DE2806962A1 - Kammartiges bipolares elektrodenelement und batteriebausatz daraus - Google Patents

Kammartiges bipolares elektrodenelement und batteriebausatz daraus

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DE2806962A1 DE19782806962 DE2806962A DE2806962A1 DE 2806962 A1 DE2806962 A1 DE 2806962A1 DE 19782806962 DE19782806962 DE 19782806962 DE 2806962 A DE2806962 A DE 2806962A DE 2806962 A1 DE2806962 A1 DE 2806962A1
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Description

•Μ Κ em ' ''
Batterien hoher Energiedichte sind solche, die normalerweise eine Leistung von etwa 50 Watt pro 0,^54 kg verfügbar haben. Vor kurzem ist ein Durchbruch gelungen; in der US-FS 3 713 888 ist ein neuer Typ von Batterien hoher Energiedichte offenbart, bei dem ein Metallhalogenid-Elektrolyt-Halogenhydrat-System verwendet wird. Ein solches System erfordert die Handhabung korrosiven Materials, wie Chlor, wäßrige Chlorlosungen, sowie dee Metallhalogenid-Elektrolyten, Das System ist der Verwendung von bipolaren Elektroden zugänglich, wie sie in den US-PS»en 3 813 301 und 3 909 298 beschrieben sind·
Die in den oben zitierten Patentschriften offenbarten bipolaren Elektroden sind solche, bei denen eine Stirnfläche von swai separaten Elektroden miteinander verbunden sind, so daß sie die gewünschte bipolare Elektrodenstruktur bilden. Eixie Anzahl von Zellen aus diesen bipolaren Elektroden kann in Reihe geschaltet werden, tun Zellenbänke zu bilden5 diese können wiederum in Reihe geschaltet werden, um die Spannung zu erhöhen oder parallelgeschaltet werden, um die Stromleistung zu erhöhen. Durch Gruppenschaltung werden beide Ziele erreicht. Nachteilig bei diesen Zellbänken ist jedoch, daß die Zwischenzellen-Abstände sehr klein sind, zum Beispiel vier Zellen pro 2,5^ cm, was parasitäre und/oder dendritische Effekte verstärkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues bipolares Elektrodenelement sowie Zellenbänke oder Elektrodenbausätze aus solchen Elektrodenelementen zu schaffen, in denen der wirksame
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Zwischenzellen-Abstand wesentlich größer ist ale der tatsächliche, so daß die parasitären und/oder dendritischen Effekte, die mit einer elektrochemischen Batterie verbunden sind, abgeschwächt werden.
Die Lösung der Aufgabe ist in den vorstehenden Ansprüchen angegeben.
Es ist überraschend gefunden worden, daß sich das Problem, welches mit den kleinen Zwischenzellen-Abständen verbunden ist, durch Verwendung einer neuen bipolaren Elektrodenstruktur beheben läßt, bei welcher die elektrische Leitung übex* die Breite der Elektroden anstatt über ihre Dicke erfolgt, und bei einer Vielzahl solcher Elektrodenstrukturen die Elektroden so ineinandergreifen, daß sie eine Zellenbank bilden. Es ist gefunden worden, daß durch Verwendung dieser Struktur der wirksame Zwischenzellenabstand von ca. 0,75 cm &«*" etwa 6,35 cm und darüber erhöht wird, während der tatsächliche Abstand sich gegenüberstehender Blsktrodenstirnflachen etwa 0,2 cm beträgt.
Die Erfindung wird nun an den hier baigefügten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 ist ein perspektivisches Bild, teilweise weggeschnitten, von zwei kammartigen oder ineinandergreifenden bipolaren Elektrodenelementen nach der Erfindung,
Fig. 2 ist ein perspektivisches Bild einer Vielzahl von inein-
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andergreifenden Elektrodenelementen, einen Eatteriebau3atz nach der Erfindung bildend, und
Fig. 3 ist ein Querschnittsbild, teilweise weggeschnitten, eines beispielhaften Batteriebausatzes nach der Erfindung.
Die Erfindung betrifft bipolare Elektrodenelemente und Batteriebausätze aus solchen Elementen, Genauer gesagt betrifft sie ein bipolares Elektrodenelement, welches eine elektrisch leitfähige, chemisch inerte, im allgemeinen glatte "Wand mit einer ersten und einer zweiten entgegengesetzt gerichteten Stirnfläche aufweist. Jede der Stirnflächen ist mit einer Vielzahl von im allgemeinen parallelen Kerben, die im Abstand voneinander vorgesehen sind, versehen, wobei die Kerben in der ersten Stirnfläche zu den Kerben in der zweiten Stirnfläche seitlich versetzt sind» Das Element umfaßt eine erste und eine zweite im Abstand voneinander befindliche und im allgemeine« parallele Elektrode mit ersten Kanten, die in die erste bzw. zweite Karbe der Kerben der ersten Stirnwand eingreifen und im wesentlichen im rechten ¥lnkel zur inerten ¥and verlaufen; ferner eine dritte Elektrode mit einer ersten Kante, die in einer Kerbe der zweiten Stirnfläche angeordnet ist und ebenfalls rechtwinklig zur inerten ¥and verläuft. Der Batteriebaus atz nach der Erfindung enthält eine Vielzahl solcher bipolarer Elektrodenelemente, deren Elektroden ineinander eingreifen.
Die Erfindung wird nun anhand des Zink/Chlor/Zinkchlorid-Elektrolyt-Systems, welches in der ,eingangs erwähnton US-PS 3 713 888
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beschirieben ist, erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses System beschränkt.
Fig. 1 zeigt zwei der bipolaren Elektrodenolemente nach der Erfindung, deren Elektroden ineinander eingreifen, Jedes Element hat eine elektrisch leitfähige, chemisch inerte, im allgemeinen glatte ¥and 1, welche eine erste und eine dazu entgegengesetzt gerichtete Stirnfläche 2 und 3 aufweist. Die Fläche der ersten Stirnfläche 2 verläuft parallel zur zweiten Stirnfläche 3. Die Stirnfläche 2 hat eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Kerben 4, die im allgemeinen parallel zueinander verlaufen und vorzugsweise symmetrisch über die Fläche 2 verteilt angeordnet sind. In gleicher ¥eise hat die Stix-nflache 3 eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Kerben 5* die im allgemeinen parallel zueinander verlaufen und symmetrisch über die Fläche 3 verteilt angeordnet sind. Die Kerben k in der Stirnfläche 2 sind zu den Kerben 5 in der Stirnfläche 3 seitlich versetzt. Vorzugspreise befindet sich jede Kerbe 5 in dsr Mitte zwischen einem Paar benachbarter Kerben 4 und umgekehrt.
Die Wand 1 kann aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material sein, das chemisch resistent, also chemisch inert gegenüber dem Elektrolyt und anderen Chemikalien, mit denen sie in Kontakt kommt, ist. So kann die Wand aus Graphit, einem Ventilmetall (valve metal) wie Titan oder dergleichen sein. Die Wand 1 ist vorzugsweise elektrolyt- und gasdurchlässig.
Das bipolare Elektrodenelement enthält mindestens zwei Elektroden 6,
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die aus einem geeigneten Elektrodenmaterial, wie feinkörnigem Graphit, sind. Im Zink/Chlor/Zinkchlorid-Systen sind die Elektroden 6 Zinkelektroden. Die Elektroden 6 sind im wesentlichen rechteckig-» Eine Kante der Elektrode 6 ist in der benachbarten Kei-ba K der Stirnfläche 2 der Wand 1 angeordnet, so daß die Elektrode 6 in elektrischem Kontakt mit der Wand 1 steht.
Es ist mindestens eine9 iia allgemeinen rechteckige Elektrode 7 vorgesehen, und eine Kante der Elektrode 7 ist in einer benachbarten Kerbe 5 der Stirnfläche 3 der Wand 1 angeordnet. Im Metallhalogenid-Halogenhydrat-Batteriesystem ist die Elektrode 7 vorzugsweise porös und bildet die Chlorelektrode, Die Elektrode 7 kann aus irgendeinem geeigneten Elektrodenmaterial sein, zusr Beispiel aus porösem Graphit (zum Beispiel aus UCC PG-6O and Airco Speer 37-G) oder aus porösem mit Edelmetall legiertem (catalyzed) Ventilmetall, wie zum Beispiel ruthenisiertem Titan«
Die Kanten der Elektroden 6 werden in don benachbarten Kerben K und die Xanten der Elektx'oden 7 in den benachbarten. Kerben 5 in irgendeiner geeigneten Weise gehaltens zum Beispiel durch Verkitten, Plasmasprühung an den Kontaktpunkten oder durch Verschweißen, Vorzugsweise werden die Elektroden jedoch so gefertigt, daß 3ie etwas dicker sind als die benachbarten Kerben, so daß wenn die Kanten in die Kerben gepreßt werden, sie aufgrund des Paßsltze-J in dieser Stellung gehalten werden. Das Eindrücken der Elektroden in ihre benachbarten Kerben ist eine einfache und zuverlässige Technik und resultiert in einem kleinen Kontaktwiderstande
In der in Fig, 1 gezeigieii bevorzugten Ausführungsform der Erfin-
β,β/ΐ0
~ 10 -
dung ist die Chlorelektrode 7 so geformt, daß sie einen Iiinenhohlraum 8 hat. Diese Konstruktion kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte ¥oise erhalten werden, zum Beispiel durch Herstellen von zwei geeignet geformten Elekfcrodenhälften, die um ihre Kanten abgedichtet werden, entweder durch eine nicht leitende stabile Maske oder durch Formen und Verkleben der Elektrodenhäirten selbst. Der Hohlraum 8 ist der Raum, in den der Elektrolyt gefüllt wird. Die Elektroden 7 sind auch mit Löchern (nicht gezeigt) zum Entweichen von Gas versehen.
Um gleichmäßige Elektrolytverteilung· zu den einzelnen Elektroden 7 zu erreichen, viz-d jeder Chlorelektrode der Elektrolyt durch eine Leitung 9 kleinen Durchmessers zugeführt} die Leitung 9 ist mit einem Vert oiler sy stem verbunden und wirkt als Sfex-ömungskontroll-Austrittsöffmmg. Vorzugsweise bringen die Leitungen 9 den Elektrolyt von einem über den Zellen vorgesehenen Vex-teiler 10 zum Boden dos Chlorelektroden-Hohlx^aumes 8, weil der Zellenboden dei* bevorzugte Einspeisepunkt ist. Diese Anordnung bringt auch die parasitäx-cn Ströme auf ein Minimum, indem sie die Leitungslänge auf größten Eingangs-Elektrolytwidersfcand zwischen den einzelnen Zellen aiaximiert. Der Elektrolyt wird von einem Vorrat 11 zum Verteiler geführt.
Eine Gruppe von bipolaren Elektrodenelementen wird so zusammengebaut, daß sie eine Gruppe von Zellenbänken, das heißt einen Batteriebausatz bilden, wie in Fig, 2 gezeigt. Dia inerte Wand 1 jedes bipolaren Elements ist im wesentlichen parallel aur Wand 1
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des benaclibarten bipolaren Elements angeordnet« Die letzte Elektrode jeder Zelle ausgenommen, ist jede Chlorelektrode 7, die sich von der Stirnfläche 3 ini allgemeinen im rechten Winkel zur Ebene der inerten Wand 1 erstreckt, zwischen einem Paar benachbarter Zinkelektroden 61, die sich im allgemeinen rechtwinklig zur Ebene der benachbarten Wand 1 von der Stirnfläche 2· erstrecken, in Stellung gebracht. Anders ausgedrückt, die Chlorelektroden 7 eines bipolaren Elektrodenelements sind mit den Zinkelektroden des benachbarten bipolaren Elements in Eingriff gebracht« Jede Elektrode reicht fast bis zur inerten Wand 1 des benachbarten Elements, so da.ß ein schmaler Spalt zwischen dem Elektrodenende und der Wand 1 des benachbarten Elements vorhanden ist»
Die Zahl der bipolaren Elektrodenelemente, die unter Bildung eines Bausatzes ineinander in Eingriff gebracht sind, kann nach Wunsch variiert werden. Die endständigen bipolaren Elemente tragen nur Zinkelektroden 6, die sich von Kerben h der Stirnfläche Z erstrecken oder nur Chlorelektroden 7, die sich von Kerben 5 in der Stirnfläche 3 erstrecken. Die äußerste Stii-nfläche des Endes der inneren Wand, d,h. die Stirnfläche s die keine Elektroden trägt, kann, wenn gewünscht, gekerbt seinp ist aber, vorzugsweise im allgemeinen glatt und die Batterieanschlüsse 12 sind auf solchen Stirnflächen in geeigneter Weise angebracht«
Die Elektroden zwischen jedem Paar benachbarter inerter Wände 1 bilden eine Zelle und es ist zu erkennen, daß die Zellenfläche einfach durch Verlängerung der Wand 1 und Anfügen weiterer Elek~ troden vergrößert werden kann» Es wird bevorzugts daß die Elektroden
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ο ο ο / I i-
an den alleräußersten Enden jeder Zelle entweder alle:? Zinkelektroden 6 oder alles Chlorelektroden 7 sind. Diese Anordnung
schränkt die Möglichkeit außenseitiger Kurzschlüsse ein, weil
sie sicherstellt, daß die Spannungsdifferenz über jeder Zellenbreite die Hälfte der Spannungsdifferenz ist, wenn die äußersten Elektroden entlang des Batteriesatzes abwechselnd Zinkelektroden und Chlorelektroden 7 sind.
Tiie in Fig* 3 gezeigt, sind die einzelnen bipolaren Elektrodenolemente auf einem geeigneten nicht leitenden stabilen Zellenboden 13 aufgesteckt· Die Innenwände 1 sind mit dem Boden I3 durch
geeignete Mittel fest verbunden, zum Beispiel durch Befestigung mittels dui'chgehender Titan-Bolzen auf einer Glasplatte. Um eine gute Abdiäitxing zu gewährleisten, kann poröses Teflon-Dichtungsmaterial zwischen dem Glas und dem bipolaren Element vorgesehen nein. Boi dieser Ausfülirungsfonn bestehen die Battex-iebausatzenden aus den endständigen inerten ¥änden, d.h. den inerten Wänden, die Elektroden nur auf einer Seite tragen, nämlich die äußersten Elektroden jeder einzelnen Zelle. Da ein schmaler Spalt zwischen dem Ende jeder Elektrode und seiner benachbax-ten Innenwand varhanden ist, ist eine geeignete Dichtung 14 voz-ge sehen, um den
Spalt an der äußersten Elektrode zu füllen. Es ist kein oberer
Abschluß vorhanden, so daß jede Elektrode im Bausatz im wesentlichen zu einem Sammelgasraum offen ist, was den besten Gasaustritt aus der Zelle ermöglicht. Venn der Bausatz von einem Gehäuse eingeschlossen wird, müssen geeignete Gasräume im Kopfteil vorgesehen sein. Anstelle die einzelnen bipolaren Elemente auf der Grundplatte zu befestigen, können sie auch in einen Vakuum-vor-
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formten oben offenen Kasten eingepaßt werden,und zwischen dem Boden und den beiden Seitenwänden der inerten Wand 1 kann eine Abdüitung vorgenommen werden.
Bei Langzeitbetrieb ist es erforderlich, einen Schlaromsanmielraum vorzusehen. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann dies durch Anordnung der Elektroden in der Weise geschehen, daß ein schmaler Spalt zwischen dem Boden der Elektroden und dem Boden der inerten Wand 1 bleibt. Um jedoch den Elektrolyt in der Zelle zurückzuhalten, müssen die äußersten Elektroden notwendige inieise ga.nz bi3 zum Boden reichen und mit der nicht leitenden Grundplatte dichtend verbanden sein unter Verwendung von zum Beispiel einer porösen Teflon-Bodendiohtung,
Im Betrieb fließt der Elektrolyt aus dem Elektrodenswischenrauni über die ganze Breite der Elektrode,, Das ermöglicht einen ausgezeichneten Gasautrifct aus dem Elektx-oderiswischenspali; und ο in Minimum an Turbulenz im Elektrolyten, In Zellen ohno Separatoren erhöht Turbulenz im Eiektrodenzwischenepalt deutlich die coulomb 'sehen Ineffizienzen.
In jeder Zelle des Bausatzes fließen alle Elektrolytströme aus dein Elektrodenzwischenraumverbund und über die Endelektrode oder die Zellenbehälterwand, wenn eine solche vorgesehen, in oinsn gemeinsamen Sumpf (nicht gezeigt). Ein Verfahren zum Abtrennen des Elektrolyts «wischen den Zellen ist aits Figo 1 zu ersehen, wo die Wände 1, die als Zellenteilar wirken, etwas liöhor angefertigt sind als die Elektroden in der ZeIIe0 Elektrische Iso«
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lierung zwischen den Zellen wird durch, den hohen Widerstand des Blektrolytfilms, dei> über die Endelektrode oder Innenwand fließt oder in anderer "Weise gewähr 1eistet, Außenisolierung wii-d durch einen "Wasserfall11 an jeder Zelle geschaffen«
Ein beispielhafter Batteriebausatz, wie in Pig. 2 und 3 gezeigt, kann aus 10 bis 12 kammartigen bipolaren Elementen bestehen,, Jedes Element kann eine inerte Wand 1 von etwa 10 cm Höhe und etwa 12 ein Länge haben. Jede erste Stirnfläche 2 kann i4 Zinkelelctrodeii 6 aufweisen, die sich etwa 8 cm von der Ebene der Stirnfläche 2 erstrecken tind deren oberes Ende etwa 2,5^ cni unter dem oberen Ende der Wand 1 ist; vind jede zweite Stirnfläche 3 lcazm 12 Chlorelektrcden 7 haben, die sich etwa 8 era von der Ebene der Stirnfläche 3 erstrecken und dsren oberes Ende etwa 2.54 cm unter desn der inerten Wand 1 ist, Der Boden jeder Elektrode ist etwa 0,3 cm über dem Boden der ersten Wand. Der Boden jeder Zizücelekfcrode 6, die äuGerßte Elektrode 6 ausgenommen, kann sich ebenfalls etwa 0,3 ein über dem Boden der Wand 1 befinden.
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Claims (1)

  1. Ansprüche :
    1J Kammartiges bipolares Elektrodeneleniont, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitfähige, chemisch inerte, im allgemeinen glatte ¥and (i) mit einer ersten und einer dasra entgegengesetsst gerichteten zweiten Stirnfläche (£, 3), von denen jede eine Vielzahl von im Abstand zueinander vorgesehenen im wesentlichen parallel verlaufenden Kerben (■'■»·, 5) aufweist, wobei die Kerben (4) der Stirnfläche (2) zu den Kerben (5) der Stirnfläche (3) seitlich versetzt öind; erste und zweite im Abstand voneinander vorgesehene und im allgemeinen parallel verlaufende Elektroden (6) mit ersten Kanten, die in der ersten bzw. zweiten Kerbe der Kerben (4) der Stirnfläche (2) angeordnet sind und
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    ι β » I ιί
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    im allgemeinen im rechten ¥inkel zur ¥arxd (i) verlaufen; und eine dritte !Elektrode (7) mit einer ersten Kante, die in einer der Kerben (5) der Stirnfläche (3) angeordnet ist und ebenfalls im allgemeinen im rechten ¥inkel zur Vand (1) verläuft.
    2. Bipolares Elektrodeneleiaent nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Kerben (4, 5) der ersten und zweiten Stirnflächen (2, 3) symmetrisch angeox-d.net sind.
    3· Bipolares Elektrodeneleinent nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (7) porös ist.
    4. Bipolares Elektrodeneleraent nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Elektrode (7) einen inneren Hohlraum (8) zur Aufnahme des Elektrolyten von außerhalb der Elektrode (7) aufweist.
    5. Bipolares Blektrodonelement nach den.. Ansprüchen 1 bi.s 4, gekejinzeichnefc durch eine Elektrolyt-Zuführleitung (p), welche von außen zum Boden des inneren Hohlraumes (8) führt.
    6. Bipolares Elektrodenelement nach den vorhergehenden Ansprüchen,gekennzeichnet durch eine Vielzahl von porösen Elektroden (7), von denen jede eine erste Kante aufweist, welche in einer zugehörigen Kerb« der Kerben (5) in der zweiten Stirnfläche (3) angeordnet ist und im allgemeinen im rechten Winkel zur ¥and (1) verlaufen,
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    *· 3 —
    7« Bipolares Elektrodenelement nach den vorhergehenden Ansprüchen,gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ersten Elektroden (6), von denen jede eine erste Kante aufweist, welche in einer zugehörigen Kerbe der Kerben (k) der ersten Stirnfläche (2) angeordnet ist und im allgemeinen im rechten Winkel zur Wand (i) verlaufen.
    8. Batteriebausatz, gekennzeichnet durch einen nicht-leitenden Träger (13) rait einer Vielzahl von bipolaren Elektrodenelementen . nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei die ersten und zweiten Elektroden (6) und die dritte Elektrode (7) des benachbarten Elements ineinander eingreifen,
    9» Batterbausatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der bipolaren Elektrodenelemente eine Vielzahl von ersten Elektroden (6) aufweist, deren erste Kanten in den jeweils zugehörigen Kerben (k) in der ersten Stirnfläche (2) angeordnet sind und im allgemeinen im rechten Winkel zur Wand (1) verlaufen; und eine Vielzahl von dritten Elektroden (7)» deren erste Kanten in den jeweils zugehörigen Kerben (5) der zweiten Stirnfläche (3) angeordnet sind und im allgemeinen im rechten Winkel zur Wand (1) verlaufen, wobei die ersten, zweiten und dritten Elektroden ineinander eingreifen.
    10. Battoriebaasatz nach Anspruch 8 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (k, 3) der Flächen (2, 3) symmetrisch angeordnet sind und jede der dritten Elektroden (7) porös ist.
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    11· Öatteriebausatz nach den Ansprüchen δ bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (8) der Elektroden (?) über eine Elektrolyt-Zuführleitung (<?) mit einem Elektrolytvorrat (11) ggf. über einen Verteiler (1O) verbunden sind,
    12, Batteriebausatz nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wand (i) jedes der Elemente über die damit verbundenen ersten,zweiten und dritten Elektroden erstreckt.
    13· Batteriebausatz nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Boden (13) der Wand (1) jedes der Elemente unter dem Boden von mindestens einer der damit verbundenen ersten, zweiten und dritten Elektroden erstreckt·
    ik» Batteriebausatz nach den Ansprüchen 8 bis 13* dadurch gekennzeichnet, daß die äußersten Elektroden der Vielzahl von Elementen gleich sind·
    15, Batteriebausatz nach den Ansprüchen 8 bis iht dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6, 7) durch Paßsitz in den Kerben (^» 5) gehalten werden,
    16. Batteriebausatz nach den Ansprüchen 8 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß er von einem oben offenen Gehäuse eingeschlossen ist, und die Enden der Wand (1) mit dem Behause Berührung habon.
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