DE2704314A1 - BATTERY WITH CIRCULATING ELECTROLYTE - Google Patents
BATTERY WITH CIRCULATING ELECTROLYTEInfo
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Description
Dfpi.-i.in. Peter-C. Sroka Dr.·Ing. Ernst StratmannDfpi.-i.in. Peter-C. Sroka Dr. Ing. Ernst Stratmann
Po.enlanwäl* 27043HPo.enlanwäl * 27043H
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 94 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9
Düsseldorf, 1. Febr. 1977Düsseldorf, February 1, 1977
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh/ Pa.y V. St. A. Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh / Pa.y V. St. A.
Die Erfindung betrifft Batterien mit zirkulierendem Elektrolyten. The invention relates to circulating electrolyte batteries.
Sekundäre elektrische Speicherzellen, die mit hohen Raten von Ladung und Entladung arbeiten, erfordern irgendein Kühlverfahren, um eine überhitzung zu verhindern. Dies gilt insbesondere für Anwendungen bei elektrischen Fahrzeugen, wo eine große Anzahl von miteinander verbundenen Zellen und eine dicht gepackte Anordnung erforderlich sein kann. Eine Lösung liegt darin, den Elektrolyten als Wärmeaustauschermedium durch die Zelle hindurch, in ein kühlendes Reservoir und von dort zurück in die Zelle zu befördern.Secondary electrical storage cells, which operate at high rates of charge and discharge, require some cooling method, to prevent overheating. This is especially true for applications in electric vehicles where a large number of interconnected cells and a close-packed arrangement may be required. A solution is to use the electrolyte as a heat exchange medium through the cell, into a cooling reservoir and from there back to the cell.
Diese Lösung wurde in der US-Patentschrift 400 215 erkannt, gemäß der eine Versorgungsröhre für den Elektrolyten am Boden einer galvanischen Batterie angeordnet wurde. Dadurch wurde frischer Elektrolyt von unten in jeden Zellenstapel nach oben und um die Elektroden herum geführt. In der US-Patentschrift 3 666 561 wird eine Zink-Luftbatterie offenbart, bei der eine Zirkulation von Elektrolyt durch eine Serie von elektrischen Batteriezellen vorgesehen ist. Der Elektrolytkreislauf wurdeThis solution was recognized in US Pat. No. 400,215, according to which a supply tube for the electrolyte at the bottom a galvanic battery was arranged. This caused fresh electrolyte to flow from the bottom of each cell stack to the top and passed around the electrodes. U.S. Patent 3,666,561 discloses a zinc-air battery in which a Circulation of electrolyte through a series of electric battery cells is provided. The electrolyte circuit was
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dadurch verwirklicht, daß in den Boden einer jeden Zelle Elektrolyt eingepumpt wurde. Aus einer Elektrolytkammer fließt der Elektrolyt durch jede Zelle nach oben und wird von der Oberseite einer jeden Zelle mittels Auslaßröhren entfernt. Der Elektrodenstapel oder -aufbau ist gegenüber dem Behälter nicht abgedichtet, so daß Elektrolyt um eine der drei Platten einer jeden Zelle herumfließen kann, außerdem wird Sauerstoffgas in das Elektrolyten-Kreislaufsystem eingebracht, um den inneren Batteriestrom zu vermindern.realized by pumping electrolyte into the bottom of each cell. Flows from an electrolyte chamber the electrolyte goes up through each cell and is removed from the top of each cell via outlet tubes. The electrode stack or assembly is not sealed from the container, so that electrolyte around one of the three plates can flow around each cell, and oxygen gas is introduced into the electrolyte circulation system around the reduce internal battery current.
Notwendigerweise ist ein Kühlsystem mit zirkulierendem Elektrolyten für eine Batterie kompliziert und bis heute wurden nicht alle mit derartigen Systemen verbundenen Probleme gelöst. Nahezu alle Gehäuse für sekundäre elektrische Speicherzellen bestehen aus Metall-, Glas-, Gummi- oder Kunststoff-Kästen. Zellenstapel werden in die Kästen eingeführt und dann eine Abdeckung angebracht. Wenn der Elektrolyt durch den Zellenstapel für Kühlzwecke zirkuliert werden soll, erwiesen sich herkömmliche Kästen- und Elektrodenstapel-Konstruktionen als wenig zufriedenstellend.A cooling system with circulating electrolytes is necessary for a battery, and not all of the problems associated with such systems have been resolved to date. Almost all housings for secondary electrical storage cells consist of metal, glass, rubber or plastic boxes. Stacks of cells are inserted into the boxes and then a cover is attached. When the electrolyte through If the cell stack is to be circulated for cooling purposes, conventional box and electrode stack designs have proven as unsatisfactory.
Verbunden mit zirkulierenden Elektrolytsystemen sind die folgenden Probleme: Kühlen einer jeden Zelle bei Ladung und/oder Entladung, um hohe Stromraten benutzen zu können; hermetisch dichte Verbindungen zwischen den Anschlüssen, den Einlaß- und Auslaßröhren sowie den Behälterwänden; Einkapselung und Abdichtung von Zellenstapeln, so daß der Elektrolyt gezwungen wird, durch diese Zellenstapel hindurchzuströmen, wenn er vom Einlaß zum Auslaß des Gehäuses fließt; Aufrechterhaltung des Elektrolytenpegels; Steuerung der spezifischen Schwere des Elektrolyten und seiner Gleichförmigkeit; Sammlung und Beseitigung von explosiven Wasserstoff- und Sauerstoff gasen an einer Stelle, wo geeignete Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden können; Vereinfachung des Systems, so daß Zellgrößen-Änderungen einfach und billig erreicht werden können.Problems associated with circulating electrolyte systems are: Cooling of each cell when charged and / or discharge to use high current rates; Hermetically sealed connections between the connections, the Inlet and outlet tubes and the container walls; Encapsulation and sealing of cell stacks so that the electrolyte is forced to flow through this cell stack as it flows from the inlet to the outlet of the housing; Maintenance the electrolyte level; Control of the specific gravity of the electrolyte and its uniformity; collection and disposal of explosive hydrogen and oxygen gases at a location where appropriate safety precautions can be taken; Simplification of the system so that cell size changes can be achieved easily and cheaply can.
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Um alle diese Probleme zu lösen, muß die Batterie die folgenden Eigenschaften besitzen: Sie muß auslaufsicher sein, da der Elektrolyt unter Druck zirkuliert, alle Zellgehäuse und Anschlußverbindungen müssen im höchsten Maße dicht sein; es muß ein niedriger Druckabfall vorhanden sein, damit die Kreislaufpumpe klein gehalten werden kann, außerdem dient dies der Verhinderung von Leckagen und erhöht die Betriebssicherheit; hoher Widerstand in den Elektrolytverbindungen zwischen den Zellen, um die Selbstentladung möglichst klein zu machen; gleichförmiger Druckabfall bei allen Zellen, damit diese zueinander parallelgeschaltet werden können und trotzdem eine gleichförmige Elektrolytströmung durch eine jede Zelle sichergestellt ist; und, am wichtigsten, gleichförmige Elektrolytströmung durch den Zellquerschnitt, so daß alle Batterieplatten eine ausreichenden Elektrolytströmung erhalten und sichergestellt ist, daß der Elektrolyt durch den Zellenstapel hindurch statt um diesen herum fließt, so daß während der Ladung die effektivste Kühlung erreicht wird.To solve all of these problems, the battery must have the following properties: It must be leak-proof, since the electrolyte circulates under pressure, all cell housings and connection connections must be extremely tight; it there must be a low pressure drop so that the circulation pump can be kept small, this also serves the prevention of leaks and increases operational safety; high resistance in the electrolyte connections between the cells to make the self-discharge as small as possible; uniform pressure drop in all cells so that they are relative to one another can be connected in parallel and still ensure a uniform flow of electrolyte through each cell is; and, most importantly, uniform electrolyte flow through the cell cross-section so that all of the battery plates a sufficient electrolyte flow is obtained and it is ensured that the electrolyte through the cell stack instead of flowing around it, so that the most effective cooling is achieved during charging.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Batterie mit zirkulierendem Elektrolyten zu schaffen, bei der die oben genannten Probleme gelöst werden.The object of the invention is to provide a circulating electrolyte battery in which the above Problems are solved.
Die Lösung der Erfindung geschieht durch die Merkmale des Hauptanspruchs.The solution of the invention is done by the features of the main claim.
Eine erfindungsgemäße Batterie mit zirkulierendem Elektrolyten besteht also aus zumindest einer Zelle, die einen Aufbau oder Satz von Elektrodenplatten enthält, außerdem Elektrolyt-Kühleinrichtungen, die den Elektrolyten enthalten und von der Zelle einen Abstand aufweisen; desweiteren Elektrolyt-Pumpeinrichtungen, die mit den Kühleinrichtungen verbunden sind, sowie Elektrolyt-Zirkulationseinrichtungen, die eine Verbindung zwischen den Pumpeinrichtungen und der Zelle sowie von der Zelle zu den Kühleinrichtungen herstellen. Wesentlich ist auch, daß die Frontseiten und Kantenseiten der Stapelanordnung abgedichtet sind und daß zumindest ein Kanal inA circulating electrolyte battery according to the invention thus consists of at least one cell that contains a structure or set of electrode plates, as well as electrolyte cooling devices, which contain the electrolyte and are spaced from the cell; furthermore electrolyte pumping equipment, which are connected to the cooling devices, as well as electrolyte circulation devices, the one Establish a connection between the pump devices and the cell and from the cell to the cooling devices. Essential is also that the front and edge sides of the stack assembly are sealed and that at least one channel in
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zumindest einer Elektrodenplatte in jedem Stapel vorgesehen ist, der ungefähr 0,5 bis 10 % der Elektrodenplatten-Oberfläche ausmacht, so daß der gepumpte Elektrolyt nur durch den Kanal in dem Stapel fließt.at least one electrode plate is provided in each stack representing approximately 0.5 to 10% of the electrode plate surface so that the pumped electrolyte only flows through the channel in the stack.
Der Elektrolyt kann durch mehrere miteinander verbundene Zellen einer Batterie und einem Reservoir, das einen Kühlmechanismus enthält, mittels Pumpeinrichtungen zirkuliert werden. Es können irgendwelche Wärmeaustausch-Einrichtungen verwendet werden, um den Elektrolyten zu kühlen, beispielsweise Kühlwasser, das durch in dem Reservoir vorhandene Kühlschlangen hindurchgeleitet wird. Der Elektrolyt wird mit einer Rate zirkuliert, die ausreicht, um die während der verschiedenen Ladungs- oder Entladungsraten erzeugte Wärme zu entfernen. Das Reservoir und die Pumpe sind an den Zellen der Batterie mit Schnellverschluß-Anschlüssen befestigt, so daß die Batterie mit oder ohne Reservoir und Pumpe entladen werden kann. Der Elektrolytpegel und das spezifische Gewicht werden dadurch aufrechterhalten, daß zu dem Reservoir Wasser hinzugefügt wird, um einen Spiegel konstanter Höhe aufrechtzuerhalten. Die Batterie kann am Reservoir durch Barrieren-Entlü&ingseinrichtungen entlüftet werden, wodurch explosiven Wasserstoff- und Sauerstoffgasen ermöglicht wird, zu entweichen.The electrolyte can flow through several interconnected cells of a battery and a reservoir, which has a cooling mechanism contains, are circulated by means of pumping devices. Any heat exchange means can be used in order to cool the electrolyte, for example cooling water, the cooling coils present in the reservoir is passed through. The electrolyte is circulated at a rate sufficient to maintain the during the various To remove heat generated by charge or discharge rates. The reservoir and the pump are on the cells of the battery attached with quick release connectors so that the battery can be discharged with or without a reservoir and pump. The electrolyte level and specific gravity are maintained by adding water to the reservoir is used to maintain a constant height mirror. The battery can be connected to the reservoir through barrier venting devices vented, allowing explosive hydrogen and oxygen gases to escape.
Die vorgenannten Merkmale können speziell bei einer Batterie mit zirkulierendem Elektrolyten verwirklicht werden, die die folgenden Merkmale aufweist:The foregoing features can be specifically implemented in a circulating electrolyte battery that incorporates the has the following characteristics:
a) Die Zellenelektroden einer jeden Anordnung sind in einem gespritzten Batteriegehäuse dicht angebracht und umkapselt, vorzugsweise mit Hilfe eines abdichtenden Epoxiharzfüllers, der an den Gehäusewänden, den Anschlüssen und an Einlaß-und Auslaßröhren für den Elektrolyten anhaftet und so eine wirksame hermetische Abdichtung an allen diesen Stellen liefert.a) The cell electrodes of each arrangement are tightly attached and encapsulated in a molded battery housing, preferably with the help of a sealing epoxy resin filler, which is attached to the housing walls, the connections and adheres to inlet and outlet tubes for the electrolyte, providing an effective hermetic seal delivers to all of these bodies.
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b) Niedriger und gleichförmiger Druckabfall von Zelle zu Zelle und gleichförmiger Elektrolytenstrom durch die Zellenaufbauten wird dadurch erreicht, daß in den Platten Kanäle vorgesehen werden, beispielsweise durch Einschneiden oder Einpressen von schmalen Schlitzen in den Platten. Die Kanäle besitzen voneinander einen Abstand, um einerseits eine wirksame Kühlung zu erreichen und andererseits nicht mehr als 10 % der Plattenoberfläche einzunehmen.b) Low and uniform pressure drop from cell to cell and uniform flow of electrolyte through the Cell structure is achieved in that channels are provided in the plates, for example by cutting or pressing in narrow slots in the plates. The channels are spaced apart on the one hand to achieve effective cooling and on the other hand not more than 10% of the plate surface to take.
c) Der Elektrolyt wird gezwungen, durch diese Kanäle hindurch und nicht um die Peripherie der Zellenanordnungen herum zu fließen, indem zwischen den Stapelflächen und den breiten Vordergehäusewänden eine enge Passung vorgesehen wird und indem der Raum zwischen den Stapelkanten und den schmalen Kanten der Gehäusewände mit einem geeigneten abdichtenden Füllmaterial gefüllt wird. Das Füllmaterial kann aus einer großen Anzahl von Materialien ausgewählt werden, es kann z. B. ein flüssiges, aushärtbares Kunststoffharz oder Gummi sein, oder auch aus an Ort und Stelle verschäumten Materialien oder auch aus bereits vorher geschäumten Materialien, die auf Größe geschnitten werden, bestehen.c) The electrolyte is forced through these channels and not around the periphery of the cell assemblies to flow around by providing a tight fit between the stacking surfaces and the wide front housing walls and by the space between the stacking edges and the narrow edges of the housing walls with a suitable sealing filler material is filled. The filler material can be made from a large number of materials can be selected, e.g. B. be a liquid, curable plastic resin or rubber, or else from materials foamed in place or from materials that have been foamed beforehand be cut to size, insist.
d) Hoher elektrischer. Widerstand in dem Elektrolyten-Verbindungsnetzwerk wurde durch die Anwendung von langen Einlaß- und Auslaßröhren erreicht. Die Einlaßröhre erstreckt sich vorzugsweise von der Oberseite zum Boden der Zelle, während die Auslaßröhre vorzugsweise in Form einer Spirale am Boden der Zelle vorgesehen wird. Die die Zellen miteinander verbindenden Verzweigungen befin den sich vorzugsweise oberhalb der Zellen, wodurch möglich wird, den Elektrolyten in die Zellen zurücklaufen zu lassen, wenn die Zirkulation unterbrochen wird. Dies letztere Merkmal vermindert den elektrischen Weg zwischen den Zellen auf die Leitfähigkeit des Elektrolytenfilms, der an den Rohrwandungen haftet.d) High electrical. Resistance in the electrolyte connection network was achieved through the use of long inlet and outlet tubes. The inlet tube extends preferably from the top to the bottom of the cell, while the outlet tube is preferably in shape a spiral is provided at the bottom of the cell. The branches connecting the cells to one another are located which is preferably located above the cells, which makes it possible for the electrolyte to run back into the cells to leave if the circulation is interrupted. This latter feature reduces the electrical path between the cells on the conductivity of the electrolyte film, which adheres to the pipe walls.
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Die Strömung des Elektrolyten durch das System kann wie folgt zusammengefaßt werden: Reservoir; Pumpe; Batterieverzweigung; Zelleinlaßverzweigungen; Zellelektrolyt-Einlaßröhren; Zellreservoire; Durchführungskanäle in abgedichteten Zellenaufbauten; Zellelektrolyt-Auslaßröhren; Zellauslaßverzweigung; Batterieverzweigung; und von dort weiter zu dem Reservoir zur Abkühlung.The flow of electrolyte through the system can be summarized as follows: reservoir; Pump; Battery junction; Cell inlet manifolds; Cell electrolyte inlet tubes; Cell reservoirs; Feedthrough channels in sealed cell structures; Cell electrolyte outlet tubes; Cell outlet manifold; Battery junction; and from there on to the reservoir to cool down.
Dieses verbesserte Zellenstapelektrolyt-Durchströmungssystem bietet viele Vorteile gegenüber bisher bekannter Systeme, insbesondere die folgenden:This improved cell stack electrolyte flow system offers many advantages over previously known systems, in particular the following:
a) Effektive Kühlung der Batterieaufbauten ermöglicht die Anwendung von höheren Ladungsraten, vermindert auf diese Weise die Ladezeit. Bei einem typischen Lade/Entladezyklus bei einer C/2-Rate, bleibt die Temperatur zwischen 30 und 35 C bei vorhandener Zirkulation, während ohne Zirkulation die Temperaturen Werte von 70 C überschreiten würden, was die Batterie-Lebensdauer stark beeinträchtigen würde.a) Effective cooling of the battery structures enables the use of higher charging rates, reduced to these Way the loading time. In a typical charge / discharge cycle at a C / 2 rate, the temperature stays between 30 and 35 C with existing circulation, while without circulation the temperatures exceed values of 70 C. which would seriously affect the battery life.
b) Die Dichtheit des Systems beseitigt viele Sicherheitsgefahren, wie beispielsweise Verschüttungen und Versprühungen, die zu Kurzschlußwegen nach Masse sowie zu Potentialversagen führen könnten.b) The tightness of the system eliminates many safety hazards, such as spills and spraying, which could lead to short-circuit paths to ground and potential failure.
c) Die Parallel-Strömungsanordnung mit der zugehörigen Verrohrung stellt sicher, daß jede Zelle in richtiger Weise gewartet wird und verhindert Versagen aufgrund von Uberfüllung oder Unterfüllung und aufgrund von ungeeignetem spezifischem Gewicht des Elektrolyten.c) The parallel flow arrangement with the associated piping ensures that each cell in correct Maintained in a manner that prevents failure due to overfill or underfill and due to unsuitable specific gravity of the electrolyte.
d) Die Verrohrung sorgt auch für eine sichere Gasbehandlung und bietet sich selbst in vorteilhafter Weise zur Beseitigung des während der Ladung erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoffgases an.d) The piping also ensures a safe gas treatment and offers itself in an advantageous manner to Elimination of the hydrogen and oxygen gases generated during the charge.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments which are shown in the drawings.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine Batterieeinheit mit zirkulierendem Elektrolyten, die fünf in Serie miteinander verbundene Batteriezellen enthält;Fig. 1 is a perspective view of a battery unit with circulating electrolyte, the five in series includes interconnected battery cells;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Batterieeinheit der Figur 1;FIG. 2 shows a partially sectioned plan view of the battery unit of FIG. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht der Batterieeinheit der Figur 2, teilweise geschnitten längs der Linie III-III;3 shows a side view of the battery unit of FIG. 2, partially in section along the line III-III;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Batterieeinheit der Figur 2 längs der Schnittlinie IV-IV, wobei eine Elektrodenplatte, die im Abstand zueinander angeordnete Kanäle zeigt, in einen Behälter eingebracht ist, desweiteren Einlaßverzweigung, Zellelektrolyt-Einlaßrohr, Zellreservoir und Zellelektrolyt-Auslaßrohr; Fig. 4 is a cross-sectional view of the battery unit of Figure 2 along the section line IV-IV, wherein a Electrode plate, which shows channels arranged at a distance from one another, placed in a container is, furthermore, inlet manifold, cell electrolyte inlet pipe, cell reservoir and cell electrolyte outlet pipe;
Fig. 5 einen Querschnitt des Plattenstapels einer Ausführungsform einer Zelle, wobei die abgedichteten Elektrodenplattenseiten und -kanten sowie die Kanäle mit dem Plattenstapel dargestellt sind, die für einen gleichförmigen Durchfluß des Elektrolyten durch den Stapel statt für eine Umströmung des Stapels sorgen; undFig. 5 is a cross-section of the plate stack of an embodiment of a cell, the sealed Electrode plate sides and edges and the channels with the plate stack are shown, the for a uniform flow of the electrolyte through the stack instead of a flow around the Pile worries; and
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Anordnung von Batterieeinheiten, die von einem Elektrolyt-Zirkulationssystem gespeist wird, mit zugehörigem Elektrolyt-Kühlreservoir und Pumpe.Fig. 6 is a schematic view of an arrangement of battery packs used by an electrolyte circulation system is fed, with associated electrolyte cooling reservoir and pump.
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In Figur 1 der Zeichnungen ist eine Batterieeinheit oder ein Batteriemodul 10 mit seinen zugehörigen Dimensionen dargestellt, wobei diese Dimensionen sehr stark von der Batterieanwendung abhängen. Der Batteriemodul, der zumindest eine Zelle enthält, kann aus einem Gehäuse 11 bestehen, das beispielsweise einen Metall-, Gummi- oder Kunststoffkasten ausmacht. Diese Zelle 12 ist in ihrem eigenen Gehäuse oder Behälter untergebracht, der ebene Vorder- und Seitenwände aufweist. Das Batteriemodulgehäuse 11 ist nicht unbedingt notwendig, da die verschiedenen Zellen ausschließlich durch die Zellen-Auslaßverzweigung 13 und die Zelleneinlaßverzweigung 14 zusammengehalten werden könnten, die in Parallelanordnung dargestellt sind. Die Zellen könnten auch mittels elektrischer Verbindungen zwischen den Anschlußstutzen 15 zusammengehalten werden. Natürlich kann irgendeine Halte- oder Klammereinrichtung verwendet werden, um die getrennten Zellen aneinanderzuhalten, wie beispielsweise eine U-förmige Bodenplatte, wie sie in der Zeichnung unter dar Bezugszahl 17 dargestellt ist, wobei diese U-förmige Bodenplatte ohne das Batteriemodulgehäuse verwendet werden würde.In Figure 1 of the drawings, a battery unit or a battery module 10 is shown with its associated dimensions, these dimensions are very dependent on the battery application. The battery module, the at least one Cell contains, can consist of a housing 11, which makes up, for example, a metal, rubber or plastic box. This cell 12 is housed in its own housing or container which has flat front and side walls. The battery module housing 11 is not absolutely necessary, since the various cells are exclusively through the cell outlet branch 13 and the cell inlet manifold 14 could be held together, shown in parallel arrangement are. The cells could also be held together between the connecting pieces 15 by means of electrical connections will. Of course, any retaining or clamping device can be used to hold the separated cells together, such as a U-shaped base plate, as shown in the drawing under reference number 17, this U-shaped bottom plate would be used without the battery module housing.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Batteriemodul mit Anschlußstutzen 15. Ebenfalls dargestellt ist die gewendelte Zellenelektrolyt-Auslaßröhre 21, die an der öffnung 22 an der Zellenauslaßverzweigung 13 angebracht ist. Die Zellenelektrolyt-Einlaßröhre ist bei 23 gezeigt. Figur 3 zeigt auch die Stellung dieser Röhren innerhalb der Zelle, wobei am Boden der Zelle die Elektrolyt-Einlaßröhre bei 30 dargestellt ist.Figure 2 shows a plan view of the battery module with connecting pieces 15. The coiled cell electrolyte outlet tube 21, which is attached to the opening 22, is also shown the cell outlet manifold 13 is attached. The cell electrolyte inlet tube is shown at 23. Figure 3 shows also the position of these tubes within the cell, the electrolyte inlet tube being shown at 30 at the bottom of the cell is.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine vorzugsweise Zelle 12 der Erfindung. Zellenelektrolyt-Zirkulationseinrichtungen, röhrenförmige Zelleneinlaßverzweigung 14 und Zellenauslaßverzweigung 13 sind vorzugsweise in paralleler Anordnung vorgesehen. Diese Elektrolyt-Zirkulationseinrichtungen werden vorzugsweise oberhalb der Zellen miteinander verbunden, um dem Elektrolyten zu ermöglichen, bei Ausfall derFIG. 4 shows a cross section through a preferably cell 12 of the invention. Cell electrolyte circulation devices, tubular cell inlet manifold 14 and cell outlet manifold 13 are preferably in parallel intended. These electrolyte circulation devices are preferably connected to one another above the cells, to enable the electrolyte to fail in the event of the
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Zirkulation in die Zellen zurückzufließen. Dies vermindert den elektrischen Weg zwischen den Zellen, wenn der Elektrolyt nicht zirkuliert, auf die Leitfähigkeit des Elektrolytfilms, der an den Wänden des Verzweigungsrohres haftet.Circulation back into the cells. This diminishes the electrical path between cells, when the electrolyte is not circulating, on the conductivity of the electrolyte film, which adheres to the walls of the branch pipe.
Die Röhren von Einlaß- und Auslaßverzweigung besitzen einen verhältnismäßig großen inneren Querschnitt. Dies stellt einen niedrigen Strömungswiderstand sicher und vermindert den Druckabfall über der Zelle, was notwendig ist, um den Druck zu vermindern, der für eine ausreichende Elektrolytströmung benötigt wird. Zelleneinlaß- und Zellenauslaß-Verzweigungsröhren besitzen eine große Länge, um hohen elektrischen Widerstand zu erhalten, wenn die Röhren mit Elektrolyten gefüllt sind, was notwendig ist, um den Stromleckweg von Zelle zu Zelle zu verkleinern.The tubes of the inlet and outlet manifolds have a relatively large internal cross-section. This represents one low flow resistance and reduces the pressure drop across the cell, which is necessary to increase the pressure decrease that for sufficient electrolyte flow is needed. Cell inlet and cell outlet branch tubes are long in length for high electrical resistance when the tubes are filled with electrolyte, which is necessary to prevent the current leakage path from the cell Zoom out cell.
Vorzugsweise wird der Elektrolyt durch den Elektrodenaufbau nach oben gepumpt, so daß die während der Ladung erzeugten Sauerstoff- und Wasserstoffgase leicht an das Kühlreservoir entlüftet werden können, ohne daß sich ein gefährlicher Druckaufbau bildet. In der in Figur 4 dargestellten Zelle fließt der Elektrolyt von der Verzweigung 14 an der Oberseite des Zellengehäuses zum Boden des Zellenaufbaues mittels des Zellenelektrolyt-Einlaßrohres 23. Das Zellenelektrolyt-Einlaßrohr 23 erstreckt sich von der Oberseite des Elektrodenaufbaues abwärts längs einer Ecke der Batteriezelle zwischen der Eckenseiten des Aufbaues und der Eckenwand des Zellengehäuses. Dann biegt die Röhre um den Boden des Aufbaues und erstreckt sich in das Zellbodenreservoir 40. Der Zellenaufbau, der aus einer Serie von abwechselnden positiven und negativen Elektrodenplatten besteht, von denen eine bei 41 gezeigt ist, kann auf Kunststoff-, Gummi- oder Schaumblöcken ruhen, um das Bodenreservoir 40 zu bilden.Preferably, the electrolyte is pumped up through the electrode assembly so that those generated during charging Oxygen and hydrogen gases can be easily vented to the cooling reservoir without causing a dangerous pressure build-up forms. In the cell shown in Figure 4, the electrolyte flows from junction 14 at the top of the Cell housing to the bottom of the cell structure by means of the cell electrolyte inlet tube 23. The cell electrolyte inlet tube 23 extends from the top of the electrode assembly down along a corner of the battery cell between the corner sides of the structure and the corner wall of the cell housing. The tube then bends around the bottom of the assembly and extends into the cell bottom reservoir 40. The cell assembly, which consists of a series of alternating positive and negative electrode plates, one of which at 41 may rest on blocks of plastic, rubber, or foam to form the bottom reservoir 40.
Somit wird der in das Zellengehäuse einströmende Elektrolyt das Bodenelektrolytreservoir auffüllen, das von den Blöcken oder anderen geeigneten Aufbau-Stützeinrichtungen gebildetThus, the electrolyte flowing into the cell housing will fill the bottom electrolyte reservoir, that of the blocks or other suitable structural support means
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wird. Der Elektrolyt wird dann gezwungen, durch die Kanäle in den Elektrodenplatten aufwärtszuströmen.will. The electrolyte is then forced to flow upward through the channels in the electrode plates.
In Figur 5 ist eine Querschnitts-Draufsicht auf Elektrodenplatte 41 und andere alternierende positive und negative Platten dargestellt, die eine Art von Zellenelektrodenaufbau 50 ausmachen. Die Kanäle 4 3 können dadurch hergestellt werden, daß in die Elektrodenplatten schmale Schlitze geschnitten werden, oder dadurch, daß die Platten geprägt werden, so daß sie schmale Kanäle in sich bilden, oder auch durch irgendeine andere geeignete Einrichtung.In Figure 5 is a cross-sectional top view of electrode plate 41 and other alternating positive and negative Plates which make up one type of cell electrode assembly 50 are shown. The channels 4 3 can thereby be produced be that narrow slots are cut in the electrode plates, or that the plates are embossed, so that they form narrow channels in themselves, or by any other suitable means.
Der Querschnitt der Kanäle kann kreisförmig sein, wie gezeigt, kann aber auch einen quadratischen oder irgendeinen anderen Querschnitt aufweisen. Die Kanäle brauchen nicht sowohl bei den positiven als auch bei den negativen Platten vorgesehen werden, wie dargestellt, sondern können beispielsweise nur auf den positiven oder nur auf den negativen Platten eingeprägt sein, so daß Kanäle nur auf jeder zweiten Platte erscheinen würden.The cross-section of the channels can be circular as shown, but can also be square or any other Have cross-section. The channels need not be provided on both the positive and negative plates are as shown, but can, for example, only be embossed on the positive or only on the negative plates so that channels would only appear on every other disk.
Die Kanäle sollten sich nicht durch die Elektrode hindurch erstrecken, weil dies die Leitfähigkeit der Platte wesentlich verringern würde. Die Kanalfläche kann ungefähr 0,5 bis 10 % der Plattenfrontflache ausmachen. Wenn die Kanäle mehr als etwa 10 % der Plattenfläche ausmachen, tritt starker Verlust an aktivem Material mit einer damit verbundenen Verringerung des Batteriewirkungsgrades auf. Gewöhnlich sind 1 bis 6 Kanäle pro Platte für gute Elektrolyten-Zirkulation und Batteriekühlung ausreichend.The channels should not extend through the electrode as this will affect the conductivity of the plate would decrease. The channel area can make up approximately 0.5 to 10% of the plate front area. If the channels are more than make up about 10% of the plate area, there is a severe loss of active material with an associated reduction the battery efficiency. There are usually 1 to 6 channels per plate for good electrolyte circulation and Battery cooling sufficient.
Es werden Kanäle auf einer Seite der Platte bevorzugt, wie in Figur 5 dargestellt, da dies eine starke Elektrodenstruktur schafft, die minimale maschinelle Bearbeitung oder Pressung erfordert. Nicht dargestellt sind Plattenseparatoren, die aus fortlaufendem oder perforiertem Film aus Zellulose, Polypropylen, Nylon oder anderen geeigneten Isolations-Channels on one side of the plate are preferred, as shown in Figure 5, as this provides a strong electrode structure that requires minimal machining or pressing. Plate separators are not shown, made of continuous or perforated film of cellulose, polypropylene, nylon or other suitable insulation
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materialien hergestellt sein könnten und zwischen den Platten angeordnet oder um jede Platte in Serpentinenform herumgewickelt sein könnten. Die Separatoren sollten selbstverständlich mit dem Elektrolyten verträglich sein. Für ausreichende Kühlung ist es wichtig, daß der Elektrolyt nur längs der Kanäle zwischen den Elektrodenplatten des Aufbaues strömt und nicht um die Seiten und Kanten des Aufbaues herum, obwohl ein minimaler Elektrolytendurchtritt durch die Platten hindurch auftreten mag.Materials could be made and placed between the panels or wrapped around each panel in a serpentine fashion could be. The separators should of course be compatible with the electrolyte. For sufficient For cooling, it is important that the electrolyte flows only along the channels between the electrode plates of the structure and not around the sides and edges of the structure, although minimal electrolyte penetration through the plates may occur.
Um eine hermetische Abdichtung zu schaffen und sicherzustellen, daß kein Elektrolyt um den Aufbau herumfließt, werden die Räume 44 zwischen den Eckenseiten des Aufbaues 45 und der Kantenwand des Zellengehäuses 46, siehe Figuren 4 und 5, mit einem geeigneten Abdichtmittel gefüllt. Das Abdichtmittel kann ein aushärtbares, flüssiges Epoxiharz oder ein anderer Kunststoffharz sein, aber Gummi oder ein anderes Material, wie Polypropylenschaum oder Polyäthylenschaum sind als hermetische Abdichtung des Raumes 44 wirksam, wobei diese Materialien von dem Elektrolyten chemisch nicht verschlechtert werden.In order to create a hermetic seal and to ensure that no electrolyte flows around the structure the spaces 44 between the corner sides of the structure 45 and the edge wall of the cell housing 46, see Figures 4 and 5, filled with a suitable sealant. The sealant can be a curable, liquid epoxy resin or another Plastic resin, but rubber or some other material, such as polypropylene foam or polyethylene foam are effective as a hermetic seal of the space 44, these materials are not chemically degraded by the electrolyte.
Der Abdichtfüller dichtet und umkapselt die Seitenkante des Aufbaues und den Mittelteil des Elektrolyten-Einlaßrohres. Vorzugsweise ist das Abdichtmittel bei einer Temperatur von etwa 25° C aushärtbar. Elektrolytenströmung zwischen der breiten Frontseite des Zellenaufbaues und den ebenen Vorderzellen-Gehäusewandungen kann dadurch verhindert werden, daß zwischen den in Figur 5 bei 51 dargestellten zwei Flächen ein genau passender und inniger Kontakt hergestellt wird. Diese Anordnung ergibt eine Abdichtung der Seiten der Elektrodenaufbauten, das heißt der Kantenseiten und der breiten Flachseiten, nicht jedoch von Oberseite und Boden des Aufbaues .The sealing filler seals and encapsulates the side edge of the structure and the central part of the electrolyte inlet tube. The sealing agent is preferably curable at a temperature of approximately 25 ° C. Electrolyte flow between the wide front of the cell structure and the flat front cell housing walls can thereby be prevented that between the two surfaces shown in Figure 5 at 51 a precisely fitting and intimate contact is established. This arrangement results in a seal on the sides of the electrode assemblies, that is, the edge sides and the wide flat sides, but not the top and bottom of the structure .
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Die Elektrodenplatten, die die Aufbauten der Zellen ausmachen, bestehen vorzugsweise aus flexiblen, porösen Platten von ungefähr 75 bis 95 % Porosität, die aus diffusionsgebundenen Metallfasern bestehen, wie aus Nickelfasern, vorzugsweise jedoch aus Stahlwolle oder nickelbeschichteter Stahlwolle, siehe US-Patentschrift 3 895 960. Andere Plattenarten, beispielsweise aus porösem gesintertem Nickelpulver oder gegossenem porösem Nickel, können benutzt werden, erwiesen sich jedoch als nicht so wirksam wie Platten aus expandierten Fasermetall. Die Fasermetallplatten können während der "Formation" expandieren und kontrahieren, um verbesserte Beladung mit aktivem Material zu erhalten.The electrode plates that make up the structures of the cells are preferably made of flexible, porous plates of approximately 75 to 95% porosity consisting of diffusion-bonded metal fibers, such as nickel fibers, preferably but made of steel wool or nickel coated steel wool, see U.S. Patent 3,895,960. Other types of panels, for example Porous sintered nickel powder or cast porous nickel can be used, it has been found however, not as effective as sheets of expanded fiber metal. The fiber metal plates can during the "formation" expand and contract to obtain improved loading of active material.
Die Platten enthalten aktives Batteriematerial, das innerhalb des Porenvolumens der Platten angeordnet und auf dem Material verteilt ist. Wenn beispielsweise eine Eisen-Nickel-Zelle hergestellt werden soll, kann das aktive Material der positiven Elektrodenplatten Mi(OH) umfassen, mit kleinen wirksamen Mengen von Co(OH)„ als aktivierendes Additiv. Die negativen Elektrodenplatten können ein Eisenoxid umfassen, beispielsweise FiO, Fe3O3, Fe3O4, Fe3O3^H2O oder deren Mischungen, mit kleinen effektiven Mengen von schwefelhaltigen aktivierenden Additiven, die auf dem Eisenoxid aufgesintert oder mit ihm vermischt sind, wie in der US-Patentschrift 3 853 beschrieben. Natürlich können auch andere Arten von positiven und negativen aktiven Materialien und andere Additive verwendet werden.The plates contain active battery material which is arranged within the pore volume of the plates and distributed on the material. For example, if an iron-nickel cell is to be manufactured, the active material of the positive electrode plates may comprise Mi (OH), with small effective amounts of Co (OH) as an activating additive. The negative electrode plates can comprise an iron oxide, for example FiO, Fe 3 O 3 , Fe 3 O 4 , Fe 3 O 3 ^ H 2 O or mixtures thereof, with small effective amounts of sulfur-containing activating additives sintered onto or with the iron oxide are mixed as described in U.S. Patent 3,853. Of course, other types of positive and negative active materials and other additives can also be used.
Jede Elektrodenplatte besitzt eine elektrische Bleinase, due im allgemeinen an einem geprägten Oberseitengebiet punktverschweißt oder auf andere Weise angebracht ist. Diese Bleinasen 47 stellen Einrichtungen dar, mit denen zu den Platten elektrischer Kontakt hergestellt wird. Anschlußverbindungsbahnen 48 sind an den Bleinasen angebracht, um die positiven und negativen Platten mit den Anschlußnasen 15 elektrisch zu verbinden.Each electrode plate has an electrical lead nose that is generally spot welded to an embossed top area or otherwise attached. These lead noses 47 represent devices with which to the plates electrical contact is established. Terminal connection tracks 48 are attached to the lead noses around the positive and to electrically connect negative plates to the connection lugs 15.
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Wenn einmal der Elektrolyt durch die Kanäle 43 des Aufbaues in der vorzugsweisen Ausfuhrungsform der Erfindung nach oben fließt, tritt er durch die Zellelektrolyt-Auslaßröhre 21 und die Zellen-Auslaßverzweigung 13 aus der Zelle aus. Die Länge der Zellenelektrolyt-Auslaßröhre 21 sollte vorzugsweise erhöht werden, um einen hohen elektrischen Widerstand in dem Elektrolyt-Rohrnetzwerk herzustellen, beispielsweise dadurch, daß eine spiralförmige oder ähnliche Konfiguration verwendet wird, wie in den Figuren 2 und 4 dargestellt ist.Once the electrolyte through the channels 43 of the structure in the preferred embodiment of the invention upwards flows, it exits the cell through the cell electrolyte outlet tube 21 and the cell outlet manifold 13. The length of the cell electrolyte outlet tube 21 should preferably be increased in order to have a high electrical resistance in the Establish electrolyte pipe network, for example by using a helical or similar configuration as shown in FIGS. 2 and 4.
In allen Fällen sollte die Verrohrung in der Zelle und dem Batteriemodul, wie beispielsweise Einlaß- und Auslaßröhren und -Verzweigungen aus nicht-leitendem Rohrmaterial hergestellt werden, wie beispielsweise aus Polypropylen, Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Akrylonitrilbutadienstyrol, Nylon oder andere Kunststoffarten oder Gummimaterialien, die von dem Elektrolyten nicht angegriffen werden. Diese nicht-leitenden Röhren und Verzweigungen können mittels geeigneter Kleber angebracht werden, wie beispielsweise Epoxikleber oder Polyvinylchloridkleber.In all cases, the tubing in the cell and battery module, such as inlet and outlet pipes, should be used and branches are made of non-conductive pipe material, such as polypropylene, polyethylene, Polyvinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene, nylon, or any other type of plastic or rubber material made from the electrolyte are not attacked. These non-conductive tubes and branches can by means of suitable Adhesive can be attached, such as epoxy adhesive or polyvinyl chloride adhesive.
Um einen Elektrolytenaustritt durch das Elektrolyt-Auslaßrohr 21 sicherzustellen, kann der Raum 49 zwischen der Oberseite des Zellengehäuses und der Oberseite des Auslaß-Rohreinganges mit einem geeigneten Dichtmitxel gefüllt werden, ähnlich dem, das weiter oben beschrieben wurde. Dies würde auch die Oberseite des Zellengehäuses bilden. Um eine solche Oberseite zu schaffen, kann eine Trennung über der Oberseite der Bodenöffnung des Zellenelektrolyt-Auslaßrohres angeordnet und Abdichtmittel auf die Trennung aufgespritzt oder aufgegossen werden, um die Oberseite des Auslaßrohres, die Oberseite des Einlaßrohres und die Anschlüsse einzukapseln.To ensure an escape of electrolyte through the electrolyte outlet pipe 21, the space 49 between the top the cell housing and the top of the outlet pipe inlet are filled with a suitable sealant, similar to that described above. This would also form the top of the cell housing. To such a To create top, a partition can be placed over the top of the bottom opening of the cell electrolyte outlet tube and sealant is sprayed or poured onto the partition to cover the top of the outlet tube, the Encapsulate top of inlet pipe and connections.
Gemäß der Figur 6 wird eine Batterie dadurch gebildet, daß die Zelleneinlaß-Verzweigungen 14 und die Auslaßverzweigungen 13 vorzugsweise parallel zueinander angeschlossen werden. Um die Konstruktion einer Hochleistungsbatterie zu erleichtern,According to FIG. 6, a battery is formed in that the cell inlet branches 14 and the outlet branches 13 are preferably connected in parallel to each other. To facilitate the construction of a high capacity battery,
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werden mehrere Zellensätze, d. h. Sätze von Batteriemoduln 1Of an Ort und Stelle befestigt, wobei alle Fluidumströmungen parallel verlaufen, um den für das System erforderlichen Druck möglichst klein zu machen und um eine gleichförmige Kühlung von Zelle zu Zelle zu schaffen. Die Batteriemoduln können dann so angeordnet werden, daß ein vollständiges Hochleistungs-Batteriesystem gemäß den Spannungs- und Raumerfordernissen für jede einzelne Anwendung geschaffen wird. Fig. 6 zeigt eine Hochleistungsbatterie, die aus drei Gruppen von jeweils drei Batteriemoduln besteht. Jeder Batteriemodul enthält fünf Zellen.Several sets of cells, ie sets of battery modules 10 f , are fastened in place, with all fluid flows running parallel to make the pressure required for the system as low as possible and to create uniform cooling from cell to cell. The battery modules can then be arranged to create a complete high performance battery system according to the voltage and space requirements for each particular application. 6 shows a high-performance battery which consists of three groups of three battery modules each. Each battery module contains five cells.
Die Moduln sind mittels gemeinsamen Batterieverzweigungselektrolyt-Zirkulationseinrichtungen 60 verbunden, deren Länge und Stellung von der Batteriekonstruktion abhängt. Die Batterieverzweigungen können von den Wärmeaustauschereinrichtungen 61 und den Elektrolyt-Pumpeinrichtungen 62 mittels Schnellverschlußkopplungen 63 abgetrennt werden, so daß die Hochleistungsbatterie ohne Wärmeaustauscher und Pumpe entladen werden kann. Die Wärmeaustauscher- oder Kühleinrichtungen können ein Elektrolyt-Kühlreservoir 64 umfassen, das Kühlwasser-Kühlschlangen 65 enthält. Ein Radiator oder ein anderes Kühlgerät könnte dem System hinzugefügt werden, um die Kühlschlangen durch Luftkühlung zu ergänzen oder zu ersetzen. Der Elektrolyt wird von der Pumpe mit einer Rate zirkuliert, die wirksam die durch die verschiedenen Lade- bzw. Entladeraten erzeugte Wärme entfernt.The modules are by means of shared battery manifold electrolyte circulation facilities 60 connected, the length and position of which depends on the battery construction. The battery branches can from the heat exchanger devices 61 and the electrolyte pump devices 62 by means of quick-release couplings 63 can be disconnected so that the high-performance battery can be discharged without a heat exchanger and pump can. The heat exchangers or cooling devices can comprise an electrolyte cooling reservoir 64, the cooling water cooling coils 65 contains. A radiator or other cooling device could be added to the system around the cooling coils to be supplemented or replaced by air cooling. The electrolyte is circulated by the pump at a rate that is effective removes the heat generated by the various charge and discharge rates.
Der Pegel des Elektrolyten und dessen spezifisches Gewicht werden durch Hinzufügen von Wasser zu dem Elektrolyten im Kühlreservoir 64 durch Einlaß 66 gesteuert, um in den Zellen eine konstante Höhe für den Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Das Batteriesystem wird zur Atmosphäre hin entlüftet, vorzugsweise beim Reservoir, und zwar durch irgendwelche geeigneten Maßnahmen, wie beispielsweise durch Barrieren-Entlüftungseinrichtungen 67, die aus einer gesinterten keramischen Barriere bestehen können und Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen,The level of the electrolyte and its specific gravity are determined by adding water to the electrolyte in the Cooling reservoir 64 controlled by inlet 66 to maintain a constant level for the electrolyte in the cells. The battery system is vented to atmosphere, preferably at the reservoir, by any suitable means Measures such as barrier vents 67 made from a sintered ceramic barrier can exist and make hydrogen and oxygen possible,
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zu entweichen, gleichzeitig aber als Flammen- und Explosionsbarriere wirken. Eine Blasenröhre, die sich von der öffnung in dem Reservoir in den Boden eines offenen Behälters mit Wasser erstreckt, kann gleichfalls als Gasentlüftung verwendet werden. Der verwendete alkalische Elektrolyt wird im allgemeinen aus einer wäßrigen Lösung von 10 %-iger bis 35 %-iger KOH oder NaOH bestehen, mit vorzugsweise ungefähr 2 bis 20 g Li(OH)2 pro Liter. Keine Gase werden dem Elektrolyten hinzugefügt.to escape, but at the same time act as a flame and explosion barrier. A bladder tube extending from the opening in the reservoir into the bottom of an open container of water can also be used as a gas vent. The alkaline electrolyte used will generally consist of an aqueous solution of 10% to 35% KOH or NaOH, preferably with about 2 to 20 g Li (OH) 2 per liter. No gases are added to the electrolyte.
Es wurden Eisen-Nickel-Hochleistungsbatterien ähnlich denen der Figuren 1 bis 6 konstruiert. Die Batterieplatten wurden aus nickelplattierten Stahlfasern hergestellt, die zu Platten geformt wurden. Fasern mit den ungefähren Maßen 0,025 χ 0,05 χ 6,35 mm Länge wurden in den flexiblen, expansiblen Fasermetallplatten verwendet. Die Platten wurden dann in einer Schutzgasatmosphäre erhitzt und bewirkt, daß Metall-zu-Metalldiffusionsbindungen an den Faserkontaktpunkten gebildet wurden. Es gab kein Schmelzen der Fasern, so daß maximales Porenvolumen sichergestellt war.High-capacity iron-nickel batteries similar to those of Figures 1 through 6 were constructed. The battery plates were Made from nickel-plated steel fibers that have been formed into plates. Fibers with the approximate dimensions 0.025 χ 0.05 χ 6.35 mm in length were made in the flexible, expandable fiber-metal plates used. The panels were then heated in a protective gas atmosphere and caused metal-to-metal diffusion bonds were formed at the fiber contact points. There was no melting of the fibers, so there was maximum pore volume was assured.
Die "Nickel"-Platten wurden dann auf ungefähr 8 % theoretische Dichte, 92 % Porosität, geprägt und die "Eisen"-Plattenkörper wurden auf 17 % theoretische Dichte, 83 % Porosität, geprägt. Jede Nickelplatte besaß zwei vertikale eingepreßte Kanäle von 3,18 mm Breite. Die Platte war ungefähr 165 mm breit und etwa 2,3 mm dick. Die Kanäle waren ungefähr 2 nun tief. Die Kanäle umfaßten etwa 4 % der Oberfläche der Platte. Eine Stahlschicht wurde dann auf den oberen geprägten Teil der Platten punktverschweißt, um elektrische Bleinasenverbindungen herzustellen, wie in Figur 4 bei 47 dargestellt.The "nickel" plates were then set to about 8% theoretical Density, 92% porosity, embossed and the "iron" plate body were embossed to 17% theoretical density, 83% porosity. Each nickel plate had two vertical impressions Channels 3.18 mm wide. The plate was approximately 165 mm wide and approximately 2.3 mm thick. The canals were about 2 now deep. The channels comprised approximately 4% of the surface of the plate. A layer of steel was then stamped onto the top part of the plates are spot welded to make electrical lead-nose connections as shown in Figure 4 at 47.
Das eisenaktive Material umfaßte magnetische Eisenoxidteilchen. Das magnetische Eisenoxid besaß eine Zusammensetzung von ungefähr 79 % Fe3O3, 22 % FeO und 1 % Unreinheiten. EsThe iron active material comprised magnetic iron oxide particles. The magnetic iron oxide had a composition of about 79% Fe 3 O 3 , 22% FeO and 1% impurities. It
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wurde genug Schwefel verwendet, um ein Verhältnis von Schwefel zu Eisenoxid von etwa 0,1 bis 10 % des geschwefelten Eisenoxids zu schaffen. Dieses Additiv trug dazu bei, die Oberfläche des eisenaktiven Materials im aktiven Zustand zu halten.Enough sulfur was used to make a sulfur to iron oxide ratio of about 0.1 to 10% of that of the sulfurized To create iron oxide. This additive helped keep the surface of the iron active material in the active state to keep.
Die "Eisen"-Tafeln wurden mit dem geschwefelten magnetischen Eisenoxid durch Naßauftrag-Verfahren beladen. Diese Eisenelektrodenplatten wurden dann auf Größe gebracht und getrocknet. Sie enthielten ungefähr 1,5 bis etwa 1,9 geschwefeltes aktiviertes Eisenmaterial.The "iron" tablets were made with the sulfurized magnetic Loaded iron oxide by wet application method. These iron electrode plates were then sized and dried. They contained about 1.5 to about 1.9 sulfurized activated iron material.
Sie enthielten ungefähr 1,5 bis etwa 1,9 g/cm PlattenvolumenThey contained about 1.5 to about 1.9 g / cm plate volume
Das aktive Nickelmaterial umfaßte Nickelhydroxid, das mit kleinen Mengen von Kobalthydroxid dotiert war. Die Nickelplatten wurden durch ein "Formations"-Imprägnations-Verfahren geladen. Die Platten enthielten etwa 0,9 bis etwa 1,3 g/cm3 aktives Material. Die "Eisen"- und "Nickel"-Platt« waren dann für den Zellenaufbaubetrieb bereit.The nickel active material comprised nickel hydroxide doped with small amounts of cobalt hydroxide. The nickel plates were loaded by a "formation" impregnation process. The panels contained from about 0.9 to about 1.3 g / cm 3 of active material. The "iron" and "nickel" plates were then ready for cell construction.
Ein Batteriemodul mit den Ausmaßen von ungefähr 178 mm Breite χ 254 mm Tiefe χ 254 mm Höhe, wie in Figur 1 dargestellt, wurde benutzt und umfaßte fünf Zellen. Die Zellengehäuse, die aus hochdichtem Polyäthylen bestanden und oben offen waren, waren ungefähr 178 mm breit, 51 mm tief und 254 mm hoch. Diese Gehäuse würden dann die Elektrodenaufbauten enthalten.A battery module with the dimensions of approximately 178 mm width χ 254 mm depth χ 254 mm height, as shown in Figure 1, was used and comprised five cells. The cell housings, which were made of high-density polyethylene and were open at the top, were approximately 178 mm wide, 51 mm deep and 254 mm high. These housings would then contain the electrode assemblies.
Während des Zusammenbaus wurden Eisen- und Nickelplatten alternierend gestapelt, wobei die Platten mittels serpentinartig gewickelten Polypropylenseparatoren voneinander isoliert waren, woraufhin die Anschluß-Verbindungsfahnen, siehe 48 in Figur 4, unter Inertgas an den Nasen angeschweißt wurden, um Einrichtungen zur Herstellung von elektrischen Verbindungen mit den Platten zu schaffen. Der Zellenaufbau, zusammen mit einem Polypropylenzellen-Elektrolyteinlaßrohr mit einem Innendurchmesser von 4,76 mm, wurde dann in das Zellengehäuse eingeführt, wo es auf der Oberseite von zwei Polyäthylen-During assembly, iron and nickel plates alternated stacked, with the plates isolated from each other by means of serpentine-like wound polypropylene separators whereupon the connection lugs, see 48 in Figure 4, were welded to the noses under inert gas, to provide facilities for making electrical connections to the panels. The cell structure, together with a polypropylene cell electrolyte inlet tube having an inner diameter of 4.76 mm, was then placed in the cell housing introduced where it is on top of two polyethylene
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schaumblöcken ruhte, die die Ausmaße von etwa 25,4 mm Breite χ 50,8 mm Tiefe χ 15,9 mm Höhe aufwiesen, siehe 42 in FigurBlocks of foam rested that were approximately 25.4 mm wide χ 50.8 mm deep 15.9 mm high, see 42 in Figure
Das Einlaßrohr lief an der Eckenseite des Aufbaues nächstliegend der schmalen Kantenwand des Zellenbehälters nach unten, bog sich am Boden um und lief unterhalb des Zellenaufbaues weiter. Das Einlaßrohr endete ungefähr in der Mitte des Bodenreservoirs, siehe in Figur 4 die Bezugszahl 40, wobei dieses Reservoir durch die Schaumblöcke 42 und den Zellaufbau gebildet wird. In dem Schaumblock war eine Nut gebildet, durch die das Einlaßrohr hindurchlief, so daß das Einlaßrohr um den Boden des Aufbaues herum paßte.The inlet pipe ran down on the corner side of the structure next to the narrow edge wall of the cell container, bent over on the floor and continued below the cell structure. The inlet pipe ended roughly in the middle of the bottom reservoir, see the reference number 40 in FIG. 4, this reservoir being formed by the foam blocks 42 and the cell structure will. A groove was formed in the foam block through which the inlet tube passed so that the inlet tube around the bottom of the construction fit around.
Dies lieferte Zellen mit eingeführten Elektrodenaufbauten, die auf dem Boden mit Hilfe von Schaumblöcken gehalten wurden und die ein Elektrolyt-Einlaßrohr besaßen, das in ein am Boden der Zelle befindliches Reservoir lief. Der in Figur mit 44 dargestellte Raum zwischen Kantenseiten des Aufbaues und der 5 mm Kantenwand des Zellenbehälters war ungefüllt.This yielded cells with inserted electrode assemblies, which were held on the floor with the help of foam blocks and which had an electrolyte inlet tube that went into a reservoir located at the bottom of the cell was running. The space shown in Figure with 44 between edge sides of the structure and the 5 mm edge wall of the cell container was unfilled.
Ein viskoses, bei Raumtemperatur aushärtbares Epoxiharz wurde dann aus einer Injektionskanone in diesen Raum 44 zwischen jeder Kantenseite der Aufbauten und jeder Kantenwand des Zellengehäuses ausgegeben, um als eine hermetische Abdichtung zu arbeiten und den Aufbau zwischen den Schaumblöcken und der Oberseite des Elektrodenaufbaues einzukapseln. Oberseite und Boden des Aufbaues blieben unversiegelt. Dadurch wird gepumpter Elektrolyt gezwungen, von dem Bodenreservoir durch Plattenkanäle 43 zur Oberseite der Zelle zu fließen, statt um die Platten herum zu laufen.A viscous, room temperature curable epoxy resin was then poured from an injection gun into this space 44 between each edge side of the superstructures and each edge wall of the cell housing issued to act as a hermetic seal to work and encapsulate the assembly between the foam blocks and the top of the electrode assembly. Top and the bottom of the superstructure remained unsealed. This will force pumped electrolyte through from the bottom reservoir Plate channels 43 to flow to the top of the cell instead of going around the plates.
Die Oberseite der Zelle wurde dann mit einem Polypropylenzellen-Elektrolyt-Auslaßrohr mit einem Innendurchmesser von 7,9 mm ausgestattet. Dieses Rohr, das in den Zeichnungen mit 21 bezeichnet ist, besitzt eine spiralige Konfiguration. Es beginnt gerade oberhalb der Elektrodenaufbauten unter der Zellen-Auslaßverzweigung und läuft quer über die Zellenbreite,The top of the cell was then fitted with a polypropylene cell electrolyte outlet tube equipped with an inner diameter of 7.9 mm. This tube that in the drawings indicated at 21 has a spiral configuration. It starts just above the electrode assemblies under the Cell outlet branch and runs across the cell width,
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windet sich um das Zellenelektrolyt-Einlaßrohr, läuft zurück über die Zelle und paßt sich in die Zellen-Auslaßverzweigung ein, wie in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt ist.winds around the cell electrolyte inlet tube, runs back over the cell and fits into the cell outlet manifold as shown in FIGS.
Um den Deckel der Zelle zu bilden, wird das Zellenelektrolyt-Auslaßrohr mit Hilfe von Polyvinylchlorid-Klebeband an Ort und Stelle gehalten, wobei die Auslaßöffnung gerade an der Oberseite des Zellenaufbaues sich befindet. Das Band besitzt Öffnungen, um den Bodenteil des Elektrolyt-Auslaßrohres, die positive und die negative Verbindungsnase und den Oberteil des Elektrolyt-Einlaßrohres hindurchzuführen. Ein oberes Reservoir-Volumen wird somit zwischen dem Band und der Oberseite der Aufbauten gebildet.To form the lid of the cell, the cell electrolyte outlet tube is used held in place with polyvinyl chloride tape with the outlet opening straight at the Top of the cell structure is located. The tape has openings to the bottom part of the electrolyte outlet tube, the positive and negative connecting tabs and the top of the electrolyte inlet tube through. An upper one Reservoir volume is thus created between the tape and the top of the assemblies.
Dann wurde ein viskoses, beim Raumtemperatur aushärtbares Epoxiharz von einer Injektionskanone auf die Oberseite des Bandes ausgegeben, um den oberen Teil der Zellenelektrolyt-Auslaß- und Einlaßröhren und die Zwischenzellen-Verbindungsnasen einzukapseln. Somit wird die Oberseite der Zelle von Epoxidharz gebildet.A viscous room temperature curable epoxy resin was then applied from an injection gun to the top of the Tape is dispensed to the top of the cell electrolyte outlet and inlet tubes and the intercell connector tabs encapsulate. Thus, the top of the cell is made of epoxy resin.
Die Eisenplatte in dem Aufbau befand sich immer noch im unformierten Zustand. Eine Elektrolyt-Lösung, die 25 Gew% KOH und 15 g/l Li(OH), enthielt, wurde in die Zelle gegossen und eine Formierung der Eisenplatten durch eine Serie von Lade-Entladezyklen erreicht.The iron plate in the superstructure was still in the unformed State. An electrolyte solution containing 25 wt% KOH and 15 g / l Li (OH) was poured into the cell and formation of the iron plates through a series of charge-discharge cycles.
Die Zellen wurden dann so aneinander angepaßt und miteinander elektrisch verbunden, daß sich ein Fünf-Zellen-Batteriemodul ergab. Vier Moduln wurden dann in Serie angeordnet und Polyvinylchloridzellen-Einlaßverzweigungen mit einem Innendurchmesser von 12,7 mm und Zellen-Auslaßverzweigungen mit einem Innendurchmesser von 19,05 mm an die Zellenelektrolyt-Einlaßröhren bzw. Zellenelektrolyt-Auslaßröhren angebracht, und zwar mittels bei Raumtemperatur aushärtbarem Epoxiharzkleber. Jeder Modul war ähnlich dem in Figur 1 dargestellten Modul, wobei die Verzweigungen 13 und 14 parallel auf der OberseiteThe cells were then matched and electrically connected to one another to form a five-cell battery module. Four modules were then arranged in series and polyvinyl chloride cell inlet branches with an inner diameter of 12.7 mm and cell outlet branches with an inner diameter of 19.05 mm were attached to the cell electrolyte inlet tubes and cell electrolyte outlet tubes, respectively, by means of a room temperature curable epoxy resin adhesive . Each module was similar to the module shown in Figure 1, with branches 13 and 14 parallel on top
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der Zellen angeordnet waren. Die Moduln wurden in der in Figur 6 dargestellten Weise miteinander vereinigt, jedoch waren nur vier Gruppen von Moduln vorhanden, wobei jede Gruppe vier miteinander verbundene Batteriemoduln enthielt und jedes Modul fünf Zellen aufwies. Insgesamt ergab sich eine Hochleistungsbatterie mit einer Gesamtheit von 16 Moduln oder 80 Zellen. of cells were arranged. The modules were combined with one another in the manner shown in FIG. 6, however there were only four groups of modules, each group containing four interconnected battery modules and each Module had five cells. Overall, the result was a high-performance battery with a total of 16 modules or 80 cells.
Bezüglich Figur 6 ist zu sagen, daß die Zellen-Einlaßverzweigungen 14 und die Auslaßverzweigungen 13 an gemeinsame Polyvinylchlorid-Batterieverzweigungen mit 25 mm Innendurchmesser und mit flexiblem Polyvinylchloridschlauch und Schlauchklammern verbunden waren. Die Pumpenverzweigungen waren mit einer 0,25 PS-Pumpe und einem Elektrolytreservoir 61 von 95 1 Inhalt aus Polyvinylchlorid verbunden.Referring to Figure 6, the cell inlet manifolds 14 and outlet branches 13 to common polyvinyl chloride battery branches with 25 mm inner diameter and with flexible polyvinyl chloride hose and hose clamps were connected. The pump branches were with a 0.25 PS pump and an electrolyte reservoir 61 of 95 liters connected from polyvinyl chloride.
Das Reservoir besaß einen geschlossenen Deckel und eine keramische Flammenlöschbarriere-Entlüftung 66, um Wasserstoff oder Sauerstoff zu entlüften, das in dem Elektrolyten aufgrund von Batterieaufladung vorhanden sein kann, sowie einen Einlaß 67 zum Hinzufügen von Wasser oder Elektrolyt. Die Kühlschlangen 65 bestanden aus 6 mm langem aufgewickeltem Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 12,7 mm. Durch die Kühlschlangen wurde kaltes Wasser hindurchgeführt, um den zirkulierenden Elektrolyten zu kühlen.The reservoir had a closed lid and a ceramic one Flame barrier vent 66 to vent hydrogen or oxygen that is due in the electrolyte of battery charging may be present, as well as one Inlet 67 for adding water or electrolyte. The cooling coils 65 consisted of 6 mm long coiled Stainless steel tube with an inner diameter of 12.7 mm. Cold water was passed through the cooling coils, to cool the circulating electrolyte.
Die in dem System verwendete Elektrolyt-Lösung enthielt 25 Gew% KOH und 15 g/l Li(OH)3. Dem Elektrolyten wurden keine Gase hinzugefügt. Pumpe und Reservoir waren mit den Batteriemoduln mittels Abtrennventilen in den gemeinsamen Pumpenverzweigungen angeschlossen, so daß die Hochle&ungsbatterie ohne diese Bestandteile entladen werden konnte.The electrolyte solution used in the system contained 25% by weight KOH and 15 g / l Li (OH) 3 . No gases were added to the electrolyte. The pump and reservoir were connected to the battery modules by means of cut-off valves in the common pump branches, so that the high-performance battery could be discharged without these components.
Die zusammengebaute Hochleistungsbatterie wurde dann auf der Prüfbank während mehrerer 3-stündiger Lade- und zweistündiger Entlade-Testzyklen geprüft, um die Kapazität festzustellen. Beste Ergebnisse lieferten ungefähr 17 kWh oderThe assembled high-capacity battery was then charged on the test bench for several 3-hour and two-hour periods Discharge test cycles checked to determine capacity. The best results were about 17 kWh or
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44 Wh/kg Zellengewicht. Die Batterie wurde dann in mehreren elektrischen Fahrzeugen mehr als 100 Zyklen lang betrieben.44 Wh / kg cell weight. The battery was then operated in several electric vehicles for more than 100 cycles.
Die aus 80 Zellen (96 V) bestehende Batterie mit zirkulierendem Elektrolyten wurde mit einer Laderate von C/2 (100 Ampere) 3 Stunden lang geladen. Der gesamte Elektrolytstrom betrug 34 l/min, mit einem durchschnittlichen Druckabfall über derThe 80 cell (96 V) circulating electrolyte battery was charged at a rate of C / 2 (100 amps) Charged for 3 hours. The total electrolyte flow was 34 l / min, with an average pressure drop above that
Zelleneinlaß-Auslaß-Verzweigung von 0,35 kg/cm . Die anfängliche Reservoir-Elektrolyt-Temperatur betrug 25° C. Die Temperatur der Batterie nach der vollen Ladung betrug 32 C. Wenn keine Elektrolyt-Zirkulation während der Ladung vorgesehen wurde, stieg die Batterietemperatur nach der vollen Ladung über Werte von 70 C, was für die Lebensdauer der Elektroden und der Separatoren sehr nachteilig ist.Cell inlet-outlet junction of 0.35 kg / cm. The initial reservoir electrolyte temperature was 25 ° C. The temperature the battery after the full charge was 32 C. If no electrolyte circulation is provided during the charge the battery temperature rose above 70 C after a full charge, which affects the service life of the Electrodes and the separators is very disadvantageous.
Im Betrieb erwies sich das Epoxiharz-Abdichtsystem an den Eckenseiten der Platten in dem Aufbau und an der Oberseite einer jeden Zelle als dicht. Eine gleichförmige und sehr wirksame und wirkungsvolle Kühlung der Zellen während der Ladung wurde erreicht. Es wurde keine nachteilige Selbstentladung durch die elektrische Leitfähigkeit des elektrolytenzirkulierenden Rohrsystems festgestellt. Es gab keinen übermäßigen Anstieg im Druckabfall in der Zelle nach 2.000 Lade-Entlade-Zyklen. Dies zeigt, daß keine Verstopfungen in den Plattenkanälen aufgrund von Plattenschwellung oder aufgrund von losgelöstem aktivem Material auftrat. Die Benutzung von zwei Kanälen pro Nickelplatte, was 4 % der einen Seite der Nickelplatten-Oberfläche ausmacht, lieferte ausreichende Kühlung für dieses System. Es könnten weitere Kanäle, bis zu 10 % der Plattenoberfläche, hinzugefügt werden, wo eine größere Kühlung und weniger aktives Materialvolumen erforderlich ist.The epoxy resin sealing system on the Corner sides of the panels in the structure and at the top of each cell as tight. A uniform and very efficient and effective cooling of the cells during charging was achieved. There was no adverse self-discharge determined by the electrical conductivity of the electrolyte-circulating pipe system. There was no excessive Increase in the pressure drop in the cell after 2,000 charge-discharge cycles. This shows that there are no blockages in the plate channels due to plate swelling or due to occurred from detached active material. The use of two channels per nickel plate, which is 4% of one side of the Nickel plate surface provided sufficient cooling for this system. There could be more channels until to 10% of the plate surface, where more cooling and less active material volume is required is.
Patentansprüche ι Claims ι
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |