SE443064B - Laddningsbart metalloxid-vetebatteri - Google Patents

Description

7so2417~1 D 2 Inom den tidigare kända tekniken används varierande tillvägagångssätt och material för att anordna metalloxid-väteceller i funktionella batterier. Den vanligast använda metoden för att ansluta elektroder i serie går under be- nämningen bipolär anslutningsmetod, och grunddragen i detta system är att den positiva elektroden på en enstaka cell och den negativa elektroden på en intilliggande enstaka cell kombineras i en uppbyggnad. Denna uppbyggnad har som funktion elektrisk anslutning av två elektroder och separation av elekt- rolyterna i intilliggande celler. Den utnyttjas ofta för att separera de positiva och negativa elektrodreaktanterna vid tillfällen där de inte inne- fattas i elektroderna i sig självt. Denna kända teknik för metalloxid-väte- batterier av bipolär konstruktion visas schematiskt i fig. 1. Uppsättningen 10 i fig. l innefattar generellt en negativ elektrod 12, en positiv elektrod 14 och metallskärm 16 som åtskiljer de två elektroderna.

Individuella elektroder separeras med hjälp av en separator 18. Det skall noteras att i denna kända konstruktion är de positiva och negativa elektrod- erna på intilliggande celler anslutna elektriskt med den metalliska skärmen 16, och skärmen måste även skilja elektrolyterna åt i de olika cellerna. I den kända tekniken måste en skärm utnyttjas i stället för en solid platta så att gas har tillträde till väteelektroden (negativa). Denna konventionella uppbyggnad har flera nackdelar.

För det första föreligger fortfarande möjlighet för elektrolytkontakt mellan två celler. Vid tillfällen där lång livstid för cellen erfordras är den största konstruktionshänsynen knuten till risken att en mindre mängd elekt- rolyt komer att bli instängd av skärmen och på så vis elektromekaniskt förkorta cellernas livslängd. Inom den förut kända tekniken har användandet av en tjock skärm föreslagits för att reducera sannolikheten på att nämnda nackdel uppträder, men detta har skett på bekostnad av vikt och volym på cellen. Det är även klart att användandet av tyngre eller tjockare skärmar ökar den elektriska resistansen på ett dylikt element. En annan nackdel med den förut kända tekniken är att den metalliska elektroden (positiva) urladd- as ojämnt, dvs endast från ena sidan. Denna ojämna urladdningshastighet kan leda till skilda påkänningar mellan sidorna på elektroden, vilket kan resul- tera i buktning. I områden med högt tryck där strömtätheten blir extremt hög kan denna buktning leda till elektrisk kortslutning eller förorsaka höga temperaturer som skulle kunna förstöra separatorn 18. s 7802417-1 Dessutom uppvisar de förut kända cellerna, som är eenerellt angivna i fig. 1, relativt höga vikter på grund av att en metallskärm användes per metall- onid~elektrod, och dessutom är skärmarna i sig själva relativt tunga. Denna höga vikt på skärmen resulterar från tjockleken som erfordras för funktionen som separator och därtill från de små utrymmena för ingreppsanslutningarna som är nödvändiga för att åstadkomma adekvat stöd för elektroderna. Slutlig- en kan diametern på den förut kända uppsättningen av metalloxid-väteceller inte göras godtyckligt stora på grund av att en adekvat hastighet på värme- reflektionen måste föreligga. Den totala batterispänningen som vanligen är en fixerad konstruktionsfaktor bestämmer antalet använda plattor, vilket kombinerat med den maximala plattdiametern därvid bestämmer det maximala energiinnehållet för cellen. I enlighet härmed är det svårt att utföra cellerna med stort energiinnehåll med hjälp av bipolär konstruktionsteknik.

Inom den förut kända tekniken är olika variationer av det grundläggande systemet som visas i figuren l kända. T.ex visar det amerikanska patentet 3.669-774 en generell konfiguration av en hemisfäriskt innesluten ackumule- torcell av nickelväte, i vilken en hemisfäriskt innesluten ackumulatorcell innefattar en nickeloxidelektrod 1 och en negativ väteelektrod 2 är placerad i en behållare 3, varvid varje av elektroderna är åtskilda med en separator i vertikal ställning. Detta patent understryker problemen med att generera tillräcklig energi vis-avis kraven på gastryck vid en optimering av tjock- leksförhållandet på den positiva och negativa elektroden. Även det amerikanska patentet 3.716-413 visar ett cellarrangemang som utnyttjar en centeraxel 17 placerad på en cellhylsa 10, till vilken elektroder ll och 13 är noterade koncentriskt. En serie av samlingsskenor 12 och 14 visas även i sistnämnda amerikanska patent i ett parallellt arrangemang med centeraxeln- Centeraxeln 17 tjänar i stort som organ för orientering av elektroderna inom cellen.

Såsom alternativ till system enligt sistnämnda amerikanska patent föreligger olika ytterligare amerikanska patent såsom 3.297.A84; 3-505.114; 3.607.215 och 3.633»á245 vilka samtliga visar bränslecellsarrangemang där elektrodupp- sättningar är förbundna med en sekvens av gängade bultar placerade utefter periferin på en cellstapel. Typiskt för dessa arrangemang är patentet 3»833.424, i vilket ett antal bultar 20 är placerade på inspänningspaneler 26 - 29.. På liknande sätt visar det amerikanska patentet 3.297.484 ett antal bultar 19 som utnyttjar distansorgan 20 med ändplattor 10 och 14 som organ för inspänning av den samlade elektroduppsättningen.

PÛOR QUALITY 7su2417@1 4 Dessutom innehåller den förut kända tekniken en mångfald patent som avhand- lar andra teknikkonstruktioner för cellkomponenter av underordnad betydelse.

Som exempel härpå kan nämnas de amerikanska patenten 3.739.573 och 3.834.9&4 som visar cylindriska bränsleceller som anordnas i staplar och anslutas elektriskt i serie. Det amerikanska patentet 3.739.573 är av intresse så till vida att det visar användandet såväl av en palladiumfolie med en palla- diumsvart yta genomdränkt med väte som en elektrodkomposition och en sepa- rator av en elektrolyizmatris i form av asbest dränkt med en selekterad elektrolyt. Dessutom visar de amerikanska patenten 3.617.385 och 3.660.166 bränslecellgrupperingar som är anslutna 1 serie.

På senare tid har tekniken med elektrodstackning enligt "baksida-mot-baksi- da“~principen utvärderats. Uppfinnarna diskuterade först denna generella teknik i "Proceedings of the 9th International Symposium, Brighton, England, 1974" publicerad i "Power Sources 5, 1975 (Academic Press)". Även om cell- eller batteriuppbyggnaden förelåg i konceptform har ingen definitiv lösning erhållits genom denna vetenskapliga lärdom. Uppfinnarna har utgått från dessa idéer för att uppnå en komplett funktionell utbyggnad- Det hänvisas även till “Power Sources 5, London - New York - San Fransisco 1975, s 315- 329, inklusive figurerna 1 och 5 med tillhörande text.

Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en nickeloxidvätecell son utnyttjar avancerad teknologi i tillverkning och montering med parallell koppling av elektrodelementen.

Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett metalloxidvätebatteri, i vilket de dubbla metalloxidelektroderna urladdas från båda sidor, varvid reducering av påkänníngar 1 elektrodstapeln erhålles.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att metallonidvätebatteri redu~ cerar sannolikheten av bildande av jordslutningar beroende på buktning av elektroderna som ett resultat av påkänningsreduktion i cellstapeln.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en gasdif- fusionsskärm, vilken reducerar vikt och volym för batteriet.

Ett annat ändamål med uppfinning är att definiera de aspekter på teknologin för nickeloxidväteceller som är nödvändigt i konstruktion, tillverkning och montering av en komplett operativ enhet. 5 7802417-1 Dessa och andra ändamål med föreliggande uppfinning åstadkommes i en modul som utnyttjar ett "baksida~mot-bakaida"-arrangemang av metallcxidelektroder och blåsfria polymercellseparatorer. I en första utföringsform är två "baksida~mot-baksida"-kopplade metalloxidelektroder anordnade i en sandwich- utbyggnad med två elektrodseparatorer som innefattar elektolyt och två väte- elektroder för bildande av en enkel modul. Modulerna är anordnade i staplar, isolerade och åtskilda med modulisolatorer, och anslutningen mellan e1ektro~ derna innefattar svetsning eller är elektriskt anslutna med varandra via tungformíga strömbanor på de metalloxidelektroderna på den första modulen till tungor på väteelektroderna på den andra modulen, och metalloxidelektro- dernas strömbanor från den andra modulen till väteelektrodtapparna på en tredje modul, osv. tills alla moduler har blivit hopkopplade. Tungorna på metalloxidelektroderna på den första modulen och tungorna på de negativa elektroderna från den sista modulen anslutas därvid till batteriterminaler~ na. Denna elektrodserieanslutning enligt “baksida-mot-baksida"-principen åstadkommer ett högspänningsbatteri. Hela stapeln av moduler hålles under press av två ändplattor och en centralt anordnad staghult. Som ett alterna- tiv i fallet med prismatisk celluppbyggnad kan stapeln hållas under press med väggarna på en batteríbehållare.

Uppfinningen avser en nickel~vätecel1 konstruerad för användning av parall- ellanslutning enligt "baksida-mot-baksida"-principen. Genom utnyttjandet av presskärlsteknologi möjliggör denna uppfinning användandet av avancerad teknologi i konstruktion, utveckling och tillverkning av kärlet, elektrod- stapelkomponenterna, montering och aktivering. Operativa celler kan därvid kopplas elektriskt för att definiera en operativ energikälla.

Det som huvudsakligen kan anses känneteckna uppfinningen framgår av patent- kravet.

Dessa och andra ändamål av uppfinningen framgår av den följande beskrivning- en, i vilken samtidigt hänvisas till bifogade ritningar, där figur l är en schematisk sidovy av en typisk tidigare känd cellstap~ elkonstruktion, figur 2 är en schematisk sidovy av ett första utförande som visar en del av modulkonfigurationen i ett meta1loxid~vätebatteri som utnyttjar serieupphyggnad och som inte berörs direkt av uppfinningen, Poor Qnatrirv i 7802417-1 figur 3 är en tablå av energitäthet vis-a-vis cellspänning som visar skillnaderna mellan bipolär konstruktion och batteri mot- svarande uppfinningen, ' figur 4 är en schematisk sidovy av ett komplett batteri som visar sammanpressningsplattor och celldisposition kring en centralt placerad axiell stagbult, figur 5 är en avskuren sidovy av ett utförande av uppfinningen som visar en komplett cell som har en multielektrodstapel kopp- lad i ett parallellt arrangemang, och " figur 6: är ett schematiskt perspektiv av en anslutningstunga och samlingsskenearrangemang knutet till figuren 5.

Med hänvisning till figuren 2 skall i belysande syfte diskuteras vissa grunddrag. En schematisk sidovy 'av en sektion av det högspänniga metalloxid- vätebatteriet visas i en serieanslutning. Stapeln 20 som visas i figuren 2 innefattas av en serie av moduler som vardera är gjord av positiva plattor 22, 24 anordnade i ett "baksida-mot-baksida"-arrangemang och negativa platt- or 26, 28 separerade från de i "baksida-mot-baksida"-arrangemanget ingående positiva plattorna med hjälp. av separatorer 30, 32. En serie av modulsepara- torer 34 användes för att separera individuella moduler i stapeln. Schemat- iskt visad i figuren 2 är infästningen av elektroderna i resp. modul för att uppnå en seriekonstruktion. Såsom framgår av figuren 2 är anslutningen av negativa elektroder 26 och 28 effektuerade med hjälp av mellankopplingar 36 och därvid i ett seriearrangemang till de "baksida-mot-baksida“-kopp1ade positiva elektroderna 38, 40 i en andra modul. De negativa elektroderna 42, 44 på den andra modulen 'år anslutna med lijälp av ett kopplingselement 46 till de positiva elektroderna på den efterföljande modulen.

De "baksida-mot-baksida"-kopplade positiva elektroderna 22 och 24 'år på ett typiskt sätt utformade av för rymdändamål avsett sintrat nickel, approxima- tivt 0,76 mm i tjocklek med belastningar av approximativt 0,105 amperetim- mar/g eller 0,345 amperetimmar/cm3. Genom optimalstudium är det känt att energitätheten 'år beroende av amperetimmeskapaciteten per areaenhet. Med denna elektrod är strömtätheten approximativt ll mA/ cm2 för en komplett urladdning i approximativt 2,0 timmar. Om det 'år önskvärt att arbeta med högre strömtäthet måste tjockare positiva elektroder utnyttjas. Elektroder med storleksordningen av 0,94 mm i tjocklek och utnyttjande strömtäthetskon- struktion enligt "baksida-mot-baksida"-principen ger typiskt strömtätheter på approximativt 27 mA/cmz för en 2,0 timmars urladdning. .-...___..-..__.___*.. . _...<......_...__..._....- 7 7802417-1 Alternativt kan elektro-kemiskt impregnerade elektroder utnyttjas i konst- ruktionen för 35 amperetimmars cell. Generellt utnyttjar dessa elektroder en nickelskärm som plåtstöd. Sintrad nickel användes I plåten och porositeten ligger inom området 75 - 85%. Belastningsnivån är l till 2 gram av aktivt material per cm3 våtvolym i plåten. Såsom visas i figuren 2 är två samman- kopplade ledningsbranscher 36 utnyttjade för att hopkoppla "baksida-mot-bak- sida"-elektroderna, varvid i praktiken för att minska antalet tungor emel- lertid en tunga kan utnyttjas i operativ förskjutning mellan varje par av positiva elektroder. I uttryck för bestämning av kriteria för positiva cell- tvärsnittsareor indikerar optimeringsstudier att värden för primärparametrar till ett 60 wattimmars batteri blir: (1) surömfäuhet 45 mA/CmZ (2) tryck 7-35 atms (3) antal moduler - 45 Ett dylikt batteri har en energitäthet på approximativt 88 Whr/kg med en diameter av 6,35_cm och maximal längd av approximativt 30 cm. Det stora antalet moduler ökar möjligheten till kantjordning av elektroderna och kon- struktionsproblem av ett så stort batteri kan uppkomma. Därtill kommer att den relativt lilla diametern för resp. modul ger upphov till ett antal kon- struktionsproblem. Trots att åtgärder tages för att reducera antalet modul- er, liksom för att öka diametern för varje modul, medelst diameter och strömtäthet kvarstår huvudparametrarna, nämligen att hålla tryckområdet konstant. Som ett resultat på en dylik variation kan nämnas att en sänkning av ett reviderat batteri med approximativt 2 whr/kg energitäthet erhålles genom ökning av diametern från 6,35 cm till 8,9 cm, medan antalet moduler reduceras till hälften. Värdet 8,9 cm bedömes därför att vara en god kompro- miss med hänsyn till energitäthet och driftsäkerhet.

Material för separatorer 30 och 32 är antingen asbest som användes vid bränsleceller eller kaliumtitanat. Dessa material som användes i nickel- väteceller är mättade med 30% viktsprocent med kaliumhydroxidelektrolyt.

Eftersom bubbling genom tryckskillnad för syret är approximativt 34,47- lO3N/mz undantränges under överladdning syrgasen som genereras vid den posi- tiva elektroden till batteriets fria volym genom den porössintrade struktur- en av den positiva elektroden hellre än att bubbling genom elektrolyten i elektrodseparatorn uppträder. Syret rekombineras därvid med vätgas vid den negativa elektroden för att bilda vatten. Denna reaktion är bättre än syr- gasbuhbling genom eller läckning över separatorn och snabb reaktion vid väteelektroden lokalt i närvaro av katalysatorn av platinsvart.

Poor QUALITY _ _... .__-.-. 7802417-1 8 En dylik reaktion kan t.ex uppträda när man utnyttjar en porös ickevävd nylonseparator som bildar heta områden som är skadliga för batterier. En annan fördel med separatormaterial i form av asbest eller kaliumtitanat är dess förmåga att kvarhålla elektrolyten inom dess porstruktur.

Separatorerna är generellt 5-20 mm tjocka och är överdimensionerade till sina storlekar då det gäller diametern för att överlappa elektroderna.

Centerhålet för separatorerna 30 och 32 är underdimensionerade då de använd- es cylíndriska stapelkonstruktioner (se fig. 4). Denna variation i storlek är avsedd att undvika kortslutning mellan intilliggande positiva och nega- tiva elektroder kring kanterna eller vid centerhålet i det fall ett dylikt centerhål föreligger.

De negativa elektroderna 26, 28 innefattar generellt ett teflonbundet pla- tinasvart stöd med en tunn finmaskig nickelskärm. Dessa negativa elektroder är typiskt approximativt 8 mm tjocka med en vattenavvisande yta av polytet- rafluoreten på baksidan intill gasdiffusionsskärmen. Det är nödvändigt att den negativa elektroden har en sådant polytetrafluoretenbakning för att undvika förlust av elektrolyt på grund av inträngning av elektrolyten i vätgasen som alstras av den negativa elektroden under laddning- Sådana elek- troder är väl kända genom tekniken. Ädelmetallhalten är 3 mg/cmz för pla- tinasvart. Denna platinaladdning är tillräcklig som en katalysator för att aktivera elektroden vid strömtätheter större än 100 mA/cmz med mycket låga polarisationsförluster. 3 mmzs nickeltungor är individuellt punktsvetsade på den negativa elektroden. Fastän det inte framgår av detta utförande, är dessa tungor från de negativa elektroderna på resp. sida om gasdiffusions- skärmen punktsvetsade tillsammans för anslutning till samlingsskena.

I-iodulseparatorerna 34 kan utformas av en polymer, företrädesvis av Vattenav- visande natur, såsom polytetrafluoretypen, polypropylen eller liknande.

Användandet av dessa material kommer att förhindra elektronisk ledning mell- an de två väteelektroderna som ingår vid olika potentialer. Dessutom bör separatorerna vara icke porösa i en riktning vinkelrät i förhållande till elektrodytan, och därigenom förhindra elektrolytkontakt mellan intilliggande celler. Varje modulseparator kan ha ett gasöverföringslager genom resp. fas (tillstånd) för att åstadkomma gasaccess till ytorna för väteelektroderna.

Ett dylikt gasöverföringslager kan ha många utformningar, såsom användning av ett stort antal nedsänkningar eller spår _på varje yta, eller utnyttjande av ett extremt tunt Eéhz-båšišeën 'íyta applicering av en metall eller plastskärm. "gäss 7802417-1 Betraktas nu figuren 4 visas här ett komplett batteri som använder "baksi- da-mot-baksida"-konstruktion i ett seriearrangemang. Detta är det första utförandet vid användning av "baksida-mot-baksida"-konstruktion för att bilda ett högspänningsbatteri. I figur 4 är visat en schematisk sidovy av ett komplett batteri utan angivande av tillhörande tryckkåpa eller de elekt- riska anslutningarna i enlighet med figur 2. Ett dylikt batteri är cylind- riskt med elektroderna vinkelrät mot den centrala axeln för batteriet. Dessa uppbyggnader har i allmänhet visat sig ha framträdande termiska egenskaper.

Speciellt blir hettan som genereras i elektrostapeln framledd till stapelyt- an. Från denna punkt passerar den genom vätgasen inom behållaren till tryck- behållarväggen där den kan utstrålas och ledas iväg. I en dylik omgivning erhålles en väg med relativt låg termisk resistans tack vare att ledningen i vägens riktning parallellt med plattorna är snabb och vätgas är en god värmeledare. I kontrast härtill kräver den förut kända tekniken som utnytt- jar platta celler, såsom visas i det amerikanska patentet 3.669.744, att hetta måste ledas i en riktning som i princip är vinkelrät mot plattorna och därvid genom tryckbehållarväggen och dessutom genom ett mellanlägg till en basplatta för batteripackningen. Värmeledningsförmågan i en riktning vinkel- rätt mot plattorna är en faktor 10-20 gånger mindre än den som är parallell med plattorna. Av detta skäl erfordras tilläggsmodifikationer i flatelek- troduppbyggnaderna för att förbättra värmeledningen som i princip resulterar i ökad vikt. I applikationer med batterier till rymdfarkoster blir denna viktökning en oacceptabel faktor.

Som visas i figuren 4 är batteriet 50 i allmänhet axiellt anordnad på en central stav 52 och 316 rostfria "ställ" som uppvisar gängor 54 vid ena änden för att motta en lämplig bricka 56 och låsmutterarrangemang 58. Neder- änden av den centrala stången 52 kan ha lämpligt bultarrangemang 60 med anpassningsbar bricka 62 eller alternativt kan vara gängad på ett sätt som motsvarar det vid den övre änden. Två hoppressningsplattor, en övre platta 64 och nedre platta 66, utnyttjas för att bibehålla stapeln i dess lämpliga orientering. Den övre hopsättningsplattan har ett centralt anordnat borrhål 68 för att motta stagbulten 52, och den undre hopsättningsplattan 66 har ett på liknande sätt anordnat axiellt borrhål 70. Hopsättningsplattorna 64 och 66 kan utföras i inert material, såsom polypropylen, polysulfon, genom pressformning eller liknande.

PCO-R QUreLrrY 7so24@7-1 m Om materialet skall vara pressformat kan följande procedur utnyttjas. Form- ningsprocessen involverar huvudsakligen sprayning av formen med formsläpp- ningsprodukten och därefter applicering av approximativt Zl gram av plast- iskt material som skall utnyttjas i formningen. Uppfinnarna har i princip funnit att belastningar till 3628,7 kg under 30 sekunder är en första fas i processen. Därefter reduceras trycket till l587,6 kg och upphettarna aktive- ras till 190,6°C. Då temperaturen i formen når l87,8°C ökas be- lastningen åter till 3628,7 kg under 30 sekunder. Belastningen reduceras därefter till l587,6 kg och kyles till rumstemperatur. Till slut avlägsnas dessa ändplattor från formen så snart avkylning uppnåtts.

Elektrodstapeln framställes genom uppbyggnad till den önskade elektriska kapaciteten genom applicering av komponenter över centrumbulten 52. Såsom visas i figuren 4 utgöres den första elektroden av väteelektroden 70 följd av en separator 72 och två positiva elektroder 74. En andra separator 76 identisk med separatorn 72 placeras därefter över stapeln och en negativ eller väteelektrod 78 anbringas därefter. En första cellseparator 80 anord- nas på stapeln för att göra en individuell modul komplett. Såsom visas i figuren 4 har varje stapelelement ett hål större än det för centrumbulten 52. För att isolera bulten 52 från den aktiva elementen i batteriet är en rad packningar 82 anordnade runt bulten 52 så att den totala höjden på sta- peln med packningar 82 är lika eller nästan lika med avståndet mellan modul- separatorerna 80.

Efter hoppressning av anordningen kommer packningarna 82 därefter att vara lätt hoppressade för att täta mot centrumstången 52 liksom mot den individu- ella modulseparatorn 80. Packningarna 82 kan framställas från sama material som modulseparatorn 80 och såsom framgår av figur 2 är höjden av denna sta- pel av packningar 82 lika med höjden för det aktiva elementet i varje indi- viduell modul. Genom användandet av denna framställningsteknik kan en rad av moduler byggas upp för att bilda ett operativt batteri. Figur 4 illustrerar tre distinkta moduler 84, 86 och 88. Efter fullföljande av stapeln placeras den övre hoppressningsplattan 64 över centrumbulten och låsningsmekanismen 56 och 58 anbringas därefter. När en enhet väl är sammansatt kan spårförsed- da samlingsskenor anordnas för att åstadkomma den elektriska kontakten på sättet som visas i figuren 2 genom resistanssvetsning av elektrodtungor (ej visade) på resp. elektrod till samlingsskenornas tungor. I och med den elek- triska anslutningen har färdiggjorts kan samlingsskenorna i sig själva bli svetsade till matningsgenomgångar i batteribehållaren. 11 Hänvisaxide till figur 3 åskådliggöres här ett flisagraxzx för :spänning vis-a-vis energitätbetem l detta :íiagram visas en jämförelse mellan två batterier, vilka båda uppvisar en moduldiïameter av 8,9 cm. Den lägre kurvan indikerar en ltonventifnnell bipolär lzonstrulttion, och den övre kurvan visar en batteri- anordning som utnyttjar tekniken med uppfinningens "baksida-nuot-baksidaf- seriekonstruktion. Antalsangivelserna som följer varje kurva indikerar anta- let plattor i varje stapel och såsom enkelt kan visas och demonstreras med skissen i figur 3 ger den nya konstruktionen nxateríellt högre energitäthet för speciella spänningar .

Figurerna 5 och 6 visar en andra föredragen utföríafitgsforrn. I figuren 5 illu- streras ett scbematiskt tvärsnitt av en funktionerande celluppbyggnad med samtliga särdrag enl. uppfinningen. I detta föredragna utförande är elek- trodanslutningen parallell för att åstadkomma ett funktionerande cellele- ment. 'llndpolerna på denna cell kan kopplas till andra celler för att defin- iera en funktiouerande kraftkälla. Element som :motsvarar de schematiskt visade i figuren 4 är angivna med samma hänvisningsbeteckningar. I figur 5 är tryckbeïålltarern 90 i princip gjord i två hälfter, stomdel. Dessa stomdel- ar framställes genom bydroformningprocess som inledes med ett blad med han- delsnarnnet "ïnconel 718' av approximativt 20 mmzs tjocklek. Under hydroformningen drages den längre stomdelen 91 ned till en tjocklek av app- roximativt 18 nam, medan den kortare stonxdelen 93 bibehålles i huvudsak till den ursprungliga tjockleken på 20 m1. Följande hydrofornzning innebär att nämnda stomdel blir åldringshärdade genom värmebebandling i värmeugn. Såsom Iaeslcrivas här rnedför den följande sammansättningen av batteriets elektrod~ stapelkonrponenter att de två tryckstomdelarna 91 och 93 svetsas till svets- ringen för att komplettera tryclauppsättningerl som visas som element 90 Som visas i figuren 5 är elektrodstapelsammansättningen i axiell linje med en bult 52. Mellanläggsbrickor eller distansbriclcor 82 som användes i serie~ konstruktionen behövs inte i detta utförande. Två "baksida--mot-baksidauupp- byggnad uppvisande positiva elektroder 74 är anordnade på stapeln och an* slutna till positiva samlingsskenor 92 på ett sätt som visas i detalj i figuren 6. Med liknande konstruktion är negativa elektroder 78 anordnade relativt till de negativa samlingsskenorna 94. Separatorer 72 och 76 är placerade på ett sälar indentiskt med det som visas i figuren l» och en indi- viduell modulseparator 80 är på samma sätt anordnad på stapeln. Eftersom elektrodansllxtningen i detta utförande är parallell behövs ingen elektro- lytseparation utföras mellan intilliggande moduler. _ V .f_..._._.,.....,._...._.

POCR QUAIJIY 78Û24¶7~l 12 Därför utnyttjas en skärm i polypropylen (med handelsnamnet "VEXAR"BÖ för separator SU mellan parallellt anslutna intilliggande celler.

Hopsättningen. av stapeln :ring bulten 52 sker enligt följande: Samtliga positiva elektroder 74 väges individuellt och sorteras enligt vikten. Dessa elektroder skall väga approximativt ll,5 gram och ha en variation som är mindre än ett 1/2 gram. Dessa elektroder sorteras därefter in i inkrement av 0,1 gram. Elektroderna blandas ihop för att bilda en multi- elektrodstapel som är anpassad till genomsnittsvikten för elektroderna. Dessa elektreder skall naturligtvis inspekteras visuellt och elektroder som bedöms ha dåligt kosmetiskt utseende såsom s rickor tliva blåsor etc. skall kasseras. a b 2 Vid hopsättningen av staplarna kan en fixtur utnyttjas för att anordna i rad elektrodtungor som visas som element 96 för de positiva elektroderna och element 98 för de negativa elektroderna. Såsom framgår här är det viktigt att dessa elektrodtungor bibehålles i en noggrann uppläggning. I princip kan aluiniumlister utnyttjas för att förenkla denna procedur. Toppändplattan 66 placeras uppvänd på botten av fixturen med centrumbulten 52 på plats. En skärm som tillhandahållas under handelsnamnet "VEXAR' (icke visad) placeras därefter intill ändplattan som ett separatorelement. Nämnda skärm är utförd i approximativt 25 mm tjock polypropylen av handelsnamnet “VEX~ Därefter följer i tur och ordning att en negativ elektrod placeras på sta- peln åtföljd av en asbestseparator 72, "baksida-mot-baksida"-uppbyggnad upp- visade positiva elektroder 74, en ytterligare separator 72, en negativ elek- trod 78, en slzärn1 80 av nämnda typ "VEXAR'®; en ytterligare elektrod, osv tills det önskade antalet moduler har satts samman.

När ovanstående har genomförts placeras en svetsring lO2 över ändplattan ös.

En isoleringsbricka 104 hållas på plats av muttern 106 och användes för att pressa ihop stapeln på plats. En hylsa 108 som är separat från sexkantsmutt- ern 106 med brickan llO användes därefter för att montera uppsättningen på plats relativt det positiva stödet 112. Ett negativt stöd 114 utnyttjas även på ett liknande sätt som använder hylsan ll6.

En negativ ändpol 114 använder en koppling ll8 för att centrera stödet llk i förhållande till tryckskalet 90. Två sexkantsmuttrar 120 och l22 användes 7802417-1 13 för att åstadkoma en terminal koppling för en lämplig ledning. En flat nylonhriflka 124 användes för att åstadkomma ett isoleringsutrymme mellan de terminala sexkantsmuttrarna 120 och 122 på stödet 114 via gängor som visas i figur 5.

Den positiva terminalen som formas från stödet 112 motsvarar det för den negativa terminalen 114 med det undantaget att en fylltub 126 är visad koax- ial för ändamålet att addera elektrolyt och vätgas.

Ett unikt särdrag på denna sammansättning är att svetsringen 102 uppbär en fläns 128 som sträcker sig från nämnda ring. Denna svetsring användes för elektronstrålesvetsning på de två stomdelarna 91 och 93 och additionellt för att stöda elektrodstapeluppsättningen. Som en fördel, eftersom elektrodstap- eln därvid hålles mycket styv av svetsringen, kan vara att både de positiva och negativa terminalerna blir fria från att röra sig eller flyta med tryck- behållaren under cyklisk funktion.

En fläns 119 på bulten 52 användes för att placera staven på hylsan 116.

Staven är lätt reducerad till sin diameter för att möjliggöra förskjutnings- kontakt med hylsan 116. Härigenom underlättas den relativa. rörelsen för stapeln" Dessutom kan en icke visad skärm i plast, t.ex polytetrafluoreten, placeras på den reducerade sektionen av staven för att åstadkomma isole- ring.

Hänvisande till figuren 6 är detaljerna för anslutning mellan tunguppsätt- ningen för de individuella cellerna bildlikt. Samlingsskenorna 92 och 94 utför följande funktioner. Först bildar de hållbara organ för elektrisk anslutning av de positiva och negativa elektroderna. De möjliggör även tek- niken för styrning av elektrodutrymmet genom hela stapeln. Slutligen möjlig- gör de uppbyggnaden för anslutningen av dessa elektroder på ett sätt som kan motstå chocker och vibrationer som uppträder i utskjutningsanordningen för rymdfarkoster.

Som visas i figuren 5 är samlingsskenan 92 svetsad på plats med hjälp av distansorgan 132 som sammankopplar samlingsskenan med element 108. På lik- nande sätt är samlingsskenan 94 placerad relativt distansorganet 116 med hjälp av flänsen 130.

Såsom framgår av figuren 6 är gallerbrickor 134 individuellt punktsvetsade på samlingsskenorna för att bilda individuella skåror för tungorna 96 och POÛR QUALJTy 780241?-1 14 98. Gallerbrickorna 184 är i princip L-formade och resp. uppvisar en tungdel 142 för resp. fastsvetsning av elektrodtungorna till samlingsskenorna. Då stapeln fyllts upp placeras elektroderna mellan samlingsskenorna med tungor- _ na införda i de åstadkomna skårorna. Det skall noteras att elektroderna är icke fullt cirkulära, utan uppvisar delar med formen av stympade koner 136 och 138 Eör att underlätta införandet i stapeln och undvikande av otillbör- lig kortslutning. Det ínses även klart att tungorna 96 kommer att passa i skårorna 140 på samlingsskenorna 192 och tungorna 98 kommer att passa i skårorna 141 på samlingsskenorna 94. På ett sätt som redan beskrivits byggs stapeln därefter upp med elektrodtungorna i resp. skåra på deras resp. sam- lingsskenor. När stapeln har satts samman svetsas varje elektrodtunga på plats till tungdelen 142 på den återkomma gallerbrickan. överflödigt tung- material kan tas bort då svetsningen genomförts.

Slutlig hopsättning skall beskrivas i följande. Med multielektrodstapeln hopsatt inplaceras den i tryckbehållaren genom förande av de negativa termi- nalerna 114 genom plasthoppressningstätningen 188 på stomdelen 91 på tryck- behållaren tills denna stomdel är placerad på T-sektionen 128 på svetsringen 102. Den andra delen 93 på tryckstomen 90 kan därefter appliceras genom förandet av den positiva termínalen genom dess plasthoppressningstätning 177 tills även denna stomdel är anbragt på T-sektionen på svetsringen vid 128.

Då upplinjeringen en gång genomförts fullföljes elektrosvetsning av de två stomdelarna 91 och 93 till svetsringen 102. Krympning av hoppressningstät- ningarna 117 och 118 genomföras därefter och utföres i en press som arbetar approximativt med 13 tons tryck. Under denna procedur reduceras ytterdiame- tern från 12,7 till 11,988 mm. Den sålunda hopmonterade enheten skall där- efter aktiveras.

För en typisk 35 amp/h NiH2-cell genomföras först en provningstest genom placering av cellen i en explosionsprovningskammare_ Cellen påverkas där- efter med ett tryck av approximativt 34,47 105 N/m2g med helium. Trycket reduceras långsamt till atmosfäriskt nivå och cellen avlägsnas från explos- ionsprovningskammaren. Därefter genomföras en läckningstest genom installer- ing av en läckningsprovare och ventilanordning till enheten. Cellen placeras i en vakumkammare med en läckdetektor ansluten för att mäta helium som kan läcka från cellen. Om enheten uppvisar en läckníngshastighet större än l,01325 x 10'5 bar c3/sekund avlägsnas enheten från kammaren. Arten av läck- ning bestämmas, repareras och återkontroll utföres i vakumkammaren. 7802417-1 15 Därefter kan elektrolytladdning genomföras. Provnings- och ventiluppsätt- ningen avlägsnas och enheten väges. Evakuering av cellen på förekommande luft genomföras med cellens anslutning till. en vakumbearhetningsstation.

Fyllning av elektrolyt utan tillförsel av luft i cellen genomföras och fyll- tuben 126 tätas med en tätningstub. Elektrolyt påfylles såsom angivits genom fylltuben 126. Cellen tillåtes därvid att bli genomdränkt under 24 timmar och väges därefter. Tätningen avlägsnas och batteriet laddas med 3,5 A under 16 timmar med vätgas under ventilation. Därefter vändes cellen för dränering av elektrolyt medan laddningsprocessen fortsätter. Vägning av cellen och avgiven elektrolyt genomföras därefter och tryckprovaren och ventilprovaren installeras. Cellen tryckpåverkas med väte till 98,0665 x 105 N/m2 och kvar- hålles medan urladdning sker från 17,5 A till 1,0 volt. Strömmen reduceras till 5,0 ampere och urladdning fortsätter tills man når 0,1 volt.

Därefter vidtar kapacitetsmätningar genom installering av cellerna i tempe- ratur kontrollerade utrustningar och inställning av temperaturen till 20 i o,1°c. :111 9230665 x 105 N/mZ och laddas med 3,5 i 0,2 ampere under 22 timmar. Registrering på cellspänning Cellerna presspåverkas därefter och tryck tas med halvtimmesintervall. Cellerna urladdas därefter med 17,5 ampere i 0,2 ampere till 1,0 volt. Kapaciteten på cellen bör vara åtminstone 35 Ah. 588,399 x 105 N/m2. Registreringar på spänning och tryck bibehålles tills Maximalt tryck inställes genom anslutning till utloppshål till laddningstryck och kapacitet upprepas. Självurladdning laddningsretentions- prover göres på i och för sig känt sätt och då dessa tester har genomförts kan avloppsröret igenproppas och svetsas. Cellen är därefter klar för aktu- ell funktion genom hoppkoppling till andra enheter för att bilda en overksam sammansatt kraftkälla. Uppfinningen är icke begränsad till de i ovanstående såsom exempel angivna utföringsformerna utan kan underkastas många modifika- tioner och variationer inom ramen för uppfinningstanken.

POÖR QUÅLIirY “

Claims (1)

1. 7802417-1 *Q PATENTKLÄ Laddningsbart metalloxid - vätebatteri som uppvisar ett antal på varandra staplade moduler där resp. modul innefattar två baksida - mot - baksida anordnade positiva elektrodplattor (22,24), två med elektrolyt indränkta porösa separatorplattor (30) som är anordnade vid var sin motsatta sida av de positiva elektrodplattorna och två negativa elektrodplattor (26,28) som åtskiljes från de positiva elektrodplattorna av nämnda separat- orplattor, varjämte modulerna är åtskilda från varandra med elektrisk icke ~ ledande väggplatta, de positiva elektrodplatt- orna i de olika modulerna är parallellt anslutna till en första strömsamlíngsskena och de negativa elektrodplattorna i de olika modulerna är parallellt anslutna till en andra strömsamlings- skena, nämnda positiva och negativa elektrodplattor har väsent- ligen cirkulära horisontalsnitt samt är utförda med raka sido- ytor som bildar baslinjer i tänkta borttagna segment i det cirkulära horisontalsnittet, och nämnda strömsamlingsskenor är placerade diametralt motställt varandra på den av modulerna bildade gemensama stapeln och är anordnade vid elektrodplatt- orna vid nämnda sidoytor, k ä n n e t e c k n a d därav, att elektrodplattorna är försedda med från sidoytornas mittre delar utskjutande tungor (98) som sträcker sig in i mot tungorna svarande urtagningar i strömsamlingsskenorna och där är fast- svetsade 1 strömsamlingsskenorna- ..._..._...._.._.._.___. ....-._._..-.,..... _. __,_____ TV1