專利名稱：雙極性氫鎳電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池裝置，具體是指一種雙極性氫鎳電池裝置。
背景技術(shù)：
氫鎳電池是二十世紀(jì)80年代以來在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)明的一種新型蓄電池，它沒有鎘的污染、基本消除了記憶效應(yīng)、有更高的比能量，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是，氫鎳電池的自放電大，壽命比鎳鎘電池大幅度縮短(約500次)，使它的發(fā)展受到了制約，除了在作為少數(shù)動力電池(電動汽車)外，它幾乎被后來的鋰離子電池所取代。氫鎳電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，都是由于其儲氫合金造成的。即儲氫合金在堿性電解液里的不穩(wěn)定造成了電池的自放電嚴(yán)重；儲氫合金在堿性電解液里的腐蝕、粉化和結(jié)構(gòu)破壞造成了電池壽命的縮短。如果能夠把儲氫合金從電池的內(nèi)部轉(zhuǎn)移出來，那么氫鎳電池面臨的問題就可以迎刃而解。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種把儲氫合金從電池的內(nèi)部轉(zhuǎn)移出來，且電極極化小，電池電壓更高，成本低廉，可靠性高，控制相對簡單的雙極性氫鎳電池裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的雙極性氫鎳電池裝置，包括雙極電池和儲氫裝置，其特殊之處在于:所述儲氫裝置設(shè)置在雙極電池的外部，所述儲氫裝置通過有閥門的氫氣管道與雙極電池連接，所述雙極電池包括復(fù)合正極端板、復(fù)合負(fù)極端板和連接在復(fù)合正、負(fù)極端板之間的多個并排排列的復(fù)合雙極板；所述復(fù)合雙極板包括導(dǎo)電基板和分別設(shè)于導(dǎo)電基板兩側(cè)的正極活性物質(zhì)層和復(fù)合隔膜，所述導(dǎo)電基板的一面設(shè)有作為氫氣進(jìn)出通道的氫氣流場凹槽，所述氫氣流場凹槽的首尾端在導(dǎo)電基板上分別開設(shè)有氣體出入口，所述氣體出入口為通孔；所述復(fù)合隔膜粘貼在導(dǎo)電基板上設(shè)有氫氣流場凹槽的一側(cè)，所述正極活性物質(zhì)層敷設(shè)在導(dǎo)電基板的另一側(cè)且覆蓋所述氣體出入口 ；所述復(fù)合正極端板包括正極端板和敷設(shè)在正極端板上的正極活性物質(zhì)層，所述正極端板設(shè)有與氣體出入口相對應(yīng)的出氣孔，所述正極活性物質(zhì)層覆蓋于出氣孔上；所述復(fù)合負(fù)極端板包括負(fù)極端板和敷設(shè)在負(fù)極端板上的導(dǎo)電基板，所述負(fù)極端板設(shè)有與氣體出入口相對應(yīng)的進(jìn)氣孔，所述導(dǎo)電基板設(shè)有氫氣流場凹槽的一面還設(shè)有復(fù)合隔膜，且與相鄰的復(fù)合雙極板的正極活性物質(zhì)層連接。作為優(yōu)選方案，在所述相鄰的復(fù)合正極端板與復(fù)合雙極板之間，相鄰的復(fù)合雙極板之間，復(fù)合雙極板與復(fù)合負(fù)極端板之間還設(shè)有能將正極活性物質(zhì)層和復(fù)合隔膜的外周密封的密封絕緣邊框；所述密封絕緣邊框?yàn)檠卣龢O活性物質(zhì)層外緣布置的矩形結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述氣體出入口上設(shè)有絕緣墊圈，所述絕緣墊圈沿氣體出入口的孔周布置。更進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣孔通過氫氣管道與雙極電池的外部的儲氫裝置連接。進(jìn)一步地，所述正極活性物質(zhì)層的活性物質(zhì)為NiOOH。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:其一:電極極化小，電池電壓更高(1.2V) 0.8V);其二:不需要使用貴金屬催化劑，沒有成本和資源的約束；其三:可以使用廉價(jià)的金屬雙極板，節(jié)約了成本，提高了可靠性；其四:不必使用昂貴的質(zhì)子交換膜；其五:沒有復(fù)雜的水管理和熱管理，控制相對簡單。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明設(shè)置氫氣流場凹槽的雙極板結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明復(fù)合雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明加了密封絕緣邊框和絕緣墊圈的復(fù)合雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明的負(fù)極端板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明的復(fù)合負(fù)極端板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明的正極端板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明的復(fù)合正極端板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明的電堆組裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1、導(dǎo)電基板，2、氫氣流場凹槽，3、氣體出入口，4、注液孔，5、正極活性物質(zhì)層，6、復(fù)合隔膜， 7、復(fù)合正極端板，8、復(fù)合負(fù)極端板，9、正極端板，10、密封絕緣邊框，11、負(fù)極端板，12、絕緣墊圈，13、儲氫裝置，14、閥門，15、雙極電池，16、復(fù)合雙極板，17、進(jìn)氣孔，18、出氣孔，19、臨時(shí)引流極耳，20、注液孔塞。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖1所示的雙極性氫鎳電池裝置，包括雙極電池15和儲氫裝置13，儲氫裝置13設(shè)置在雙極電池15的外部，儲氫裝置13通過有閥門14的氫氣管道與雙極電池15連接，雙極電池15包括復(fù)合正極端板7、復(fù)合負(fù)極端板8和連接在復(fù)合正、負(fù)極端板7，8之間的多個并排排列的復(fù)合雙極板16 ;復(fù)合雙極板16包括導(dǎo)電基板I和分別設(shè)于導(dǎo)電基板I兩側(cè)的正極活性物質(zhì)層5和復(fù)合隔膜6，導(dǎo)電基板I的一面設(shè)有作為氫氣進(jìn)出通道的氫氣流場凹槽2，氫氣流場凹槽2的首尾端在導(dǎo)電基板I上分別開設(shè)有氣體出入口 3，氣體出入口 3為通孔；復(fù)合隔膜6粘貼在導(dǎo)電基板I上設(shè)有氫氣流場凹槽2的一側(cè)，正極活性物質(zhì)層5敷設(shè)在導(dǎo)電基板I的另一側(cè)且覆蓋氣體出入口 3 ;復(fù)合正極端板7包括正極端板9和敷設(shè)在正極端板9上的正極活性物質(zhì)層5，正極端板9設(shè)有與氣體出入口 3相對應(yīng)的出氣孔18，正極活性物質(zhì)層5覆蓋于出氣孔18上；復(fù)合負(fù)極端板8包括負(fù)極端板11和敷設(shè)在負(fù)極端板11上的導(dǎo)電基板1，負(fù)極端板11設(shè)有與氣體出入口 3相對應(yīng)的進(jìn)氣孔17，導(dǎo)電基板I設(shè)有氫氣流場凹槽2的一面還設(shè)有復(fù)合隔膜6，且與相鄰的復(fù)合雙極板16的正極活性物質(zhì)層5連接。在相鄰的復(fù)合正極端板7與復(fù)合雙極板16之間，相鄰的復(fù)合雙極板16之間，復(fù)合雙極板16與復(fù)合負(fù)極端板8之間還設(shè)有能將正極活性物質(zhì)層5和復(fù)合隔膜6的外周密封的密封絕緣邊框10 ;密封絕緣邊框10為沿正極活性物質(zhì)層5外緣布置的矩形結(jié)構(gòu)；氣體出入口 3上有絕緣墊圈12，絕緣墊圈12沿氣體出入口 3的孔周布置；進(jìn)氣孔17通過氫氣管道與雙極電池15的外部的儲氫裝置13連接；正極活性物質(zhì)層5的活性物質(zhì)為NiOOH。實(shí)施方法1:1、制作復(fù)合雙極板16。以矩形鎳板或鍍鎳鋼板為導(dǎo)電基板1，厚度約0.5mm，其中一邊預(yù)留用于引流的臨時(shí)引流極耳19，作為電池的終端引流和化成接線；除用于終端引流的兩片外，其余的臨時(shí)引流極耳19在化成完后可以剪除。通過激光刻蝕的方法在導(dǎo)電基板I表面完成氫氣流場凹槽2的加工，并同時(shí)沖出用于氫氣流通的氣體出入口 4，以及四周用于緊固裝配螺栓的孔。導(dǎo)電基板I上制作氫氣流場凹槽2之后，其背面保持必要的粗糙度以利于正極活性物質(zhì)層5的敷設(shè)，其中正極活性物質(zhì)漿料的制作方法是將高密度球形Ni(0H)2、導(dǎo)電劑CoO、黏結(jié)劑羧甲基纖維素(CMC)水溶液按一定比例進(jìn)行配料，用適量去離子水混合均勻后進(jìn)行涂覆，然后進(jìn)行干燥、燒結(jié)處理，然后用陪板(不銹鋼板)完成預(yù)化成，并進(jìn)行清洗和干燥處理。以雷尼鎳或雷尼銀作為催化劑，與氫鎳電池用聚乙烯無紡布磺化隔膜進(jìn)行復(fù)合，形成二合一復(fù)合隔膜6，將復(fù)合隔膜6粘貼在導(dǎo)電基板I上設(shè)置有氫氣流場凹槽2的一側(cè)制成復(fù)合雙極板16。2、制作復(fù)合正極端板7、復(fù)合負(fù)極端板8和絕緣墊圈12:采用厚度約5mm的表面鍍鎳不銹鋼板或其他金屬板制作端板，厚度要滿足裝配強(qiáng)度要求；其中復(fù)合負(fù)極端板8的內(nèi)側(cè)預(yù)先設(shè)置氫氣流場凹槽2和氣體出入口 3。采用尼龍塑料制作絕緣密封邊框10，厚度約
0.2mm，其長寬尺寸與基板一樣，在絕緣密封邊框10上設(shè)置有注液孔4和注液孔塞20 ;采用乙丙橡膠材料制作氣體出入口 4位置對應(yīng)的絕緣墊圈12。3、裝配雙極性氫鎳電池裝置:按復(fù)合負(fù)極端板8、密封絕緣邊框10 (其含有注液孔4)、復(fù)合雙極板、密封絕緣邊框10 (其含有注液孔4)、復(fù)合雙極板16、……密封絕緣邊框10(其含有注液孔4)、復(fù)合雙極板16、復(fù)合正極端板7等元件依次按規(guī)定順序進(jìn)行疊放，然后用緊固螺栓固定，然后用激光把塑料與金屬的交接面焊牢，保持密封?；蛘咴诿芊饨^緣邊框10上預(yù)先涂覆一側(cè)熱熔性粘結(jié)劑，雙極性氫鎳電池裝置緊固后，在一定加熱加壓條件下進(jìn)行密封處理。將儲氫裝置13-高壓壓縮儲氫罐用帶閥門14的管道與雙極性氫鎳電池裝置本體連接起來。采用真空注液機(jī)，通過密封絕緣邊框10上預(yù)留的注液孔4向?qū)ρb配并密封后的雙極性氫鎳電池裝置本體定量灌注堿性電解液，然后用注液孔塞20封閉注液孔4。即完成雙極性氫鎳電池裝置的制作，打開閥門14電池即可放電，然后充電；在電池不進(jìn)行充放電時(shí)，要關(guān)住閥門14。實(shí)施方法2:制作復(fù)合雙極板16:采用機(jī)械沖壓的方式在厚度為0.1mm的鍍鎳不銹鋼箔帶基材上沖壓氫氣流場凹槽2，并按復(fù)合雙極板16設(shè)計(jì)的長寬尺寸進(jìn)行沖裁備用。采用單面涂布方法將正極活性物質(zhì)漿料涂布在厚度約0.05mm的鍍鎳不銹鋼箔帶一側(cè)表面上，經(jīng)干燥固化和燒結(jié)處理后，按復(fù)合雙極板16設(shè)計(jì)的長寬尺寸進(jìn)行沖裁備用。采用激光焊接方法將敷設(shè)有正極活性物質(zhì)層5的鍍鎳不銹鋼帶的另一面與設(shè)置有氫氣流場凹槽2的鍍鎳不銹鋼帶背側(cè)焊接在一起，再將復(fù)合隔膜6粘貼在氫氣流場凹2 —側(cè)，形成復(fù)合雙極板16。其他組件的制作方法及雙極性氫鎳電池裝置的裝配均可參考實(shí)施例1進(jìn)行。實(shí)施方法3:制作復(fù)合雙極板16:采用機(jī)械沖壓的方式在厚度為0.1mm的鍍鎳不銹鋼箔帶基材上沖壓氫氣流場凹槽2。將 球形Ni (OH) 2、導(dǎo)電劑CoO和ZnO、黏結(jié)劑羧甲基纖維素(CMC)水溶液和PTFE乳液等按一定比例進(jìn)行配料，用適量去離子水混合均勻并加入涂漿機(jī)料斗中，然后在厚度約0.5mm的泡沫鎳基材上拉漿并做烘干處理。將烘干后的粗帶經(jīng)滾壓機(jī)滾軋，壓到標(biāo)準(zhǔn)厚度，并剪切成規(guī)定尺寸。表面上，經(jīng)干燥固化和燒結(jié)處理后，按復(fù)合雙極板16設(shè)計(jì)的長寬尺寸進(jìn)行沖裁備用。采用激光焊接方法將泡沫鎳電極與設(shè)置有氫氣流場凹槽2的鍍鎳不銹鋼帶背側(cè)焊接在一起，并按復(fù)合雙極板16設(shè)計(jì)的長寬尺寸進(jìn)行沖裁備用。再將復(fù)合隔膜6粘貼在氫氣流場凹槽2 —側(cè)，形成復(fù)合雙極板16。其他組件的制作方法及雙極性氫鎳電池裝置的裝配均可參考實(shí)施例1進(jìn)行。本發(fā)明的工作原理如下:本發(fā)明以鎳板或鍍鎳鋼板為基板，一面是正極活性物質(zhì)NiOOH，另一面只有凹進(jìn)的流道作為氫氣進(jìn)出的通道；作為催化劑的雷尼鎳或雷尼銀與氫鎳電池隔膜復(fù)合在一起；整組電池按燃料電池的方式組裝成電堆，正極部分留有灌注電解液的注液孔4，負(fù)極部分留有氫氣進(jìn)出的通道，該通道通過管路接到外面的儲氫罐。管路上有電磁閥控制，當(dāng)電池?cái)R置時(shí)閥門關(guān)閉，這樣電池就不會有自放電；由于儲氫合金不與堿性電解液接觸，因此就不存在腐蝕和粉化等影響電池壽命的問題，因此電池壽命就只與正極性能有關(guān)。根據(jù)鎳正極在不同類型的電池如鎳鎘電池、鎳鐵電池里的使用經(jīng)驗(yàn)，即使100%D0D循環(huán)，它也能使用5000次以上。對于儲氫合金，由于與堿液隔離，也可以不受限制地使用儲氫密度更大的儲氫材料，還可以直接用高壓氫氣瓶替代，即使出現(xiàn)異常，也可以方便地進(jìn)行維修更換。由于電池組為雙極性的結(jié)構(gòu)，省略了大量的內(nèi)部連接件，電池組的內(nèi)阻大幅度減小，其比能量和比功率等性能參數(shù)均會得到進(jìn)一步的提高；電池的每一片極板、每一片極板上電流密度分布都相對較均勻，而且即使大電流放電電流密度也會很小，這樣電池就不會產(chǎn)生不均衡的問題，電池的可靠性和壽命會得到進(jìn)一步的提高。這樣的氫鎳電池，特別適合電動車輛和大規(guī)模地儲能應(yīng)用。用于電動車船時(shí)，電池直接設(shè)計(jì)成與電機(jī)的電壓等級相匹配。用于儲能時(shí)，可用多個電堆并聯(lián)形成大容量高電壓儲能組件，各電堆可以單獨(dú)使用一個儲氫罐，也可以共用一個儲氫罐。這樣的雙極性氫鎳電池裝置，實(shí)際上是一個堿性半燃料電池，不同的是用鎳電極代替了氧電極。由于正、負(fù)極活性物質(zhì)的分離和電堆的雙極性結(jié)構(gòu)，不僅提高了負(fù)極活性物質(zhì)的靈活性 ，如可以采用儲氫密度更高的合金材料、還可以用高壓氫氣瓶；還可以避免電池內(nèi)部的自放電,提高電池的比能、比功率和壽命。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改，包括采用不同種類的和不同的的復(fù)合方式、采用不同種類的或催化劑、正極活性物質(zhì)和添加劑種類及配比變化、電解液和添加劑種類及配比變化、儲氫方法和氫源種類的變化等均屬于本發(fā)明權(quán)利要求范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙極性氫鎳電池裝置，包括雙極電池(15)和儲氫裝置(13)，其特征在于:所述儲氫裝置(13)設(shè)置在雙極電池(15)的外部，所述儲氫裝置(13)通過有閥門(14)的氫氣管道與雙極電池(15)連接，所述雙極電池(15)包括復(fù)合正極端板(7)、復(fù)合負(fù)極端板(8)和連接在復(fù)合正、負(fù)極端板(7，8 )之間的多個并排排列的復(fù)合雙極板(16 );所述復(fù)合雙極板(16)包括導(dǎo)電基板(I)和分別設(shè)于導(dǎo)電基板(I)兩側(cè)的正極活性物質(zhì)層(5)和復(fù)合隔膜(6)，所述導(dǎo)電基板(I)的一面設(shè)有作為氫氣進(jìn)出通道的氫氣流場凹槽(2)，所述氫氣流場凹槽(2)的首尾端在導(dǎo)電基板(I)上分別開設(shè)有氣體出入口(3)，所述氣體出入口(3)為通孔；所述復(fù)合隔膜(6)粘貼在導(dǎo)電基板(I)上設(shè)有氫氣流場凹槽(2)的一側(cè)，所述正極活性物質(zhì)層(5)敷設(shè)在導(dǎo)電基板(I)的另一側(cè)且覆蓋所述氣體出入口(3);所述復(fù)合正極端板(7)包括正極端板(9)和敷設(shè)在正極端板(9)上的正極活性物質(zhì)層(5)，所述正極端板(9)設(shè)有與氣體出入口(3)相對應(yīng)的出氣孔(18)，所述正極活性物質(zhì)層(5)覆蓋于出氣孔(18)上；所述復(fù)合負(fù)極端板(8)包括負(fù)極端板(11)和敷設(shè)在負(fù)極端板(11)上的導(dǎo)電基板(1)，所述負(fù)極端板(11)設(shè)有與氣體出入口( 3)相對應(yīng)的進(jìn)氣孔(17)，所述導(dǎo)電基板(I)設(shè)有氫氣流場凹槽(2)的一面還設(shè)有復(fù)合隔膜(6)，且與相鄰的復(fù)合雙極板(16)上的的正極活性物質(zhì)層(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:在所述相鄰的復(fù)合正極端板(7)與復(fù)合雙極板(16)之間，相鄰的復(fù)合雙極板(16)之間，復(fù)合雙極板(16)與復(fù)合負(fù)極端板(8)之間還設(shè)有能將正極活性物質(zhì)層(5)和復(fù)合隔膜(6)的外周密封的密封絕緣邊框(10);所述密封絕緣邊框(10)為沿正極活性物質(zhì)層(5)外緣布置的矩形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:所述氣體出入口(3)上設(shè)有絕緣墊圈(12)，所述絕緣墊圈(12)沿氣體出入口(3)的孔周布置。·
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:所述進(jìn)氣孔(17)通過氫氣管道與雙極電池(15)的外部的儲氫裝置(13)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:所述進(jìn)氣孔(17)通過氫氣管道與雙極電池(15)的外部的儲氫裝置(13)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:所述正極活性物質(zhì)層(5)的活性物質(zhì)為NiOOH。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙極性氫鎳電池裝置，包括雙極電池和儲氫裝置，儲氫裝置設(shè)置在雙極電池的外部，它通過有閥門的氫氣管道與雙極電池連接，雙極電池包括復(fù)合正極端板、復(fù)合負(fù)極端板和連接在兩者之間的多個并排排列的復(fù)合雙極板；復(fù)合雙極板包括導(dǎo)電基板和分別設(shè)于基板兩側(cè)的正極活性物質(zhì)層和復(fù)合隔膜，導(dǎo)電基板的一面設(shè)有作為氫氣進(jìn)出通道的氫氣流場凹槽，氫氣流場凹槽的首尾端在導(dǎo)電基板上開設(shè)有通孔的氣體出入口；復(fù)合隔膜粘貼在導(dǎo)電基板上設(shè)有氫氣流場凹槽的一側(cè)，正極活性物質(zhì)層敷設(shè)在另一側(cè)。本發(fā)明儲氫合金從電池的內(nèi)部轉(zhuǎn)移出來，且電極極化小，電池電壓更高，成本低廉，可靠性高，控制相對簡單，提高了電池裝置的比能、比功率和壽命。
文檔編號H01M8/02GK103219564SQ20131008920
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者錢志剛, 孫世強(qiáng) 申請人:錢志剛, 孫世強(qiáng)