БИПОЛЯРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2019 года по МПК H01M10/04 H01M2/10 H01M2/20 

Область техники

[0001] Изобретение относится к конструкции биполярной батареи, конкретно, к такой конструкции, в которой предотвращается короткое замыкание в батарейном блоке.

Уровень техники

[0002] Биполярной считается батарея, в которой каждый из электродов содержит коллектор тока, на первой и второй поверхностях которого нанесены соответственно слой активного материала положительного электрода и слой активного материала отрицательного электрода, а сами коллекторы с проложенным между ними разделителем составлены в стопу. Биполярные батареи получили широкое применение в качестве источников энергии для электрических транспортных средств и различных электронных устройств, поскольку такие батареи позволяют относительно легко, за счет экономии требуемого объема, повысить, например, напряжение, уменьшить количество деталей, понизить сопротивление между ячейками и увеличить удельную энергию.

[0003] В патентном документе 1 описана биполярная батарея, содержащая разделитель (сепаратор), который удерживает слой жидкого электролита или электролита, сформированного из полимерного геля, и уплотнительную смолу, нанесенную посредством наплавления на наружную периферию разделителя, чтобы предотвратить короткое замыкание, возникающее в результате вытекания электролитического раствора из своего отсека.

[0004] В патентном документе 2 описана биполярная батарея, в которой используется неводный электролитический раствор и которая содержит: уплотнитель, содержащий компонент из полиолефиновой смолы, модифицированной посредством использования химического соединения, содержащего в одной и той же молекуле этиленовую двойную связь и эпоксидную группу, и биполярный электрод, отлично проявляющий себя в плане герметизирующих свойств, т.е. гарантированно защищенный от вытекания электролитического раствора.

[0005] В биполярной батарее ее элементы покрыты смолой, которая может уменьшить теплопередачу, т.е. способность батареи выводить наружу генерированное в ней тепло. В этой связи патентный документ 3 предлагает использовать в качестве биполярной батареи перезаряжаемую батарею, способную эффективно рассеивать наружу выделяемое ею тепло. Для этого в качестве наружного компонента батареи применена керамика, обладающая высоким электрическим сопротивлением и отличной способностью к теплопереносу.

[0006] В щелочной перезаряжаемой батарее в качестве активного материала положительного электрода применяют гидроксид никеля и диоксид марганца. Каждое из этих веществ представляет собой оксид металла, обладающий весьма низкой электропроводностью. Для преодоления этого недостатка патентный документ 4 предлагает, например, активный материал, для получения которого к гидроксиду никеля добавляют в качестве электропроводного агента кобальтовый оксид более высокого порядка. В указанном активном материале данный оксид формирует электропроводную сеть между частицами, состоящими из гидроксида никеля. Этой электропроводной сетью промотируется реакция зарядки-разрядки у всех указанных частиц, что приводит к повышению емкости.

[0007] Список цитируемых документов

Патентный документ 1: JP 2011-151016 A

Патентный документ 2: JP 2013-037946 A

Патентный документ 3: JP 2008-186595 A

Патентный документ 4: JP H11-97008 A

Раскрытие изобретения

Технические проблемы

[0008] Обычный батарейный блок состоит из комбинации ячеек, каждая из которых содержит положительный электрод, отрицательный электрод и электролитический раствор. Ячейки герметизированы, чтобы предотвратить разложение углекислоты электролитического раствора и коррозию периферийного устройства, вызванную утечкой жидкости, и связаны одна с другой соединительными средствами, такими как провода. Из-за сопротивления в местах контактов проводов напряжение на выходе понижается. В контексте уменьшения размеров батарейного блока следует отметить, что соединительные средства и компоненты, используемые для герметизации, как и другие компоненты, непосредственно не влияющие на получение электричества, например крышка, снижают удельную мощность и удельную энергию батарейного блока. В дополнение к этому, наличие крупногабаритных деталей приводит к усложнению операций, требуемых для сборки.

[0009] В биполярной батарее, содержащей стопу биполярных электродов, просачивание электролитического раствора, содержащегося в электролите каждого электрода, приводит, в результате смешивания жидкостей, к электрическому соединению электродов друг с другом. Данное соединение существенно понижает возможности батареи.

[0010] Чтобы предотвратить смешивание жидкостей, происходящее в ситуации, когда ячейки совместно используют электролит, в биполярной батарее ячейки герметично изолировались одна от другой. Поэтому операции заливки (инжектирования) электролитического раствора приходится выполнять столько раз, сколько ячеек заполняется. Кроме того, изготовление крупного батарейного блока требует много времени и больших затрат.

[0011] Как правило, не только биполярные, но также и вторичные (перезаряжаемые батареи) должны иметь высокие параметры на выходе (далее - выходные параметры). Когда зарядку и перезарядку проводят, используя большую мощность, т.е. с высокой скоростью, внутренний объем перезаряжаемой батареи нагревается до высокой температуры, и активный материал электрода получает повреждение. Поэтому скорость зарядки-разрядки ограничивают, что затрудняет получение более высоких выходных параметров.

[0012] В качестве электропроводного агента вместо дорогого кобальтового оксида более высокого порядка применяют графитизированный углерод, обеспечивающий удовлетворительную электропроводность. Однако материал, состоящий из графитизированного углерода, является менее коррозионностойким. В результате в ходе повторяющихся циклов зарядки и разрядки углеродный материал под воздействием окисления деградирует, постепенно утрачивая электропроводность. Кислородом, выделяющимся из положительного электрода при зарядке, окисляется входящий в состав отрицательного электрода сплав, аккумулирующий водород и утрачивающий эту способность под воздействием окисления.

[0013] Учитывая все перечисленные факторы, изобретение предлагает биполярную батарею, позволяющую вводить однородный электролитический раствор в электродные блоки, не опасаясь ионного короткого замыкания (которое происходит в результате смешивания жидкостей) даже во время инжектирования данного раствора в биполярную батарею с ячейками, составленными в стопу. Кроме того, задачами, решаемыми изобретением, являются сокращение количества операций сборки за счет уменьшения количества деталей, достижение повышенной емкости/удельной энергии и, в то же время, уменьшение объема батареи, а также получение более высоких выходных параметров путем уменьшения количества проводов, т.е. снижения сопротивления в местах их контактов.

Решение поставленных задач

[0014] Для решения перечисленных проблем биполярная батарея по изобретению сконфигурирована содержащей коллекторы тока и элемент, генерирующий энергию, который представляет собой стопу, состоящую из положительного электрода, отрицательного электрода и помещенного между ними разделителя. Коллекторы тока образованы трубчатыми проводниками, закрытыми с одного конца, и имеют торцевые участки, выступающие наружу с образованием выступов. Данные выступы введены в элемент, генерирующий энергию, вдоль осевого направления коллекторов тока. Первый электрод, являющийся положительным или отрицательным электродом, находится в контакте с внутренней поверхностью трубчатого участка первого из коллекторов тока, т.е. связан с данным коллектором, но не находится в контакте со вторым из коллекторов тока. Второй электрод, являющийся соответственно отрицательным или положительным электродом, находится в контакте не с первым коллектором тока, а с наружной поверхностью выступа второго коллектора тока, т.е. электрически связан со вторым коллектором. В такой конструкции каждый из коллекторов тока имеет трубчатый участок, образованный трубчатым проводником, и выступ, выступающий наружу в осевом направлении данного участка.

[0015] Для соединения ячеек друг с другом в такой конструкции провода не нужны, т.е. устраняются потери энергии, вызванные сопротивлением этих проводов. В дополнение к этому, в данной конструкции вообще не нужны провода, крышки для ячеек и многие другие компоненты, в результате чего размеры биполярной батареи уменьшаются. Можно ожидать также повышения емкости и удельной энергии биполярной батареи, что приведет к более высоким выходным параметрам. Кроме того, за счет уменьшения количества деталей в данной конструкции сокращается количество сборочных операций

[0016] Ячейки батареи электрически связаны одна с другой коллекторами тока, имеющими большее поперечное сечение, чем провода. Поэтому из-за уменьшения сопротивления данная конструкция обеспечивает для биполярной батареи более высокие выходные параметры. Кроме того, в данной конструкции уменьшены омические потери. В дополнение к этому, поскольку электроды составлены в стопу, тепло, генерируемое в процессах зарядки и разрядки, быстро переносится через коллекторы тока наружу. Следовательно, повышение внутренней температуры батареи в данной конструкции ограничено, а выходные параметры батареи улучшены.

[0017] В биполярной батарее по изобретению второй электрод имеет наружную кромку, покрытую разделителем, а в первом электроде выполнено отверстие, через которое проведен второй коллектор тока, причем периферийная кромка данного отверстия тоже покрыта разделителем.

[0018] Биполярная батарея по изобретению дополнительно снабжена изолятором, помещенным между первым и вторым коллекторами тока. В такой конструкции изолирующий лист электрически изолирует друг от друга составленные в стопу верхний и нижний коллекторы тока.

[0019] Биполярная батарея по изобретению дополнительно содержит водоотталкивающий лист, расположенный на внутренней стороне каждого коллектора тока и помещенный между выступом соответствующего коллектора и элементом, генерирующим энергию. В такой конструкции водоотталкивающий лист отталкивает воду и обладает свойствами барьера, предотвращая смешивание жидкостей между ячейками. Через данные листы в соответствующие ячейки подаются электролитический раствор и газообразный водород, поступающие в биполярную батарею через отверстия, сформированные в верхних сторонах выступов коллекторов тока. Данная конструкция при всей своей простоте позволяет предотвратить смешивание жидкостей из разных ячеек и исключает необходимость выполнять инжектирование электролитического раствора отдельно в каждую ячейку. В результате уменьшается количество производственных операций и снижаются затраты на изготовление.

[0020] В биполярной батарее по изобретению водоотталкивающий лист сформирован из микропористой пленки или из нетканого полиолефинового материала. Для данной конструкции предпочтителен водоотталкивающий лист из полиэтилена или полипропилена.

[0021] В биполярной батарее по изобретению первый электрод одного из элементов, генерирующих энергию, находится в контакте с внутренней поверхностью трубчатого участка первого коллектора тока, а второй электрод другого элемента, генерирующего энергию, находится в контакте с наружной поверхностью выступа второго коллектора тока. Кроме того, в биполярной батарее по изобретению каждый коллектор тока сформирован из никелированной стальной пластины.

[0022] Биполярная батарея по изобретению дополнительно содержит:

- терминальную пластину отрицательного электрода,

- терминальную пластину положительного электрода и

- болт, покрытый изолирующей трубкой и сконфигурированный с возможностью соединять терминальную пластину отрицательного электрода с терминальной пластиной положительного электрода, когда коллекторы тока составлены в стопу коаксиальным образом и размещены между терминальной пластиной отрицательного электрода и терминальной пластиной положительного электрода. В такой конструкции коллекторы тока составлены в стопу в осевом направлении биполярной батареи, в результате чего данная конструкция обеспечивает уменьшение размеров батареи. Биполярная батарея по изобретению дополнительно содержит соединительный фитинг, сформированный из плоского электропроводного компонента и прикрепленный к двум концам болта. Данный фитинг имеет плоский участок и удлиненный участок, отогнутый от плоского участка в направлении, по существу, перпендикулярном направлению вдоль терминальных пластин отрицательного и положительного электродов.

[0023] В биполярной батарее по изобретению из всех составленных в стопу коллекторов тока концевой (направляющий) коллектор не имеет трубчатого участка, т.е. он открыт (в данной конструкции это коллектор тока самой нижней ячейки). В результате исключается наличие бесполезного пространства, за счет чего повышается емкость батареи.

[0024] В биполярной батарее по изобретению первый или второй электрод является отрицательным электродом, содержащим сплав, аккумулирующий водород; другой компонент пары из первого и второго электродов является положительным электродом, в котором содержатся соответствующий активный материал и электропроводный агент, содержащий углерод, а биполярная батарея заполнена газообразным водородом. Поскольку в такой конструкции сгенерированный в батарее кислород связывается с заполняющим ее газообразным водородом, образуя воду, электропроводный агент, содержащийся в положительном электроде, не окисляется.

[0025] Биполярная батарея по изобретению дополнительно содержит камеру для накопления водорода, сконфигурированную с возможностью сохранять газообразный водород, сгенерированный в процессе электролиза электролитического раствора, удерживаемого в батарее, и газообразный водород, поданный снаружи. В такой конструкции, чтобы генерировать газообразный водород, батарея получает избыточный заряд.

[0026] В биполярной батарее по изобретению в электропроводном агенте содержится частично графитизированный мягкий углерод. Кроме того, разделитель в ней сформирован из нетканого полиолефинового материала и обладает гидрофильными свойствами.

[0027] Блок батарей, выполненный согласно изобретению, содержит:

- группу биполярных батарей, каждая из которых является биполярной батареей, описанной выше, при этом биполярные батареи взаимно смещены в направлении, перпендикулярном их оси, и

- нагнетатель воздуха, сконфигурированный с возможностью подавать воздух в направлении, перпендикулярном осевому направлению биполярных батарей. Направление подачи воздуха нагнетателем параллельно направлению, в котором ориентирован удлиненный участок соединительного фитинга. В данной конструкции соединительный фитинг выполняет функцию переноса электроэнергии, а также повышает эффективность охлаждения, внося возмущение в поток охлаждающего воздуха, поступающего из нагнетателя.

Преимущества изобретения

[0028] Предлагаемая биполярная батарея позволяет инжектировать электролитический раствор в варианте с ячейками, составленными в стопу, а также выполнять единообразное инжектирование электролитического раствора в соответствующие электродные блоки, не опасаясь ионного короткого замыкания, вызванного смешиванием жидкостей. В дополнение к этому, в данной батарее используется коллектор тока, имеющий специальную конструкцию, обеспечивающую для него улучшенные выходные параметры и повышенную емкость.

Краткое описание чертежей

[0029] На фиг. 1A представлен, на виде сверху, коллектор тока.

На фиг. 1B этот же коллектор представлен, на виде сбоку, в частичном разрезе вертикальной плоскостью АА (см. фиг. 1А), проходящей через ось коллектора.

На фиг. 2A представлены, на виде сверху, составляющие компоненты биполярной батареи.

На фиг. 2B составляющие компоненты биполярной батареи представлены на виде сбоку, в разрезе плоскостью B-B (см. фиг. 2A).

На фиг. 3 представлена, в осевом разрезе, биполярная батарея, состоящая из пяти ячеек.

На фиг. 4A представлен, в разрезе, на виде сбоку, батарейный блок.

На фиг. 4B этот же батарейный блок представлен на виде сверху.

На фиг. 5 в увеличенном масштабе представлены два конца биполярной батареи.

На фиг. 6 проиллюстрированы трубки батарейного блока.

На фиг. 7 проиллюстрирована конфигурация соединения биполярных батарей.

На фиг. 8A проиллюстрирована другая конфигурация соединения биполярных батарей.

На фиг. 8B проиллюстрирована еще одна конфигурация соединения биполярных батарей.

Осуществление изобретения

[0030] Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны варианты осуществления изобретения; однако изобретение не ограничено этими вариантами.

[0031] Перед описанием каждого варианта биполярной батареи будет, в качестве примера перезаряжаемой батареи (к которой также относится изобретение), рассмотрена никель-металлогидридная батарея. Однако этой модификацией тип перезаряжаемой батареи не ограничен, и к неисчерпывающим примерам перезаряжаемой батареи могут быть отнесены также батарея на основе диоксида марганца, литий-ионная батарея и никель-цинковая батарея. Для удобства изложения первым электродом считается положительный электрод, а вторым - отрицательный электрод.

[0032] К примерам сплава, аккумулирующего водород и пригодного для использования в отрицательном электроде, могут быть отнесены редкоземельный сплав AB5, сплав, содержащий фазы Лавеса AB2, титан-циркониевый сплав AB и магниевый сплав A2B, причем этим перечнем данные примеры не ограничены. В частности, в отношении способности аккумулировать водород, характеристик заряда-разряда и саморазряда, а также характеристик, определяющих срок службы, в качестве сплава, аккумулирующего водород, предпочтителен редкоземельно-никелевый сплав AB5, т.е. пятикомпонентный сплав, представляющий собой миш-металл MmNiCoMnAl.

[0033] На активный материал положительного электрода специальных ограничений не накладывается за исключением того, что выбранный материал должен быть пригоден для изготовления положительного электрода щелочной перезаряжаемой батареи. Например, таким материалом могут быть гидроксид никеля и диоксид марганца. Желательно, чтобы в электропроводном агенте положительного электрода содержался углеродный материал, который менее предрасположен к уменьшению объема под воздействием водорода и к вымыванию в электролитический раствор в процессе разрядки.

[0034] В отношении долговечности электролитического раствора и его противоокислительной стойкости в процессе зарядки предпочтителен аморфный углерод. Конкретно, желательно применение мягкого углерода (мягкой сажи). Эта модификация углерода имеет структуру графита, т.е. структуру в виде регулярно расположенных плоских слоев гексагональных ячеек, состоящих из атомов углерода, которая легко образуется под воздействием тепловой обработки в инертной атмосфере. Мягкий углерод относится также к легко графитизируемому типу углерода, а графит представляет собой состояние углерода, полученное посредством графитизации мягкого углерода.

[0035] Что касается мягкого углерода, желательно применение частично графитизированного углерода (конкретно, мягкого углерода, имеющего графитизированную поверхность), т.к. чрезмерно графитизированный мягкий углерод легко деградирует. С другой стороны, недостаточная графитизация мягкого углерода не обеспечивает надлежащий вклад в повышение электропроводности. Предпочтительный уровень графитизации соответствует 10-90 масс. %, более предпочтительно 20-60 масс. % (относительно суммарной массы мягкого углерода). Применение положительного электрода, содержащего описанный углеродный материал, позволяет получить перезаряжаемую батарею с отличным сроком службы.

[0036] Подложки положительных и отрицательных электродов в предпочтительном варианте выполнены из никеля, позволяющего обеспечить высокую электропроводность, оптимальную стабильность в электролитическом растворе и хорошую противоокислительную стойкость. Конкретно, как для положительного, так и для отрицательного электрода желательно сформировать подложку из вспененного никеля или из никелированной стальной пластины.

[0037] Порошкообразный активный материал положительного электрода, связующее вещество и электропроводный порошок смешивают с получением пасты, которую наносят на подложку электрода или вводят в нее. Обработанную таким образом подложку высушивают, а затем подвергают прокатке, используя для этого вальцовый пресс или другое подобное устройство и получая в результате положительный электрод. Подобным же образом смешивают друг с другом порошкообразный сплав, который аккумулирует водород, связующее вещество и электропроводный порошок, получая пасту, которую наносят на подложку электрода или вводят в нее. Полученную в результате подложку электрода высушивают и подергают прокатке, используя для этого вальцовый пресс или другое подобное устройство и получая в результате отрицательный электрод.

[0038] На электролит специальных ограничений не накладывается за исключением того, что он должен использоваться для батареи, в которой активным материалом является водород. В частности, эффективным электролитом является водный солевой раствор гидроксида калия, гидроксида лития или гидроксида натрия. Для получения хороших выходных характеристик батареи предпочтителен электролитический раствор в виде водного раствора гидроксида калия.

[0039] Разделитель может быть сформирован из микропористой пленки, тканого или нетканого материала или из прессованного порошка. С точки зрения выходных характеристик и стоимости изготовления, предпочтителен нетканый материал. На материал разделителя не накладывается особенных ограничений; однако, желательно, чтобы он обладал щелочестойкостью, а также стойкостью к окислению и восстановлению. Конкретно, желательно изготовить разделитель из волокон полиолефина, такого как полипропилен или полиэтилен.

[0040] Полиолефиновое волокно, обладающее гидрофобными свойствами, необходимо подвергнуть гидрофильной обработке. Разделитель, предназначенный для применения в атмосфере газообразного водорода, желательно обработать газообразным фтором. Кроме того, желательно сформировать разделитель так, чтобы его поверхность была покрыта оксидом металла (т.е. нанести на его поверхность покрытие в виде оксида металла).

[0041] Чтобы обеспечить высокую электропроводность, достаточную стабильность в электролитическом растворе и хорошую стойкость к окислению, желательно выполнить коллектор тока из никеля. Конкретно, данный коллектор изготавливают из никелированной стальной пластины. Никелирование предотвращает корродирование коллектора тока под воздействием электролитического раствора, находящегося в разделителе.

Первый вариант

[0042] На фиг. 1A представлен, на виде сверху, коллектор тока биполярной батареи, выполненной согласно первому варианту изобретения. На фиг. 1B этот же коллектор представлен на виде сбоку, в частичном разрезе плоскостью A-A (см. фиг. 1A). Коллектор 4 тока представляет собой цилиндрический каркас, перекрытый с одного торца. Он может быть изготовлен из никелированной стальной пластины, причем в возможном варианте дно каркаса выступает наружу в осевом направлении, образуя выступ 5. Таким образом, коллектор 4 тока имеет трубчатый участок 6, образующий цилиндрический каркас, выступ 5, соответствующий дну данного каркаса, и плоское плечо 8, соединяющее участок 6 с выступом 5.

[0043] В верхней стороне выступа 5 выполнено отверстие 7, через которое пространство, охваченное коллектором 4 тока, сообщается с наружной средой. Трубчатый участок 6, выступ 5 и отверстие 7 являются соосными. В данном варианте перекрытый с одного торца каркас представляет собой круговой цилиндр, однако, в альтернативном варианте может быть использован также компонент с эллиптическим или прямоугольным поперечным сечением. Кроме того, коллектор 4 тока снабжен фланцем 9, сформированным у отверстия трубчатого участка 6 так, чтобы данный фланец выступал из участка 6 в радиальном направлении наружу. Фланец 9 выполняет функцию кромки, герметизирующей батарею, и охлаждающего ребра, а также является опорой для изолирующего листа 14, описанного далее.

[0044] На фиг. 2A представлены, на виде сверху, компоненты, составляющие биполярную батарею согласно первому варианту изобретения, а на фиг. 2B данные компоненты проиллюстрированы в разрезе плоскостью B-B (см. фиг. 2A). В качестве основных составляющих компонентов биполярная батарея 10 содержит два коллектора 4 тока и электродный блок 11, который расположен в пространстве, образованном коллекторами 4. В возможном варианте оба коллектора 4 тока являются устройствами, проиллюстрированными на фиг. 1A и 1B. Чтобы получить более компактную конструкцию, в данном варианте нижний коллектор 4 тока выполнен без трубчатого участка и именуется торцевым коллектором 4T. Однако в тех случаях, когда нет необходимости отмечать отличие коллекторов 4 и 4T друг от друга, они именуются просто коллекторами и обозначаются, как 4.

[0045] Электродный блок 11 выполняет функцию элемента, генерирующего энергию, и содержит отрицательный электрод 1, содержащий сплав, аккумулирующий водород, положительный электрод 2, содержащий соответствующий активный материал, и разделитель 3, установленный между электродами 1 и 2, чтобы предотвратить перенос электронов, но обеспечить условия для переноса ионов. Отрицательный электрод 1, положительный электрод 2 и разделитель 3 сложены в стопу, ориентированную в осевом направлении коллекторов 4 тока, а сам электродный блок 11 расположен в пространстве, образованном коллекторами 4. В центре каждого из перечисленных компонентов (т.е. в отрицательном электроде 1, положительном электроде 2 и разделителе 3) выполнено отверстие, причем через все эти отверстия проведен выступ 5 торцевого коллектора 4T тока. Таким образом, выступ 5 торцевого коллектора 4T тока проходит в осевом направлении этого коллектора через центральную часть электродного блока 11, состоящего из положительного электрода 2, отрицательного электрода 1 и разделителя 3.

[0046] Далее приведено описание соотношений размеров отрицательного и положительного электродов 1, 2 и размеров коллекторов 4 тока. Диаметр отверстия, выполненного в отрицательном электроде 1, меньше наружного диаметра выступа торцевого коллектора 4T тока. Соответственно, периферийная кромка отверстия отрицательного электрода находится в контакте с данным выступом, так что отрицательный электрод 1 оказывается электрически соединенным с коллектором 4T тока. В то же время, диаметр отверстия, выполненного в центре положительного электрода 2, больше наружного диаметра выступа торцевого коллектора 4T тока. Поэтому периферийная кромка отверстия положительного электрода в контакт с данным выступом не приведена, и положительный электрод 2 электрически изолирован от коллектора 4T тока.

[0047] Наружный диаметр отрицательного электрода 1 меньше внутреннего диаметра трубчатого участка коллектора 4 тока. Поэтому наружная кромка отрицательного электрода не находится в контакте с внутренней стороной данного участка, т.е. относительно коллектора 4 отрицательный электрод электрически изолирован. В то же время, наружный диаметр положительного электрода 2 больше внутреннего диаметра трубчатого участка коллектора 4 тока. Поэтому наружная кромка положительного электрода 2 находится в контакте с внутренней поверхностью трубчатого участка коллектора 4 тока, т.е. положительный электрод 2 электрически соединен с коллектором 4. Диаметр отверстия, выполненного в отрицательном электроде 1, немного меньше наружного диаметра выступа, а наружный диаметр положительного электрода 2 немного больше внутреннего диаметра трубчатого участка.

[0048] Далее приведено описание соотношений размеров отрицательного и положительного электродов 1, 2 и размеров разделителя 3. Наружная кромка разделителя 3 накрыта положительным электродом 2, а наружная кромка отрицательного электрода 1 накрыта разделителем 3. Периферийная кромка отверстия, выполненного в положительном электроде 2, накрыта разделителем 3, а периферийная кромка отверстия, выполненного в разделителе 3, накрыта отрицательным электродом 1.

[0049] Более конкретно, наружный диаметр разделителя 3 больше наружного диаметра отрицательного электрода 1. Поэтому отрицательный электрод 1 и положительный электрод 2 полностью отделены друг от друга разделителем 3 в зоне, расположенной вблизи внутренней периферийной поверхности трубчатого участка 6 коллектора 4 тока. Соответственно, даже в случае деформации положительного и отрицательного электродов они друг с другом не контактируют. Кроме того, диаметр отверстия, выполненного в разделителе 3, меньше диаметра отверстия, выполненного в положительном электроде 2. Поэтому отрицательный электрод 1 и положительный электрод 2 полностью отделены друг от друга разделителем 3 в зоне, расположенной вблизи наружной периферийной поверхности выступа 5 торцевого коллектора 4T тока. Соответственно, даже в случае деформации положительного и отрицательного электродов они друг с другом не контактируют. Наружный диаметр отверстия, выполненного в разделителе 3, меньше наружного диаметра положительного электрода 2. Поэтому разделитель 3 не входит в пространство между положительным электродом 2 и трубчатым участком 6 коллектора 4 тока. Кроме того, диаметр отверстия, выполненного в разделителе 3, больше диаметра отверстия в центре отрицательного электрода 1. Поэтому разделитель 3 не входит в пространство между отрицательным электродом 1 и выступом 5 торцевого коллектора 4T тока.

[0050] Коллекторы тока, т.е. коллектор 4 и торцевой коллектор 4T, коаксиально составлены в стопу, ориентированную в осевом направлении. У коллектора тока высота выступа 5 меньше высоты трубчатого участка 6. Поэтому в зоне вблизи оси верхний и нижний коллекторы 4 тока друг с другом не контактируют. В дополнение к этому, между коллектором 4 и коллектором 4T помещен изолирующий лист 14, обеспечивающий изоляцию верхнего и нижнего коллекторов друг от друга. Лист 14 может быть изготовлен, например, из полипропилена.

[0051] Два коллектора 4, 4T тока и охваченный ими электродный блок 11 образуют одну ячейку 15, помещенную между двумя терминальными пластинами 16, 17. Эта ячейка и пластины 16, 17 соединены болтами 20 и гайками 21, образуя в результате биполярную батарею 10. В данном варианте функцию каждой из гаек 21 выполняют две гайки. Болты 20 заключены в виниловые изолирующие трубки 22, которые предотвращают электрическое короткое замыкание в случае контакта между болтами 20 и коллектором 4 тока у торца периферийной кромки фланца 9 коллектора 4. Кроме того, трубки 22 предотвращают электрическое короткое замыкание в случае контакта между терминальными пластинами 16, 17 и болтами 20.

[0052] Пространство, сформированное коллектором 4 тока и торцевым коллектором 4T тока, образует камеру 13 для накопления водорода. В данной камере сохраняется газообразный водород, причем как поданный снаружи, так и сгенерированный в батарее. Когда в батарее, выполненной согласно данному варианту, емкость отрицательного электрода устанавливается на уровне ниже емкости положительного электрода, газообразный водород, генерируемый из отрицательного электрода в процессе перезарядки, сохраняется в предназначенной для этого камере 13. Кроме того, данная камера 13 выполняет функцию резервуара для электролитического раствора. Электролитический раствор удерживается также и в разделителе 3.

Газообразный водород, сохраняемый в камере 13, соединяется со сгенерированным в батарее кислородом, образуя воду. Таким образом, он выполняет функцию предотвращения окисления положительного электрода 2. В результате повышается долговечность положительного электрода 2, а отрицательный электрод 1 заряжается газообразным водородом.

[0053] Два коллектора тока, т.е. коллектор 4 и торцевой коллектор 4T, не контактируя друг с другом, коаксиально составлены в стопу, ориентированную в осевом направлении биполярной батареи 10. Выступ 5 коллектора 4 тока вставлен в отверстие, выполненное в центре терминальной пластины 17 положительного электрода, а плечо 8' торцевого коллектора 4T, не имеющего трубчатого участка 6, установлено на терминальную пластину 16 отрицательного электрода. При этом плечо 8 коллектора 4 тока приведено в контакт с терминальной пластиной 17 положительного электрода, т.е. коллектор 4 оказывается электрически подключенным к пластине 17. В добавление к этому, плечо 8' торцевого коллектора 4T тока приведено в контакт с терминальной пластиной 16 отрицательного электрода, т.е. коллектор 4T оказывается электрически подключенным к пластине 16.

[0054] Коллекторы 4 и 4T тока электрически соединены соответственно с положительным электродом 2 и с отрицательным электродом 1. В результате терминальные пластины 17 и 16 представляют собой соответственно положительный и отрицательный электродные терминалы. Между левыми болтами 20a и терминальной пластиной 16 отрицательного электрода соответствующим образом установлены изолирующие шайбы 23a, электрически изолирующие болты 20a от данной пластины. В то же время, между болтами 20a и терминальной пластиной 17 положительного электрода соответствующим образом установлены металлические плоские шайбы 24a, электрически связывающие болты 20a с данной пластиной. Таким образом, болты 20a представляют собой положительные электродные терминалы. Предусмотрена возможность закрепить между левыми гайками 21a провод, идущий к положительному электроду.

[0055] Между правыми болтами 20b и терминальной пластиной 17 положительного электрода соответствующим образом установлены изолирующие шайбы 23b, электрически изолирующие болты 20b от данной пластины. В то же время, между болтами 20b и терминальной пластиной 16 отрицательного электрода соответствующим образом установлены металлические плоские шайбы 24b, электрически связывающие болты 20b с данной пластиной. Таким образом, болты 20b являются отрицательными электродными терминалами. Предусмотрена возможность закрепить между правыми гайками 21b провод, идущий к отрицательному электроду. В данном варианте, чтобы придать изолирующим шайбам изолирующие свойства, желательно выполнить данные шайбы из полипропилена.

[0056] Из четырех болтов 20 два левых болта 20a представляют собой терминалы положительного электрода, а два правых болта 20b - отрицательные электродные терминалы. В альтернативном варианте из четырех болтов 20 три болта могут быть отрицательными электродными терминалами, а один оставшийся болт может быть положительным электродным терминалом. Согласно другой альтернативе, из четырех болтов 20 три болта могут быть положительными электродными терминалами, а один оставшийся болт может быть отрицательным электродным терминалом.

[0057] К отверстию 7, выполненному в коллекторе 4 тока, может подводиться микрофитинг 26, через который из биполярной батареи можно откачать воздух. В добавление к этому, через микрофитинг в биполярную батарею можно инжектировать электролитический раствор. Кроме того, из соответствующего внешнего источника через микрофитинг 26 в биполярную батарею может быть подан газообразный водород. Монтажный порт 28 для подсоединения микрофитинга 26 сформирован также в нижней стороне терминальной пластины 16 отрицательного электрода.

Второй вариант

[0058] На фиг. 3 представлена, на виде сбоку, в осевом разрезе, биполярная батарея, выполненная согласно второму варианту изобретения. Биполярная батарея 30 по фиг. 3 состоит из пяти последовательно соединенных ячеек. В описании главным образом будут рассмотрены отличия этого варианта от первого варианта по фиг. 2B.

[0059] Биполярная батарея 30 по фиг. 3 эквивалентна биполярной батарее 10 по фиг. 2B в той своей части, в которой левые болты 20a являются положительными электродными терминалами, а правые болты 20b - отрицательными электродными терминалами, но отличается от батареи 10 по фиг. 2B тем, что гайки 21b расположены со стороны терминальной пластины 16 отрицательного электрода. В варианте по фиг. 2B провод, ведущий к отрицательному электроду, и провод, ведущий к положительному электроду, выводятся в одном и том же направлении. В отличие от этого, в батарее по фиг. 3 данные провода выводятся во взаимно противоположных направлениях. Направление прокладки провода, ведущего к электроду, задают исходя из удобства манипулирования таким проводом в процессе сборки батарейного блока.

[0060] Пять коллекторов 4-1 - 4-5 тока и один торцевой коллектор 4T тока коаксиально составлены в стопу, ориентированную в осевом направлении биполярной батареи 30, не контактируя друг с другом, причем у каждого из них имеется выступ 5, направленный вверх. Коллекторы 4 тока электрически изолированы друг от друга изоляционными листами 14. Выступ 5 самого верхнего коллектора тока (т.е. коллектора 4-1) введен в отверстие, выполненное в центре терминальной пластины 17 положительного электрода, а плечо 8' самого нижнего коллектора тока (т.е. торцевого коллектора 4T) установлено на терминальную пластину 16 отрицательного электрода. Применение торцевого коллектора 4T тока, не имеющего трубчатого участка 6, исключает наличие в батарее бесполезного пространства и уменьшает ее объем, в то же время, сохраняя емкость батареи.

[0061] Каждый электродный блок 11, содержащий стопу, которая состоит из отрицательного электрода 1, положительного электрода 2 и расположенного между ними разделителя 3, установлен в пространстве, образованном верхним и нижним коллекторами 4 тока.

Два коллектора тока (конкретно, коллекторы 4-1, 4-2) и охваченный ими электродный блок 11-1 составляют одну ячейку 15-1. Коллектор 4-1 находится в контакте с положительным электродом 2 у внутренней поверхности своего трубчатого участка 6, а коллектор 4-2 находится в контакте с отрицательным электродом 1 у своего выступа 5. Таким образом, по отношению к данным электродам коллекторы 4-1 и 4-2 выполняют функцию коллектора тока.

[0062]. Аналогичным образом, два коллектора тока (конкретно, коллекторы 4-2, 4-3) и охваченный ими электродный блок 11-2 составляют ячейку 15-2, в которой коллектор 4-2 выполняет функцию коллектора тока по отношению к положительному электроду, а коллектор 4-3 выполняет функцию коллектора тока по отношению к отрицательному электроду. Аналогично, коллекторы 4-3, 4-4 тока и охваченный ими электродный блок 11-3 составляют ячейку 15-3; коллекторы 4-4, 4-5 тока и охваченный ими электродный блок 11-4 составляют ячейку 15-4, а коллекторы 4-5, 4T тока и охваченный ими электродный блок 11-5 составляют ячейку 15-5. Таким образом, биполярная батарея 30 содержит ячейки 15-1 - 15-5, электрически соединенные последовательно.

[0063] К отверстию 7, выполненному в верхней стороне коллектора 4-1 тока, подведен микрофитинг (см. фиг. 2B), через который в биполярную батарею 30 под заданным давлением инжектируется электролитический раствор. Через отверстия 7, выполненные в соответствующих коллекторах 4 тока, инжектированный электролитический раствор распределяется по соответствующим ячейкам 15. Таким образом, операцию инжектирования электролитического раствора проводят не для каждой ячейки, а сразу для всех ячеек, чем упрощается выполнение данной операции.

[0064] На внутренней стороне выступа 5 каждого коллектора 4 тока проложен водоотталкивающий лист 31 в форме диска, причем так, чтобы он перекрывал отверстие 7 выступа 5. Для фиксирования позиции листа 31 в выступе 5 установлена удерживающая пластина 32. Водоотталкивающий лист 31 пропускает газообразный водород и электролитический раствор, подаваемые через отверстие 7 выступа 5, и имеет микропоры, обеспечивающие циркуляцию газообразного водорода, поданного в каждую ячейку, через остальные ячейки. Лист 31, обладающий способностью отталкивать воду, отделяет находящийся в ячейке электролитический раствор от электролитического раствора другой ячейки. В результате предотвращается смешивание жидкостей между ячейками, инициируемое наличием электролитического раствора.

[0065] Водоотталкивающий лист 31 может представлять собой полиолефиновый нетканый материал, например выполненный из полипропилена или полиэтилена. Лист 31 может выполнять также функцию изолирующей прокладки. Помещать его именно на внутреннюю сторону выступа 5 необязательно, важно только, чтобы он находился между отверстием 7 и электродным блоком 11.

[0066] На фиг. 4A представлен, на виде сбоку, в разрезе, батарейный блок (блок биполярных батарей) 40. На фиг. 4B этот же блок проиллюстрирован на виде сверху. Для упрощения изображения на фиг. 4A электродные блоки не показаны. Одна биполярная батарея состоит из нескольких ячеек (биполярная батарея, содержащая пять ячеек, была описана выше со ссылками на фиг. 3). Блок 40 снабжен резиновым кожухом 41, в котором размещены четыре биполярные батареи, и для охлаждения имеет наружные вентиляторы 42, отсасывающие охлаждающий воздух из наружной среды, а затем подающие его в направлении, перпендикулярном оси биполярных батарей. Охлажденный воздух, введенный в кожух 41 блока батарей, направляется наружными поверхностями трубчатых участков 6 коллекторов 4 тока, рассеивается соединительными фитингами 43 и перетекает в следующую биполярную батарею. Фитинги 43 возмущают поток охлаждающего воздуха, усиливая тем самым охлаждающий эффект.

[0067] На фиг. 5 проиллюстрированы, в сечении, два конца каждой биполярной батареи, показанные в увеличенном масштабе. Для упрощения изображения средний участок биполярной батареи на данном чертеже не проиллюстрирован. Соответствующие ячейки закреплены болтами 44a, 44b, заключенными в изолирующие трубки (на чертеже не изображены), что предотвращает короткое замыкание между коллекторами тока через данные болты.

[0068] Соединительные фитинги 43 соответствующим образом прикреплены у двух своих концов к болтам 44 посредством гаек 45 (см. фиг. 4B). Каждый из фитингов 43 выполнен из электропроводного материала (в данном варианте это алюминий). Поскольку у алюминия сопротивление меньше, чем у железа, фитинги 43 по сравнению с железными болтами 44 переносят электричество наружу с меньшими омическими потерями.

[0069] Для предотвращения короткого замыкания в биполярной батарее, инициируемого наличием соединительных фитингов 43, между ними и терминальной пластиной 16 отрицательного электрода установлены изолирующие компоненты 46a. Аналогичным образом, для предотвращения короткого замыкания между биполярными батареями, инициируемого наличием соединительных фитингов 43, между данными фитингами и терминальной пластиной 17 положительного электрода установлены изолирующие компоненты 46b. Болты 44a и 44b выполняют функцию положительных и отрицательных электродных терминалов соответственно, так что электричество выводится из отверстий, выполненных в кожухе 41 блока батарей.

[0070] Блок батарей, выполненный согласно данному варианту, снабжен предохранительным клапаном, который сбрасывает газ из соответствующих биполярных батарей, когда давление внутри них достигает заданного значения, например 1 МПа. Конкретно, как проиллюстрировано на фиг. 6, порты 50 сброса газа из соответствующих биполярных батарей, предусмотренные на кожухе 41 батарейного блока, соединены трубками 51 с общей собирающей трубкой 52, которая у одного своего конца снабжена предохранительным клапаном 53. Когда давление внутри биполярных батарей становится равным заданному значению или превышает его, клапан 53 срабатывает, сбрасывая избыточное внутреннее давление. Предусмотрена возможность снабдить собирающую трубку 52 датчиком давления.

[0071] Фиг. 7, 8A и 8B иллюстрируют способ соединения биполярных батарей между собой. На фиг. 7 представлена конфигурация блока 60 батарей, который содержит четыре биполярные батареи, соединенные последовательно. В зонах, общих для двух смежных биполярных батарей 61, положительные и отрицательные электродные терминалы 44a, 44b соединены последовательно посредством перемычек 62. В биполярной батарее 61, расположенной у одного конца блока 60 батарей, два отрицательных электродных терминала 44b соединены друг с другом перемычкой 63 и выполняют для данного блока 60 функцию отрицательного электродного терминала. В биполярной батарее 61, расположенной у другого конца блока 60, два положительных электродных терминала 44a соединены друг с другом перемычкой 64 и выполняют для данного блока 60 функцию положительного электродного терминала.

[0072] На каждой из фиг. 8A и 8B представлен блок 60' батарей, который содержит четыре биполярных батареи 61', соединенные параллельно. В соответствующих биполярных батареях 61' положительные электродные терминалы и отрицательные электродные терминалы выводятся в одном и том же направлении посредством регулировки позиций, в которых установлены изолирующие компоненты 46. На фиг. 8A проиллюстрирована зона, расположенная рядом с двумя биполярными батареями 61', в которой отрицательные электродные терминалы 44b соединены друг с другом перемычками 64, а на фиг. 8B проиллюстрирована зона, расположенная рядом с двумя биполярными батареями 61', в которой положительные электродные терминалы 44a соединены друг с другом перемычками 65. Соответственно, перемычки 64 и 65 выполняют для блока 60' батарей функцию отрицательных и положительных электродных терминалов соответственно.

[0073] Кислород, сгенерированный в ходе реакции, происходящей в батарее, сразу же оказывается связанным с водородом, заполняющим батарею, в результате чего образуется вода. Поэтому, когда батарея заполнена газообразным водородом, агент, способствующий электропроводности и содержащийся в положительном электроде, не деградирует под воздействием окисления. По этой же причине не окисляется сплав, аккумулирующий водород, т.е. его деградация тоже предотвращается. Таким образом, повышается долговечность электрода, что позволяет ожидать продления срока службы батареи в целом.

Промышленная применимость

[0074] Биполярная батарея по изобретению пригодна для применения в качестве устройства, накапливающего энергию, не только в промышленных условиях, но и для отдельного потребителя.

Перечень обозначений

[0075] 1: Отрицательный электрод

2: Положительный электрод

3: Разделитель

4: Коллектор тока, торцевой коллектор 4T тока

5: Выступ

6: Трубчатый участок

7: Отверстие

8: Плечо

9: Фланец

10: Биполярная батарея

11: Электродный блок

13: Камера, аккумулирующая водород

14: Изолирующий лист

15: Ячейка

16: Терминальная пластина отрицательного электрода

17: Терминальная пластина положительного электрода

20: Болт

21: Гайка

22: Изолирующая трубка

23: Изолирующая шайба

24: Плоская шайба

26: Микрофитинг

30: Биполярная батарея

31: Водоотталкивающий лист

32: Удерживающая пластина

40: Блок батарей

41: Кожух блока батарей

42: Охлаждающий вентилятор

43: Соединительный фитинг

44: Болт

45: Гайка

46: Изолирующий компонент

50: Порт сброса газа

51: Трубка

52: Собирающая трубка

53: Предохранительный клапан

60: Блок батарей

61: Биполярная батарея

62: Перемычка

63: Перемычка

64: Перемычка

65: Перемычка.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биполярной батарее, состоящей из комбинации ячеек, загерметизированных для предотвращения смешивания между жидкостями и предотвращения коррозии периферийного устройства, вызванной утечкой жидкости. В указанной батарее операции инжектирования электролитического раствора приходится выполнять столько раз, сколько ячеек заполняется. Применение коллектора тока, сформированного в виде трубчатого проводника, один торец которого закрыт, а второй выступает наружу в виде выступа, позволяет уменьшить омические потери батареи. Кроме того, водоотталкивающий лист, расположенный на внутренней стороне каждого из коллекторов тока и помещенный между выступом соответствующего коллектора и элементом, генерирующим энергию, предотвращает возникновение короткого замыкания. Снижение сопротивления в местах контакта коллекторов является техническим результатом изобретения. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Биполярная батарея, содержащая:

- коллекторы тока,

- электролитический раствор и

- по меньшей мере один элемент, генерирующий энергию и содержащий стопу, состоящую из положительного электрода, отрицательного электрода и разделителя, помещенного между положительным электродом и отрицательным электродом, при этом:

- коллекторы тока образованы трубчатыми проводниками, закрытыми с одного конца, и имеют торцевые участки, выступающие наружу с образованием выступов,

- указанные выступы введены в элемент, генерирующий энергию, вдоль осевого направления коллекторов тока,

- первый электрод, являющийся положительным или отрицательным электродом, находится в контакте с внутренней поверхностью трубчатого участка первого из коллекторов тока, электрически связан с первым коллектором тока и не находится в контакте со вторым коллектором тока, а

- второй электрод, являющийся другим компонентом пары, состоящей из положительного и отрицательного электродов, не находится в контакте с первым коллектором тока, находится в контакте с наружной поверхностью выступа второго коллектора тока и электрически связан со вторым коллектором тока.

2. Батарея по п. 1, в которой второй электрод имеет наружную кромку, покрытую разделителем, а первый электрод имеет отверстие, через которое проведен второй коллектор тока, при этом отверстие имеет периферийную кромку, покрытую разделителем.

3. Батарея по п. 1 или 2, дополнительно содержащая изолятор, помещенный между первым коллектором тока и вторым коллектором тока.

4. Батарея по любому из п.п. 1-3, дополнительно содержащая водоотталкивающий лист, расположенный на внутренней стороне каждого из коллекторов тока и помещенный между выступом соответствующего коллектора и элементом, генерирующим энергию.

5. Батарея по п. 4, в которой водоотталкивающий лист сформирован из микропористой пленки или из нетканого полиолефинового материала.

6. Батарея по любому из пп. 1-5, в которой:

- по меньшей мере один элемент, генерирующий энергию, содержит группу элементов, генерирующих энергию,

- первый электрод одного из элементов, генерирующих энергию, находится в контакте с внутренней поверхностью трубчатого участка первого коллектора тока, а второй электрод другого элемента из числа элементов, генерирующих энергию, находится в контакте с наружной поверхностью выступа второго коллектора тока.

7. Батарея по любому из пп. 1-4, в которой каждый из коллекторов тока изготовлен из стальной никелированной пластины.

8. Батарея по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащая:

- терминальную пластину отрицательного электрода,

- терминальную пластину положительного электрода и

- болт, покрытый изолирующей трубкой и сконфигурированный с возможностью соединять терминальную пластину отрицательного электрода с терминальной пластиной положительного электрода, при этом коллекторы тока составлены в стопу коаксиальным образом и размещены между терминальной пластиной отрицательного электрода и терминальной пластиной положительного электрода.

9. Батарея по п. 8, дополнительно содержащая соединительный фитинг, сформированный из плоского электропроводного компонента и прикрепленный к двум концам болта, при этом соединительный фитинг имеет:

- участок в виде плоской пластины и

- удлиненный участок, отогнутый от участка в виде плоской пластины в направлении, по существу, перпендикулярном направлению вдоль терминальной пластины отрицательного электрода и терминальной пластины положительного электрода.

10. Батарея по п. 8, в которой открытый с торца коллектор тока в составе коллекторов тока, образующих стопу, не снабжен трубчатым участком.

11. Батарея по п. 4, в которой первый или второй электрод является отрицательным электродом, содержащим сплав, аккумулирующий водород, а другой компонент пары из первого и второго электродов является положительным электродом, содержащим активный материал положительного электрода и электропроводный агент.

12. Батарея по п. 11, дополнительно содержащая камеру для накопления водорода, сконфигурированную с возможностью сохранять газообразный водород, сгенерированный в процессе электролиза электролитического раствора, удерживаемого в батарее, и газообразный водород, поданный снаружи.

13. Батарея по п. 11, в которой в электропроводном агенте содержится графитизированный мягкий углерод.

14. Батарея по п. 11, в которой разделитель сформирован из нетканого полиолефинового материала.

15. Батарея по п. 11, в которой разделитель обладает гидрофильными свойствами.

16. Блок батарей, содержащий:

- группу биполярных батарей, каждая из которых представляет собой биполярную батарею согласно п. 9, при этом биполярные батареи взаимно смещены в направлении, перпендикулярном их осевому направлению, и

- нагнетатель воздуха, сконфигурированный с возможностью подавать воздух в направлении, перпендикулярном осевому направлению биполярных батарей, причем направление подачи воздуха из нагнетателя воздуха параллельно направлению, в котором ориентирован удлиненный участок соединительного фитинга.