DE2811183C2

DE2811183C2 - Aufladbare Metalloxid-Wasserstoff-Batterie

Info

Publication number: DE2811183C2
Application number: DE2811183A
Authority: DE
Inventors: James E. Gaithersburg Dunlop, Md.; Gerrit van Chevy Chase Ommering, Md.; Joseph F. Rockville Stockel, Md.
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1977-03-17
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1986-09-11
Also published as: SE7802417L; JPS6247174Y2; JPS61183065U; SE443064B; GB1596106A; FR2384358B1; FR2384358A1; JPS60101382U; US4115630A; DE2811183A1; JPS53116442A; CA1090873A

Description

S Fi g. 1 dargestellten Art ein verhältnismäßig hohes Ge-

f-, wicht, weil pro Metalloxid-Elektrode ein Metallsieb er-

fe: forderlich ist und die Siebe verhältnismäßig schwer sind.

te Das hohe Gewicht der Siebe ergibt sich aus der Dicke

f?· derselben, die erforderlich ist, damit sie als Trennschicht

Γί wirken können, sowie aus der geringen lichten Ma-

jii schenweite der Siebe, die -erforderlich ist damit sie als

i;; Trennschicht wirken können, sowie aus der geringen

{■ι lichten Maschenweite der Siebe, die erforderlich ist, da-

I; mit sie eine brauchbare Unterlage für die Elektroden

,' darstellen. Schließlich ist es nicht möglich, den Durch-

;^: messer des bekannten Metalloxid-Wasserstoff-Zellenstapels über einen bestimmten Wert anwachsen zu las-': sen, weil ein ausreichendes Maß an Wärmeableitung

y erforderlich ist Die Gesamt-Batteriespannung, im allge-

^;?. meinen ein feststehender, formabhängiger Faktor, be-

: stimmt die Anzahl und den maximalen Durchmesser der

£ Platten; hieraus ergibt sich der maximale Energieinhalt

¹Jj der Zellen. Zur Herstellung von Zellen mit großem

Iy Energieinhalt ist infolgedessen die bipolare Konstruk-

tionstechnik nur schwierig anwendbar.

Zum bekannten Stand der Technik gehören außerdem verschiedene Variationen des in Fig. 1 dargestellten Grundsystems. So ist beispielsweise aus der US-PS

36 69 744 eine Vorrichtung bekannt in welcher eine halbkugelförmig abgedichtete Nickel-Wasserstoff-Vor-

§3 ratszelle beschrieben ist Die Zelle besteht aus einer

jif Nickeloxid-Elektrode und einer negativen Wasserstoff-

jp Elektrode, die sich in einem Behälter befinden. Die Elek-

ff troden sind durch einen senkrecht angeordneten Sepa-

m rator voneinander getrennt In der Patentschrift wird

|| auf die Probleme hingewiesen, die sich bei der Erzeu-

% gung eines ausreichend starken »vis-a-vis-Gasdruckes« Il durch Optimierung der Dickenverhältnisse der positi- || ven und der negativen Elektrode ergeben. Weiterhin ist

p aus der US-PS 3716413 eine Zelienanordnung be- \5| kanntgeworden, bei welcher eine Mittelwelle in einem IS Zellenbehälter angeordnet ist; an der Mittelwelle sind

ψ_ die Elektroden konzentrisch montiert Eine Reihe von

t|j Sammelschienen sind bei der bekannten Vorrichtung

P parallel zu der Mittelwelle angeordnet. Die Mittelwelle

|| dient — allgemein gesprochen — als Mittel zur Ausrichte tung der Elektroden in der Zelle.

ψ Weitere Modifikationen der in der US-PS 37 16 413

S beschriebenen Vorrichtung sind in fügenden US-ameri- ;| kanischen Patentschriften beschrieben: 32 97 484,

I 45 36 272, 35 05 114, 36 07 215, 38 33 424. Alle Veröf-If fentlichungen beschreiben Zellenanordnungen, in weife chen Elektrodenstapel mittels einer Folge von Schraug* benbolzen entlang dem Umfang eines Zeilenstapels ver- |! bunden sind. Besonders typisch unter den vorstehend (I genannten Anordnungen ist die gemäß US-PS

II 38 33 424, bei welcher eine Reihe von Bolzen in Festig klemmtafeln angeordnet ist In ähnlicher Weise geht aus

■ der US-PS 32 97 484 die Verwendung einer Reihe von

;i Bolzen mit Abstandshaltern und Endplatten zum Zu-

|/i sammenhalten der Elektrodenstruktur hervor.

fi, Es sind weiterhin zahlreiche Patentschriften bekannt,

ti, aus denen weitere Einzelheiten der Zellkonstruktion

"■■■ hervorgehen. Hier sind beispielsweise die US-PS

37 39 573 und 38 34 944 zu nennen. Aus diesen beiden ' Patentschriften sind zylindrische Zellen bekannt, die zu O einem Stapel zusammengeschlossen und elektrisch in Reihe verbunden werden können. Die US-PS 37 39 573 ist von besonderem Interesse, weil sie die Verwendung einer Palladium-Folie <rit einer Palladium-Schwarz-Oberfläche, welche mit Wasserstoff gesättigt ist, als Elektrode und ein Trennelement aus einer Elektrolyt-Matrix in Form von Asbest, welcher mit einem ausgewählten Elektrolyt getränkt ist, beschreibt. Darüber hinaus soll noch auf die US-PS 36 17 385 und 36 60 166 hingewiesen werden, aus welchen senkrechte Zellreihen bekannt sind, die in Reihe verbunden sind.

In neuerer Zeit ist die Methode der Rücken-an-Rükken-EIektroden-Ancrdnung ausgewertet worden. In diesem Zusammenhang wird auf die Diskussion dieser allgemeinen Technik in »Proceedings of the 9th International Symposium«, Brighton, England, 1974, veröffentlicht in POWER SOURCES 5, 1975 (Academic Press) hingewiesen, Obwohl in dieser wissenschaftlichen Abhandlung vom Konzept her gewisse Anregungen gegeben werden, ist keine definitive Zeil- oder Batteriestruktür beschrieben.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die negativen Elektroden einer Zelle elektrisch miteinander und mit den positiven Elektroden der folgenden, benachbarten Zellen in der Batterie und die positiven Elektroden dieser Zelle, elektrisch miteinander r/A mit den negativen Elektroden in der vorhergehenden Zeiie verbunden sind, so daß durch die aufeinanderfolgenden Verbindungen der benachbarten Zellen eine in Reihe geschaltete Hochspannungsbatterie gebildet wird.

Bei d?r erfindungsgemäßen Batterie bestehen die jeweiligen positiven Elektroden zweckmäßigerweise aus Nickeloxid.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, daß die positiven Elektroden aus einer Unterlage und einer auf dieser Unterlage angebrachten Platte aus gesintertem Nickel mit einer Porosität im Bereich von 78 bis 85% bestehen.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei der erfindungsgemäßen Batterie der aktive Reaktant aus Nickeloxid besteht und die Ladegrenze im Bereich von i,ö bis 2,0 g/'cm³ des Leervoiumens der rial ie liegt

Die Elektrodenseparatoren der erfindungsgemäßen Batterie bestehen zweckmäßigerweise aus Asbesischeiben, die mit KO H- Lösung gefüllt sind.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie bestehen die Elektrodenseparatoren aus einer Scheibe aus Kaliumtitanat, deren Dicke etwa 0,127 mm bis 0,508 mm beträgt und die mii KOH-Lösung gefüllt sind.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, daß die Asbestscheibe eine Dicke im Bereich von 0,127 mm bis 0,058 mm aufweist und daß ihr Durchmesser größer ist als der der Elektroden.

Zweckmäßigerweise bestehen die negativen Elektroden der erfindungsgemäßen Batterie aus einem feinmaschigen Nickelsieb, weiches mit Teflon-gebundenem Platin-Schwarz überzogen ist und auf einer Seite eine hydrophobe Teflonoberfläche aufweist.

Bei dieser Ausführungsform der Batterie erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Überzug aus Platin-Schwarz in der Größenordnung von 3 mg/cm² liegt und außerdem Nickelrungen an der Elektrode angebracht sind.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, daß die Trennschicht zwischen den Zellen von einer inerten hydrophoben Scheibe gebildet wird, die aus Polytetrafluorethylen. Polyäthylen oder Polypropylenbesteht.

Ί5 Bei dieser Ausführungsform der Batterie erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Trennschicht an einer ihrer Oberflächen eine Gastransportschicht aufweist.
Der gesamte Stapel der Zellen läßt sich beispielswei-

se durch zwei Endplatten und einen in der Mitte angeordneten Stab zusammenpressen, um eine kompakte Bauform zu liefern. Alternativ dazu kann der Stapel, z. B. im Falle von Zellen mit prismatischer Form, durch die Wände eines Batteriebehälters zusammengepreßt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnuli g zeigt in

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines typischen Zellenstapels gemäß dem Stande der Technik;

F i g. 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung, in der man einen Teil des Aufbaus der erfindungsgemäßen aufladbaren Metalloxid-Wasserstoff-Batterie erkennt;

F i g. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Energiedichte in Abhängigkeit von der Zellenspannung, wobei diese Darstellung die Unterschiede zwischen einer bekannten bipolaren Konstruktion und einer Konstruktion gemäß der Erfindung zeigt; und in

F i g. 4 eine schematische Seitenansicht einer vollständigen Hochspannungsbatterie mit dem Aufbau der neuartigen Metalloxid-Wasserstoff-Batterie, wobei die Druckplatten und die Zellenanordnung um eine Mittelachse dargestellt sind.

Aus Fig.2 geht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hervor. Es handelt sich um eine schematische Seitenansicht eines Ausschnittes aus einer erfindungsgemäßen Hochspannungs-Metalloxid-Wasserstoff-Batterie mit Serien-Verbindung. Der Stapel 20 besteht aus einer Reihe von Einheiten, jeweils aus positiven Platten 22, 24 in Rücken-an-Rücken-Anordnung und negativen Platten 26,28, die von den positiven Rücken-an-Rücken-Platten durch die Separatoren 30, 32 getrennt sind. Eine Reihe von Zellentrennschichten 34 dienen zur Trennung der einzelnen Einheiten des Stapels. Aus F i g. 2 geht in schematischcr Form auch die Befestigung der Elektroden in jeder Einheit hervor, so daß sich eine Reihenkonstruktion ergibt. Man erkennt weiterhin aus F i g. 2, daß die Verbindung der negativen Elektroden 26 und 28 mit Hilfe der Verbindung 36 und dann in Reihenanordnung zu den positiven Rücken-an-Rücken-Elektroden 38, 40 in einer zweiten Einheit erfolgt Die negativen Elektroden 42,44 der zweiten Einheit werden mit Hilfe der Verbindung 46 mit den positiven Elektroden der folgenden Einheit verbunden.

Die positiven Rücken-an-Rücken-Elektroden 22 und 24 sind in üblicher Weise aus porösem gesintertem Nikkei mit einer Dicke von etwa 0,76 mm bei Ladungen von etwa 0,105 Ampere-Stunde/g oder 0345 Ampere-Stunde/cm³ hergestellt Aus Optimierungsstudien ist bekannt, daß die Energiedichte von der Ampere-Stunden-Kapazität pro Flächen-Einheit abhängt Bei der genannten Elektrode beträgt die Stromdichte etwa 11 raA/cm² bei einer vollständigen Ladung in etwa 2.0 Stunden. Soll bei höheren Stromdichten gearbeitet werden, so müssen dickere positive Elektroden verwendet werden. Üblicherweise ergeben sich bei Verwendung von Elektroden mit einer Dicke von 054 mm bei Anwendung eines Rücken-an-Rücken-Stromdichtenmusters Stromdichten von etwa 27 mA/cm² bei einer Ladung von 2,0 Stunden.

Es ist auch möglich, elektrochemisch imprägnierte Elektroden bei der Konstruktion einer Zelle von 35 Ah zu verwenden- Bei diesen Elektroden benutzt man im allgemeinen ein Nickelsieb als Plattenunterlage. Gesintertes Nickel mit einer Porosität zwischen 78 und 85% wird in der Platte verwendet. Die Beladungsgren/e liegt bei 1 bis 2 g aktives Material pro cm³ Leervolumen in der Platte. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, werden zwei Verbindungsarme 36 aus Blei verwendet, um die Rücken- an-Rücken-Elektroden zu verbinden; in der Praxis ist es jedoch möglich, zur Verringerung der Anzahl der Zungen nur eine Zunge zwischen jedem Paar positiver Elektroden zu verwenden. Bei der Bestimmung der Kriterien für positive ZeII- querschnittsbereiche haben Optimierungsstudien ge zeigt, daß folgende Werte als Hauptparameter für eine 60-Wh-Batterie erforderlich sind:

(1)	Stromdichte:	45 mA/cm²
15 (2)	Druck:	7 bis 35 bar
(3)	Anzahl der Einheiten:	45

Eine solche Batterie würde eine Energiedichte von etwa 88 Wh/kg bei einem Durchmesser von 635 cm und einer Gesamtlänge von etwa 30 cm aufweisen. Die große Anzahl der Einheiten vergrößert die Möglichkeit der Kantenverkürzung der Elektroden: außerdem können bei einer so großen Batterie Konstruktionsprobleme auftreten. Darüber hinaus wirft der verhältnismäßig ge ringe Durchmesser der einzelnen Einzelheiten zusätz lich Konstruktionsprobleme auf. Man hat infolgedessen versucht, die Anzahl der Einheiten zu verringern, andererseits den Durchmesser jeder Einheit zu vergrößern, wobei Durchmesser und Stromdichte die Hauptpara meter bleiben, während der Druckbereich konstant ge halten wird. Als Folge einer solchen Veränderung verringert sich eine solche verbesserte Batterie um etwa 2 Wh/kg in der Energiedichte, wenn der Durchmesser von 635 cm auf 8,9 cm erhöht und die Anzahl der Ein heiten um die Hälfte verringert wird. Der Wert von 8,9 cm wird infolgedessen für einen guten Kompromiß unter Berücksichtigung der Energiediente und der Betriebssicherheit gehalten. Als Materialien für die Separatoren 30 und 32 kom men entweder Asbest in einer für Brennzellen geeigne ten Klassifizierung oder Kaliumtitanat in Frage. Bei Verwendung in einer Nickel-Wasserstoff-Zelle werden diese Materialien mit 30gewichtsprozentigem Kaliumhydroxid als Elektrolyt geflutet Da die Druckdifferenz des Blasendurchtritts von Sauerstoff bei etwa 035 bar liegt, entweicht das bei einer Oberladung an der positiven Elektrode erzeugte Sauerstoffgas durch die poröse Sinterstruktur der positiven Elektrode vorwiegend in den freien Raum der Batterie und wandert nicht durch den Elektrolyten in dem Elektrodenseparator zur ne^- tiven Elektrode. An der negativen Elektrode vereinigt sich der Sauerstoff mit dem Wasserstoffgas unter Bildung von Wasser. Diese Reaktion wird dem Durchtritt des Sauerstoffgases durch den Separator und einer ra sehen lokalen Reaktion an der Wasserstoff-Elektrode in Gegenwart des Edelmetall-Platin-Schwarz-Katalysators vorgezogen. Eine solche Reaktion kann beispielsweise ablaufen, wenn ein poröser, nicht gewebter Nylon-Separator verwendet wird, welcher heiße Flecken schafft, die die Batterie beschädigen. Ein weiterer Vorteil der Separatoren aus Asbest oder Kaliumtitanat iiegt in deren Fähigkeit, den Elektrolyt in ihren porösen Strukturen festzuhalten. Die Separatoren sind im allgemeinen 0,127 bis 0308 mm dick; ihr Durchmesser wird größer gewählt als der der Elektroden, so daß sie letztere überlappen. Das Mittelloch der Separatoren 30 und 32 bei Verwendung in einer zylindrischen Stapelkonstruktion (vgl.

Fig.4) ist in der Größe verringert. Diese Variation in den Größen dient zur Vermeidung eines Schleppkontaktes zwischen benachbarten positiven und negativen Elektroden um die Kanten oder am Mittelloch, wenn ein solches vorhanden ist.

Die negativen Elektroden 26, 28 bestehen im allgemeinen £*.is durch Teflon gebundenem Platin-Schwarz, welches von einem dünnen, Feinmaschigen Nickelsieb getragen wird. Diese negativen Elektroden sind üblicherweise etwa 0,203 mrn dick und weisen an der Rückseite neben dein Gasdiffusionssieb eine hydrophobe Teflonoberfläche auf. Es ist unerläßlich, daß die negative Elektrode eine solche Teflon-Rückseite aufweist, um einen Verlust an Elektrolyten infolge Mitreißens desselben durch das an der negativen Elektrode während des Ladens erzeugten Wasserstoffgases zu vermeiden. Derartige Elektroden gehören zum bekannten Stand der Technik. Der F.Helmetallüberzug besteht aus 3 mg/cm² Platin-Schwarz. Dieser Platin-Überzug reicht als katalysator aus, um die Elektrode bei Stromdichten über 100 mA/cm² zu betreiben, wobei die Polarisationsverluste sehr gering sind. 0,076 mm Nickelzungen sind einzeln an der negativen Elektrode durch Punktschweißen angebracht. Diese Zungen der negativen Elektroden an beiden Seiten des Gasdiffusionssiebes sind punktförmig zur Verbindung mit einer Sammelschiene zusammengeschweißt (in der beschriebenen Ausführungsform nicht dargestellt).

Die Zellentrennschichten 34 können aus einem Polymer, ν rzugsweise einem hydrophoben Polymer wie Polytetrafluorethylen, Polyäthylen, Polypropylen u. ä. hergestellt sein. Die Verwendung dieser Materialien verhindert einen Elektronenübergang zwischen den beiden Wasserstoff-Elektroden, die verschiedene Potentiale aufweisen. Darüber hinaus sollten die genannten Trennschichten in einer Richtung senkrecht zu der Elektrodenfläche .nicht-porös sein, um einen Elektrolyt-Kontakt zwischen benachbarten Zellen zu vermeiden. Jede Trennschicht kann über jede Phase eine Gastransportschicht aufweisen, um so einen Gaszugang zur Oberfläche der Wasserstoff-Elektroden vorzusehen. Eine solche Gastransportschicht kann viele Formen haben, beispielsweise kann sie aus einer großen Zahl von Ritzen oder Nuten auf jeder Oberfläche bestehen; es ist auch möglich, eine extrem dünne Kunststoff-Folie zu verwenden und auf beiden Seiten ein Metall- oder Kunststoffsieb anzubringen.

In Fig.4 erkennt man eine vollständige Batterie, in welcher eine Rücken-an-Rücken-Konstruktion in Reihen-Anordnung zu sehen ist Dies ist die erste Ausführungsform der Verwendung einer Rücken-an-Rücken-Konstruktion zur Herstellung einer Hochspannungs-Batterie. Es handelt sich in der F i g. 4 um eine schematische Seitenansicht einer vollständigen Batterie, jedoch ohne das Druckgefäß und die elektrischen Verbindungen wie in Fig.2. Die Batterie hat eine zylindrische Form, und die Elektroden sind rechtwinklig zur Mittelachse der Batterie angeordnet. Eine derartige Konstruktion weist im allgemeinen ein ausgezeichnetes thermisches Verhalten auf. Insbesondere wird die in dem Elektrodenstapel erzeugte Wärme zur Oberfläche des Stapels abgeleitet Von diesem Punkt gelangt sie durch das Wasserstoffgas in dem Gefäß zu der Wand des Druckgefäßes, wo sie abgestrahlt oder abgeleitet werden kann. In einer solchen Umgebung erreicht man eine Bahn verhältnismäßig geringen thermischen Widerstandes, weil die Ableitung bzw. Konduktion in einer Bahnrichtung parallel zu den Platten rasch und Wasserstoffgas ein guter Wärmeleiter ist. Im Gegensatz dazu ist es bei der bekannten Vorrichtung mit flachen Zellen gemäß US-PS 36 69 744 erforderlich, daß die Wärme in einer Richtung senkrecht zu den Platten und dann durch die Wand des Druckgefäßes sowie — zusätzlich — durch eine Zwischenlage zur Grundplatte des Batteriestapels abgeleitet wird. Die Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung senkrecht zu den Platten ist um das 10- bis 20fache kleiner als parallel zu den Platten. Aus diesen Gründen sind zusätzliche Modifikationen in flachen Elektroden-Konstruktionen erforderlich, um die Wärmeableitung zu verbessern, was im allgemeinen zu einer Erhöhung des Gewichtes führt. Im Fall beispielsweise von Raumschiff-Batterien ist diese Gewichtserhöhung nicht akzeptabel.

Man erkennt weiterhin in Fig.4, daß die Batterie 50 axial um eine Mittelachse 52 aus 316-rostfreiem Stahl angeordnet ist, welche an einem Ende Schraubenwindungen 54 aufweist, so daß eine geeignete Dichtungsscheibe 56 und eine Verschlußmutter 58 aufgeschraubt werden können. Das untere Ende der Mutterachse 52 kann eine geeignete Mutteranordnung 60 mit geeigneter Dichtungsscheibe 62 aufweisen oder kann, ebenso wie das obere Ende, verschraubt sein. Zwei Druckplatten, eine obere Platte 64 und eine untere Platte 66, dienen dazu, den ausgerichteten Stapel festzuhalten. Die obere Druckplatte weist ein mittig angeordnetes Bohrloch 68 auf, durch welches der Verbindungsstab 52 hindurchgeht. Die untere Druckplatte 66 weist eine entsprechende axial angeordnete Bohrung 70 auf. Die Druckplatten 64 und 66 können aus einem inerten Material, beispielsweise Polypropylen oder Polysulfon bestehen und durch Formen unter Druck hergestellt werden. Das Formen unter Druck aus den genannten Materialien kann beispielsweise in der folgenden Weise durchgeführt werden: Das Formungsverfahren erfordert zunächst ein Einsprühen der Form mit einem Formtrennmittel. Anschließend werden etwa 21 g des zu verwendenden Kunststoffmaterials in die Form gegeben. Es hat sich gezeigt, daß die Belastung in der ersten Phase des Verfahrens 36 300 N während 30 Sekunden betragen sollte. Anschließend wird der Druck auf 15 900 N vermindert, und die Heizer werden auf 191⁰C gebracht. Wenn die Temperatur in der Form 188° C erreicht, wird die Belastung erneut auf 36 300 N für 30 Sekunden erhöht. Danach wird die Belastung auf 15 900 N verringert und auf Raumtemperatur abgekühlt. Schließlich werden die Endplatten aus der Form entfernt, sobald sie ausreichend abgekühlt sind.

Der Elektrodenstapel wird bis zu der gewünschten elektrischen Kapazität aufgebaut, indem die einzelnen Teile über die zentrale Achse 52 geschoben werden. Wie man in F i g. 4 erkennt, ist die erste Elektrode die Wasserstoff-Elektrode 70, auf welche ein Separator 72 und zwei positive Elektroden 74 folgen. Ein zweiter Separator 76, der mit dem Separator 72 identisch ist. wird über den Stapel gelegt, worauf eine zweite negative Elektrode oder Wasserstoff-Elektrode, nämlich die Elektrode 78 folgt. Darauf folgt eine erste Zellentrennschicht 80, die eine Einzeleinheit vervollständigt. Man erkennt aus F i g. 4 auch, daß jedes Element des Stapels ein Bohrloch aufweist, welches größer ist als die Mittelachse 52. Um die Mittelachse 52 von den aktiven Elementen der Batterie zu isolieren, ist um die Achse 52 eine Folge von Dichtungsscheiben 82 angeordnet, so daß die Gesamthöhe des Stapels aus Dichtungsscheiben 82 gleich oder nahezu gleich der Entfernung zwischen den Zellentrennschichten 80 ist.

ίο

Nach dem Zusammenbau der Vorrichtung üben die Dichtungsringe 82 einen leichten Druck aus und dichten so die Zentralachse 82 sowie die einzelnen Zellentrennschichten 80 ab. Die Dichtungsscheiben 82 können aus demselben Material hergestellt sein wie die Zellentrennschichten 80. Die Höhe des Stapels der Dichtungsscheiben 82 entspricht der des aktiven Elementes in jeder Einzeleinheit, wie dies aus Fig.4 zu erkennen ist. Durch Anwendung dieser Fabrikationstechnik kann eine Folge von Einheiten zu einer betriebsfertigen Batterie zusammengebaut werden. In F i g. 4 sind drei Einheiten 84, 86 und 88 dargestellt. Nach Fertigstellung des Stapels wird die obere Druckplatte 64 über die Mittelbzw. Zentralachse geschoben und der Verriegelungsmechanismus 56 und 58 aufgesetzt. Sobald die Einheit zusammengebaut ist, können geschlitzte Sammelschienen installiert werden, um den elektrischen Kontakt in der Weise, wie in F i g. 2 gezeigt ist, herzustellen, d. h. durch Verschweißen von (nicht dargesteiiten) Zungen an jeder Elektrode mit Zungen an den Sammelschienen. Sobald auch diese elektrische Verbindung fertiggestellt ist, können die Sammelschienen selbst an Durchtrittsöffnungen im Batteriegehäuse festgeschweißt werden.

Fig.3 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhanges zwischen Spannung und Energiedichte. In dieser Darstellung sind zwei Batterien verglichen, welche beide Einheiten-Durchmesser von 8.9 cm aufweisen. Die untere Kurve gehört zu einer üblichen bipolaren Konstruktion, die obere Kurve gehört zu einer Batterie, die erfindungsgemäß nach der Rücken-an-Rücken-Reihentechnik konstruiert ist. Die Zahlen an den beiden Kurven geben die Anzahl der Platten in jedem Stapel an; man erkennt leicht, daß mit der erfindungsgemäßen neuen Konstruktion erheblich höhere Energiedichten bei bestimmten Spannungen erzielbar sind.

! iierzu 2 Blaii Zeichnungen

40

45

50

55

60

65

Claims

1 Patentansprüche:

1. Aufladbare Metalloxid-Wasserstoff-Batterie mit mehreren Zellen, von denen jede eine Elektrodenanordnung mit einem Paar positiver, direkt nebeneinander angeordneter Elektroden, Elektrodenseparatoren, die an den offenen Flächen der entsprechenden positiven Elektroden angeordnet sind, eine negative Elektrode, die neben jedem Elektrodenseparator angeordnet ist, und eine Zellentrennschicht aufweist, die neben jeder negativen Elektrode angeordnet ist und die negativen Elektroden von den benachbarten Zellen trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die negativen Elektroden einer Zelle elektrisch miteinander und mit den positiven Elektroden der folgenden, benachbarten Zellen in der Batterie und die positiven Elektroden dieser Zelle, elektrisch miteinander und mit den negativen Elektroden in der vorhergehenden Zelle verbunden sind, so daß du,n;h die aufeinanderfolgenden Verbindüngen der benachbarten Zellen eine in Reihe geschaltete Hochspannungsbatterie gebildet wird.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede positive Elektrode aus Nickeloxid besteht

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven Elektroden aus einer Unterlage und einer auf dieser Unterlage angebrachten Platte aus gesintertem Nickel mit einer Porosität im Bereich von 78 bis 85% bestehen.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der a?.~iive Reaktant aus Nickeloxid besteht und die Ladegrenze im Bereich von 1,0 bis 2.0g/cm³ des Leervols-.iens der Platte liegt.

5. Batterie nach einem der Ansprüche ί bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenseparatoren aus Asbestscheiben bestehen, die mit KOH-Lösung gefüllt sind.

6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenseparatoren aus einer Scheibe aus Kaliumtitanat bestehen, deren Dicke etwa 0,127 mm bis 0,508 mm beträgt und die mit KOH-Lösung gefüllt sind.

7. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Asbestscheibe eine Dicke im Bereich von 0.127 mm bis 0,508 mm aufweist und daß ihr Durchmesser größer ist als der der Elektroden.

8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die negativen Elektroden aus einem feinmaschigen Nickelsieb, welches mit Teflon-gebundenem Platin-Schwarz überzogen ist und auf der einen Seite eine hydrophobe Teflonoberfläche aufweist, bestehen.

9. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Platin-Schwarz in der Größenordnung von 3 mg/cm² liegt und daß außerdem Nickelzungen an der Elektrode angebracht sind.

10. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht zwischen den Zellen von einer inerten hydrophoben Scheibe gebildet wird, die aus Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen oder Polypropylen besteht.

11. Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht an einer ihrer Oberflächen eine Gastransportschicht aufweist.

Die Erfindung betrifft eine aufladbare Metalloxid-Wasserstoff-Batterie mit mehreren Zellen, von denen jede eine Elektrodenanordnung mit einem Paar positiver, direkt nebeneinander angeordneter Elektroden, Elektrodenseparatoren, die an den offenen Flächen der entsprechenden positiven Elektroden angeordnet sind, eine negative Elektrode, die neben jedem Elektrodenseparator angeordnet ist, und eine Zellentrennschichf aufweist, die neben jeder negativen Elektrode angeordnet ist und die negativen Elektroden von den benachbarten Zellen trennt

Es sind bisher verschiedene Techniken und Materialien bekanntgeworden, roh: welchen Metalloxid-Wasserstoff-Zellen zu betriebsbereiten Batterien zusammengesetzt worden sind. Die üblicherweise benutzte Methode zur Verbindung von Elektroden in Reihe wird als die bipolare Verbindungsmethode bezeichnet Das Grundkennzeichen dieses Systems besteht darin, daß die positive Elektrode einer Einzelzelle mit der negativen Elektrode der benachbarten Einzelzelle zu einer Struktur bzw. Einheit kombiniert wird. Diese Struktur hat als Funktion die elektrische Verbindung der beiden Elektroden und die Trennung der Elektrolyte in den benachbarten Zellen. Sie wird oft benutzt, um die positiven und negativen Elektroden-Reaktanten in Fällen zu trennen, in denen sie nipht in den Elektroden selbst enthalten sind. Eine solche bekannte Metalloxid-Wasserstoff-Batterie von bipolarer Konstruktion ist schematisch in Fig. 1 dargestellt In dem Stapel 10 in Fig. 1 erkennt man ganz allgemein eine negative Elektrode 12, eine positive Elektrode 14 und ein Metallsieb 16, welches die beiden Elektroden trennt Die Einzelelektroden werden durch Separatoren 18 voneinander getrennt In dieser zum Stand der Technik gehörenden Konstruktion sind die positiven und negativen Elektroden benachbarter Zeilen durch das Meiaüsieb 16 verbunden, wobei dem Sieb 16 außerdem die Aufgabe zufällt, die Elektrolyte der verschiedenen Zeilen ?.u trennen. Bei dieser bekannten Konstruktion mußte ein Sieb 16 anstelle einer festen Platte verwendet werden, so daß das Gas Zugang zur Wasserstoff-Elektrode (negativ) hat Diese bekannte Konstruktion weist mehrere Nachteile auf.

Der erste Nachteil besteht darin, daß immer noch die Möglichkeit des Elektrolyt-Kontaktes zwischen zwei Zellen besteht. In Fällen, in denen eine lange Lebensdauer der Zellen erforderlich ist, besteht die Gefahr, daß in dem Sieb 16 etwas -Elektrolyt eingeschlossen bleibt, sodaß ein elektrochemischer Kurzschluß der Zellen berücksichtigt werden muß. Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein dickes Sieb zu verwenden, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieses Nachteiles zu vermeiden; dies geht jedoch zu Lasten des Gewichtes und des Volumens der Zellen, die sich vergrößern. Außerdem ist es ohne weiteres einzusehen, daß die Verwendung von schwereren und dickeren Sieben den elektrischen Widerstand des Elementes erhöht. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Methoden besteht darin, daß die Metallelektrode (positiv) ungleich, d. h. nur von einer Seite aufgeladen wird. Diese ungleiche Aufladung kann zu Differenzen in der Materialspannung zwischen beiden Seiten der Elektrode führen, was wiederum ein Aufwölben der Elektrode bedingen kann. In Bereichen hohen Druckes, in welchen die Stromdichte extrem hoch wird, kann diese Aufwölbung zu elektrischen Kurzschlüssen führen oder hohe Temperaturen hervorrufen, die den Separator 18 zerstören können.

Darüber hinaus besitzen die bekannten Zellen der in