SE467602B - Anordning foer kylning eller uppvaermning av en elektrokemisk cell - Google Patents

Description

4-67 602 och på senare tid även blybatterier. Slutna celler utföres i allmänhet med gelad eller absorberad elektrolyt och har då uppenbara fördelar: man behöver inte fylla på vatten och hantering och handhavande blir enklare och säkrare.

Kylning av batterier kan utföras på flera olika sätt. Det vanligaste är naturligtvis att ordna uppställningen av cellerna i batteriet så att luften får möjlighet att cirkulera mellan cellerna. Denna kylning är emellertid inte alltid så effektiv och man måste tillgripa metoder att kyla cellerna inifrån. Så t. ex. har man borrat kylkanaler genom polbryggor och poltappar och genom dessa cirkulerat kylvatten. Ett annat sätt är att lägga in en plastslang i cellens övre del och låta kylvatten passera genom slangen. Båda metoderna innebär att man endast kyler cellerna upptill och med relativt liten värmeöverföringsyta mellan elektrolyt och kylmedium. Ett annat sätt att kyla består i att låta delar av elektroderna sticka upp genom cellkärlets lock och därigenom leda bort överskottsvärme.

Ytterligare en metod beskrivs i det japanska patentet 60-107274 (A) där man i battericellen anbringat flata "heat pipes" vid sidan av elektoderna.

Det kan givetvis finnas exempel på tillämpningar där battericellerna behöver uppvärmas i stället för att avkylas.

Så t.ex. kan det vara nödvändigt att värma batterier som urladdas och laddas med så låga strömmar att de inte uppvärms nämnvärt härigenom, men där elektrodreaktionerna med fördel gemomföres vid en så hög temperatur att extra värme måste tillföras. Det som här anförts om kylning av battericeller och speciellt beträffande anordning enligt uppfinningen gäller även för uppvärmning.

Väsentligt för effekten av kylningen i samtliga dessa fall är att elektrolyten är fririnnande så att värmen kan överföras från elektrolyten i cellen till kylytan genom konvektion. Bästa kylningen skulle man naturligtvis få genom tvångscirkulation av elektrolyten helst genom en speciell värmeväxlare, men detta f? 467 602 skulle ställa sig kostsamt, öka underhållet genom behovet av tillsyn av pumpar och dessutom innebära strömläckage på grund av vagabonderande strömmar mellan cellerna i batteriet.

Avsikten med här beskrivna uppfinning är att anordna kylningen av battericeller på ett effektivt sätt med stora värmeöverförande kylytor utan att därigenom inkräkta på vare sig kapacitet eller strömfördelning. Det är också avsikten med uppfinningen att den skall effektivt kunna kyla även slutna battericeller med absorberad eller gelad elektrolyt. Det skall här också visas att den föreslagna metoden för kylning också medför en bättre elektrisk ledningsförmåga hos elektroderna.

För att underlätta beskrivningen av uppfinningen skall här först uppbyggnaden av en battericell beskrivas. Beskrivningen av anordningen enligt uppfinningen framgår av figurerna 1 - 7 där: Figur 1 visar ett elektrodpaket från en battericell Figur 2 visar anordning av värmeavledande kroppar sammankopplade till en polbrygga och en poltapp med kylfläns.

Figur 3 visar exempel på symmetriplan i blybatterielektroder a) rörelektrod b) flat elektrod Figur 4 visar exempel på värmeavledande kropp vid en elektrod som först delats i två lika halvor.

Figur 5 visar ett utförande av en värmeavledande kropp för en veckad elektrod.

Figur 6 visar batteri med kylanordning enligt uppfinningen ansluten till särskild poltapp med kylfläns.

Figur 7 visar anslutning av de värmeavledande kropparna till en av poltapparna för elektroderna, vilken försetts med kylflän: 467 602 En battericell består i huvudsak av kärl med elektrolyt och ett antal elektroder (1,2), minst en av vardera polariteten, och åtskiljda med separatorer (3). Elektroder av samma polaritet är sammankopplade med varandra parallellt som figur 1 visar. Det är vanligast att elektroderna är sammankopplade upptill i cellen och förbundna med en s.k. polbrygga (5) som i sin tur står i metallisk förbindelse med en poltapp (6) som passerar ut genom cellen via speciella genomföringar i locket. Antalet poltappar kan vara en eller flera för vardera elektrodslaget.

Elektroderna består vanligen av planparallella, porösa skivor även om det i t.ex. blybatterier förekommer att ena elektrodslaget kan vara sammansatt av ett antal stavar eller rör (figur3a). Dessa är dock så anbringade att de tillsammans bildar en i huvudsak planparallell skiva. Varje elektrod är försedd, oftast upptill, med en strömavledande fana (4), vilken genom lödning, gjutning eller förskruvning anslutits till nyssnämnda polbrygga(5). Elektroderna är i allmänhet uppbygda så att ett aktivt material t.ex. blydioxid, nickeloxid eller mangandioxid i de positiva elektroderna anbringats på eller omkring en elektrisk ledare ofta speciellt utformad för att kvarhålla det aktiva materialet. Sådant ledande (inaktivt) material kan vara bly eller blylegeringar, nickelnät, kol- eller grafitskivor. De negativa elektroderna består på samma sätt av aktivt material men av annan sammansättning och inaktivt material som strömledare. I Separatorerna (3) mellan elektroderna utgöres av porösa, elektrisk oledande skivor som görs så tunna som möjligt för att nedbringa det inre motståndet samtidigt som de skall förhindra kortslutning mellan elektroder av motsatt polaritet.

Samtliga elektroder som ingår i battericeller är mestadels symmetrisk uppbyggda kring ett plan (12) mitt genom elektroden, parallellt med elektrodens utbredning i höjd och bredd och vinkelrätt mot strömlinjerna. Detta ger den bästa fördelningen av strömmen inom cellen och den bästa utnyttjningen 467 602 av det aktiva materialet. I elektrodernas höjdled kan det däremot finnas varierande mängder aktivt och inaktivt material.

I vissa fall är elektroderna vecklade eller kupade, men detta hindrar inte att man kan finna symmetriplan med nyssnämnda definition.

I vissa konstruktioner kända t.ex. genom den svenska patentansökan 8300141-2 är inte symmetriplanet i sin helhet parallellt med ett plan i elektrodens utbredning, men icke desto mindre är elektroden uppdelad i två symmetriska halvor på så sätt att varje halva för sig arbetar mot den motsatt elektroden.

Avsikten med föreliggande uppfinning är att i elektrodernas symmetriplan (12) av sådan art som här beskrivits inplacera värmeavledande kroppar (7) vilka genom denna placering inte påverkar elektrodernas arbetsätt med avseende på strömfördelning eller utnyttjning av aktiva materialet. Sådana värmeavledande kroppar av t.ex. kopparplåt kan vidare ges en utsträckning över hela elektrodens symmetriplan d.v.s hela elektrodens höjd och bredd. En sådan anordning är således inte begränsad enbart till cellens övre delar med sin värmeöverförande yta. De värmeavledande kropparna kan t.o.m. göras större än elektrodens yta och även stödjas mot cellkärlets väggar. Genom att anbringa kropparna i nära kontakt med t.ex. de negativa elektroderna i ett blybatteri genom lödning mot de strömledande gallren, förbättras värmeavledningen ytterligare och dessutom ökas gallrens ledningsförmäga d.v.s. cellens inre motstånd minskar.

Då koppar har särskilt god värmeledningsförmåga, fredras detta material i olika geometriska former som värmeledare. Så till exempel kan de värmeavledande kropparna förses med ytförstorande struktur, utföras i veckad form eller förses med hål om så skulle visa sig vara lämpligt. Emellertid kan koppar i kontakt med den positiva elektroden korrodera kraftigt speciellt om elektrolyten är svavelsyra. Den bör i sådant fall skyddas med någon beständig porfri beläggning, t. ex. polytenplast eller 467 602 liknande som kan påläggas t. ex. som ett pulver på den uppvärmda metallen. Om kopppar användes som värmeavledande kropp i kontakt med den negativa elektroden är den i allmänhet katodiskt skyddad och behöver knappast ens i svavelsyra ges något extra skydd ehuru det dock måste anses vara fördelaktigt att ge den ett skyddande lager av t.ex. bly med ett mellanskikt av tenn.

Uppfinningen är dock inte begränsad till koppar som värmeavledande material på i och för sig känt sätt.

Avsikt med uppfinningen är vidare att förse dessa värmeavledande kroppar i elektrodernas symmetriplan med anslutningar (9) samt att förbinda dem till en polbrygga (8) och en poltapp (10) på motsvarande sätt som sker med elektroderna. Denna poltapp kan ha en polaritet beroende på om de värmeavledande kropparna är oisolerade och i kontakt med någon av elektroderna eller vara elektriskt oledande om kropparna har isolerats genom t.ex. en tunn beläggning av plast. Anslutningen kan naturligtvis ske till flera än en poltapp av samma polaritet och värmeavledande kroppar kan placeras i såväl negativa som positiva elektroder med motsvarande poler i en och samma battericell. För att bättre avleda värmen från poltapparna kan dessa förses med kylflänsar (11). Värmen kan då snabbt avledas från poltappen (10) eller kylflänsen (ll). Värmen kan då snabbt avledas från poltappen (10) eller kylflänsen (ll) genom luftpåblåsning eller genom att låta kylvatten strömma genom eller runt om kylflänsen. Kylning kan också ske genom nedsänkning av battericellen i vatten, speciellt om cellen är av den slutna typen.

Poltapparna från ett batteri anbringas vanligen i cellkärlets lock. Figur 7. Genomföringen av kylanordningens poltapp eller poltappar inskränkas dock inte till cellens lock utan kan anbringas lika väl i cellens väggar eller botten. En sådan anordning är fördelaktig om plats inte kan beredas för dessa poltappar med deras kylflänsar på cellens ovansida.

Särskilt fördelaktigt är det att förse battericeller som har absorberad eller gelad syra med anordningen enligt uppfiningen då f? 467 602 i dessa celler kylning genom konvektion d.v.s. transport av uppvärmd elektrolyt inte lätt kan ske till de övre delarna av cellen. Vid slutna celler är anordningen speciellt fördelaktig då inte bara elektrolyten är absorberad utan separatorerna och elektrodernas porer oftast inte är helt fyllda med elektrolyt ("starved electrolyte"), för att därigenom underlätta syrgasrekombinationen. I sådana celler är inte bara värmekonvektionen ytterligare försvårad utan där uppstår ett tillskott av värme genom den exotermiska reaktionen mellan syrgasen och de negativa elektroderna och särskilt god kylverkan uppnås då genom att de värmeavledande kropparna är anbringade vid de negativa elektroderna.

I ett föredraget utförande av anordningen för kylning enligt uppfinningen har mellan dubbla negativa elektroderna i ett (momopolärt) blybatteri fastlödats blyklädda kopparplåtar O,5mm tunna vilka försetts med anslutningssfanor upptill. Anslutningen till en blyklädd kopparpol med runt tvärsnitt sker via en polbrygga likaledes av blyklädd koppar som placerats ovanför elektroderna och vinkelrätt mot dessa. De värmeavledande kropparnas poltapp är anbringad centralt i locket och försedd med kylfläns av känd konstruktion.

I ett föredraget utförande avsett för elektroder enligt den svenska patentansökan 8300141-2 har mellan de positiva elektrodernas halvor och isolerat från aktiva materialet inplacerats plastöverdragna kopparplåtar O,5mm tjocka. (Figur 5). Plåtarna har givets en veckad form som överenstämmer med elektrodhalvornas form och är anslutna till en poltapp med kylfläns som tidigare beskrivits.

Materialet i de värmeavledande kropparna är företrädesvis av koppar, eftersom värmeavledningen i detta material per volym är t. ex. ca 10 gånger bättre än för bly. För motsvarande kylning skulle således behövas en 5mm tjock blyplåt mellan elektrodhalvorna. Då man önskar speciellt lätta konstruktioner kan det vara fördelaktigare att utforma de värmeavledande 467 602 kropparna i aluminium skyddade av en tunn plast. Aluminium leder värme ca dubbelt så bra som koppar räknat per vikt.

Tabell 1. Värmeavledningsförmàgan hos olika metaller vid 298K enligt Handbook of Chemistry and Physics 1978-79 i W/ cm'OK Aluminium 2,37 Tenn 0.56 Bly 0.34 Titan 0.22 Kol, amorft 0.06 Zink 1.16 grafit 0.8-2.2 Litium 0.85 pyrolytisk 0.06* Silver 4.29 grafit 19.6 ** Guld 3.18 Koppar 4.01 Nickel 0.9 Järn 0.8 *)Vinkelrätt mot planen **)Parallellt med planen

Claims (9)

467 602 PATENTKRAV

1. Anordning för kylning eller uppvärmning av en elektrokemisk cell genom värmetransport från cellens inre delar till omgivande yttre utrymme via värmeledande kroppar som har högre värmeledningsförmåga än det för elektrisk ledning avsedda elektrodmaterialet k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna (7) är placerade i en eller flera elektroder och i respektive elektroders symmetriplan (12) utan att nämnvärt påverka strömfördelningen samt att sagda kroppar är förenade till en eller flera poltappar (6) anordnade i cellens väggar eller lock.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeavledande kropparna består av metallplattor av i huvudsak samma utsträckning i bredd och höjd som elektroderna och placerade i elektrodernas symmetriplan (12) vinkelrätt mot strömriktningen mellan elektroder av motsatt polaritet.

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna placeras i ena elektrodslagets symmetriplan ansluteas til en poltapp och de värmeavledande kropparna placeras i det andra elektrodslagets symmetriplan anslutes till en annan poltapp.

4. Anordning enligt krav 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna i kontakt med de positiva elektroderna isoleras elektriskt från dessa genom ett överdrag av plast, färg eller dylikt elektriskt oledande material.

5. Anordning enligt krav 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna vid de negativa elektroderna bringas i nära kontakt med dessa genom pressning, lödning eller liknande metoder. 467 602 10

6. Anordning enligt krav l-5, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna är placerade i de negativa elektrodernas symmetriplan, i metallisk kontakt med sagda elektroder och att sagda värmeledande kroppar är förenade till en eller flera 5 poltappar(lO) anordnade i cellens väggar eller lock. 'J

7. Anordning enligt krav 1-5, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna (7) är placerade i de positiva och de negativa elektrodernas symmetriplan, vid de positiva elektroderna isolerade från dessa och vid de negativa elektroderna i metallisk kontakt med dessa och att sagda värmeledande kroppar är förende till en eller flera poltappar (6) för vardera elektrodslaget anordnade i cellens väggar eller lock.

8. Anordning enligt krav 1-7, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna består av kopparplåtar överdragna med bly och vid de positiva elektroderna skyddade med plastöverdrag.

9. Anordning enligt patentkrav 1-7, k ä n n e t e c k n a d a v att de värmeledande kropparna är anslutna till åtminstone den ena av battericellens positiva eller negativa poler förenade med motsvarande elektroder.