SE442254B - Bipoler elektrodmodul av kamtyp for elektrokemiska batterier och batteri med sadana moduler - Google Patents

Description

7801988-2 för att uppnå båda syftena. Vid dylika batterier är emellertid de inbördes avstånden mellan cellerna små, exempelvis med fyra celler per 2,54 cm, vilket accentuerar parasitströmmar och/eller effekter av aenaritbilaning . i Det har befunnits att de problem som tidigare förekommit vid små avstånd mellan näraliggande celler kan kraftigt förminskas genom att använda en ny bipolär elektrcdstruktur med elektrisk led- ning anordnad över elektrodernas bredd i stället för i deras tjock- leksriktning, varvid man anordnar flera dylika elektrodstrukturer interdigitalvis, (dvs liksom när man sammanlägger båda händernas lfingrar med ett vänsterfinger mellan varje par högerfingrar) för Watt bygga upp cellen. Det har befunnits att man genom att använda denna struktur kan öka det effektiva mellancellsavståndet från ca 0,75 cm till ca 6,35 cm eller mera, under det att det faktiska av- ståndet mellan motstående elektrodytor är omkring 0,2 cm. 7 En dylik interdigitalvis anordningsbar elektrodmodul är känd genom svenska utläggningsskriften 357 890, samt är avsedd för elektrolys. På en basplatta bestående av två mot varandra, t.ex. genom sprängfogning, intimt förenade plattor, den ena av titan och den andra av järn, är från titansidan utgående titananoder, och från järnsidan järnkatoder. Dessa vinkelrätt utstickande elektro- der är fogade vid den plana väggen medelst svetsning.

I Det är ett syfte med uppfinningen att på praktiskt sätt åstadkomma en ny bipolär elektrodmodul jämte ett batteri sammansatt av dylika moduler, där det effektiva mellancellsavståndet är mycket större än det faktiska avståndet mellan elektroder, varigenom man kan till stor del undertrycka de parasitiska och/eller dendritiska effekter, som varit förenade med elektrokemiska batterier.

I Detta och andra syften uppnås enligt uppfinningen genom en konstruktion enligt krav 1 resp. krav 6. Uppfinningen framgår klara- pre för fackmannen genom den följande beskrivningen av utföringsexem- pel.

Fig. 1 är en perspektivvy, med bortskurna partier, av två bipolära elektrodelement av kamtyp eller interdigitalt anordnade.

Fig. 2 är en perspektivvy, som visar flera interdigitalt anordnade elektrodelement, som bildar en batteriuppsättning.

Fig. 3 visar ett tvärsnitt av en typisk batteriuppsätt- ning.

Uppfinningen kommer nu för enkelhets skull att beskrivas med hänvisning till ett elektrolytsystem bestående av zink/klor/zink- *I "šbnon Qlïåm, 7801988-2 klorid, som är i detalj beskrivet i det ovan förstnämnda patentet 3.713.888, men uppfinningen är ej begränsad till just detta sys- tem . _ I Eig. 1 visas två bipolära elektrodmoduler, konstruerade enligt uppfinningen, och vilkas elektroder är interdigitalt anord- nade. Varje modul har en elektriskt ledande, kemiskt inert, i huvud- sak plan vägg 1, som har en första och en andra sida, 2, 3, vilka är varandra motsatta. Den första sidans 2 plan är i allmänhet paral- lellt med den andra sidan 3. Sidan 2 innehåller en serie på avstånd från varandra anordnade spår 4, vilka är i huvudsak inbördes paral- lella och företrädesvis anordnade symmetriskt utefter sidan 2.

På samma sätt är sidan 3 försedd med en serie på avstånd från varandra anordnade spår 5, som är i huvudsak inbördes parallel- la och företrädesvis är symmetriskt anordnade utefter sidan 3.

Spåren 4 i sidan 2 är lateralt förskjutna i förhållande till spåren i sidan 3. Företrädesvis är varje spår 5 anordnat mitt emellan ett par intill varandra liggande spår 4 och vice versa.

Väggen 1 kan konstrueras av ett lämpligt, elektriskt le- dande material, som är kemiskt resistent, dvs kemiskt inert, i för- hållande till elektrolyten och andra kemiska ämnen, med vilka den kommer i kontakt. Väggen 1 kan sålunda tillverkas av grafit, någon ventilmetall såsom titan eller liknande. Väggen 1 är företrädesvis ogenomtränglig för elektrolyt och gas.

Den bipolära modulen innehåller minst två elektroder 6, vilka är konstruerade av lämpligt elektrodmaterial, såsom finkor- nig grafit. Vid systemet med zink/klor/zinkklorid är elektroderna 6 zinkelektroder. Elektroderna 6 är i allmänhet rektangulära. En kant av elektroden 6 är anordnad i ett därtill hörande spår 4 i väggens 1 sida 2, så att elektroden 5 står i elektrisk kontakt med väggen 1.

Det finns minst en elektrod 7, som är i huvudsak rektan- gulär och varav en kant är anordnad i ett därtill hörande spår 5 i väggens 1 sida 3. Vid ett batterisystem byggt på metallhalogenid och halogenhydrat är elektroden 7 företrädesvis porös och utgör klorelektroden. Elektroden 7 kan konstrueras av något lämpligt elektrodmaterial, såsom porös grafit, exempelvis av någon av ty- perna UCC PG-60 eller Airco Speer 37-G, eller någon porös, med ädel- metallkatalysator försedd ventilmetall, exempelvis ruteniserad ti- tan. _ ,_....,...-._..~.-»--_...... vw" ._:_' ï?c>()ïš §>\3xÄx¿ ?so19as+2 4 De kanter till elektroderna 6, som sitter i tillhörande spår 4 och de kanter till elektroderna 7, som sitter i sina spår 5, fast- hâlles i spåren genom lämpliga medel. Exempelvis kan kanterna hållas fast i sina spår genom limning, plasmasprutning vid kontaktpunkten el- ler genom svetsning. Det föredrages emellertid att elektroderna till- verkas på sådant sätt, att de är något litet tjockare än tillhörande spår, så att när vederbörande kant tryckes in i spåret, fasthållning uppnås på grund av den trånga passningen. Fasttryckning av elektro- derna i tillhörande spår är enkelt och tillförlitligt, och man får därav lågt kontaktmotstånd.

Vid det föredragna utföringsexemplet enligt fig. 1 är klor- elektroden 7 så tillverkad, att den har ett inre rum 8. Denna kon- struktion kan åstadkommas på en mångfald sätt, vilket fackmannen in- ser, exempelvis genom att tillverka två lämpligt utformade elektrod- halvor, vilka därefter fästes runt kanterna, antingen med en icke-le- dande, stabil mask eller genom formning och hoplimning av själva elektrodhalvorna. Rummet 8 är det utrymme, till vilket elektrolyten matas. Elektroderna 7 är även försedda med icke-visade gasutsläpphål.

I För att uppnå likformig elektrodfördelning i de enskilda klorelektroderna 7 förses dessa med elektrolyt genom var sin ledning -9 med liten diameter, vilken är kopplad till ett samlingsrörsystem och verkar som flödesstyrande hål. Det föredrages att ledningarna 9 framleder elektrolyt från ett överliggande förgreningsrör 10 ned mot .botten av klorelektrodrummet 8, eftersom cellens botten föredrages som inmatningspunkt. Genom detta arrangemang minimeras även parasi- tiska ingångsströmmar genom att man maximerar ledningens längd, var- igenom man får maximal elektrolytresistans på ingången mellan de en- skilda cellerna. Elektrolyten matas till förgreningsröret 10 från en reservoar 11.

En grupp av de bipolära elektrodmodulerna kombineras, så att man får en grupp av celler, dvs en elektroduppsättning för ett bat- teri, såsom visas i fig. 2. Den inerta väggen 1 i de olika bipolära modulerna anordnas i huvudsak parallellt med väggen 1' i intilliggan- de bipolära moduler. Med undantag av den sista elektroden i varje cell placeras klorelektroderna 7, vilka sträcker sig från sidan 3 i huvudsak vinkelrätt ut från den inerta väggens 1 plan, mellan ett par varandra intilliggande zinkelektroder 6', vilka sträcker sig 1 huvud- sak vinkelrätt från intilliggande, inerta vägg 1' från dess sida 2' och vice versa. Med andra ord är klorelektrodorna 7 i en bipolär _elektrodmodul interdigitalvis anordnade i förhållande till zinkelekt- . LL *___ 7801988-2 roderna i intilliggande, bipolär modul. Varje elektrod sträcker sig nästan fram till den inerta väggen i intilliggande bipolära elektrod- modul, så att det finns ett litet gap mellan elektrodens ände och intilliggande bipolära moduls innervägg 1.

Det antal bipolära elektrodmoduler som anordnas interdigi- talvis för att bilda batterielektroduppsättningen kan varieras efter behag. De yttersta bipolära modulerna har bara zinkelektroder 6, som sträcker sig från spår 4 i sidan 2 eller bara klorelektroder 7 från spår 5 i en sida 3. Den yttersta sidan för resp. ändvis anordnade in- erta väggar, dvs de sidor som ej uppbär elektroder, kan vara försedda med spår, om detta anses lämpligt, men de är företrädesvis i huvudsak plana och det är lämpligt att anordna batteriklämskruvarna 12 vid dy- lika sidor.

Elektroderna mellan varje par av intilliggande inerta väggar 1 utgör en cell, och man inser att cellarean kan ökas på det enkla sät- tet, att man förlänger den inerta väggen 1 och sätter på flera elekt- roder. Man föredrar att anordna så att elektroderna vid ytterändarna till varje cell antingen samtliga är zinkelektroder 6 eller klorelekt- roder 7. Genom ett dylikt arrangemang begränsar man möjligheten av yttre kortslutning, eftersom man tillförsäkras att spänningsskillnaden över varje cellbredd kommer att vara hälften av spänningsskillnaden, om de yttersta elektroderna alternerar från zinkelektrod 6 till klor- elektrod 7 utefter batteriet.

Som framgår av fig. 3 är de enskilda bipolära elektrodmodu- larna fästade på en lämplig, icke-ledande, stabil cellbotten 13. De inerta väggarna 1 är fästade vid botten 13 med lämpliga medel, såsom fastskruvning under användning av genomgående titanbultar mot en glas- platta. För att tillförsäkra god tätning kan poröst teflonpacknings- material läggas mellan glaset och det bipolära elementet. Med denna konfiguration kommer batteriuppsättningsväggarna att bestå av de yt- tersta, inerta väggarna, dvs de innerväggar, som har elektroder bara på ena sidan, jämte de yttersta elektroderna i varje enskild cell.

Eftersom det finns ett litet gap mellan varje elektrods ände och in- tilliggande inertvägg, anordnar man en lämplig inert packning 14 för att fylla ut det gap som hör till den yttersta elektroden. Det finns inte någon överdel, så att varje elektrod j snaxfln står i huvudsak öppet mot ett gasutrymme, vilket ger bästa möjliga frigöringsmöjlig- heter för gas från själva cellen. Om stapeln är inrymd i ;Lc hölje, bör man anordna ett lämpligt, överliggande gasutrymme. I stället för I .-M_;__ii¿i___l-i "i.______r,_i,__ Poor; ouzamfr? ______,_,,.,......_-;_-;-_:_; 7801988-2 att skruva fast de enskilda, bipolära modulerna vid en gasplatta kan de enskilda modulerna inpassas i en vakuumformad, övertill öp- pen låda och utföra tätning mellan botten och båda sidorna mot de spårförsedda, inerta väggarna 1. K Vid celler som skall vara användbara på lång sikt är det nöd- Q vändigt att anordna ett uppsamlingsutrymme för avfall. Som framgår I av fig. 1 kan detta åstadkommas genom att anordna elektroderna på så- _ ¿ dant sätt, att det finns ett litet utrymme mellan elektrodernas-ne- derdel och deninerta väggens 1 nederdel, För att emellertid kvar- hålla elektrolyt i cellen måste de yttersta elektroderna med nödvän- dighet sträcka sig hela vägen till botten och där tätande fästas vid den icke-ledande bärarbotten, exempelvis med användning av en porös teflonbottenpackning. i Under drift flyter elektrolyt från utrymmet mellan elektroder- 'na och över elektrodens hela bredd. Detta medför att man har mycket god gasfrigöring från interelektrodgapet och minimal turbulens hos elektrolyten. I celler utan separatorer medför turbulens i mellanelekt- rodutrymmet en kraftig ökning av strömineffektiviteten.

I var och en av cellerna i batteriet kommer alla de olika elektrolytströmmar som flyter ut från mellanelektrodutrymmet att kom- bineras och flöda över ändelektroden eller cellbehållarväggen, om dy- lik finnes, till en icke visad, gemensam sump. Ett sätt att separera elektrolyten mellan cellerna visas i fig. 1, där de inerta väggarna vilka fungerar som celluppdelare, är gjorda något högre än översta elektrodnivån i cellen. Elektrisk isolering mellan cellerna åstadkom- mes genom det höga motståndet hos elektrolytfilmen, som flyter över ändelektroden eller innerväggen eller, med andra ord, utgångiso/lering erhålles genom att man har ett "vattenfall" på varje cell.

Ett typiskt batteri konstruerat i enlighet med fig. 2 och 3, kan innehålla 10-12 bipolära elektrodmoduler av kamtyp. Varje modul kan ha en inert vägg 1, som är omkring 10 cm hög och omkring 12 cm lång. På varje första sida 2 kan vara monterade fjorton zinkelektroder 6, som sträcker sig omkring 8 cm från sidans 2 plan och vars överdel ligger omkring 2,54 cm under överdelen av den inerta väggen 1. Varje andra sida 3 kan ha tolv klorelektroder 7, som sträcker sig omkring 8 cm från sidans 3 plan, varvid överdelen för var och en av dem lig- ger omkring 2,54 cm under överdelen av den inerta väggen 1, och var- vid underdelen för var och en ligger omkring 0,3 cm ovanför botten av den inerta väggen 1. Den understa delen av varje zinkelektrod 5, med undantag för de yttersta elektroderna 6, kan ligga omkring 0,3 cm ovanför det nedersta partiet av den inerta väggen 1. 7801988-2 7 Fackmannen inser att en mängd olika ändringar och modifika- tioner är möjliga vid bipolära elektrodmoduler av kamtyp jämte av dylika förfärdigade batterier, jämfört med det här beskrivna, utan att man för den skull avlägsnar sig från uppfinningstanken. De visa- de och beskrivna utföringsexemplen är alltså ej avsedda att begränsa uppfinningen.

Claims (16)

i7so19sa-2 8 Patentkrav

1. Bipolär elektrodmodul av kamtyp för elektrokemiska batterier, innefattande en plan, elektriskt ledande och kemiskt inert som cellvägg i ett batteri avsedd vägg (1), på vars motsatta sidor (2, 3) är fästade i elektrisk kontakt med varandra i huvudsak parallella och mot väggen vinkelräta plana elektroder på sådant _sätt, att två på väggens ena sida (2) fästade elektroder (6), tillverkade av ett första material, är anordnade parvis mitt för en på väggens andra sida fästad elektrod (7) av ett andra materi- al, k ä n n e t e c k n a d av dels att den plana väggen består helt igenom av ett och samma material, dels att de båda elektro- derna (6), avsedda att antaga den ena polariteten och elektroden (7), avsedd att antaga den andra, motsatta polariteten, är fäs- tade i väggen genom instickning i uti väggens båda sidor upptag- na spår (4, 5), dels att elektroden (7) avsedd att antaga den motsatta polariteten, är en porös elektrod, försedd med ett in- re rum (8), anordnat att mottaga elektrolyt utifrån (via 9).

2. Bipolär elektrodmodul enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de nämnda spåren (4) för elektroderna (6) av den första polariteten i förhållande till det nämnda spåret (5) för elektro- den (7) av den andra polariteten, är parvis anordnade på ömse .sidor om och på lika avstånd från det senarenämnda spåret (5).

3. Bipolär elektrodmodul enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en elektrolytförsörjningsledning (9) utifrån kommunicerar med den porösa elektroden och mynnar vid underdelen av det inre rummet (fig. 3).

4. Bipolär elektrodmodul enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att däri ingår flera porösa elektroder av nämnt slag.

5. Bipolär elektrodmodul enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att däri ingår flera elektroder av det första materialet.

6. Batteri med ett batterikärl eller hölje, upptagande bipolära -elektrodmodukm av kamtyp, varvid elektroâmoduhmma vardera har en ledande, kemiskt inert, plan vägg (1), på vars motsatta sidor är P°5í5áš LITY' 9 7sø19ss~2 fästade i elektrisk kontakt i huvudsak med varandra parallella, vinkelräta elektroder på sådant sätt, att två elektroder (6) av ett första material, anordnade på den första av sidorna (2) är monterade parvis mitt för en elektrod (7) av ett andra material på den andra sidan (3), och varvid modulerna är anordnade paral- lellt med varandra, och så att ett elements första sida är vänd emot en intilliggande module andra sida samt mellan två elektro- der (6) av det första materialet insticker en elektrod (7) av det (andra materialet, k ä n'n e t e c k n a t av dels att de plana väggarna (1) består helt igenom av ett och samma material,dels att de nämnda elektroderna är fästade genom instickning i första spår (4) i respektive första sidor resp. i andra spår (5) i den' andra sidan, vilka spår är upptagna i resp. plana väggars nämnda sidor, dels att elektroden (7) på den andra sidan (3) är en po- rös elektrod och dels av att den porösa elektroden (7) är försedd med ett inre rum (8) anordnat att mottaga elektrolyt utifrân (via 9).

7. Batteri enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att i var och en av de nämnda bipolära elektrodmodulerna ingår flera elektroder (6) av det första materialet, var och en med en första kant anordnad i ett tillhörande spår (4) i den första sidan (2) och anordnad i huvudsak vinkelrätt mot den inerta väggens plan, och varvid var och en av elektrodmodulerna har flera elektroder (7) av det andra materialet, var och en med en första kant anord- nad i ett tillhörande spår (5) i den andra sidan (3) samt sträc- kande sig i huvudsak vinkelrätt mot den inerta väggens plan, och varvid mellan varje par av väggar till moduler elektroder av motsatta polariteter är interdigitalt anordnade.

8. Batteri enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att de nämnda, fördelade spåren (4) i den första sidan är parvis symmet- riskt anordnade i förhållande till spåren (5) i den andra sidan.

9. Batteri enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att de porösa elektroderna (7) har var sitt inre rum (8), anordnade att upptaga elektrolyt, jämte till varje rum en elektrolytförsörj- ningsledare (9), som sammanbinder rummet med ett yttre elektro- lytförråd. men oUALmf 7801988-2 10

10. Batteri enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att den inerta väggens överdel i vart och ett av elementen sträcker sig ovanför elektrodernas (6, 7) överdel.

11. Batteri enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att underdelen av den inerta väggen för vart och ett av elementen sträcker sig under underdelen för åtminstone elektroderna av ettdera av de båda materialen.

12. Batteri enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a t av att de yttersta elektroderna i varje par av mot varandra vända väg- gar (1) är av samma polaritet inbördes. f

13. Batteri enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att däri ingår en elektrolytreservoar (11) pch ett övre förgrenings- rör (10), kopplat till reservoaren och till alla nämnda elekt- 1rolytförsörjningsledningar.

14. Batteri enligt krav 13, "k ä n n e t e c k n a t av att samtliga elektrodkanter är med tryckpassning insatta i respekti- ve spår.

15. Batteri enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda grupp av element är upptagen i ett uppåt öppet hölje. -

16. Batteri enligt krav 15, k ä.n n e t e c k n a t av att de nämnda plana väggarnas (11) ändar är i kontakt med respekti- ve motsatta sidoväggar till ett hölje. trtcllëøønv fifgzfifšš-*fl