RU2153211C2

RU2153211C2 - Storage battery

Info

Publication number: RU2153211C2
Application number: RU98113616/09A
Authority: RU
Inventors: М.Д. Баженов; В.В. Громов; В.П. Карпеченков; В.И. Матренин; А.С. Стихин; И.В. Щипанов
Original assignee: Уральский электрохимический комбинат
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2000-07-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: storage battery built around metal-gas cells has hermetically sealed spherical cylindrical case accommodating electrochemical pack of cells. Electrochemical pack is secured on central rod and braced by means of two flanges and nut turned onto rod. Flanges whose sectional area is specially selected are designed to build up equal compression pressure of 250-400 kgf/sq. cm over inner and outer circumferences of pack. Stiff polymeric rings on electrolyte-containing separators with sealing compound on surfaces being sealed are compressed over inner and outer circumferences of plates which prevents escape of oxygen to common gas space and electrolyte squeezing out of electrochemical pack. Stiff polymeric rings whose outer diameter is greater than that of plates are fitted between series-connected cells to prevent electrolyte leakage over electrochemical pack. Discontinuous compression of negative plates over outer diameter enables hydrogen transfer from common gas space to catalyst-containing layer during discharge and vice versa during battery charge. Electrolyte leakage over current leads and metal plates is excluded due to applying compression pressures to negative plates and current leads at same points. Catalyst-containing and gas-diffusion layers of negative plate constitute integral layer which simplifies assembly of electrochemical pack. EFFECT: improved power capacity of battery. 6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в химических источниках токов с металлогазовыми элементами, например никель-водородной аккумуляторной батарее. The invention relates to the field of electric power and can be used in chemical current sources with metal-gas elements, for example, a nickel-hydrogen storage battery.

Обычно аккумуляторная батарея с металлогазовыми элементами, например никель-водородными, представляет собой цилиндрический с двумя полусферическими днищами корпус для удержания газообразного водорода, в котором размещаются электрически параллельно и (или) последовательно соединенные электрохимические элементы. Электрохимические элементы, в свою очередь, состоят из отрицательного водородного электрода, положительного окисно-никелевого электрода и электролитсодержащего сепаратора, заполненного электролитом. Одной из важных проблем эксплуатации таких аккумуляторных батарей является выделение газообразного кислорода при заряде, которое может привести к возникновению взрывоопасной концентрации кислорода в водороде и, в конечном итоге, к выходу аккумуляторной батареи из строя. С другой стороны, выделяющийся кислород, занимая поровое пространство электродов, вытесняет электролит за пределы электрохимических элементов. В результате между электрически последовательно соединенными электрохимическими элементами возникают электролитные пленки, что приводит к возникновению токов утечки и миграции электролита от элемента к элементу и, следовательно, к снижению мощности аккумуляторной батареи. Также за счет выхода кислорода из электрохимических элементов в общую газовую полость и последующего его взаимодействия с водородом с образованием воды происходит перераспределение электролита между электрически последовательно соединенными элементами. Этот процесс приводит к тому, что одни электрохимические элементы начинают работать с недостатком электролита, а другие с избытком, что, в свою очередь, приводит к неидентичности электрических характеристик этих элементов и снижению мощности аккумуляторной батареи. Usually a rechargeable battery with metal-gas elements, for example, nickel-hydrogen, is a cylindrical body with two hemispherical bottoms for holding hydrogen gas, in which electrochemical elements are placed electrically in parallel and (or) in series. The electrochemical cells, in turn, consist of a negative hydrogen electrode, a positive nickel oxide electrode and an electrolyte-containing separator filled with electrolyte. One of the important problems in the operation of such rechargeable batteries is the generation of gaseous oxygen during charging, which can lead to an explosive concentration of oxygen in hydrogen and, ultimately, to failure of the rechargeable battery. On the other hand, the oxygen released, occupying the pore space of the electrodes, displaces the electrolyte beyond the boundaries of electrochemical elements. As a result, electrolyte films appear between electrically connected electrochemical cells, which leads to leakage currents and migration of electrolyte from cell to cell and, consequently, to a decrease in battery power. Also, due to the release of oxygen from the electrochemical elements into the common gas cavity and its subsequent interaction with hydrogen with the formation of water, the electrolyte is redistributed between the electrically connected elements. This process leads to the fact that some electrochemical cells begin to work with a lack of electrolyte, and others with an excess, which, in turn, leads to the non-identical electrical characteristics of these cells and a decrease in battery power.

Известно несколько способов решения вышеуказанных проблем. Так в /1, 2, 3 и 4/ для исключения миграции электролита и образования электролитных пленок каждый электрохимический элемент заключен в отдельный изолированный корпус, а для предотвращения выхода кислорода в /2, 3/ из такого корпуса в общую газовую полость через вентиляционное отверстие оно располагается встык к отрицательному электроду. Однако наличие дополнительных индивидуальных корпусов электрохимических элементов приводит к увеличению массы и габаритов аккумуляторной батареи, а также вызывает необходимость изготовления достаточно сложного профиля электродов для осуществления электрической коммутации /1, 4/, сложную собственно электрическую коммутацию /2, 3/, конструкция которой ограничивает число электрически параллельно соединенных положительных электродов в одном электрохимическом элементе, а следовательно, и электрическую емкость аккумуляторной батареи. Several methods are known for solving the above problems. So in / 1, 2, 3 and 4 / to prevent migration of the electrolyte and the formation of electrolyte films, each electrochemical cell is enclosed in a separate insulated housing, and to prevent the release of oxygen in / 2, 3 / from such a housing into the common gas cavity through the ventilation hole is located butt to the negative electrode. However, the presence of additional individual housings of electrochemical cells leads to an increase in the mass and dimensions of the battery, and also necessitates the manufacture of a rather complex profile of electrodes for electrical switching / 1, 4 /, a complex electrical switching proper / 2, 3 /, the design of which limits the number of electrically positive electrodes connected in parallel in one electrochemical cell, and consequently, the electric capacity of the battery.

Другим способом решения проблем, связанных с выделением кислорода, является никель-водородный аккумулятор /5/, в котором рекомбинационный цикл выделяющегося кислорода организован следующим образом. Между положительным и отрицательным электродами последовательно чередующихся электрохимических элементов устанавливается дополнительный газопроницаемый сепаратор (например, пористый полипропилен), через который кислород, выделяющийся на положительном электроде, проходит на отрицательный электрод следующего за ним электрохимического элемента и там взаимодействует с образующимся водородом. Конструкция аккумулятора с таким образом организованным рекомбинационным циклом позволяет достаточно хорошо утилизировать выделяющийся кислород, однако наличие дополнительного сепаратора приводит к увеличению габаритных размеров электрохимического пакета, а следовательно, к уменьшению удельной мощности аккумуляторной батареи. Another way to solve the problems associated with the evolution of oxygen is a nickel-hydrogen battery / 5 /, in which the recombination cycle of the released oxygen is organized as follows. An additional gas-permeable separator (for example, porous polypropylene) is installed between the positive and negative electrodes of sequentially alternating electrochemical elements, through which the oxygen released on the positive electrode passes to the negative electrode of the next electrochemical element and then interacts with the resulting hydrogen. The design of the battery with a recombination cycle organized in this way allows the oxygen released to be disposed of fairly well, however, the presence of an additional separator leads to an increase in the overall dimensions of the electrochemical package and, therefore, to a decrease in the specific power of the battery.

Известна металловодородная батарея /6/, в которой для исключения образования электролитных пленок электрически последовательно соединенные аккумуляторы разделяются пластмассовыми непористыми модульными сепараторами, имеющими внутренний диаметр меньше внутренних диаметров электродов и электролитных сепараторов, и внутренняя окружность модульных сепараторов уплотняется шайбами специально подобранной толщины, размещенными на центральном стержне. Таким образом предотвращается электролитное соединение электрически последовательно соединенных аккумуляторов в области центрального стержня. Также в этой батарее для устранения короткого замыкания разнополюсных электродов электролитсодержащие сепараторы толщиной 0,125-0,500 мм (асбест, титанат калия) имеют наружный диаметр больше диаметра электродов. А как известно, сепараторы из асбеста или титаната калия при заполнении их раствором едкого калия в свободном состоянии увеличивают свои геометрические размеры в значительной степени (более чем в 5 раз), при этом уменьшается их механическая прочность. Отсюда следует, что материал электролитсодержащего сепаратора в области выступающего наружного диаметра, увеличивая свой размер, во-первых, перекрывает наружный диаметр водородного электрода и тем самым ограничивает доступ к нему водорода при разряде батареи и, во-вторых, при разрушении выступающей части электролитсодержащего сепаратора его частицы под действием реверсивного потока водорода (при заряде-разряде) мигрируют на внешний диаметр модульных сепараторов, образуя электролитные пленки. С другой стороны, данная конструкция батареи не решает вопрос рекомбинации кислорода, выделяющегося при заряде на положительных электродах. Кислород выходит в общую газовую полость через пористую структуру положительных электродов, что приводит, как указывалось выше, к перераспределению электролита и, в крайнем случае, образованию взрывоопасной концентрации. Known hydrogen metal battery / 6 /, in which to prevent the formation of electrolyte films, the electrically connected batteries are separated by plastic non-porous modular separators having an inner diameter smaller than the inner diameters of the electrodes and electrolyte separators, and the inner circumference of the modular separators is sealed with washers of specially selected thickness placed on the central shaft . This prevents the electrolyte connection of the electrically series-connected batteries in the region of the central shaft. Also, in this battery, to eliminate the short circuit of different-pole electrodes, electrolyte-containing separators 0.125-0.500 mm thick (asbestos, potassium titanate) have an outer diameter larger than the diameter of the electrodes. And as you know, separators from asbestos or potassium titanate, when filled with a solution of potassium hydroxide in a free state, increase their geometric dimensions to a large extent (more than 5 times), while their mechanical strength decreases. It follows that the material of the electrolyte-containing separator in the region of the protruding outer diameter, increasing its size, firstly, overlaps the outer diameter of the hydrogen electrode and thereby limits the access of hydrogen to it when the battery is discharged and, secondly, when the protruding part of the electrolyte-containing separator is destroyed particles under the action of a reverse flow of hydrogen (during charge-discharge) migrate to the outer diameter of the modular separators, forming electrolyte films. On the other hand, this design of the battery does not solve the issue of recombination of oxygen released when charged at positive electrodes. Oxygen enters the common gas cavity through the porous structure of the positive electrodes, which leads, as mentioned above, to the redistribution of the electrolyte and, in extreme cases, the formation of an explosive concentration.

Известен литиевый химический источник тока /7/, в котором подложки электродов по периметру окантованы диэлектрическим материалом, лепестки-токовыводы выступают из окантовки и сварены между собой в соответствии с полярностью. Хотя в описании изобретения не указана цель такой окантовки, но, исходя из конструкции, можно предположить, что таким образом исключается замыкание разнополюсных электродов, поскольку лепестки-токовыводы загибаются у основания перпендикулярно плоскости электрода. Known lithium chemical current source / 7 /, in which the substrate of the electrodes around the perimeter is edged with dielectric material, the petals-current leads protrude from the edging and are welded together in accordance with the polarity. Although the purpose of such a fringing is not indicated in the description of the invention, but, based on the design, it can be assumed that in this way the short circuit of the opposite-pole electrodes is excluded, since the petals-current leads are bent at the base perpendicular to the plane of the electrode.

Обычно /3, 4, 8/ отрицательный электрод металлогазового аккумулятора, например никель-водородного, представляет собой никелевую сетку с нанесенным с одной стороны катализатором, а с другой - фторопластом. При использовании такого отрицательного электрода с его тыльной стороны устанавливается газодиффузионный слой, который позволяет равномерно распределить водород по всей поверхности электрода. Наличие дополнительного газодиффузионного слоя в виде дополнительной сетки вызывает определенные сложности при сборке электрохимического пакета. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является электрод /9/, в котором газодиффузионный слой и слой, содержащий катализатор, выполнены на сетках в виде одной детали, а между этими слоями располагается слой пористого пластика, проницаемого для газа и непроницаемого для электролита. Наличие слоя пористого пластика вызвано необходимостью работы данного электрода в свободном объеме электролита в полупогруженном состоянии. В аккумуляторе со связанным в электролитосодержащем сепараторе электролитом наличие слоя пористого пластика необязательно и приведет к увеличению габаритных размеров электрохимического пакета и усложнению технологии изготовления отрицательного электрода. Usually / 3, 4, 8 / the negative electrode of a metal-gas accumulator, for example nickel-hydrogen, is a nickel grid with a catalyst deposited on one side and fluoroplastic on the other. When using such a negative electrode, a gas diffusion layer is installed on its back side, which allows uniform distribution of hydrogen over the entire surface of the electrode. The presence of an additional gas diffusion layer in the form of an additional grid causes certain difficulties in the assembly of the electrochemical package. Closest to the claimed technical solution is the electrode / 9 /, in which the gas diffusion layer and the layer containing the catalyst are made on the grids in the form of one part, and between these layers is a layer of porous plastic, permeable to gas and impermeable to electrolyte. The presence of a layer of porous plastic is caused by the need to operate this electrode in the free volume of the electrolyte in a semi-submerged state. In a battery with an electrolyte bound in an electrolyte-containing separator, the presence of a layer of porous plastic is optional and will lead to an increase in the overall dimensions of the electrochemical package and to complication of the manufacturing technology of the negative electrode.

Для достижения необходимой плотной сборки электрохимического пакета его комплектующие с обоих концов стягиваются фланцами при помощи наворачивающейся на центральный стержень гайки. Так, в /5/ электрохимический пакет стягивается давлением 0.7 кГс/см² при диаметре фланцев до 90 мм. При таких характеристиках фланцы с прямоугольным сечением обеспечивают достаточно плотную сборку электрохимического пакета, равномерную по всей площади. Однако увеличение давления сжатия на порядок и увеличение диаметра электрохимического пакета в 2-3 раза при обеспечении равномерного давления сжатия по всей площади привели бы к увеличению толщины, а следовательно, к увеличению массы фланцев в 5-15 раз. Также для обеспечения давления сжатия в 0.07-0.22 кГс/см² электрохимического пакета диаметром ~90 мм в /8/ применен составной фланец из двух пластин, сваренных между собой. Одна из пластин имеет пазы и впадины, которые играют роль ребер жесткости. Такой фланец будет деформироваться под давлением 8-15 кГс/см² и диаметре пакета до 200 мм. При этом давление сжатия периферийной части электрохимического пакета будет меньше давления сжатия области, прилегающей к центральному стержню.To achieve the necessary tight assembly of the electrochemical package, its components from both ends are pulled together by flanges with the help of a nut turning onto the central shaft. So, in / 5 / the electrochemical packet is pulled together with a pressure of 0.7 kG / cm ² with a flange diameter of up to 90 mm. With these characteristics, flanges with a rectangular section provide a fairly dense assembly of the electrochemical package, uniform throughout the area. However, an increase in compression pressure by an order of magnitude and an increase in the diameter of the electrochemical package by a factor of 2–3, while ensuring uniform compression pressure over the entire area, would lead to an increase in thickness and, consequently, to an increase in the mass of flanges by 5–15 times. Also, to provide a compression pressure of 0.07-0.22 kG / cm ^{2 of an} electrochemical package with a diameter of ~ 90 mm in / 8 /, a composite flange of two plates welded together was used. One of the plates has grooves and depressions, which play the role of stiffeners. Such a flange will deform under a pressure of 8-15 kgf / cm ² and a bag diameter of up to 200 mm. In this case, the compression pressure of the peripheral part of the electrochemical package will be less than the compression pressure of the region adjacent to the central rod.

Таким образом, задачей заявляемого технического решения является создание аккумуляторной батареи с металлогазовыми элементами, например никель-водородной аккумуляторной батареи в едином герметичном корпусе с электрически последовательно соединенными электрохимическими элементами для достижения необходимого напряжения. Площадью электродов и количеством единичных аккумуляторов, электрически параллельно соединенных в электрохимических элементах, достигается требуемая электрическая емкость аккумуляторной батареи. Единичный аккумулятор состоит из положительного электрода, двух прилегающих к нему электролитсодержащих сепараторов и двух отрицательных электродов. В заявляемом изобретении предлагается электрически последовательно соединенные электрохимические элементы разделять жесткими полимерными кольцеобразными, не проницаемыми для электролита дисками, имеющими наружный диаметр больше наружного диаметра электродов. Разница в диаметрах позволяет после сборки электрохимических элементов в пакет получить выступ, который препятствует миграции электролита и образованию электролитных пленок между электрохимическими элементами. Такие же жесткие полимерные диски устанавливаются между пакетом электрохимических элементов и фланцами для их электрической изоляции, а следовательно, для изоляции пакета электрохимических элементов от корпуса аккумуляторной батареи. Thus, the objective of the proposed technical solution is to create a rechargeable battery with metal-gas elements, for example, a nickel-hydrogen battery in a single sealed enclosure with electrically connected electrochemical cells in order to achieve the required voltage. By the area of the electrodes and the number of single batteries electrically connected in parallel in the electrochemical cells, the required electric capacity of the battery is achieved. A single battery consists of a positive electrode, two adjacent electrolyte-containing separators and two negative electrodes. The claimed invention proposes to electrically connected in series electrochemical cells to separate hard polymer ring-shaped, impermeable to electrolyte disks having an outer diameter greater than the outer diameter of the electrodes. The difference in diameters makes it possible to obtain a protrusion after the assembly of electrochemical cells into a bag, which prevents the migration of electrolyte and the formation of electrolyte films between electrochemical cells. The same hard polymer disks are installed between the package of electrochemical cells and the flanges for their electrical isolation, and therefore, to isolate the package of electrochemical cells from the battery case.

Чтобы исключить выход выделяющегося при заряде кислорода в общую газовую полость предлагается электроды по внутренним и наружным окружностям спрессовывать жестким полимерным материалом, а электролитсодержащие сепараторы соединять с жесткими полимерными кольцами. Плотная сборка электрохимического пакета с находящимся на уплотняемых поверхностях жидким герметиком при давлении сжатия 250-400 кГс/см², относящимся к площади уплотняемой поверхности, позволяет направить поток выделяющегося на положительном электроде кислорода через электролитсодержащие сепараторы к отрицательным электродам, где он взаимодействует с образующимся водородом. Тем самым также решается проблема перераспределения электролита между электрически последовательно соединенными электрохимическими элементами, поскольку кислород рекомбинирует в том же элементе, в котором образовался. Для обеспечения равномерного давления сжатия 250-400 кГс/см² по площади уплотняемой поверхности, как по внутренней, так и по наружной окружностям, предлагается фланцы, стягивающие электрохимический пакет, выполнять в форме полого усеченного конуса с центральной втулкой. Специально подобранные отношения площадей сечений конической поверхности и центральной втулки обеспечивают равномерную деформацию днища фланца при силовом воздействии на его верхнее основание и, тем самым, равномерно распределяют давление по всей площади электрохимического пакета.In order to exclude the release of oxygen released during the charge into the common gas cavity, it is proposed to compress the electrodes along the inner and outer circles with a rigid polymer material, and connect the electrolyte-containing separators with rigid polymer rings. The tight assembly of the electrochemical package with the liquid sealant located on the sealed surfaces at a compression pressure of 250-400 kGf / cm ² , related to the area of the sealed surface, allows directing the flow of oxygen released on the positive electrode through electrolyte-containing separators to the negative electrodes, where it interacts with the generated hydrogen. This also solves the problem of redistribution of electrolyte between electrically connected electrochemical cells, since oxygen recombines in the same cell in which it was formed. To ensure uniform compression pressure of 250-400 kgf / cm ² over the area of the sealing surface, both along the inner and outer circles, it is proposed that the flanges tightening the electrochemical package be made in the form of a hollow truncated cone with a central sleeve. Specially selected ratios of the cross-sectional areas of the conical surface and the central sleeve ensure uniform deformation of the bottom of the flange under the action of force on its upper base and, thus, evenly distribute the pressure over the entire area of the electrochemical package.

Для электрического соединения электродов они изготавливаются с одним или несколькими токовыводами, выступающими за наружный диаметр полимерного материала. Так, для положительного электрода сетка, например никелевая, вырезается с одним или несколькими лепестками, которые после соединения ее с пористыми слоями и опрессовки наружной окружности полимерным материалом образуют токовыводы. Для изготовления отрицательного электрода предлагается использовать две, например, никелевые сетки, одна из которых вырезается с одним или несколькими лепестками и покрывается фторопластом. Вторая сетка отрицательного электрода содержит активный в реакции электроокисления-восстановления водорода катализатор. Две сетки соединяются в одну деталь методом, например, прессования и после опрессовки полимерным материалом наружной окружности лепестки первой сетки образуют токовыводы. Для выхода водорода из отрицательного электрода в общую газовую полость при заряде и возврата его при разряде предлагается внешнюю опрессовку отрицательного электрода проводить с разрывами и также предлагается места наружной опрессовки проводить в местах расположения токовыводов и (или) размещать их равномерно по диаметру. Совмещение внешней опрессовки с токовыводами позволяет предотвратить миграцию электролита через токовыводы и металлические пластины, используемые для электрического соединения электродов. To electrically connect the electrodes, they are made with one or more current leads protruding beyond the outer diameter of the polymer material. So, for a positive electrode, a mesh, for example, nickel, is cut out with one or more petals, which, after connecting it to the porous layers and crimping the outer circumference with a polymer material, form current leads. For the manufacture of a negative electrode, it is proposed to use two, for example, nickel nets, one of which is cut with one or more petals and coated with fluoroplastic. The second grid of the negative electrode contains an active catalyst in the electrooxidation-reduction of hydrogen. Two grids are connected into one part by a method, for example, pressing, and after crimping the outer circumference with a polymer material, the petals of the first grid form current leads. In order to exit hydrogen from the negative electrode into the common gas cavity during charging and return it during discharge, it is proposed that external pressure testing of the negative electrode be discontinuous and it is also proposed that external pressure testing be performed at the locations of the current leads and (or) to place them uniformly in diameter. The combination of external crimping with current leads prevents the migration of electrolyte through current leads and metal plates used to electrically connect the electrodes.

Для электрически параллельного соединения единичных аккумуляторов в электрохимическом элементе в заявляемом техническом решении электроды располагаются таким образом, чтобы токовыводы однополюсных электродов находились друг напротив друга, а токовыводы отрицательных и положительных электродов были смещены относительно друг друга. Такая сборка единичных аккумуляторов в электрохимические элементы позволяет, присоединяя металлические пластины к токовыводам, электрически соединить однополюсные электроды между собой и тем самым получить необходимую электрическую емкость. Для последовательного электрического соединения электрохимических элементов токовыводы положительных электродов одного электрохимического элемента располагаются напротив токовыводов отрицательных электродов следующего за предыдущим электрохимического элемента и путем продолжения присоединения металлических пластин электрически соединяются положительные и отрицательные электроды располагающихся друг за другом электрохимических элементов. Такая сборка электрохимических элементов в пакет позволяет получить необходимое выходное напряжение аккумуляторной батареи. For electrically parallel connection of single batteries in an electrochemical cell in the claimed technical solution, the electrodes are arranged so that the current leads of the single-pole electrodes are opposite each other, and the current leads of the negative and positive electrodes are offset relative to each other. Such an assembly of single batteries into electrochemical cells allows, by connecting metal plates to current leads, to electrically connect single-pole electrodes to each other and thereby obtain the necessary electric capacitance. For a series-wise electrical connection of electrochemical cells, the positive electrode current leads of one electrochemical cell are located opposite the negative electrode current leads of the next electrochemical cell and by continuing to attach the metal plates, the positive and negative electrodes of the electrochemical cells located one after another are electrically connected. Such an assembly of electrochemical elements in a package allows you to get the required output voltage of the battery.

Описание иллюстрационного материала:
фигура 1 - поперечный разрез аккумуляторной батареи с корпусом, например, сферической формы;
фигура 2 - фрагмент поперечного разреза электрохимического пакета, выполненного по линиям В-В фигуры 3;
фигура 3 - фрагмент электрохимического пакета: два электрически последовательно соединенных электрохимических элемента с одним токовыводом на электроде и с, например, одним единичным аккумулятором в электрохимическом элементе, разрывы на отрицательных электродах показаны только на крайнем электроде;
фигура 4 - отрицательный электрод со стороны прилегающего электролитсодержащего сепаратора с, например, одним токовыводом, вид Б фигуры 5;
фигура 5 - поперечный разрез отрицательного электрода, выполненный по линии А-А фигуры 4 и по линии А-А фигуры 6;
фигура 6 - фрагмент электрохимического пакета: два электрически последовательно соединенных электрохимических элемента, например, с пятью токовыводами на электроде и, например, с двумя электрически параллельно соединенными единичными аккумуляторами в электрохимическом элементе (электролитсодержащие сепараторы не показаны, разрывы на отрицательных электродах показаны только на крайнем электроде, металлические пластины, используемые для электрического соединения электродов, показаны только на двух рядом располагающихся токовыводах).Description of illustration material:
figure 1 is a cross section of a battery with a housing, for example, spherical in shape;
figure 2 is a fragment of a cross section of an electrochemical package made along the lines BB of figure 3;
figure 3 is a fragment of an electrochemical package: two electrochemically connected electrochemical cells with one current output on the electrode and, for example, one single battery in the electrochemical cell, gaps on the negative electrodes are shown only on the extreme electrode;
figure 4 is a negative electrode from the side of the adjacent electrolyte-containing separator with, for example, one current output, view B of figure 5;
figure 5 is a cross section of a negative electrode, made along the line aa of figure 4 and along the line aa of figure 6;
figure 6 is a fragment of an electrochemical package: two electrochemically connected electrochemical cells, for example, with five current leads on the electrode and, for example, with two electrically parallel connected single batteries in the electrochemical cell (electrolyte-containing separators are not shown, gaps on the negative electrodes are shown only on the extreme electrode , metal plates used to electrically connect electrodes are shown only on two adjacent current leads )

В заявляемом техническом решении аккумуляторная батарея состоит (фиг. 1) из, например, сферического корпуса 1 с центральным стержнем 2, на котором при помощи фланцев 3 и наворачивающейся гайки 21 закреплен электрохимический пакет 4. Для электрической изоляции электрохимических элементов друг от друга и электрохимического пакета от фланцев, а следовательно, от корпуса между ними располагаются жесткие полимерные кольцеобразные диски 14 (фиг.2), например, из полисульфона, непроницаемые для электролита, которые имеют наружный диаметр на 0.5-10.0 мм больше наружного диаметра электродов. Эта разность в диаметрах позволяет после сборки электрохимического пакета получить выступ, который предотвращает образование электролитных пленок и миграцию электролита по электрохимическому пакету. С целью исключения выдавливания электролита из электрохимических элементов и организации направленного потока кислорода через электролитсодержащий сепаратор 7 (фиг.2) от положительного электрода 6 к отрицательным электродам 5, электроды по внутренней (положительный поз. 11, отрицательный поз. 12) и по наружной (положительный поз. 10, отрицательный поз. 13) окружностям опрессованы жестким полимерным материалом, а электролитсодержащий сепаратор по внутренней 9 и наружной 8 окружностям соединен с жесткими полимерными кольцами. В качестве полимерного материала может быть использован, например, полисульфон. Благодаря опрессовке электродов и полимерным кольцам электролитсодержащих сепараторов выделяющийся при заряде на положительном электроде кислород не выходит в общую газовую полость, а мигрирует через поры электролитсодержащих сепараторов к отрицательным электродам и там взаимодействует с водородом с образованием воды. Тем самым исключается возможность образования взрывоопасной концентрации кислорода в водороде в общей газовой полости и не происходит перераспределения электролита между единичными аккумуляторами, поскольку выделение кислорода и его рекомбинация происходит в одном и том же единичном аккумуляторе. In the claimed technical solution, the rechargeable battery consists (Fig. 1) of, for example, a spherical body 1 with a central shaft 2, on which an electrochemical packet 4 is fixed using flanges 3 and a turning nut 21. For electrical isolation of electrochemical elements from each other and an electrochemical packet from the flanges, and therefore, from the body between them are hard polymer ring-shaped disks 14 (figure 2), for example, of polysulfone, impermeable to electrolyte, which have an outer diameter of 0.5-10.0 mm b proc eed outer diameter electrodes. This difference in diameters allows, after assembly of the electrochemical package, to obtain a protrusion that prevents the formation of electrolyte films and the migration of the electrolyte along the electrochemical package. In order to prevent extrusion of electrolyte from electrochemical cells and the organization of a directed oxygen flow through an electrolyte separator 7 (figure 2) from the positive electrode 6 to the negative electrodes 5, the electrodes are on the inside (positive position 11, negative position 12) and on the outside (positive pos. 10, negative pos. 13) the circles are pressed with hard polymer material, and the electrolyte-containing separator is connected to the rigid polymer rings along the inner 9 and outer 8 circles. As the polymeric material, for example, polysulfone can be used. Due to the crimping of the electrodes and the polymer rings of the electrolyte-containing separators, the oxygen released during charging on the positive electrode does not exit into the common gas cavity, but migrates through the pores of the electrolyte-containing separators to the negative electrodes and there interacts with hydrogen to form water. This excludes the possibility of the formation of an explosive concentration of oxygen in hydrogen in the common gas cavity and there is no redistribution of the electrolyte between the individual batteries, since the evolution of oxygen and its recombination takes place in the same single battery.

Для того, чтобы герметично соединить части поверхности электродов, спрессованных полимерным материалом, и полимерных колец электролитсодержащих сепараторов, а также колец 14, на поверхности наносится жидкий герметик (например, сополимер). При этом, чтобы исключить выход кислорода и электролита из электрохимического пакета, давление, приходящееся на опрессованную поверхность, должно составлять 250-400 кГс/см², что соответствует давлению 8.07-15.0 кГс/см², отнесенному к площади поперечного сечения электрохимического пакета. Поэтому, чтобы давление 250-400 кГс/см² было распределено равномерно, электрохимический пакет стягивается фланцами 3, имеющими определенную геометрию. Так, с целью снижения массы фланцев они выполнены пустотелыми и имеют форму усеченного конуса с центральной втулкой. Образующая конической поверхности выполнена с переменной толщиной так, чтобы площадь сечения в области 24 (фиг. 1) превышала площадь сечения в области 25 в 1.5-2.5 раза, а площадь сечения в области 23 была меньше площади сечения в области 24 в 5-7 раз. Таким образом специально подобранное отношение площадей сечения в областях 23, 24 и 25 фланца 3 приводит к его равномерной деформации и, следовательно, обеспечивает равномерную передачу давления от днища фланца при силовом воздействии на его верхнее основание гайкой 21 при отношении наружного диаметра к внутреннему, равном 3.8 и при наружном диаметре до 200 мм.In order to hermetically connect parts of the surface of electrodes pressed by a polymer material and polymer rings of electrolyte-containing separators, as well as rings 14, a liquid sealant (for example, a copolymer) is applied to the surface. Moreover, in order to exclude the release of oxygen and electrolyte from the electrochemical package, the pressure falling on the pressed surface should be 250-400 kG / cm ² , which corresponds to a pressure of 8.07-15.0 kG / cm ² , referred to the cross-sectional area of the electrochemical package. Therefore, so that the pressure of 250-400 kG / cm ² is evenly distributed, the electrochemical packet is pulled together by flanges 3 having a certain geometry. So, in order to reduce the mass of the flanges, they are made hollow and have the shape of a truncated cone with a central sleeve. The generatrix of the conical surface is made with variable thickness so that the cross-sectional area in region 24 (Fig. 1) exceeds the cross-sectional area in region 25 by 1.5–2.5 times, and the cross-sectional area in region 23 is 5–7 times smaller than the cross-sectional area in region 24 . Thus, a specially selected ratio of the cross-sectional areas in the regions 23, 24 and 25 of the flange 3 leads to its uniform deformation and, therefore, provides uniform pressure transmission from the bottom of the flange when the nut 21 is subjected to force on its upper base with an external diameter to internal ratio of 3.8 and with an outer diameter of up to 200 mm.

Для электрического соединения электродов они имеют один или несколько токовыводов, выступающих за их наружный диаметр. Количество токовыводов определяется диаметром электродов и максимальным током, проходящим через токовывод. С этой целью положительный электрод 6 (фиг.2) выполнен в виде двух пористых слоев, прилегающих к центральной никелевой сетке, которая вырезается с одним (фиг.3) или несколькими (фиг.6) лепестками, образующими после опрессовки полимерным материалом токовыводы 16. Отрицательный электрод 5 (фиг.4, 5) состоит из двух сеток, одна из которых 18 вырезается с одним (фиг.3) или несколькими (фиг.6) лепестками, образующими после опрессовки полимерным материалом токовыводы 15. Эта же сетка покрывается фторопластом с целью образования гидрофобных каналов для распределения водорода по всей поверхности отрицательного электрода и выполняет одновременно роль газодиффузионного слоя. На вторую сетку 19 (фиг.5) отрицательного электрода 5 с одной стороны наносится катализатор 20, а другой стороной сетка 19 соединяется с сеткой 18 методом, например, прессования. Отрицательный электрод и газодиффузионный слой, выполненные в виде одной детали, значительно упрощают технологию сборки пакета электрохимических элементов. С целью выхода образующегося при заряде водорода из гидрофобных каналов сетки 18 в общую газовую полость и возврата его при разряде внешняя окружность отрицательного электрода 5 опрессовывается полимерным материалом 13 с разрывами 22 (фиг.3, 4, 6). Поэтому для исключения миграции электролита через токовыводы 15 и пластины 17 опрессовка полимерным материалом по наружной окружности 13 отрицательного электрода 5 проводится в местах расположения токовыводов 15 (фиг.6) или равномерно распределена по наружной окружности (фиг.3, 4). To electrically connect the electrodes, they have one or more current leads protruding beyond their outer diameter. The number of current outputs is determined by the diameter of the electrodes and the maximum current passing through the current output. For this purpose, the positive electrode 6 (Fig. 2) is made in the form of two porous layers adjacent to the central nickel grid, which is cut with one (Fig. 3) or several (Fig. 6) petals, which, after crimping with the polymer material, form current leads 16. The negative electrode 5 (Figs. 4, 5) consists of two grids, one of which 18 is cut out with one (Fig. 3) or several (Fig. 6) petals, which, after crimping with polymer material, form leads 15. This same grid is covered with fluoroplastic with the purpose of the formation of hydrophobic channels for distribution hydrogen deposition over the entire surface of the negative electrode and simultaneously plays the role of a gas diffusion layer. A catalyst 20 is deposited on the second grid 19 (FIG. 5) of the negative electrode 5 on one side, and the grid 19 is connected to the grid 18 on the other side, for example, by pressing. The negative electrode and the gas diffusion layer, made in the form of one part, greatly simplify the technology of assembling a package of electrochemical elements. In order to exit the hydrogen generated from the hydrophobic channels of the grid 18 into the common gas cavity and return it during discharge, the outer circumference of the negative electrode 5 is pressed with polymer material 13 with gaps 22 (Figs. 3, 4, 6). Therefore, to prevent migration of the electrolyte through current leads 15 and plates 17, crimping with polymer material along the outer circumference 13 of the negative electrode 5 is carried out at the locations of current leads 15 (Fig. 6) or is evenly distributed around the outer circumference (Figs. 3, 4).

Для получения необходимого выходного напряжения аккумуляторной батареи электрохимические элементы при помощи пластин 17 электрически соединяются последовательно, а для получения необходимой электрической емкости аккумуляторной батареи электрохимические элементы состоят из одного (фиг.3) или нескольких (фиг. 6) электрически параллельно соединенных при помощи пластин 17 единичных аккумуляторов. Пластины 17 к токовыводам 15 отрицательных электродов и токовыводам 16 положительных электродов присоединяются при помощи, например, сварки. Для осуществления электрически последовательного соединения электрохимический пакет собирается таким образом (фиг.3, 6), чтобы токовыводы 16 положительных электродов 6 и токовыводы 15 отрицательных электродов 5 электрически последовательно соединенных электрохимических элементов располагались напротив друг друга, а токовыводы 16 положительных электродов 6 и токовыводы 15 отрицательных электродов 5 единичных аккумуляторов электрохимического элемента были смещены относительно друг друга. При нескольких электрически параллельно соединенных единичных аккумуляторах в электрохимическом элементе токовыводы однополюсных электродов располагаются напротив друг друга (фиг. 6). Таким образом через токовыводы электродов, выступающих за наружный диаметр полимерного материала, путем присоединения к ним металлических пластин 17 набирается необходимая электрическая емкость и напряжение аккумуляторной батареи в едином корпусе. To obtain the required output voltage of the battery, the electrochemical elements using the plates 17 are electrically connected in series, and to obtain the necessary electric capacity of the battery, the electrochemical elements consist of one (Fig. 3) or several (Fig. 6) unit electrically connected in parallel using the plates 17 batteries. The plates 17 are connected to the terminals 15 of the negative electrodes and the terminals 16 of the positive electrodes by, for example, welding. To make an electrically serial connection, the electrochemical package is assembled in such a way (Figs. 3, 6) that the current leads 16 of the positive electrodes 6 and the current leads 15 of the negative electrodes 5 of the electrically connected electrochemical elements are opposite each other, and the current leads 16 of the positive electrodes 6 and the current leads 15 of the negative electrodes of 5 individual batteries of the electrochemical cell were displaced relative to each other. With several electrically parallel connected single batteries in the electrochemical cell, the current outputs of the unipolar electrodes are located opposite each other (Fig. 6). Thus, through the current leads of the electrodes protruding beyond the outer diameter of the polymeric material, by attaching metal plates 17 to them, the necessary electric capacitance and voltage of the battery are accumulated in a single housing.

Сопоставление отличительных признаков заявляемого технического решения с известными техническими решениями показывает, что имеющееся формальное совпадение такого признака, как опрессовка электродов по наружной окружности, в случае одного из прототипов /7/ обусловлено другим функциональным назначением, и применяется в литиевых химических источниках тока с электрически параллельным соединением электродов, не требующим их разделения по электролиту. Следовательно, заявленное техническое решение по опрессовке наружной окружности электродов не следует явным образом из известного решения и соответствует критерию "изобретательский уровень". A comparison of the distinguishing features of the claimed technical solution with the known technical solutions shows that the existing formal coincidence of such a feature as crimping the electrodes along the outer circumference, in the case of one of the prototypes / 7 /, is due to another functional purpose, and is used in lithium chemical current sources with an electrically parallel connection electrodes that do not require their separation by electrolyte. Therefore, the claimed technical solution for crimping the outer circumference of the electrodes does not follow explicitly from the known solution and meets the criterion of "inventive step".

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

Конструкторские решения, защищаемые настоящим заявляемым изобретением, позволяют изготовить аккумуляторную батарею, например, никель-водородную мощностью до 2000 ВА при выходном напряжении до 100 В в едином корпусе сферической формы. Замена корпуса сферической формы на цилиндрический с двумя полусферическими днищами позволяет увеличить энергоемкость НВАБ до 4000-6000 ВА. При этом решаются проблемы, связанные с выделением кислорода, значительно снижаются токи утечки через электролитные пленки и упрощается сборка пакета электрохимических элементов. Design solutions protected by the present claimed invention make it possible to manufacture a storage battery, for example, nickel-hydrogen with a power of up to 2000 VA at an output voltage of up to 100 V in a single spherical shape housing. Replacing a spherical-shaped case with a cylindrical one with two hemispherical bottoms makes it possible to increase the power consumption of NVAB up to 4000-6000 VA. At the same time, the problems associated with the evolution of oxygen are solved, leakage currents through electrolyte films are significantly reduced, and the assembly of a package of electrochemical cells is simplified.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Патент N5071652, США, МКИ 5 H 01 M 12/8. Заявл. 11.12.90. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis.LIST OF USED SOURCES
1. Patent N5071652, USA, MKI 5 H 01 M 12/8. Claim 12/11/90. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis.

2. Патент N5168017, США, МКИ 5 H 01 M 12/8. Заявл. 28.10.91. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis. 2. Patent N5168017, USA, MKI 5 H 01 M 12/8. Claim 10/28/91. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis.

3. Патент N5173376, США, МКИ 5 H 01 M 12/8. Заявл. 28.10.91. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis. 3. Patent N5173376, USA, MKI 5 H 01 M 12/8. Claim 10/28/91. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis.

4. Патент N4957830, США, МКИ 5 H 01 M 12/8. Заявл. 07.04.89. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis. 4. Patent N4957830, USA, MKI 5 H 01 M 12/8. Claim 04/07/89. Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis.

5. Патент N4820597, США, МКИ 4 H 01 M 10/34. Заявл. 11.12.87. Hughes Aircraft Company, Los Angeles, Calif. 5. Patent N4820597, USA, MKI 4 H 01 M 10/34. Claim 12/11/87. Hughes Aircraft Company, Los Angeles, Calif.

6. Патент N4115630, США, МКИ 2 H 01 M 12/06. Заявл. 17.03.77. Communications Satellite Corporation, Washington, D.C. 6. Patent N4115630, USA, MKI 2 H 01 M 12/06. Claim 03/17/77. Communications Satellite Corporation, Washington, D.C.

7. Патент N2076401, РФ, МКИ 6 H 01 M 2/20, 6/14. 3аявл.27.04.95. 7. Patent N2076401, RF, MKI 6 H 01 M 2/20, 6/14. 3Apr. 27.04.95.

8. Патент N0340963A2, Европейский патент, МКИ 4 H 01 M 10/34, H 01 M 2/02. Заявл. 02.05.88. Gates Energy Products, Inc. 8. Patent N0340963A2, European Patent, MKI 4 H 01 M 10/34, H 01 M 2/02. Claim 05/02/88. Gates Energy Products, Inc.

9. Патент N0030954B1, Европейский патент, МКИ 3 H 01 M 12/08. Заявл. 25.06.79. 9. Patent N0030954B1, European Patent, MKI 3 H 01 M 12/08. Claim 06/25/79.

Claims

1. The battery based on metal-gas batteries in a sealed metal case of cylindrical or spherical shape with a central shaft, on which a packet of several metal-gas batteries consisting of positive oxide-nickel electrodes, negative hydrogen electrodes and electrolyte-containing separators and I place between electrically connected electrochemical elements and the electrochemical bag and flanges Xia rigid polymeric annular discs, characterized in that the electrodes on inner and outer circumferences Compression rigid polymer material, the outer diameter of the polymer annular disks larger than the outer diameter of the electrodes, separators elektrolitosoderzhaschie on inner and outer circumferences are connected to the rigid polymeric rings.

2. The battery according to claim 1, characterized in that the flanges for compressing the electrochemical package are made in the form of a hollow truncated cone with a cylindrical sleeve, and the elements of the flanges that directly transmit the forces are selected so that the compression pressure of the package of metal-gas batteries over its entire area the same way.

3. The battery according to claim 1, characterized in that the compression pressure of the electrochemical package is 8-15 kG / cm ² .

4. The battery according to claim 1, characterized in that the negative electrode of the electrochemical cell consists of two grids, for example, nickel, one of which is coated with a catalyst, and the other with fluoroplastic.

5. The battery according to claim 4, characterized in that the negative electrode grid coated with fluoroplastic has one or more current leads protruding beyond the outer circumference of the polymer material.

6. The battery according to claim 5, characterized in that the negative electrode is pressed with polymer material along the outer circumference with gaps, and the pressure test points coincide with the locations of the current leads.