documento, un electrolito esta retenido en el separador 33c. Cada uno del electrodo positivo 33a, el electrodo negativo 33b y el separador 33c tiene forma de disco con un orificio formado en el centro. Ademas, el diametro exterior del electrodo positivo 33a es mas pequeno que el diametro interior de la unidad estructural exterior 32, de modo que el borde exterior 33aa del electrodo positivo no esta en contacto con la superficie interior 32aa de la unidad estructural exterior. Por otra parte, el diametro exterior del electrodo negativo 33b es mas grande que el diametro interior de la unidad estructural exterior 32, de modo que el borde exterior 33ba del electrodo negativo esta en contacto con la superficie interior 32aa de la unidad estructural exterior 32, y por tanto el electrodo negativo 33b esta conectado electricamente a la unidad estructural exterior 32. Preferiblemente, el diametro exterior del electrodo negativo 33b es mas grande 100 |im que el diametro interior de la unidad estructural exterior 32.
El colector de corriente 37 esta compuesto por hierro niquelado electricamente conductor, y tiene una parte de arbol en forma de varilla 37a y una parte de sujecion 37b unida a un extremo de la parte de arbol 37a. La parte de arbol 37a del colector de corriente 37 pasa a traves del centro de la unidad de electrodo 33 configurada con el electrodo positivo 33a, el electrodo negativo 33b y el separador 33c, en la direccion axial (la direccion X en la figura 5) de la carcasa exterior 35. El diametro del orificio formado en el centro del electrodo positivo 33a es mas pequeno que el diametro exterior de la parte de arbol 37a. Por consiguiente, el borde periferico 33ab del orificio del electrodo positivo entra en contacto con la parte de arbol 37a, de modo que el electrodo positivo 33a esta conectado electricamente al colector de corriente 37. Por otra parte, el diametro del orificio formado en el centro del electrodo negativo 33b es mas grande que el diametro exterior de la parte de arbol 37a. Por consiguiente, el borde periferico 33bb del orificio del electrodo negativo no esta en contacto con la parte de arbol 37a.
Las unidades de electrodo 33 estan dispuestas para apilarse secuencialmente sobre la parte de sujecion 37b del colector de corriente. En el presente documento, la parte de sujecion 37b impide que la unidad de electrodo 33 se desenganche del extremo del colector de corriente 37. Placas prensadoras 34a compuestas cada una por un material de aislamiento estan dispuestas en dos extremos de las unidades de electrodo 33 apiladas, e impiden que las unidades de electrodo 33 resulten danadas cuando las unidades de electrodo 33 se apilan y se presionan. La placa prensadora 34a esta compuesta preferiblemente por un material que se usa de manera apropiada como material de aislamiento y material estructural, y esta compuesto por polipropileno. La parte de sujecion 37b tiene forma de disco. La parte de sujecion 37b no esta en contacto con la parte abombada 32b en la parte inferior de la unidad estructural exterior. Por tanto, la parte de sujecion 37b y la unidad estructural exterior 32 estan aisladas electricamente entre sf. Un extremo opuesto 37c de la parte de arbol con respecto a la parte de sujecion 37b pasa a traves de un orificio 36c formado en el centro del elemento de tapa 36, y sobresale hacia el exterior (la direccion derecha en la figura) del elemento de tapa 36. El extremo 37c que sobresale del elemento de tapa 36 sirve como terminal de electrodo positivo. La unidad estructural exterior 32 sirve como terminal de electrodo negativo.
Las camaras de almacenamiento de hidrogeno 39 se proporcionan en espacios hacia el interior de las partes abombadas 32b y 36b. Mas espedficamente, la camara de almacenamiento de hidrogeno 39 esta dispuesta en el espacio, que esta formado por la superficie interior 32ba, 36ba de la parte abombada y la unidad de electrodo 33, en la carcasa exterior.
El electrodo negativo 33b contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno. La capacidad de carga del electrodo negativo 33b es mas pequena que la capacidad de carga del electrodo positivo 33a. El gas hidrogeno generado a partir del electrodo negativo debido a sobrecarga se almacena en la camara de almacenamiento de hidrogeno 39. El gas hidrogeno almacenado en la camara de almacenamiento de hidrogeno 39 se almacena por la aleacion de almacenamiento de hidrogeno, de modo que se carga el electrodo negativo 33b.
<Cantidad de material activo>
En la pila estratificada segun la realizacion de la presente invencion, la capacidad del electrodo positivo es de 1000 mAh. La capacidad del electrodo negativo corresponde al 80 % de la capacidad del electrodo positivo.
En una pila de tipo regulacion de electrodo negativo, se genera gas hidrogeno a partir de un electrodo negativo en un estado de sobrecarga. En otras palabras, la carga a 800 mAh o mas produce la generacion de gas hidrogeno a partir del electrodo negativo (vease la formula de reaccion (1)). El gas hidrogeno generado se almacena en el electrodo negativo. El gas hidrogeno que no se almacena en el electrodo negativo se almacena en un espacio formado dentro de la pila. Proporcionar una camara de almacenamiento de gas hidrogeno en una pila permite que la pila almacene y acumule gas hidrogeno en mayor cantidad. Cuando el gas hidrogeno que va a generarse esta en gran cantidad, la presion en la pila se eleva. Cada una de las pilas estratificadas segun las primera a tercera realizaciones adopta una estructura hermetica. Por tanto, el gas hidrogeno almacenado no se fuga de la pila.
Con respecto a la descarga de la pila estratificada, el hidrogeno almacenado en el electrodo negativo se descarga como electrones e iones de hidrogeno de la aleacion de almacenamiento de hidrogeno. Sin embargo, el gas hidrogeno almacenado y acumulado en la pila estratificada se almacena en la aleacion de almacenamiento de hidrogeno, de modo que se mantiene el estado cargado del electrodo negativo (vease la formula de reaccion (2) en el momento de descarga). Tal como se describio anteriormente, el gas hidrogeno no es inutil, porque el gas hidrogeno se utiliza como fuente de energfa en el momento de descarga. La aleacion de almacenamiento de hidrogeno actua como un denominado catalizador. Por tanto, el cambio de volumen del electrodo negativo es pequeno en carga y descarga. Esto conduce a impedir la degradacion del electrodo negativo y a prolongar la vida util de la pila.
En el presente documento, el electrodo desempena el papel de un electrodo que se carga y se descarga en una pila secundaria convencional. Ademas, el electrodo tambien desempena el papel de un electrodo que aplica electrolisis al agua contenida en un electrolito para generar gas hidrogeno.
El precio del electrodo negativo constituye el 80 % del precio total de los electrodos, lo que resulta caro. Una pila de tipo regulacion de electrodo positivo requiere electrodos negativos que estan en un numero de 1,7 veces el de los electrodos positivos. Segun la presente invencion, sin embargo, la cantidad de electrodos negativos se reduce hasta el 80 % en relacion con la cantidad de electrodos positivos. Por tanto, se hace posible reducir el precio de los electrodos a la mitad. Aun cuando la cantidad de electrodos negativos se reduce, la capacidad de la pila no se reduce mediante el uso del gas hidrogeno almacenado por sobrecarga.
<Cuarta realizacion>
Con referencia a una vista en seccion axial de la figura 6A, se facilitara una descripcion de una pila estratificada de tipo rectangular (a continuacion en el presente documento, denominada simplemente pila estratificada) segun una cuarta realizacion de la presente invencion. La pila estratificada 71 incluye, como elementos constituyentes principales, una carcasa exterior 75, colectores de corriente 77 y unidades de electrodo 74 alojadas cada una en la carcasa exterior. La carcasa exterior 75 esta configurada con un elemento de cuerpo 72 y un elemento de tapa 73. El elemento de cuerpo 72 es un deposito rectangular cerrado en un extremo. Una abertura 72c del elemento de cuerpo 72 esta cubierta con el elemento de tapa 73, de modo que puede formarse un espacio sellado dentro del elemento de cuerpo 72. Cada uno del elemento de cuerpo 72 y el elemento de tapa 73 esta compuesto por hierro. Tal como se ilustra en una vista en planta de la figura 6B, la pila estratificada 71 tiene en su conjunto forma rectangular.
Cada una de las unidades de electrodo 74 esta configurada con un electrodo positivo 74a que contiene un material activo de electrodo positivo, un electrodo negativo 74b que contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno, y un separador 74c dispuesto entre el electrodo positivo 74a y el electrodo negativo 74b, para permitir que los iones pasen a su traves, pero impedir que los electrones pasen a su traves. El separador 74c desempena un papel para impedir un cortocircuito entre el electrodo positivo 74a y el electrodo negativo 74b, y un papel para retener un electrolito. El electrodo positivo 74a y el electrodo negativo 74b estan apilados en una direccion axial (una direccion Y en la figura 6A) del elemento de cuerpo 72 con el separador 74c interpuesto entre ellos, y estan alojados en la carcasa exterior 75. Cada uno del electrodo positivo 74a, el electrodo negativo 74b y el separador 74c tiene forma de lamina. La dimension hacia el exterior del electrodo negativo 74b es mas pequena que la dimension hacia el interior del elemento de cuerpo 72, de modo que el borde exterior 74bb del electrodo negativo no esta en contacto con la superficie interior 72a del elemento de cuerpo. Por otra parte, la dimension hacia el exterior del electrodo positivo 74a es mas grande que la dimension hacia el interior del elemento de cuerpo 72, de modo que el borde exterior 74ab del electrodo positivo esta en contacto con la superficie interior 72a del elemento de cuerpo 72 bajo presion, y por tanto el electrodo positivo 74a esta conectado electricamente al elemento de cuerpo 72. Por tanto, puesto que el calor generado a partir de la unidad de electrodo 74 se transfiere al elemento de cuerpo 72 con un pequeno gradiente de temperatura, se restringe la elevacion en la temperatura de la unidad de electrodo 74. Preferiblemente, la dimension hacia el exterior del electrodo positivo 74a es mas grande 100 |im que la dimension hacia el interior del elemento de cuerpo 72.
Cada uno de los colectores de corriente 77 esta compuesto por hierro niquelado electricamente conductor. Ademas, el colector de corriente 77 tiene una parte avellanada de forma conica invertida 77b y una parte de arbol 77a tras la parte avellanada 77b, y adopta la forma de una rosca avellanada en su conjunto.
Los electrodos 74b y 74a tienen orificios 74ba y 74aa a traves de los cuales pasa la parte de arbol 77a del colector de corriente 77, respectivamente. El diametro del orificio 74ba formado en el electrodo negativo 74b es mas pequeno que el diametro exterior de la parte de arbol 77a, de modo que el electrodo negativo 74b entra en contacto con la parte de arbol 77a y por tanto el electrodo negativo 74b esta conectado electricamente al colector de corriente 77. Por otra parte, el diametro del orificio 74aa formado en el electrodo positivo 74a es mas grande que el diametro exterior de la parte de arbol 77a, de modo que el electrodo positivo 74a no entra en contacto con la parte de arbol 77a.
Los cuatro colectores de corriente 77 (vease la figura 6B) estan acoplados entre sf por medio de una placa de acoplamiento 77d ubicada bajo las unidades de electrodo 74. En otras palabras, una parte de rosca 77c formada en un extremo inferior 77ca del colector de corriente esta roscada en el interior de un orificio de rosca 77da formado en la placa de acoplamiento 77d, de modo que el colector de corriente 77 se acopla a la placa de acoplamiento 77d. Las unidades de electrodo 74 estan dispuestas para superponerse secuencialmente sobre la placa de acoplamiento 77d, y la placa de acoplamiento 77d impide que las unidades de electrodo 74 se desenganchen del extremo del colector de corriente 77. Una placa de aislamiento 76b esta dispuesta entre la parte inferior 72b del elemento de cuerpo y la placa de acoplamiento 77d para impedir un cortocircuito electrico entre el colector de corriente 77 y el elemento de cuerpo 72 debido al contacto de la placa de acoplamiento 77d con la parte inferior 72b del elemento de cuerpo. Espedficamente, la placa de acoplamiento 77d esta rodeada con la placa de aislamiento 76b compuesta por polipropileno.
El elemento de tapa 73 tiene una parte de placa plana 73a y una parte curvada 73b que esta curvada formando un angulo recto desde la parte de placa plana. Una placa de aislamiento 76a esta dispuesta hacia el interior de la parte curvada 73b y en la abertura 72c del elemento de cuerpo. La placa de aislamiento 76a impide un cortocircuito electrico entre unidad de electrodo mas superior 74 y el elemento de tapa 73. Una hendidura 76aa esta formada en la superficie opuesta de la placa de aislamiento 76a al elemento de tapa 73 de manera que el borde exterior de la abertura del elemento de cuerpo 72 esta encajado en ella. Un elemento de sello 80 compuesto por betun asfaltico esta dispuesto entre la hendidura 76aa y el borde exterior de la abertura del elemento de cuerpo 72 para mantener la hermeticidad dentro de la carcasa exterior 75. Para un proposito similar, el elemento de sello 80 compuesto por betun asfaltico tambien esta dispuesto en el orificio, a traves del cual pasa la parte de arbol 77a del colector de corriente, en la placa de aislamiento 76a.
El elemento de tapa 73 esta conectado a la placa de acoplamiento 77d por el colector de corriente 77 que actua como una rosca avellanada. El elemento de cuerpo 72 sirve de terminal de electrodo positivo, y el elemento de tapa 73 sirve de terminal de electrodo negativo.
<Batena ensamblada>
La figura 7 es un diagrama que ilustra una configuracion esquematica en el caso en que una batena ensamblada 70 esta configurada con una pluralidad de pilas estratificadas 71. Estas pilas estratificadas 71 estan conectadas en serie de tal manera que la parte de placa plana 73a del elemento de tapa en una de las pilas estratificadas 71 es opuesto a y se lleva en contacto de superficie con la parte inferior 72b del elemento de cuerpo en la pila estratificada adyacente. Las pilas estratificadas 71 conectadas en serie estan intercaladas entre una placa de terminal de electrodo positivo 78a y una placa de terminal de electrodo negativo 78b para formar la batena ensamblada 70. Mas espedficamente, la placa de terminal de electrodo positivo 78a que entra en contacto de superficie con el elemento de cuerpo 72 y la placa de terminal de electrodo negativo 78b que entra en contacto de superficie con el elemento de tapa 73 estan dispuestas dentro de un alojamiento 70a. Entonces, la pluralidad de pilas estratificadas 71 estan alojadas entre la placa de terminal de electrodo positivo 78a y la placa de terminal de electrodo negativo 78b para formar la batena ensamblada 70. Se suministra aire fno externo al interior del alojamiento 70a mediante un ventilador de succion 79a y un ventilador de tiro forzado 79b para enfriar la batena ensamblada 70. Una salida de la batena ensamblada 70 se extrae de la placa de terminal de electrodo positivo 78a y de la placa de terminal de electrodo negativo 78b hacia el exterior a traves de un cable (no ilustrado).
<Quinta realizacion>
La figura 8 es una vista en seccion que ilustra esquematicamente, en una direccion axial, una pila estratificada de tipo cilmdrica (a continuacion en el presente documento, denominada simplemente pila estratificada) segun una quinta realizacion. La pila estratificada 90 incluye, como elementos constituyentes principales, una envoltura cilmdrica 92, un colector de corriente 17 y unidades de electrodo 93 alojadas cada una en la envoltura cilmdrica.
Cada una de las unidades de electrodo 93 esta configurada con un electrodo positivo 93a, un electrodo negativo 93b, y un separador 93c dispuesto entre el electrodo positivo 93a y el electrodo negativo 93b.
Las unidades de electrodo 93 estan dispuestas para superponerse secuencialmente sobre una placa prensadora 94b ubicada bajo el colector de corriente 97, y la placa prensadora 94b impide que las unidades de electrodo 93 se desenganchen de un extremo del colector de corriente 97. La placa prensadora 94b es una placa de acero niquelada que tiene forma de disco. Una placa prensadora 98a esta dispuesta sobre la mas superior de las unidades de electrodo 93 apiladas, y las unidades de electrodo 93 pueden comprimirse por las placas prensadoras 98a y 98b. Las unidades de electrodo 93 estan insertadas en la envoltura cilmdrica 92 en una direccion axial (una direccion X en la figura 8) de la envoltura cilmdrica 92. El diametro exterior del electrodo positivo 93a es mas pequeno que el diametro interior de la envoltura cilmdrica 92, de modo que el borde exterior 93ab del electrodo positivo no entra en contacto con la superficie interior 92a de la envoltura cilmdrica. Por otra parte, el diametro exterior del electrodo negativo 93b es mas grande que el diametro interior de la envoltura cilmdrica 92, de modo que la periferia exterior 93bb del electrodo negativo entra en contacto con la superficie interior 92a de la envoltura cilmdrica 92 y el electrodo negativo 93b esta conectado electricamente a la envoltura cilmdrica 92. Una abertura superior de la envoltura cilmdrica 92 esta cubierta con un elemento de tapa 96. Un elemento de aislamiento 99 esta dispuesto entre el elemento de tapa 96 y la envoltura cilmdrica 92 para impedir un cortocircuito electrico debido al contacto del elemento de tapa 96 con la envoltura cilmdrica 92.
Una lamina de aislamiento 94 esta dispuesta en la parte inferior 92b de la envoltura cilmdrica para impedir que se produzca un cortocircuito electrico entre el colector de corriente 97 y la envoltura cilmdrica 92 porque un extremo 97b del colector de corriente entra en contacto directamente con la parte inferior 92b de la envoltura cilmdrica. Una placa de conexion 91 que tiene forma de una placa curvada hacia abajo y esta compuesta por un material elastico, esta unida al otro extremo 97a del colector de corriente. Un extremo 91a de la placa de conexion entra en contacto con una superficie inferior 96b del elemento de tapa, y se fuerza hacia abajo por el elemento de tapa 96. Por tanto, el colector de corriente 97 y el elemento de tapa 96 estan conectados electricamente entre sf por medio de la placa de conexion 91.
Un saliente 96a formado en el centro del elemento de tapa 96 sirve como terminal de electrodo positivo. Ademas, la envoltura cilmdrica 92 sirve como terminal de electrodo negativo.
Esta realizacion es diferente de cada una de las realizaciones anteriores con respecto a parte de la estructura del colector de corriente. A continuacion en el presente documento, se facilitara una descripcion del punto de diferencia. La figura 9 es una vista parcial en seccion que ilustra esquematicamente una relacion entre el colector de corriente 97 y la unidad de electrodo 93. Tal como se ilustra en la figura 9, el colector de corriente 97 tiene una superficie lateral formada como una parte de rosca 97c que incluye hendiduras de rosca en las que la rafz tiene un diametro d y la cresta tiene un diametro D (d < D).
Tal como se ilustra en la figura 9, el diametro de un orificio 93aa formado en el electrodo positivo 93a es mas pequeno que el diametro (d) de la rafz de la parte de rosca 97c, de modo que el electrodo positivo 93a esta roscado en la parte de arbol 97a del colector de corriente y entra en contacto firmemente con el colector de corriente 97. Por tanto, el electrodo positivo 93a esta conectado electricamente al colector de corriente 97. Por otra parte, el diametro de un orificio 93ba formado en el electrodo negativo 93b es mas grande que el diametro (D) de la cresta de la parte de rosca 97c, de modo que el electrodo negativo 93b no entra en contacto con la parte de arbol 97a del colector de corriente. Por tanto, el electrodo negativo 93b esta aislado electricamente del colector de corriente 97.
Se hace posible garantizar satisfactoriamente el contacto entre el electrodo positivo 93a y el colector de corriente 97 de tal manera que el diametro del orificio formado en el electrodo positivo 93a se hace mas pequeno que el diametro exterior de la rafz de la parte de rosca del colector de corriente 97. Las hendiduras de rosca formadas en el colector de corriente 97 impiden que se afloje el acoplamiento entre el colector de corriente y el electrodo en el momento del ensamblaje del electrodo, y garantizan el contacto estrecho entre el colector de corriente y el electrodo. Es decir, se mantiene un estado ajustado firmemente de tal manera que el electrodo positivo 93a se ajusta a lo largo de la parte de rosca formada en el colector de corriente 97. Por tanto, se hace posible garantizar el estado de contacto del electrodo con el colector de corriente aun cuando el electrodo se deforma por carga y descarga. En el presente documento, el colector de corriente que tiene las hendiduras de rosca tambien es aplicable a las primera a cuarta realizaciones ademas de a esta realizacion.
La figura 10 es una vista en planta (el lado izquierdo en la figura 10) y una vista lateral (el lado derecho en la figura 10) que ilustra un colector de corriente segun otra realizacion. El colector de corriente 97' tiene una superficie lateral en la que estan formadas de manera completa y circunferencial hendiduras en forma de V en una direccion axial, y una seccion del mismo tiene forma de dientes de sierra. Puesto que la seccion del colector de corriente tiene forma de dientes de sierra, el area de contacto del colector de corriente con el electrodo se hace grande. Cuando el electrodo se lleva en contacto con el colector de corriente en la direccion axial bajo presion, entonces, el electrodo se desliza a lo largo de las hendiduras formadas en el colector de corriente. Como resultado, es menos propenso a que se produzca un fallo de contacto entre el electrodo y el colector de corriente. Incluso cuando el electrodo llega a deformarse en el transcurso de la carga y la descarga, el electrodo no resulta danado porque el electrodo se desliza a lo largo de las hendiduras del colector de corriente.
Con referencia a la figura 11, a continuacion, se facilitara una descripcion de un metodo para ensamblar la pila estratificada segun la presente invencion. Las unidades de electrodo 93 se apilan de tal manera que el electrodo positivo 93a y el electrodo negativo 93b se insertan secuencialmente, con el separador 93c interpuesto entre ellos, en una varilla redonda 95 que tiene el diametro exterior (d') que es ligeramente mas pequeno que la rafz de cada una de las hendiduras de rosca formadas en la superficie lateral del colector de corriente 97. A continuacion, las unidades de electrodo 93 se apilan formando conjuntos predeterminados, y las placas prensadoras 98a y 98b se disponen al lado de los dos extremos de las unidades de electrodo 93, respectivamente, para sujetar el grupo de electrodos, de modo que se ensambla un colector de corriente de electrodo A (vease el lado izquierdo en la figura 11).
A continuacion, el grupo de electrodos se comprime con las placas prensadoras 98a y 98b, y se extrae la varilla redonda 95 mientras que se mantiene el estado comprimido. En lugar de la varilla redonda 95, se empuja el colector de corriente 97 hacia el interior del grupo de electrodos, que se sujeta por las placas prensadoras 98a y 98b y al que se aplica presion, mientras se hace rotar. A continuacion, las placas prensadoras 98a y 98b se roscan en el colector de corriente 97, y se ensambla un conjunto de electrodo B en un estado en que el grupo de electrodos se comprime de manera continua (el lado derecho en la figura 11).
A continuacion, se coloca el conjunto de electrodo B en la envoltura cilmdrica 92 bajo presion, se somete la envoltura cilmdrica 92 a desaireacion y se inyecta el electrolito en la envoltura cilmdrica 92. Tras la inyeccion del electrolito, el elemento de tapa 96 se une sobre la abertura de la envoltura cilmdrica 92 y se calafatea la abertura de la envoltura cilmdrica 92, de modo que la pila estratificada queda hermeticamente sellada.
<Resultados de la prueba>
Se cargo la pila estratificada segun la quinta realizacion de la presente invencion a una velocidad de 0,5 C a 8 C y, tras la carga completa, se midieron la temperatura interna y la temperatura de superficie de la pila estratificada. Con respecto al metodo de medicion de la temperatura, la temperatura interna se midio de tal manera que se une un termopar al centro del colector de corriente. Ademas, la temperatura de superficie se midio de tal manera que se une un termopar a la superficie de la carcasa exterior de la pila estratificada. En el presente documento, la medicion se realiza en un estado en que la temperatura ambiente se fija a 15 °C y se hace soplar 1 m/s de aire en la pila estratificada mediante un ventilador.
La tabla 1 muestra los resultados de medicion de la temperatura de la pila una vez que la pila estratificada se carga de manera que el SOC es del 100 % en cada velocidad de carga (0,5 C, 1 C, 2 C, 5 C, 8 C). En la tabla 1, la columna izquierda muestra el mayor valor de la diferencia entre la temperatura de superficie de la pila y la temperatura ambiente (=temperatura medida - temperatura ambiente), y la columna derecha muestra el mayor valor de la diferencia entre la temperatura interna de la pila y la temperatura ambiente (=temperatura de nucleo -temperatura ambiente). En cada una de las velocidades de carga, la diferencia entre la temperatura de la pila y la temperatura ambiente se elevo rapidamente cuando el SOC supero el 80 %. A la velocidad de carga de 2 C o menos, cada una de las diferencias en la temperatura de la pila (temperatura medida - temperatura ambiente, temperatura de nucleo - temperatura ambiente) fue menor de 5 °C. A la velocidad de carga de 8 C, cada una de estas diferencias en la temperatura fue menor de 30 °C.
[Tabla 1]
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La figura 12 es un grafico que ilustra la diferencia entre la temperatura interna de la pila despues de la carga y la temperatura ambiente, tomandose como parametros los valores de las velocidades de carga respectivas. En la figura 12, el eje vertical indica la diferencia de temperatura en la escala de grados Celsius, y el eje horizontal indica el tiempo transcurrido en la escala de minutos. Es evidente a partir del grafico, que la diferencia entre la temperatura interna de la pila y la temperatura ambiente (elevacion de temperatura) a la velocidad de carga de 2 C o menos, es de 4 °C o menos, lo que es considerablemente pequeno. Se considera que el motivo para esto es el siguiente. Es decir, el calor no se acumula en la pila porque la generacion de calor por la carga y la disipacion de calor estan bien equilibrados.
Se entiende que hay una diferencia entre la temperatura interna de la pila y la temperatura ambiente a la velocidad de carga de 5 C y la velocidad de carga de 8 C. Sin embargo, la diferencia entre la temperatura interna de la pila y la temperatura ambiente disminuye hasta menos de 5 °C en menos de 20 minutos. Es evidente a partir de este resultado que la pila es considerablemente excelente en la propiedad de disipacion de calor.
Resulto evidente, a partir de los resultados de prueba, que la pila estratificada segun la presente invencion tiene gran conductividad termica interna y que la temperatura interna de la pila disminuye en un tiempo corto incluso cuando la temperatura se eleva debido a la carga.
Aplicabilidad industrial
La pila estratificada segun la presente invencion puede usarse de manera adecuada como aparato de almacenamiento de potencia para el consumidor ademas de un aparato de almacenamiento de potencia industrial.
Lista de signos de referencia
11 Pila estratificada de tipo cilmdrica
12 Envoltura cilmdrica (a: superficie interior de parte lateral)
13 Unidad de electrodo (a: electrodo positivo, b: electrodo negativo, c: separador)
14 Placa de aislamiento
15 Carcasa exterior
16 Elemento de tapa
17 Colector de corriente (a: parte de arbol, b: parte de sujecion, c: terminal de electrodo positivo)
19 Camara de almacenamiento de hidrogeno
20 Batena ensamblada
21 Pila estratificada de tipo tubo
22 Tuboredondo
23 Unidad de electrodo
24 Elemento de aislamiento
25 Carcasa exterior
26 Elemento de tapa
27 Colector de corriente
29 Elemento de ajuste metalico
31 Pila de tipo capsula
32 Unidad estructural exterior (a: parte lateral, b: parte abombada)
33 Unidad de electrodo (a: electrodo positivo, b: electrodo negativo, c: separador)
35 Carcasa exterior
36 Elemento de tapa
37 Colector de corriente (a: parte de arbol, b: parte de sujecion, c: extremo)
38 Elemento de sello de aislamiento
Camara de almacenamiento de hidrogeno Batena ensamblada
Pila estratificada de tipo rectangular Elemento de cuerpo
Elemento de tapa
Unidad de electrodo
Carcasa exterior
Placa de aislamiento
Colector de corriente
Ventilador
Placa de conexion
Envoltura cilmdrica
Unidad de electrodo
Lamina de aislamiento
Varilla redonda
Elemento de tapa
Colector de corriente
Placa prensadora
Elemento de aislamiento

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Pila estratificada que comprende:
una carcasa exterior tubular;
un electrodo positivo;
un electrodo negativo;
un separador dispuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo; y
un colector de corriente electricamente conductor que pasa a traves del electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador en una direccion axial de la carcasa exterior, en la que
el electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador estan apilados en la direccion axial de la carcasa exterior,
un primer electrodo que es uno del electrodo positivo y el electrodo negativo entra en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior para conectarse electricamente a la superficie interior de la carcasa exterior, pero no esta en contacto con el colector de corriente,
un segundo electrodo que es el otro del electrodo positivo y el electrodo negativo no esta en contacto con la superficie interior de la carcasa exterior, pero entra en contacto con el colector de corriente para conectarse electricamente al colector de corriente,
el borde exterior del separador esta cubierto con el primer electrodo,
el borde periferico de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el separador esta cubierto con el segundo electrodo,
el borde exterior del segundo electrodo esta cubierto con el separador, y
el borde periferico de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el primer electrodo esta cubierto con el separador,
y en la que el diametro del orificio en el separador es mas grande que el diametro de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo.
2. Pila estratificada segun la reivindicacion 1, en la que
el primer electrodo esta rodeado por un primer separador en forma de bolsa en un estado en que el borde exterior del primer electrodo esta expuesto en el exterior del primer separador, y
el segundo electrodo esta rodeado por un segundo separador en forma de bolsa en un estado en que el borde periferico de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo esta expuesto en el exterior del segundo separador.
3. Pila estratificada segun la reivindicacion 1, en la que
el colector de corriente tiene una superficie lateral en la que esta formada una hendidura,
el diametro de la parte mas estrecha del colector de corriente es mas grande que el diametro del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo, y
el diametro de la parte mas gruesa del colector de corriente es mas pequeno que el diametro del orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el primer electrodo.
4. Pila estratificada segun la reivindicacion 1, en la que
el electrodo negativo contiene una aleacion de almacenamiento de hidrogeno.
5. Pila estratificada segun la reivindicacion 4, en la que
cada uno del electrodo positivo y el electrodo negativo es un electrodo que se carga y se descarga, y es tambien un electrodo que aplica electrolisis a un electrolito retenido en la pila estratificada con una corriente electrica alimentada desde el exterior.
6. Pila estratificada segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, en la que
la capacidad de carga del electrodo negativo es mas pequena que la capacidad de carga del electrodo positivo.
7. Pila estratificada segun la reivindicacion 6, que comprende ademas:
una camara de almacenamiento de hidrogeno dispuesta dentro de la carcasa exterior, para almacenar gas hidrogeno generado a partir del electrodo negativo.
8. Pila estratificada segun la reivindicacion 7, en la que
el electrodo negativo se carga de tal manera que la aleacion de almacenamiento de hidrogeno contenida en el electrodo negativo almacena el gas hidrogeno almacenado en la camara de almacenamiento de hidrogeno.
9. Pila estratificada segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, en la que
el electrodo positivo contiene dioxido de manganeso.
10. Pila estratificada segun la reivindicacion 7, en la que
la carcasa exterior tiene una parte lateral conformada para dar una forma cilmdrica,
la carcasa exterior tiene partes abombadas que tienen forma de cupula en dos extremos axiales de la misma, y
la camara de almacenamiento de hidrogeno se proporciona en cada una de las partes abombadas.
11. Batena ensamblada que comprende una pluralidad de pilas estratificadas segun la reivindicacion 1, estando conectadas las pilas estratificadas entre sf por medio de un elemento de ajuste metalico en columna, en la que
en cada una de las pilas estratificadas, la carcasa exterior tiene una parte de cuerpo cilmdrica compuesta por un metal, y partes de tapa para cubrir aberturas formadas en dos extremos axiales de la parte de cuerpo, y el colector de corriente pasa a traves de las partes de tapa,
los elementos de ajuste metalicos tienen una superficie superior y una superficie inferior, teniendo cada una una cavidad de conexion formada en la misma,
el extremo del colector de corriente en una de las pilas estratificadas puede encajar en la cavidad de conexion formada en la superficie superior del elemento de ajuste metalico,
el extremo del colector de corriente en la diferente de las pilas estratificadas colindantes a la pila estratificada puede encajar en la cavidad de conexion formada en la superficie inferior del elemento de ajuste metalico, con un elemento aislante interpuesto entre el extremo y la cavidad de conexion, y la superficie inferior del elemento de ajuste metalico esta conectado electricamente a la carcasa exterior en la pila estratificada diferente.
12. Batena ensamblada que comprende una pluralidad de pilas estratificadas segun la reivindicacion 1, en la que
la carcasa exterior en cada una de las pilas estratificadas tiene un deposito cerrado en un extremo que tiene una seccion rectangular, y un elemento de tapa para cubrir una abertura del deposito, y
las pilas estratificadas estan conectadas entre sf de manera que el deposito en una de las pilas estratificadas y el elemento de tapa en la diferente de las pilas estratificadas colindantes a la pila estratificada estan en contacto de superficie entre sf
13. Pila estratificada segun la reivindicacion 1, en el que
el primer electrodo esta rodeado por un primer separador en forma de bolsa en un estado en que el borde exterior del primer electrodo esta expuesto en el exterior del primer separador.
14. Pila estratificada segun la reivindicacion 1, en la que
el segundo electrodo esta rodeado por un segundo separador en forma de bolsa en un estado en que el borde periferico de un orificio, a traves del cual pasa el colector de corriente, en el segundo electrodo esta expuesto en el exterior del segundo separador.
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