DE2254689B2

DE2254689B2 - ELECTRIC BATTERY OF A STACK OF LAYER CELLS CLOSED TOGETHER BY A CLAMPING DEVICE INCLUDING BOLTS AND END LINKS

Info

Publication number: DE2254689B2
Application number: DE19722254689
Authority: DE
Inventors: John George; Duncan James Hugh; London Gibson
Original assignee: British Railways Board, London
Priority date: 1971-11-11
Filing date: 1972-11-08
Publication date: 1976-06-24
Also published as: GB1356312A; ZA727898B; CH565458A5; CA968405A; PL85282B1; JPS5321091B2; AU4862872A; FR2159464B1; BE791267A; AT321392B; IT970270B; AU465469B2; HU165788B; JPS4855326A; FR2159464A1; DE2254689A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie, insbesondere Natrium-Schwefel-Batterie, bestehend aus einem Stapel von Schichtzellen, welche mittels einer Bolzen enthaltenden Spannvorrichtung zusammengespannt sind, wobei diese Endglieder aufweisen, die mit entsprechenden Enden des Stapels zusammenwirken.The invention relates to an electric battery, in particular a sodium-sulfur battery, consisting of a stack of layer cells which are clamped together by means of a clamping device containing bolts these having end members which cooperate with respective ends of the stack.

Eine derartige elektrische Batterie ist aus der FR-PS 34 907 bekannt, die jedoch über die thermische Ausdehnung der Bestandteile der Spannvorrichtung nichts aussagt.Such an electric battery is known from FR-PS 34 907, which, however, relates to thermal expansion the components of the clamping device says nothing.

Der Erfindung, die eine elektrische Batterie der eingangs näher bezeichneten Gattung betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache aber bei einer thermischen Ausdehnung der Bestandteile der Spannvorrichtung wirkungsvolle Spannvorrichtung zu schaffen.The invention, which relates to an electric battery of the type specified in the introduction, lies in the The task is based on a simple but with thermal expansion of the components of the clamping device to create effective jig.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß für die Bolzen einerseits und für andere &5 Komponenten der Spannvorrichtung andererseits Werkstoffe mit derart unterschiedlichen thermischen Ausdehnuneskoeffizienten verwendet sind, daß bei einem Ansteigen der Arbeitstemperatur der Batterie und damit bei einer Ausdehnung des Stapels und der Spannvorrichtung der Abstand der Endglieder so bleibt daß der Spanndruck auf den Stapel mindestens konstant bleibt Erfindungsgemäß weisen daher die Endglieder, bzw. die Buchsen, die auf die Endglieder wirken, einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Bolzen auf.This object is achieved according to the invention in that for the bolts on the one hand and for others & 5 Components of the clamping device on the other hand, materials with such different thermal Expansion coefficients are used that with an increase in the working temperature of the battery and thus with an expansion of the stack and the jig, the spacing of the end links will be as follows remains that the clamping pressure on the stack remains at least constant. According to the invention therefore have the End links, or the bushings on the end links act, a higher coefficient of expansion than the bolts.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß unter den normalen Arbeitstemperaturen der Batterie. z.B. 350⁰C. der Spanndruck der Spannvorrichtung auf den Stapel von Schichtzellen aufrechterhalten bleibt.The invention offers the advantage that under the normal working temperatures of the battery. Eg 350 ⁰ C. the clamping pressure of the clamping device on the stack of layer cells is maintained.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are given in the subclaims.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die sich auf Natrium-Schwefel-Batterie-Konstruktionen beziehen. Dabei zeigtIn the following the invention on the basis of embodiments with reference to the drawing which relate to sodium-sulfur battery designs. It shows

Fig.) ein erstes Ausführungsbeispiel einer Batterie-Konstruktion im Querschnitt.Fig.) A first embodiment of a battery construction in cross section.

F i g. 2 eine Teilschnittansicht einer Abwandlung der Konstrukiion nach Fig. 1.F i g. FIG. 2 shows a partial sectional view of a modification of the construction according to FIG. 1.

F i g. 3 eine Teilschnittansicht einer Abwandlung der Konstruktion nach F i g. 2 undF i g. 3 is a partial sectional view of a modification of the construction according to FIG. 2 and

F i g. 4 eine Teilschnittansicht einer Ahwandlung dtr Konstruktion nach F i g. 3.F i g. 4 a partial sectional view of a conversion dtr Construction according to FIG. 3.

Wie F i g. I zeigt, besteht die Batterie aus einem Stapel von Zellen 1, die zusammengespannt sind. Jede Zelle 1 besteht aus einem ringförmigen Zellenkörper 2, der z. B. aus gesintertem Aluminium besteht.Like F i g. I shows the battery consists of a stack of cells 1 clamped together. Every cell 1 consists of an annular cell body 2, the z. B. consists of sintered aluminum.

Flexible Plattenelektroden 4 sind mittels Dichtungen 3 mit den Enden des Körpers 2 verbunden, wobei jede der in der Mitte liegenden Elektrodenplatten 4 eine bipolare Elektrode bildet, die zwei benachbarte Zellen versorgt. Über den Zellenkörper 2 etwa in der Mitte zwischen seinen Enden ist eine Membrane 5 aus z. B. Beta-Alu-miniurnoxid befestigt, die einen festen Elektrolyten bildet. Zwischen den Elektroden 4 und der Membrane 5 sind begrenzte Abteile 7 und 8, welche den Kathoden- und Anoden-Raum der entsprechenden Zelle bilden.Flexible plate electrodes 4 are connected to the ends of the body 2 by means of seals 3, each the lying in the middle electrode plates 4 forms a bipolar electrode, the two neighboring cells provided. About the cell body 2 approximately in the middle between its ends is a membrane 5 made of, for. B. Beta aluminum miniature oxide attached to a solid electrolyte forms. Between the electrodes 4 and the membrane 5 are limited compartments 7 and 8, which the Form the cathode and anode space of the corresponding cell.

Der Stapel der Zellen 1 ist zwischen Aluminiumplatten 10 zusammengepreßt, die durch eine Spannvorrichtung in Form von Stahlbolzen und Schrauben 11 und 12, welche parallel verlaufen und rund um die zentrale Längsachse angeordnet sind, zusammengezogen werden. Zwei Bolzen und Schrauben sind in F i g. 1 sichtbar, aber die Gesamtzahl kann so groß sein, wie erforderlich, um die notwendige Verteilung des Klemmdrukkes zu erzielen. Um die elektrische Verbindung zwischen den zwei Aluminiumscheiben 10 zu unterbrechen, sind die Bolzenöffnungen in einer Aluminiumplatte 10 mit Aspha-Aluminiumoxid-Muffen 13 überzogen und eine Asbestplatte 14 ist zwischen den Köpfen der Bolzen und der Aluminiumplatte 10 angebracht.The stack of cells 1 is pressed together between aluminum plates 10, which are secured by a jig in the form of steel bolts and screws 11 and 12, which run parallel and around the central Longitudinal axis are arranged to be drawn together. Two bolts and screws are shown in FIG. 1 visible, but the total number can be as large as necessary to achieve the necessary distribution of the clamping pressure to achieve. To interrupt the electrical connection between the two aluminum disks 10, the bolt openings in an aluminum plate 10 are covered with Aspha-aluminum oxide sleeves 13 and an asbestos plate 14 is attached between the heads of the bolts and the aluminum plate 10.

Die Stahlbolzen 12 haben einen größeren Wärmeausdehnungs-Koeffizienten als die Zellenkörper 1. Um eine Gesamtkompressionskraft auf den Stapel der Zellenkörper aufrechtzuerhalten, wenn die Temperatur auf die Zellen-Arbeits-Temperalur ansteigt, besitzen die zwei Scheiben 10 eine berechnete Dicke und bestehen aus einem Metall, das einen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten besitzt, welcher größer ist als der von Stahl, in diesem Beispiel Aluminium.The steel bolts 12 have a larger coefficient of thermal expansion than the cell bodies 1. To have a total compressive force on the stack of cell bodies to be maintained when the temperature rises to the cell working temperature the two disks 10 have a calculated thickness and are made of a metal that has a coefficient of thermal expansion which is larger than that of steel, in this example aluminum.

Die lineare Ausdehnung der zwei Aluminiumscheiben 10, die von den Stahlbolzenköpfen und Muttern eingespannt sind, übersteigt und kompensiert daher die der Stahlbolzen 12.The linear extent of the two aluminum washers 10 held by the steel bolt heads and nuts are clamped, therefore exceeds and compensates for that of the steel bolts 12.

So wird unter den normalen Arbeitstemperaturen der Batterie, ^. S. 250° C. eine Druckkraft durch den Stapel der Zelien 1 aufrechterhalten.So under the normal working temperatures of the battery, ^. S. 250 ° C. a compressive force through the Maintain stack of Zelien 1.

Für geringere Temperaturdifferenzen kann das Kompensationsmaterial ein thermisch hoch ausdehnungsfähiges organisches Material oder eine Verbindung sein, mit einem ausreichenden Widerstand gegen thermische Verformung.For smaller temperature differences, the compensation material can be a thermally highly expandable one organic material or compound with sufficient resistance to thermal deformation.

Die berechnete Gesamtlänge der Aluminiumdistanzscheiben, die erforderlich für die Erhaltung eines Dichtungsdrucks in einem Batteriestapel ist beträgt etwa 50% der Länge des Batteriestapels. Eine zusätzliche Länge des Kompensaiionsmetalls kann notwendig sein, um die Komprimierbarkeit der verwendeten Dichtungen aufzunehmen, falls Druckdichtungen in den individuellen Zellen des Stapels verwendet werden.The calculated total length of the aluminum spacers required to maintain a seal pressure in a battery pack is approximately 50% of the length of the battery pack. An additional The length of the compensation metal may be necessary to ensure the compressibility of the seals used if pressure seals are used in the individual cells of the stack.

F i g. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei die Aluminiur..scheiben 10 durch Aluminiumbuchsen 16 ersetzt sind, die individuell auf die Bolzen 12 gesetzt sind und an einem Ende über eine isolierende Beilagscheibe 13 an das Ende der Platte 15 stoßen.F i g. 2 shows a modification of the exemplary embodiment from FIG. 1, the aluminum disks 10 are replaced by aluminum bushings 16, which are individually placed on the bolts 12 and over at one end butt an insulating washer 13 against the end of the plate 15.

In einer Versuchskonstruktion bestand eine Batterie aus zwanzig Zellen 1 mit »grafoil« Dichtungen, welche die Druckdichtungen 3 bildeten. Die Länge der Kornpensationsaluminiumbuchsen 16 betrug 90% der Länge des Stapels. Die Batterie arbeitete bei 350⁰C, gab eine elektrische Spannung von 40 Volt ab, und der Druck auf die Dichtung wurde aufrechterhalten. »Grafoii« ist eine Handelsbezeichnung für eine flexible Graphitdichtung, bestehend aus flockenförmigem Graphit, der zu Tafeln oder Blättern verpreßt ist.In a test construction, a battery consisted of twenty cells 1 with "grafoil" seals, which formed the pressure seals 3. The length of the compensation aluminum sleeves 16 was 90% of the length of the stack. The battery operated at 350 ^° C., delivered an electrical voltage of 40 volts, and the pressure on the seal was maintained. "Grafoii" is a trade name for a flexible graphite seal, consisting of flaky graphite that is pressed into sheets or sheets.

In einer zweiten Versuchskonstruktic ι war ein Stapel von drei Zellen verbunden und zusammengespannt der Aluminiumröhren mit einer Länge von 150% der Stapellängen beinhaltete. Die mechanische Druckdichtung wurde erfolgreich während des Betriebes bei 350° C aufrechterhalten.In a second experimental construction there was a stack connected by three cells and clamped together made of aluminum tubes with a length of 150% of the Stacked lengths included. The mechanical pressure seal was successful during operation Maintain 350 ° C.

In F i g. 3 ist ein Zellenstapel 20 dargestellt Endabdeckungen 21 umgreifen die Enden des Stapels 20 der Zellen und sind mittels Schrauben und Bolzen 23 und 24 zusammengepreßt welche durch nach außen gebo-In Fig. 3, a cell stack 20 is shown. End covers 21 encompass the ends of the stack 20 of FIG Cells and are pressed together by means of screws and bolts 23 and 24 which are bent outwards through

gene Flansche 26 der Abdeckungen 21 verlaufen, und den Klemmdruck auf die Abdeckung 21 durch Aluminiumdistanzscheiben 22 in Form von Buchsen auf den Schrauben 24 ausüben. Die elektrische Verbindung ist durch eine Aluminiumoxidkeramik-Beilagscheibe 25 unterbrochen. Der Ausdehnungs-Koeffizient der Teile 21, 22 und 24 ist so beschaffen, daß die Druckdichtungen 3 (F i g. 1) in der Zellenstapeleinheit so wie sie gebildet wurden, unabhängig von der Arbeitstemperatur, wirksam bleiben. Durch diese Konstruktion ist die Gesamtlänge der Batterie im Vergleich mit der Konstruktion der F i g. 2 reduziert, da die Aluminiumbuchsen 22 innerhalb der Stapellänge enthalten sind.gene flanges 26 of the covers 21 extend, and the clamping pressure on the cover 21 by aluminum spacers 22 in the form of sockets on the screws 24. The electrical connection is interrupted by an aluminum oxide ceramic washer 25. The expansion coefficient of the parts 21, 22 and 24 is such that the pressure seals 3 (Fig. 1) are formed in the cell stack unit as they are remain effective regardless of the working temperature. Through this construction the total length is of the battery in comparison with the construction of FIG. 2 because the aluminum bushings 22 are included within the stack length.

Fig.4 zeigt eine Konstruktion, die mit der Konstruktion in F i g. 3 identisch ist, mit der Ausnahme, daßFig.4 shows a construction that is associated with the construction in Fig. 3 is identical with the exception that

die Endabdeckungen 21 eine geschlossene Außenwand 27 aufweisen, die die Festigkeit und Stärke der Endabdeckungen 21 vergrößert.the end covers 21 have a closed outer wall 27 which increases the strength and strength of the end covers 21 enlarged.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und/oder beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen, sowie Teil- und/oder Unterkombinationen der beschriebenen bzw. gezeigten Merkmale und Maßnahmen.The invention is not limited to the illustrated and / or described exemplary embodiments. she also includes all specialist modifications, as well as partial and / or sub-combinations of those described or features and measures shown.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electric battery from a stack of layer cells, which by means of a bolt and end links containing clamping device are clamped together, the end links with corresponding Ends of the stack cooperate, d a characterized in that the end members (10) have a higher coefficient of thermal expansion have than the bolts (12), so that when the working temperature of the battery rises and thus the clamping pressure in the event of thermal expansion of the stack and the clamping device remains at least constant on the stack.

2. Electric battery consisting of one. stack vcn layer cells, which are clamped together by means of a clamping device containing bolts and end links are, the end links cooperating with corresponding ends of the stack, characterized in that the clamping device has bolts (12) which secure the end links (15) connect and cause the end links to exert a clamping pressure on the stack (1) that Sockets (16) are arranged on these bolts (12), via which the clamping force on the end links (15) is applied, and that the bushings (16) have a higher coefficient of expansion than the bolts (12).

3. Electric battery according to claim 2, characterized in that the end members cover members (21) which extend over the ends of the stack (20) and which the bolts (24) through a after outwardly directed edge (26) of these cover members go through, and that the bushings (22) inside the length of the stack.

4. Electric battery according to claim 3, characterized in that the end cover members (21) each have an outer wall (27).

5. Electric battery according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the cells (1) include pressure seals (3) maintained by the tensioner (12) will.

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