WO2014154347A1 - Elektrochemischer energiewandler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2014154347A1
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electrochemical energy
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recess
welds
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Li Tec Battery GmbH
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical energy converter, hereinafter also referred to as converter and a method for producing an electrochemical energy converter.
  • the invention is preferably described in the context of lithium-ion batteries for the supply of motor vehicle drives. It should be noted that the invention can also be used independently of the chemistry of the transducer and regardless of the type of powered drive.
  • electrochemical energy converter in the context of the present invention, hereinafter also referred to as converter, each means for the conversion of energy to be understood, which can convert chemical energy into electrical energy and / or electrical energy into chemical energy.
  • electrochemical energy converters in the context of the present invention are in particular electrochemical
  • Energy storage can convert electrical energy into chemical energy and recharge the chemical energy storage in this way.
  • a fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical
  • Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent converts into electrical energy.
  • a fuel cell is not an energy storage but only a converter. The energy for power production is supplied to a fuel cell in chemically bound form with the fuels. Like an electrochemical energy storage also has a
  • Fuel cell electrodes which are separated by a semipermeable for (certain) ions permeable membrane and / or an electrolyte.
  • the electrode plates of fuel cells usually consist of metal or carbon nanotubes. They are coated with a catalyst, for example platinum or palladium.
  • the energy provides a reaction of oxygen with a fuel, such as hydrogen or organic compounds such. As methane or methanol may exist. Both reactants are fed continuously via the electrodes.
  • An electrochemical energy store has one or more galvanic cells.
  • fuel cells which are also referred to as tertiary cells
  • a distinction between primary cells and secondary cells in electrochemical energy storage Primary cells are colloquially often referred to as "battery”. Their discharge is irreversible and the primary cell can no longer be charged electrically. Secondary cells are colloquially referred to as an accumulator or short battery. After a discharge secondary cells can be recharged by a opposite direction opposite to the discharge current direction again. The chemical processes in the cell run, limited by the number of memory cycles, reversible. The energy density of secondary cells is compared to
  • This core region contains at least one electrically conductive third material.
  • Current conductor further has a first surface area with at least a first material. Furthermore, the current collector has a second
  • DE 10 2009 010 147 discloses an electrochemical energy store having a substantially flat housing and at least two electrical conductors of opposite electrical polarity. In order to dissipate the energy stored in the galvanic cell, the conductors or the housing are designed such that the absorbers are accessible from the outside for electrical contacts via window-shaped recesses of the housing arranged essentially in planes parallel to the flat housing surface of the cell. It is an object of the invention to provide an improved transducer which can be manufactured as simply and inexpensively as possible.
  • An inventive electrochemical energy converter has a plurality of electrodes and at least one current conductor, which is located in the
  • the current collector has in the longitudinal direction between them
  • an electrochemical energy converter according to the invention has a plurality of electrodes and at least one current conductor, which is electrically conductively connected to a plurality of these electrodes.
  • This current collector has a plurality of welds, at least some of which
  • Stromableiters are partially separated when receiving at least one electrically conductive connection between these connection points.
  • the current collector as metallic sheets, particularly preferably of highly electrically conductive metals such as copper or aluminum or as composite materials or
  • Energy converter in the generation of at least one of these welds can be avoided or reduced by this at least one recess.
  • a welding point in the sense of the present invention is intended to be understood to mean any location on the surface of a component to which this component is or is connected in a materially bonded manner to another component.
  • Important examples of such welds are
  • Cohesive connections are all compounds in which the connection partners are held together by atomic or molecular forces. They are consistently not solvable
  • a welding process in the sense of the present invention is to be understood as meaning any process for the cohesive connection or joining of two components, that is to say in particular brazing, gluing or welding.
  • the at least one current conductor is electrically conductively connected via a plurality of welds to a plurality of collector lugs, each of which is electrically connected to an electrode.
  • Embodiments of the invention have the advantage that electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes can be avoided or reduced even more effectively if current conductors are electrically conductively connected via a plurality of welds to a plurality of collector vanes, each of which is electrically connected to an electrode. It has been shown that undesired electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes are the lower the longer the connection paths between the electrodes are configured.
  • Stromableiters are partially separated when receiving at least one electrically conductive connection between these connection points.
  • These preferred embodiments of the invention have the advantage that electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes can be avoided or reduced even more effectively if each arrester lug is connected to the current collector via its own welding point, that of other welds Stromableiters by at least one recess in the material of
  • Stromableiters are partially separated when receiving at least one electrically conductive connection between these connection points. It has been shown that unwanted electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes are the lower, the longer the connection paths between a weld and such electrodes are designed, the other welds with a
  • the at least one current conductor is designed as a metallic sheet having a plurality of parallel recesses. These preferred embodiments of the invention are associated with the advantage that a space-saving arrangement of the recesses is possible, which has the lowest possible electrical resistance between electrodes and
  • the length of at least one of these recesses is greater than twice the distance, preferably three times the distance, and more preferably four times the distance between two of these recesses.
  • These preferred embodiments of the invention have the advantage that as long as possible connecting paths between different electrodes can be realized, this goal being achieved the better, the greater the ratio between the length of a recess and the distance of the recesses from each other.
  • Some of these preferred embodiments of the invention provide that at least two of these recesses have a different length.
  • These preferred embodiments of the invention have the advantage that special requirements for mechanical stability, In particular, the flexural rigidity of a Stromableiters in connection with the inventive solution can be easily met.
  • Material recess is designed, whose width is small compared to their length.
  • At least one recess surrounds a weld annularly, this ring being interrupted by at least one electrically conductive bridge.
  • These preferred embodiments of the invention have the advantage that even more effective prevention or reduction of electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes or between adjacent welds on a current conductor is possible.
  • at least one recess (22) partially separates at least two connection points, in particular welds, from one edge line (25) when at least one electrically conductive connection is obtained between these connection points.
  • the Stromableiters, in which this recess (23) opens are each smaller than the length (26), preferably as twice the length and particularly preferably as three times the length of this recess (23).
  • the current conductor is substantially plate-shaped and formed with at least one substantially rectangular first lateral surface.
  • the lateral surface is bounded by a first edge line and a second edge line, wherein the edge lines are arranged substantially parallel to each other.
  • An imaginary center line M extends between the first and the second edge line, has in each case at substantially the same distance to these edge lines and divides the first lateral surface and two substantially equal sections, hereinafter called the first lateral surface portion and second lateral surface portion.
  • the first lateral surface portion is bounded by the first edge line and this center line.
  • welds are arranged in the first lateral surface portion. These one or more recesses extend from the first
  • Edge line substantially perpendicular to this center line over most of the width of the first lateral surface portion, preferably starting from the first edge line across the center line to the second
  • Embodiments provide that the ratio q of the length of at least one of these recesses, measured perpendicular to the center line, divided by the distance between the first edge line and the second edge line more than 0.6, more preferably more than 0.75, more preferably less than 0.9.
  • Embodiments provide that the ratio r of the width of one of these recesses measured parallel to the center line divided by the width of a portion of the current collector between two of these recesses is less than 1/3, more preferably less than 0.2, more preferably less as 0.1, more preferably more than 0.01. These preferred developments are associated with the advantage that the part or surface area of the first lateral surface section available for connection points is reduced as little as possible by the recesses. These preferred developments can be advantageously combined with the aforementioned preferred developments.
  • Some such or further preferred embodiments of the invention provide that at least one recess separates two groups of welds. These preferred embodiments of the invention have the advantage that the electrical resistance between
  • Electrodes and a current collector can be reduced even more effectively when adjacent welds are grouped together on a current collector, which are partially separated by a recess upon receipt of at least one electrically conductive connection between these joints, wherein the welds within a group preferably not through recesses are separated from each other.
  • Some such or further preferred embodiments of the invention provide that at least one weld has been produced by a friction welding process. These preferred embodiments of the invention have the advantage that the expense of their production at high quality at the same time can be kept low. By largely avoiding or reducing electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes or between adjacent welds on a current conductor can
  • Reibsch tendencies be used for the production of inventive products, without any loss of quality of the manufactured products are to be feared.
  • Some such or further preferred embodiments of the invention provide that at least one weld has been produced by an ultrasonic welding process. These preferred embodiments of the invention have the advantage that the cost of their production can be kept very low while maintaining high quality. By largely avoiding or reducing electrical, mechanical and / or thermal influences between different electrodes or between adjacent welds on a current conductor can
  • Ultrasonic welding process for the production of inventive products are used without any loss of quality of the manufactured products are to be feared.
  • Some such or further preferred embodiments of the invention provide that at least some welds are separated from each other by at least one recess in the material of the current collector that electrical, mechanical and / or thermal effects between different welds and / or between them
  • the at least one electrode assembly is provided to convert at least temporarily chemical energy into electrical energy.
  • the at least one electrode assembly is provided, at least temporarily supplied electrical energy to convert into chemical energy.
  • Electrodes of an electrode assembly are preferably separated by a separator, which is preferably not or only poorly electron-conducting and has an at least partially material-permeable carrier.
  • the support is preferably coated on at least one side with an inorganic material.
  • an organic material is preferably used, which is preferably designed as a non-woven fabric.
  • the organic material which preferably contains a polymer and more preferably a polyethylene terephthalate (PET), is an inorganic, preferably ion-conducting
  • Coated material which is more preferably ion conducting in a temperature range of - 40 ° C to 200 ° C.
  • the inorganic material preferably contains at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates with at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide.
  • zirconium oxide serves the material integrity, nanoporosity and flexibility of the separator.
  • the inorganic, ion-conducting material has particles with a largest
  • these recesses are recesses in the material of the current conductor, particularly preferably linear incisions in the preferably sheet-like material of the
  • a current conductor in the context of the invention is to be understood a device of a transducer, which in particular the conduction of electrons between one of the electrodes of the electrode assembly and the environment of the transducer, in particular a consumer, or between one of the electrodes and an adjacent transducer serves.
  • the current conductor is indirectly or directly electrically connected to one of the electrodes of the electrode assembly, preferably materially connected.
  • the current conductor is at least indirectly to one
  • connection of an electrode to a consumer is sometimes also referred to as a current-conducting device in the sense of this invention.
  • the current conductor has a first region which extends into the environment of the transducer and serves to electrically connect the transducer to the environment of the transducer.
  • the first region is formed as a metal plate or as a plate with a metallic coating, preferably of copper and / or aluminum.
  • This embodiment has the advantage that a mechanically stable, substantially flat surface is present for easy and / or as long as possible electrical connection to a connection device.
  • the current conductor preferably has a second region, which is preferably arranged inside the transducer. The second region is electrically connected to at least one electrode of the electrode assembly, preferably with a material fit, preferably with all electrodes of the same polarity.
  • any device is to be understood, which is adapted to electrically connect a current conductor with at least one electrode.
  • Connection is preferably cohesive, particularly preferably by means of Friction welding or ultrasonic welding.
  • Component of a converter according to the invention in which a connection of at least two components of the transducer by a
  • Welding process preferably by a friction welding process, particularly preferably carried out by an ultrasonic welding process.
  • a current conductor is as
  • This embodiment offers the advantage of lower manufacturing costs.
  • This refinement has the further advantage that the current conductor in the first region is mechanically sufficiently stable for connection to a connection device which does not belong to the converter, for example busbar, current band or
  • Power cable is formed.
  • the current conductor is the current conductor with a contact surface formed.
  • This contact surface is vorzugswese arranged substantially in a lateral surface of one of the housing parts of a cell housing or extends into the environment of the transducer.
  • the contact surface is provided for electrical connection to a preferably spring-loaded connection device. This embodiment has the advantage that the contact surface for transport or storage of the transducer can be covered with an insulating adhesive strip.
  • a cell housing in the sense of the invention means a device, which preferably • serves to limit the electrode assembly to the environment,
  • the electrode assembly is substantially gas tight
  • the cell housing surrounds the electrode assembly at least in regions, preferably completely or substantially completely.
  • the cell housing, as well as the electrode assembly is substantially
  • the cell housing preferably surrounds the electrode assembly such that at least one wall of the cell housing exerts a force on the electrode assembly, the force counteracting undesirable relative movement of the electrode assembly with respect to the cell housing.
  • the cell housing receives the electrode assembly in a form-fitting and / or non-positive manner.
  • the cell housing is electrically isolated from the environment.
  • the cell housing is electrically insulated from the electrode assembly.
  • At least one current conductor has at least one
  • the contacting region is arranged in an edge region of the first housing part.
  • Electrode connection area formed cohesively, more preferably by means of a friction welding or ultrasonic welding process.
  • At least one current conductor in particular in its second region on a plurality of Ableiterfahen.
  • These multiple collector lugs are preferably connected to the electrode of an electrode assembly designed as an electrode winding, or with a plurality of electrodes of the same polarity of an electrode assembly formed as an electrode assembly preferably cohesively.
  • the Ableiterfahen same polarity are preferably cohesively connected to the current conductor in the interior of the cell housing. This current conductor preferably also extends into the first area outside the cell housing.
  • the current conductor is connected to the first housing part, preferably in the edge region preferably cohesively.
  • the current conductor extends through the second polymer material in the edge region of the first housing part. So in a first
  • the converter is provided for installation in a vehicle with at least one electric motor.
  • the converter is provided for supplying this electric motor.
  • the converter is provided to supply at least temporarily an electric motor of a drive train of a hybrid or electric vehicle.
  • the electric motor The electric motor.
  • the converter is intended for use in a stationary battery, in particular in one
  • Buffer storage as a device battery, industrial battery or starter battery.
  • the rated charging capacity of the converter is for these reasons.
  • the at least one separator which is not or only poorly electron-conducting, but is conductive for ions, consists at least predominantly or completely of a ceramic, preferably of an oxide ceramic. This embodiment offers the advantage that durability of the electrode assembly is improved at temperatures above 100 ° C.
  • FIG. 1 shows schematically a first preferred embodiment of a product according to the invention
  • Fig. 2 shows schematically a second preferred embodiment of a product according to the invention
  • FIG. 3 shows schematically a third preferred embodiment of a product according to the invention
  • Fig. 4 shows schematically a fourth preferred embodiment of a product according to the invention
  • FIG. 5 schematically shows a fifth preferred embodiment of a product according to the invention.
  • FIG. 6 schematically shows a sixth preferred embodiment of a product according to the invention.
  • FIG. 7 shows schematically a seventh preferred embodiment of a product according to the invention.
  • FIG. 8 schematically an eighth preferred embodiment of a product according to the invention
  • Fig. 9 in a schematic way a ninth preferred embodiment of a product according to the invention.
  • a current collector (1, 2) which extends substantially in a longitudinal direction and thus has a longitudinal direction of extension (LR).
  • LR longitudinal direction of extension
  • Cross-sectional areas (QF1) are larger, and in particular significantly larger than these second cross-sectional areas (QF2), at least in the case of a number of connection points arranged adjacent to one another.
  • inventive electrochemical energy converter has two
  • Stromableiters 2 is separated by a recess 12 of the welds 7 and 8 of this Stromableiters.
  • the possibly existing welds for connecting the current collectors 10 and 1 1 with the Ableitfähnchen 14 and 15 are in the figure 4 not shown. Also in this embodiment will be
  • the recesses have a length which exceeds a multiple, in particular twice, three times or even four times their width.
  • Figure 7 shows a current conductor of an embodiment of a
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment in which the weld 7 is surrounded by an annular arrangement of recesses 21.
  • Figure 9 shows a current conductor of an embodiment of a
  • Recess (22) two connection points, in particular welds on receipt of at least one electrically conductive connection between these connection points partially separated from each other whose distances (23, 24) from that edge line (25) of the Stromableiters, in which this recess (23) opens, respectively smaller are as the length (26), preferably twice the length and more preferably three times the length of this recess (23).
  • the distance of a connection point from an edge line of the current conductor is preferably given by the distance (27) of a point (28) of this connection point from this edge line (25) whose distance from this boundary line is greater than or equal to the distance of all other points of this junction from this boundary line.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiewandler weist eine Mehrzahl von Elektroden und wenigstens einen Stromableiter (1, 2) auf, der sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung erstreckt und der somit eine Längserstreckungsrichtung (LR) aufweist, und der elektrisch leitend mit mehreren dieser Elektroden verbunden ist. An bzw. auf diesem Stromableiter ist eine Mehrzahl von Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7) in der Längserstreckungsrichtung im Abstand zueinander angeordnet. Der Stromableiter weist an diesen Verbindungsstellen senkrecht zu dieser Längserstreckungsrichtung angeordnete erste Querschnittsflächen (QF1) auf. Der Stromableiter weist in der Längserstreckungsrichtung zwischen diesen Verbindungsstellen zweite Querschnittsflächen (QF2) auf. Diese ersten Querschnittsflächen (QF1) sind zumindest bei einer Anzahl benachbart zueinander angeordneten Verbindungsstellen größer und insbesondere erheblich größer als diese zweiten Querschnittsflächen (QF2).

Description

Elektrochemischer Energiewandler und
Verfahren zu seiner Herstellung
B e s c h r e i b u n g
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 2013 005 421.4 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiewandler, nachfolgend auch Wandler genannt und ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Energiewandlers. Die Erfindung wird vorzugsweise im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von KFZ-Antrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Chemie des Wandlers und unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Verwendung finden kann.
Unter einem elektrochemischen Energiewandler im Sinne der vorliegenden Erfindung, nachfolgend auch Wandler genannt, soll jede Einrichtung zur Umwandlung von Energie verstanden werden, die chemische Energie in elektrische Energie und bzw. oder elektrische Energie in chemische Energie umwandeln kann. Wichtige Beispiele für elektrochemische Energiewandler im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere elektrochemische
Energiespeicher und sogenannte Brennstoffzellen. Letztere wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, wobei die Reaktionsteilnehmer der elektrochemischen Reaktion fortlaufend zugeführt und die Reaktionsprodukte entsprechend abgeführt werden. Bei den elektrochemischen Energiespeichern unterscheidet man primäre von sekundären elektrochemischen Energiespeichern. Primäre elektrochemische Energiespeicher wandeln die in einem gespeicherten Vorrat an Reaktionsteilnehmern vorhandene chemische Energie in elektrische Energie um. Sekundäre elektrochemische
Energiespeicher können elektrische Energie auch in chemische Energie umwandeln und den chemischen Energiespeicher auf diese Weise wieder aufladen.
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern nur ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird einer Brennstoffzelle in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt. Wie ein elektrochemischer Energiespeicher weist auch eine
Brennstoffzelle Elektroden auf, die durch eine semipermeable für (bestimmte) Ionen durchlässige Membran und bzw. oder einen Elektrolyt voneinander getrennt sind. Die Elektrodenplatten von Brennstoffzellen bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit einem Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder organischen Verbindungen wie z. B. Methan oder Methanol bestehen kann. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt.
Ein elektrochemischer Energiespeicher weist eine oder mehrere galvanische Zellen auf. Neben den Brennstoffzellen, die auch als Tertiärzellen bezeichnet werden, unterscheidet man bei elektrochemischen Energiespeichern zwischen Primärzellen und Sekundärzellen. Primärzellen werden umgangssprachlich oft auch als "Batterie" bezeichnet. Ihre Entladung ist irreversibel und die Primärzelle kann elektrisch nicht mehr aufgeladen werden. Sekundärzellen werden umgangssprachlich auch als Akkumulator oder kurz Akku bezeichnet. Nach einer Entladung können Sekundärzellen durch eine gegenüber der Entladung gegenläufigen Stromrichtung wieder neu aufgeladen werden. Die chemischen Prozesse in der Zelle laufen, limitiert durch die Zahl der Speicherzyklen, reversibel ab. Die Energiedichte von Sekundärzellen ist im Vergleich zu
Primärzellen bei identischer Temperatur geringer.
Aus dem Stand der Technik elektrochemische Energiewandler, insbesondere zur Versorgung von KFZ-Antrieben bekannt. Übliche Wandler weisen eine Elektrodenbaugruppe mit zumindest zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität und einem Separator auf. Der Separator trennt bzw. beanstandet die Elektroden unterschiedlicher Polarität. Weiter weisen übliche Wandler zumindest zwei Stromableiter auf, welche mit je einer Elektrode der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden sind. Die DE 10 2008 032 270 offenbart eine galvanische Zelle mit einem
Stromableiter, der wenigstens einen im Wesentlichen plattenförmigen und vorzugsweise dünnwandigen Kernbereich aufweist. Dieser Kernbereich beinhaltet wenigstens einen elektrisch leitfähigen dritten Werkstoff. Der
Stromableiter weist weiter einen ersten Oberflächenbereich mit wenigstens einem ersten Werkstoff auf. Ferner weist der Stromableiter einen zweiten
Oberflächenbereich mit wenigstens einem zweiten Werkstoff auf. Die elektrische Leitfähigkeit des ersten Oberflächenbereichs ist dabei geringer, als die des zweiten Oberflächenbereichs. Weiter ist dieser erste Oberflächenbereich von diesem zweiten Oberflächenbereich abgegrenzt bzw. räumlich getrennt. Die DE 10 2009 010 147 offenbart einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem im Wesentlichen flachen Gehäuse und mindestens zwei elektrischen Abieitern entgegen gesetzter elektrischer Polarität. Zur Ableitung der in der galvanischen Zelle gespeicherten Energie sind die Abieiter oder das Gehäuse so ausgestaltet, dass die Abieiter über fensterförmige, im Wesentlichen in Ebenen parallel zur flachen Gehäuseoberfläche der Zelle angeordnete Aussparungen des Gehäuses von außen für elektrische Kontakte zugänglich sind. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wandler zur Verfügung zu stellen, der möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Erzeugnis bzw. durch ein Verfahren nach einem der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiewandler weist eine Mehrzahl von Elektroden und wenigstens einen Stromableiter auf, der sich im
Wesentlichen in einer Längsrichtung erstreckt und der somit eine
Längserstreckungsrichtung aufweist, und der elektrisch leitend mit mehreren dieser Elektroden verbunden ist. An bzw. auf diesem Stromableiter ist eine Mehrzahl von Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen in der
Längserstreckungsrichtung im Abstand zueinander angeordnet. Der
Stromableiter weist an diesen Verbindungsstellen senkrecht zu dieser
Längserstreckungsrichtung angeordnete erste Querschnittsflächen auf. Der Stromableiter weist in der Längserstreckungsrichtung zwischen diesen
Verbindungsstellen zweite Querschnittsflächen auf. Diese ersten
Querschnittsflächen sind zumindest bei einer Anzahl benachbart zueinander angeordneten Verbindungsstellen größer und insbesondere erheblich größer als diese zweiten Querschnittsflächen. Ein mit dieser erfindungsgemäßen Lösung verbundener Vorteil kann darin gesehen werden, dass bei geeigneter Gestaltung oder Wahl der Größen oder Größenverhältnisse der ersten und der zweiten Querschnittsflächen elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Schweißstellen und bzw. oder zwischen mit diesen Schweißstellen verbundenen Bauteilen des Energiewandlers bei der Erzeugung zumindest einer dieser Schweißstellen vermieden oder vermindert werden können. Gemäß einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung weist ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiewandler eine Mehrzahl von Elektroden und wenigstens einen Stromableiter auf, der elektrisch leitend mit mehreren dieser Elektroden verbunden ist. Dieser Stromableiter weist eine Mehrzahl von Schweißstellen auf, wobei wenigstens einige dieser
Schweißstellen durch wenigstens eine Ausnehmung in das Material des
Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind.
Stromableiter werden in dieser Beschreibung gelegentlich auch einfach als Abieiter bezeichnet. Vorzugsweise sind die Stromableiter als metallische Bleche, besonders vorzugsweise aus elektrisch sehr gut leitenden Metallen wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder als Verbundmaterialien oder
Legierungen solcher Metalle ausgestaltet.
Ein mit diesen bevorzugten Ausführungsformen verbundener Vorteil kann darin gesehen werden, dass bei geeigneter Gestaltung der erfindungsgemäßen
Ausnehmung oder der Ausnehmungen elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Schweißstellen und bzw. oder zwischen mit diesen Schweißstellen verbundenen Bauteilen des
Energiewandlers bei der Erzeugung zumindest einer dieser Schweißstellen durch diese wenigstens eine Ausnehmung vermieden oder vermindert werden können.
Unter einer Schweißstelle im Sinne der der vorliegenden Erfindung soll jeder Ort auf der Oberfläche eines Bauelements verstanden werden, an dem dieses Bauelement stoffschlüssig mit einem anderen Bauelement verbunden oder gefügt wird oder wurde. Wichtige Beispiele für solche Schweißstellen sind
Fügestellen wie insbesondere Lötstellen, Klebestellen und Schweißstellen im engeren Sinne. Stoffschlüssige Verbindungen werden alle Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind durchweg nicht lösbare
Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Wichtige Beispiele für solche Verbindungen sind insbesondere
Verbindungen, die durch Löten, Kleben oder Schweißen zustande kommen.
Unter einem Schweißverfahren im Sinne der der vorliegenden Erfindung soll jedes Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung oder Fügung zweier Bauteile verstanden werden, also insbesondere das Löten, Kleben oder Schweißen.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass der wenigstens eine Stromableiter über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit einer Mehrzahl von Ableiterfahnen elektrisch leitend verbunden ist, von denen jede mit einer Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Diese bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden noch wirksamer vermieden oder vermindert werden können, wenn Stromableiter über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit einer Mehrzahl von Ableiterfahnen elektrisch leitend verbunden ist, von denen jede mit einer Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass unerwünschte elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden umso geringer sind, je länger die Verbindungswege zwischen den Elektroden ausgestaltet sind.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass jede Ableiterfahne mit dem Stromableiter über eine eigene
Schweißstelle verbunden ist, die von anderen Schweißstellen dieses
Stromableiters durch wenigstens eine Ausnehmung in das Material des
Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden noch wirksamer vermieden oder vermindert werden können, wenn jede Ableiterfahne mit dem Stromableiter über eine eigene Schweißstelle verbunden ist, die von anderen Schweißstellen dieses Stromableiters durch wenigstens eine Ausnehmung in das Material des
Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind. Es hat sich nämlich gezeigt, dass unerwünschte elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden umso geringer sind, je länger die Verbindungswege zwischen einer Schweißstelle und solchen Elektroden ausgestaltet sind, die über andere Schweißstellen mit einem
Stromableiter verbunden sind.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass der wenigstens eine Stromableiter als metallisches Blech mit einer Mehrzahl von parallel verlaufenden Ausnehmungen ausgestaltet ist. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass eine platzsparende Anordnung der Ausnehmungen möglich ist, welche möglichst geringe elektrische Widerstände zwischen Elektroden und
Stromableitern mit möglichst langen Verbindungswegen zwischen
verschiedenen Elektroden vereinen kann.
Einige dieser bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass, die Länge wenigstens einer dieser Ausnehmungen größer ist als der doppelte Abstand, vorzugsweise als der dreifache Abstand und besonders vorzugsweise als der vierfache Abstand zwischen zwei dieser Ausnehmungen. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass möglichst lange Verbindungswege zwischen verschiedenen Elektroden realisiert werden können, wobei dieses Ziel umso besser erreicht wird, je größer das Verhältnis zwischen der Länge einer Ausnehmung und dem Abstand der Ausnehmungen untereinander ist.
Einige dieser bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens zwei dieser Ausnehmungen eine unterschiedliche Länge aufweisen. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass besondere Anforderungen an die mechanische Stabilität, insbesondere an die Biegesteifigkeit eines Stromableiters im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung leichter erfüllt werden können.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens eine Ausnehmung als eine linienförmige
Materialaussparung ausgestaltet ist, deren Breite klein gegen ihre Länge ist. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass der elektrische Widerstand der Verbindung einer Verbindung zwischen einer Elektrode mit einem Stromableiter klein gehalten werden kann bei gleichzeitig sehr wirksamer Vermeidung oder Verminderung elektrischer, mechanischer und bzw. oder thermischer Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden.
Einige dieser bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens eine Ausnehmung eine Schweißstelle ringförmig umgibt, wobei dieser Ring durch wenigstens eine elektrisch leitfähige Brücke unterbrochen ist. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass eine noch wirksamere Vermeidung oder Verminderung elektrischer, mechanischer und bzw. oder thermischer Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden oder zwischen benachbarten Schweißstellen auf einem Stromableiter möglich wird. Einige dieser bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens eine Ausnehmung (22) wenigstens zwei Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen, bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander trennt, deren Abstände (23, 24) von derjenigen Randlinie (25) des Stromableiters, in welche diese Ausnehmung (23) mündet, jeweils kleiner sind als die Länge (26), vorzugsweise als das Doppelte der Länge und besonders vorzugsweise als das Dreifache der Länge dieser Ausnehmung (23). Einige dieser bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass der Abstand einer Verbindungsstelle von einer Randlinie des Stromableiters gegeben ist durch den Abstand (27) eines Punktes (28) dieser Verbindungsstelle von dieser Randlinie (25), dessen Abstand von dieser Randlinie größer ist als der oder gleich dem Abstand aller anderen Punkte dieser Verbindungsstelle von dieser Randlinie.
Einige dieser bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass der Stromableiter im wesentlichen plattenförmig und mit wenigstens einer im wesentlichen rechteckigen ersten Mantelfläche ausgebildet ist. Die erste
Mantelfläche ist durch eine erste Randlinie und eine zweite Randlinie begrenzt, wobei die Randlinien zueinander im wesentlichen parallel angeordnet sind. Eine gedachte Mittellinie M verläuft zwischen der ersten und der zweiten Randlinie, weist zu diesen Randlinien jeweils im wesentlichen denselben Abstand auf und teilt die erste Mantelfläche und zwei im wesentlichen gleich große Abschnitte, nachfolgend erster Mantelflächenabschnitt und zweiter Mantelflächenabschnitt genannt. Der erste Mantelflächenabschnitt ist durch die erste Randlinie und diese Mittellinie begrenzt. Diese Verbindungsstellen, insbesondere
Schweißstellen, sind im ersten Mantelflächenabschnitt angeordnet. Diese eine oder mehrere Ausnehmungen erstrecken sich ausgehend von der ersten
Randlinie im wesentlichen senkrecht zu dieser Mittellinie über den größten Teil der Breite des ersten Mantelflächenabschnitts, vorzugsweise ausgehend von der ersten Randlinie über die Mittellinie hinweg bis in den zweiten
Mantelflächenabschnitt. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass einem Wärmestrom und/oder einem elektrischen Strom zwischen einer ersten dieser Verbindungsstelle und einer benachbarten zweiten dieser Verbindungsstellen verringert ist.
Einige bevorzugte Weiterbildungen der vorgenannten bevorzugten
Ausführungsformen sehen vor, dass das Verhältnis q aus der Länge wenigstens einer dieser Ausnehmungen, gemessen senkrecht zur Mittellinie, geteilt durch den Abstand zwischen der ersten Randlinie und der zweiten Randlinie mehr als 0,6 beträgt, weiter bevorzugt mehr als 0,75, weiter bevorzugt weniger als 0,9. Diese bevorzugten Weiterbildungen sind mit dem Vorteil verbunden, dass einem Wärmestrom und/oder einem elektrischen Strom zwischen einer ersten dieser Verbindungsstelle und einer benachbarten zweiten dieser Verbindungsstellen verringert ist.
Einige bevorzugte Weiterbildungen der vorgenannten bevorzugten
Ausführungsformen sehen vor, dass das Verhältnis r aus der Breite einer dieser Ausnehmungen, gemessen parallel zur Mittellinie, geteilt durch die Breite eines Abschnitts des Stromableiters zwischen zwei dieser Ausnehmungen weniger als 1/3 beträgt, weiter bevorzugt weniger als 0,2, weiter bevorzugt weniger als 0,1 , weiter bevorzugt mehr als 0,01. Diese bevorzugten Weiterbildungen sind mit dem Vorteil verbunden, dass der für Verbindungsstellen verfügbare Teil bzw. Flächeninhalt des ersten Mantelflächenabschnitts durch die Ausnehmungen möglichst wenig verringert ist. Diese bevorzugten Weiterbildungen sind mit den vorgenannten bevorzugten Weiterbildungen vorteilhaft kombinierbar.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens eine Ausnehmung zwei Gruppen von Schweißstellen voneinander trennt. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass der elektrische Widerstand zwischen
Elektroden und einem Stromableiter noch wirksamer vermindert werden kann, wenn benachbarte Schweißstellen auf einem Stromableiter zu Gruppen zusammengefasst werden, die durch eine Ausnehmung bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind, wobei die Schweißstellen innerhalb einer Gruppe vorzugsweise nicht durch Ausnehmungen voneinander getrennt sind.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens eine Schweißstelle durch ein Reibschweißverfahren erzeugt worden ist. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass der Aufwand zu ihrer Herstellung bei gleichzeitig hoher Qualität gering gehalten werden kann. Durch die weitgehende Vermeidung oder Verminderung elektrischer, mechanischer und bzw. oder thermischer Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden oder zwischen benachbarten Schweißstellen auf einem Stromableiter können
Reibschweißverfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Erzeugnisse eingesetzt werden, ohne dass Einbußen bei der Qualität der hergestellten Erzeugnisse zu befürchten sind.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens eine Schweißstelle durch ein Ultraschallschweißverfahren erzeugt worden ist. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass der Aufwand zu ihrer Herstellung bei gleichzeitig hoher Qualität besonders gering gehalten werden kann. Durch die weitgehende Vermeidung oder Verminderung elektrischer, mechanischer und bzw. oder thermischer Einflüsse zwischen unterschiedlichen Elektroden oder zwischen benachbarten Schweißstellen auf einem Stromableiter können
Ultraschallschweißverfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Erzeugnisse eingesetzt werden, ohne dass Einbußen bei der Qualität der hergestellten Erzeugnisse zu befürchten sind.
Einige solcher oder weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass wenigstens einige Schweißstellen durch wenigstens eine Ausnehmung in das Material des Stromableiters voneinander derart getrennt sind, dass elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Schweißstellen und bzw. oder zwischen mit diesen
Schweißstellen verbundenen Bauteilen des Energiewandlers bei der Erzeugung zumindest einer dieser Schweißstellen durch diese wenigstens eine
Ausnehmung vermieden oder vermindert werden.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Elektrodenbaugruppe vorgesehen, zumindest zeitweise chemische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Vorzugsweise ist die zumindest eine Elektrodenbaugruppe vorgesehen, zumindest zeitweise zugeführte elektrische Energie in chemische Energie zu wandeln. Elektroden einer Elektrodenbaugruppe sind vorzugsweise durch einen Separator getrennt, der vorzugsweise nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist und aus einen zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger aufweist. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) enthält, ist mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden
Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist. Das anorganische Material enthält bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, AI, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Insbesondere Zirkonoxid dient der Stoffintegrität, Nanoporösität und Flexibilität des Separators. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten
Durchmesser unter 100 nm auf. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Beständigkeit der Elektrodenbaugruppe bei Temperaturen oberhalb 100°C verbessert ist.
Unter einer Ausnehmung in das Material eines Stromableiters ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Formgestaltung dieses Stromableiters zu
verstehen, die geeignet ist, wenigstens einige Schweißstellen des Stromableiters voneinander derart zu trennen, dass elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Schweißstellen und bzw. oder zwischen mit diesen Schweißstellen verbundenen Bauteilen des
Energiewandlers bei der Erzeugung zumindest einer dieser Schweißstellen vermieden oder vermindert werden. Vorzugsweise sind diese Ausnehmungen Aussparungen im Material des Stromableiters, besonders vorzugsweise linienförmige Einschnitte in das vorzugsweise blechförmige Material des
Stromableiters. Unter einem Stromableiter (oder Abieiter) im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung eines Wandlers zu verstehen, welche insbesondere der Leitung von Elektronen zwischen einer der Elektroden der Elektrodenbaugruppe und der Umgebung des Wandlers, insbesondere einem Verbraucher, oder zwischen einer der Elektroden und einem benachbarten Wandler dient. Vorzugsweise ist der Stromableiter mittelbar oder unmittelbar mit einer der Elektroden der Elektrodenbaugruppe elektrisch, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden.
Vorzugsweise ist der Stromableiter zumindest mittelbar mit einem zu
versorgenden Verbraucher verbunden. Eine Gesamtheit der Bestandteile einer Einrichtung zur Ableitung eines Stromes von einer Elektrode oder zur
Verbindung einer Elektrode mit einem Verbraucher wird im Sinne dieser Erfindung im Folgenden gelegentlich auch als Stromleiteinrichtung bezeichnet.
Vorzugsweise weist der Stromableiter einen ersten Bereich auf, welcher sich in die Umgebung des Wandlers erstreckt und der elektrischen Verbindung des Wandlers mit der Umgebung des Wandlers dient. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Bereich als Metallplatte oder als Platte mit einer metallischen Beschichtung, vorzugsweise aus Kupfer und/oder Aluminium ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine mechanisch stabile, im Wesentlichen ebene Fläche zur einfachen und/oder möglichst dauerhaften elektrischen Verbindung mit einer Anschlusseinrichtung vorliegt. Der Stromableiter weist vorzugsweise einen zweiten Bereich auf, welcher vorzugsweise innerhalb des Wandlers angeordnet ist. Der zweite Bereich ist elektrisch mit zumindest einer Elektrode der Elektrodenbaugruppe vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise mit sämtlichen Elektroden gleicher Polarität.
Unter einem Ableiterfähnchen (oder unter einer Ableiterfahne) im Sinne der Erfindung ist jede Einrichtung zu verstehen, die geeignet ist, einen Stromableiter mit wenigstens einer Elektrode elektrisch leitfähig zu verbinden. Diese
Verbindung erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig, besonders vorzugsweise mittels Reibschweißung oder Ultraschallschweißung. Ableiterfähnchen sind
vorzugsweise metallische Bleche.
Unter einer Schweißstelle im Sinne der Erfindung ist ein Bereich auf einem Stromableiter, einer Ableiterfahne, einer Elektrode oder einem anderen
Bauelement eines erfindungsgemäßen Wandlers zu verstehen, in dem eine Verbindung wenigstens zweier Bauelemente des Wandlers durch ein
Schweißverfahren, vorzugsweise durch ein Reibschweißverfahren, besonders vorzugsweise durch ein Ultraschallschweißverfahren erfolgt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Stromableiter als
Metallplatte, Stanzteil und/oder Blechpressteil ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil geringer Herstellkosten. Diese Ausgestaltung bietet den weiteren Vorteil, dass das der Stromableiter im ersten Bereich mechanisch ausreichend stabil zur Verbindung mit einer nicht dem Wandler zugehörigen Anschlusseinrichtung, beispielsweise Stromschiene, Stromband oder
Stromkabel, ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stromableiter ist der Stromableiter mit einer Kontaktfläche ausgebildet. Diese Kontaktfläche ist vorzugswese im Wesentlichen in einer Mantelfläche eines der Gehäuseteile eines Zellgehäuses angeordnet oder erstreckt sich in die Umgebung des Wandlers. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit einer vorzugsweise federbelasteten Anschlusseinrichtung vorgesehen. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Kontaktfläche für Transport oder Lagerung des Wandlers mit einem isolierenden Klebestreifen abdeckbar ist.
Unter einem Zellgehäuse im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche vorzugsweise • der Begrenzung der Elektrodenbaugruppe gegenüber der Umgebung dient,
• dem Schutz der Elektrodenbaugruppe gegenüber schädlichen Einflüssen aus der Umgebung dient, insbesondere zum Schutz vor Wasser aus der Umgebung,
• dem Austritt von Substanzen aus der Elektrodengruppe in die Umgebung entgegenwirkt,
• vorzugsweise die Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen gasdicht
umschließt.
Das Zellgehäuse umgibt die Elektrodenbaugruppe zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig oder im Wesentlichen vollständig. Vorzugsweise ist das Zellgehäuse, ebenso wie die Elektrodenbaugruppe, im Wesentlichen
quaderförmig ausgebildet. Das Zellgehäuse umgibt die Elektrodenbaugruppe vorzugsweise derart, dass zumindest eine Wandung des Zellgehäuses eine Kraft auf die Elektrodenbaugruppe ausübt, wobei die Kraft einer unerwünschten Relativbewegung der Elektrodenbaugruppe bezüglich des Zellgehäuses entgegenwirkt.
Besonders bevorzugt nimmt das Zellgehäuse die Elektrodenbaugruppe formschlüssig und/oder kraftschlüssig auf. Vorzugsweise ist das Zellgehäuse gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert. Vorzugsweise ist das Zellgehäuse gegenüber der Elektrodenbaugruppe elektrisch isoliert.
Vorzugsweise weist zumindest ein Stromableiter zumindest einen
Kontaktierungsbereich auf. Vorzugsweise weist zumindest einer dieser
Kontaktierungsbereiche ein Metall, besonders bevorzugt Aluminium und/oder Kupfer auf. Vorzugsweise ist der Kontaktierungsbereich in einem Randbereich des ersten Gehäuseteils angeordnet.
Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen Kontaktierungsbereich und
Elektrodenverbindungsbereich stoffschlüssig ausgebildet, besonders bevorzugt mittels eines Reibschweiß- oder Ultraschallschweißverfahrens. Diese
Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Verbindung zwischen
Stromleiteinrichtung und Elektroden gut automatisierbar ist.
Vorzugsweise weist zumindest ein Stromableiter insbesondere in ihrem zweiten Bereich mehrere Ableiterfahnen auf. Diese mehreren Ableiterfahnen sind vorzugsweise entweder mit derselben Elektrode einer als Elektrodenwickel ausgebildeten Elektrodenbaugruppe, oder mit mehreren Elektroden gleicher Polarität einer als Elektrodenstapel ausgebildeten Elektrodenbaugruppe vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Die Ableiterfahnen gleicher Polarität sind im Innenraum des Zellgehäuses vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Stromableiter verbunden. Dieser Stromableiter erstreckt sich vorzugsweise auch in den ersten Bereich außerhalb des Zellgehäuses.
Vorzugsweise ist der Stromableiter mit dem ersten Gehäuseteil vorzugsweise in dessen Randbereich vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Stromableiter durch das zweite Polymermaterial im Randbereich des ersten Gehäuseteils. So können in einem ersten
Fertigungsschritt der Stromableiter stoffschlüssig und vorzugsweise gasdicht mit dem ersten Gehäuseteil verbunden werden und in einem anschließenden Fertigungsschritt die Ableiterfahnen mit dem Stromableiter vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, besonders vorzugsweise verschweißt werden. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass ein Wärmeenergieeintrag während des ersten Fertigungsschrittes bei Abwesenheit der Elektrodenbaugruppe nicht zu deren Erwärmung bzw. beschleunigter Alterung beiträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wandler zum Einbau in ein Fahrzeug mit zumindest einem Elektromotor vorgesehen. Vorzugsweise ist der Wandler zur Versorgung dieses Elektromotors vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der Wandler vorgesehen, zumindest zeitweise einen Elektromotor eines Antriebsstrangs eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zu versorgen. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Versorgung des
Elektromotors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wandler zum Einsatz in einer stationären Batterie vorgesehen, insbesondere in einem
Pufferspeicher, als Gerätebatterie, Industriebatterie oder Starterbatterie.
Vorzugsweise beträgt die Nennladekapazität des Wandlers für diese
Anwendungen mindestens 50 Ah. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Versorgung eines stationären Verbrauchers, insbesondere eines stationär montierten Elektromotors. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht der zumindest eine Separator, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend, für Ionen aber leitfähig ist, zumindest überwiegend bzw. vollständig aus einer Keramik, vorzugsweise aus einer Oxidkeramik. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Beständigkeit der Elektrodenbaugruppe bei Temperaturen oberhalb 100°C verbessert ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe von Figuren näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 in schematischer Weise ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses; Fig. 2 in schematischer Weise ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses;
Fig. 3 in schematischer Weise ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses; Fig. 4 in schematischer Weise ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses;
Fig. 5 in schematischer Weise ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses;
Fig. 6 in schematischer Weise ein sechstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses;
Fig. 7 in schematischer Weise ein siebtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses;
Fig. 8 in schematischer Weise ein achtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses; Fig. 9 in schematischer Weise ein neuntes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen zeigt einen Stromableiter (1 , 2), der sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung erstreckt und der somit eine Längserstreckungsrichtung (LR) aufweist. An bzw. auf diesem Stromableiter ist eine Mehrzahl von
Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) in der
Längserstreckungsrichtung im Abstand zueinander angeordnet. Der
Stromableiter weist an diesen Verbindungsstellen senkrecht zu dieser Längserstreckungsrichtung angeordnete erste Querschnittsflächen (QF1 ) auf. Der Stromableiter weist in der Längserstreckungsrichtung zwischen diesen Verbindungsstellen zweite Querschnittsflächen (QF2) auf. Diese ersten
Querschnittsflächen (QF1 ) sind zumindest bei einer Anzahl benachbart zueinander angeordneten Verbindungsstellen größer und insbesondere erheblich größer als diese zweiten Querschnittsflächen (QF2).
Die in Figur 2 schematisch dargestellte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers weist zwei
Stromableiter 1 und 2 auf, welche aus dem Gehäuse 3 des Wandlers teilweise herausragen. Im Inneren des Gehäuses 3 des Wandlers weisen die
Stromableiter 1 und 2 Schweißstellen 4, 5, 6, 7 und 8 auf, welche die
Stromableiter mit den Elektroden 10 und 1 1 bzw. mit den Stromkollektoren dieser Elektroden elektrisch leitfähig verbinden. Die Schweißstelle 6 des
Stromableiters 2 wird durch eine Ausnehmung 12 von den Schweißstellen 7 und 8 dieses Stromableiters getrennt.
Das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Schweißstelle 6 des
Stromableiters 2 mit dem Stromkollektor 10 und die Schweißstellen 7 und 8 mit dem Stromkollektor 13 verbunden sind. In beiden in den Figuren 2 bzw. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen werden ungleichnamige Elektroden durch einen Separator 9 getrennt.
Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers sind die Stromableiter 1 und 2 über
Schweißstellen 4, 5, 6 und 7 mit Ableiterfähnchen verbunden, und zwar die
Schweißstellen 6 und 7 mit den Ableiterfähnchen 14 und 15, die ihrerseits mit den Elektroden oder Stromkollektoren 10 und 1 1 elektrisch leitend verbunden sind. Die möglicherweise vorhandenen Schweißstellen zur Verbindung der Stromkollektoren 10 und 1 1 mit den Ableiterfähnchen 14 und 15 sind in der Figur 4 nicht dargestellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden
ungleichnamige Elektroden durch einen Separator 9 getrennt.
Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Stromableiters eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers sind die
Schweißstellen 6, 7 und 8 durch parallel verlaufende, linienförmige
Ausnehmungen gleicher Länge voneinander getrennt. Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Stromableiters eines erfindungsgemäßen elektronischen Wandlers sind die Schweißstellen 6, 7 und 8 durch
Ausnehmungen unterschiedlicher Länge voneinander getrennt. Im Fall der Figur 5 weisen die Ausnehmungen eine Länge auf, welches ein Vielfaches, insbesondere das Doppelte, das Dreifache oder auch das Vierfache ihrer Breite überschreitet.
Figur 7 zeigt einen Stromableiter eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers, bei dem die Gruppen 6a und 6 sowie 7a und 7 von Schweißstellen durch eine Ausnehmung 20 voneinander getrennt sind. Die Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Schweißstelle 7 von einer ringförmigen Anordnung von Ausnehmungen 21 umgeben ist.
Figur 9 zeigt einen Stromableiter eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers, bei dem eine
Ausnehmung (22) zwei Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander trennt, deren Abstände (23, 24) von derjenigen Randlinie (25) des Stromableiters, in welche diese Ausnehmung (23) mündet, jeweils kleiner sind als die Länge (26), vorzugsweise als das Doppelte der Länge und besonders vorzugsweise als das Dreifache der Länge dieser Ausnehmung (23). Der Abstand einer Verbindungsstelle von einer Randlinie des Stromableiters ist vorzugsweise durch den Abstand (27) eines Punktes (28) dieser Verbindungsstelle von dieser Randlinie (25) gegeben, dessen Abstand von dieser Randlinie größer ist als der oder gleich dem Abstand aller anderen Punkte dieser Verbindungsstelle von dieser Randlinie.
Diese Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) und bzw. oder zwischen mit diesen Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) verbundenen Bauteilen des Energiewandlers bei der Erzeugung zumindest einer dieser Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen durch diese wenigstens eine Ausnehmung besonders wirksam vermieden oder vermindert werden.
Liste der Bezugszeichen
1 Stromableiter
2 Stromableiter
3 Gehäuse
4 Schweißstelle
5 Schweißstelle
6, 6a Schweißstelle
7, 7a Schweißstelle
8 Schweißstelle
9 Separator
10 Elektrode, Strom kollektor
11 Elektrode, Stromkollektor
12 Ausnehmung
13 Elektrode, Stromkollektor
14 Ableiterfahne
15 Ableiterfahne
16, 17, 18 Ausnehmung
19, 20 Ausnehmung
21 Brücke
22 Ausnehmung
23, 24 Abstände
25 Randlinie
26 Länge der Ausnehmung
27 Abstand
28 Punkt auf einer Verbindungsstelle
M Mittellinie
QF1 erste Querschnittsflächen
QF2 zweite Querschnittsflächen
LR Längserstreckungsrichtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Elektrochemischer Energiewandler mit einer Mehrzahl von Elektroden (10, 1 1 ) und wenigstens einem Stromableiter (1 , 2), der sich im
Wesentlichen in einer Längsrichtung erstreckt und der somit eine
Längserstreckungsrichtung (LR) aufweist, und der elektrisch leitend mit mehreren dieser Elektroden (10, 1 1 ) verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, dass an bzw. auf diesem Stromableiter eine Mehrzahl von Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) in der Längserstreckungsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind, dass der Stromableiter an diesen Verbindungsstellen senkrecht zu dieser Längserstreckungsrichtung angeordnete erste Querschnittsflächen (QF1 ) aufweist, dass der Stromableiter in der Längserstreckungsrichtung zwischen diesen Verbindungsstellen zweite Querschnittsflächen (QF2) aufweist, und dass diese ersten Querschnittsflächen (QF1 ) zumindest bei einer Anzahl benachbart zueinander angeordneten Verbindungsstellen größer und insbesondere erheblich größer sind als diese zweiten
Querschnittsflächen (QF2).
Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens einige dieser Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in das Material des Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind.
Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Stromableiter (1 , 2) über eine Mehrzahl von Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7) mit einer Mehrzahl von Ableiterfahnen (14, 15) elektrisch leitend verbunden ist, von denen jede mit einer Elektrode (10, 1 1 ) elektrisch leitend verbunden ist.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ableiterfahne (1 , 15) mit dem Stromableiter (1 , 2) über eine eigene Verbindungsstelle, insbesondere Schweißstelle (4, 5, 6, 7) verbunden ist, die von anderen Schweißstellen dieses Stromableiters durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in das Material des Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine
Stromableiter (1 , 2) als metallisches Blech mit einer Mehrzahl von parallel verlaufenden Ausnehmungen (16, 17) ausgestaltet ist.
Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass, die Länge wenigstens einer dieser Ausnehmungen (16, 17) größer ist als der doppelte Abstand, vorzugsweise als der dreifache Abstand und besonders vorzugsweise als der vierfache
Abstand zwischen zwei dieser Ausnehmungen.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei dieser Ausnehmungen (18, 19) eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
Ausnehmung (16, 17, 18, 19) als eine linienförmige Materialaussparung ausgestaltet ist, deren Breite klein gegen ihre Länge ist. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ausnehmung eine
Verbindungsstelle, insbesondere Schweißstelle (7) ringförmig umgibt, wobei dieser Ring durch wenigstens eine elektrisch leitfähige Brücke (21 ) unterbrochen ist.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
Ausnehmung (22) wenigstens zwei Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden
Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander trennt, deren Abstände (23, 24) von derjenigen Randlinie (25) des Stromableiters, in welche diese Ausnehmung (23) mündet, jeweils kleiner sind als die Länge (26), vorzugsweise als das Doppelte der Länge und besonders vorzugsweise als das Dreifache der Länge dieser
Ausnehmung (23).
Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand einer Verbindungsstelle von einer Randlinie des Stromableiters gegeben ist durch den Abstand (27) eines Punktes (28) dieser Verbindungsstelle von dieser Randlinie (25), dessen Abstand von dieser Randlinie größer ist als der oder gleich dem Abstand aller anderen Punkte dieser Verbindungsstelle von dieser Randlinie.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
Ausnehmung (20) zwei Gruppen (6, 6a, 7, 7a) von Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander trennt. Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
Verbindungsstelle, insbesondere Schweißstelle (4, 5, 6, 7, 8) durch ein Reibschweißverfahren erzeugt worden ist.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
Verbindungsstelle, insbesondere Schweißstelle (4, 5, 6, 7, 8) durch ein Ultraschallschweißverfahren erzeugt worden ist.
Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige
Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) durch wenigstens eine Ausnehmung in das Material des Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander derart getrennt sind, dass elektrische, mechanische und bzw. oder thermische Einflüsse zwischen unterschiedlichen Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) und bzw. oder zwischen mit diesen Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) verbundenen Bauteilen des Energiewandlers bei der Erzeugung zumindest einer dieser Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen durch diese wenigstens eine Ausnehmung vermieden oder vermindert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrochemischen Energiewandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von Elektroden (10, 11 ) elektrisch leitend mit wenigstens einem Stromableiter (1 , 2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser
Stromableiter eine Mehrzahl von Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen (4, 5, 6, 7, 8) aufweist, wobei wenigstens einige dieser Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in das Material des Stromableiters bei Erhalt wenigstens einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Verbindungsstellen teilweise voneinander getrennt sind oder werden.
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