專利名稱：雙極性氫鎳電池裝置的制作方法
技術領域：
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：
氫鎳電池是二十世紀80年代以來在鎳鎘電池的基礎上發(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、有更高的比能量，因而得到了廣泛的應用。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)點和缺點，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重；儲氫合金在堿性電解液里的腐蝕、粉化和結構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部轉移出來，那么氫鎳電池面臨的問題就可以迎刃而解。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是要提供一種把儲氫合金從電池的內部轉移出來，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。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計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合正極端板、復合負極端板和連接在復合正、負極端板之間的多個并排排列的復合雙極板；所述復合雙極板包括導電基板和分別設于導電基板兩側的正極活性物質層和復合隔膜，所述導電基板的一面設有作為氫氣進出通道的氫氣流場凹槽，所述氫氣流場凹槽的首尾端在導電基板上分別開設有氣體出入口，所述氣體出入口為通孔；所述復合隔膜粘貼在導電基板上設有氫氣流場凹槽的一側，所述正極活性物質層敷設在導電基板的另一側且覆蓋所述氣體出入口 ；所述復合正極端板包括正極端板和敷設在正極端板上的正極活性物質層，所述正極端板設有與氣體出入口相對應的出氣孔，所述正極活性物質層覆蓋于出氣孔上；所述復合負極端板包括負極端板和敷設在負極端板上的導電基板，所述負極端板設有與氣體出入口相對應的進氣孔，所述導電基板設有氫氣流場凹槽的一面還設有復合隔膜，且與相鄰的復合雙極板的正極活性物質層連接。作為優(yōu)選方案，在所述相鄰的復合正極端板與復合雙極板之間，相鄰的復合雙極板之間，復合雙極板與復合負極端板之間還設有能將正極活性物質層和復合隔膜的外周密封的密封絕緣邊框；所述密封絕緣邊框為沿正極活性物質層外緣布置的矩形結構。進一步地，所述氣體出入口上設有絕緣墊圈，所述絕緣墊圈沿氣體出入口的孔周布置。更進一步地，所述進氣孔通過氫氣管道與雙極電池的外部的儲氫裝置連接。進一步地，所述正極活性物質層的活性物質為NiOOH。本發(fā)明的優(yōu)點在于: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:不必使用昂貴的質子交換膜；其五:沒有復雜的水管理和熱管理，控制相對簡單。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖。圖2是本發(fā)明設置氫氣流場凹槽的雙極板結構示意圖。圖3是圖2的側視結構示意圖。圖4是本發(fā)明復合雙極板的結構示意圖。圖5是本發(fā)明加了密封絕緣邊框和絕緣墊圈的復合雙極板的結構示意圖。圖6是本發(fā)明的負極端板的結構示意圖。圖7是本發(fā)明的復合負極端板的結構示意圖。圖8是本發(fā)明的正極端板的結構示意圖。圖9是本發(fā)明的復合正極端板的結構示意圖。圖10是本發(fā)明的電堆組裝結構示意圖。圖中:1、導電基板，2、氫氣流場凹槽，3、氣體出入口，4、注液孔，5、正極活性物質層，6、復合隔膜， 7、復合正極端板，8、復合負極端板，9、正極端板，10、密封絕緣邊框，11、負極端板，12、絕緣墊圈，13、儲氫裝置，14、閥門，15、雙極電池，16、復合雙極板，17、進氣孔，18、出氣孔，19、臨時引流極耳，20、注液孔塞。
具體實施例方式現(xiàn)在結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。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包括復合正極端板7、復合負極端板8和連接在復合正、負極端板7，8之間的多個并排排列的復合雙極板16 ;復合雙極板16包括導電基板I和分別設于導電基板I兩側的正極活性物質層5和復合隔膜6，導電基板I的一面設有作為氫氣進出通道的氫氣流場凹槽2，氫氣流場凹槽2的首尾端在導電基板I上分別開設有氣體出入口 3，氣體出入口 3為通孔；復合隔膜6粘貼在導電基板I上設有氫氣流場凹槽2的一側，正極活性物質層5敷設在導電基板I的另一側且覆蓋氣體出入口 3 ;復合正極端板7包括正極端板9和敷設在正極端板9上的正極活性物質層5，正極端板9設有與氣體出入口 3相對應的出氣孔18，正極活性物質層5覆蓋于出氣孔18上；復合負極端板8包括負極端板11和敷設在負極端板11上的導電基板1，負極端板11設有與氣體出入口 3相對應的進氣孔17，導電基板I設有氫氣流場凹槽2的一面還設有復合隔膜6，且與相鄰的復合雙極板16的正極活性物質層5連接。在相鄰的復合正極端板7與復合雙極板16之間，相鄰的復合雙極板16之間，復合雙極板16與復合負極端板8之間還設有能將正極活性物質層5和復合隔膜6的外周密封的密封絕緣邊框10 ;密封絕緣邊框10為沿正極活性物質層5外緣布置的矩形結構；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；正極活性物質層5的活性物質為NiOOH。實施方法1:1、制作復合雙極板16。以矩形鎳板或鍍鎳鋼板為導電基板1，厚度約0.5mm，其中一邊預留用于引流的臨時引流極耳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電基板I表面完成氫氣流場凹槽2的加工，并同時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層5的敷設，其中正極活性物質漿料的制作方法是將高密度球形Ni(0H)2、導電劑CoO、黏結劑羧甲基纖維素(CMC)水溶液按一定比例進行配料，用適量去離子水混合均勻后進行涂覆，然后進行干燥、燒結處理，然后用陪板(不銹鋼板)完成預化成，并進行清洗和干燥處理。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行復合，形成二合一復合隔膜6，將復合隔膜6粘貼在導電基板I上設置有氫氣流場凹槽2的一側制成復合雙極板16。2、制作復合正極端板7、復合負極端板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，厚度要滿足裝配強度要求；其中復合負極端板8的內側預先設置氫氣流場凹槽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位置對應的絕緣墊圈12。3、裝配雙極性氫鎳電池裝置:按復合負極端板8、密封絕緣邊框10 (其含有注液孔4)、復合雙極板、密封絕緣邊框10 (其含有注液孔4)、復合雙極板16、……密封絕緣邊框10(其含有注液孔4)、復合雙極板16、復合正極端板7等元件依次按規(guī)定順序進行疊放，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。或者在密封絕緣邊框10上預先涂覆一側熱熔性粘結劑，雙極性氫鎳電池裝置緊固后，在一定加熱加壓條件下進行密封處理。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，通過密封絕緣邊框10上預留的注液孔4向對裝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；在電池不進行充放電時，要關住閥門14。實施方法2:制作復合雙極板16:采用機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，并按復合雙極板16設計的長寬尺寸進行沖裁備用。采用單面涂布方法將正極活性物質漿料涂布在厚度約0.05mm的鍍鎳不銹鋼箔帶一側表面上，經干燥固化和燒結處理后，按復合雙極板16設計的長寬尺寸進行沖裁備用。采用激光焊接方法將敷設有正極活性物質層5的鍍鎳不銹鋼帶的另一面與設置有氫氣流場凹槽2的鍍鎳不銹鋼帶背側焊接在一起，再將復合隔膜6粘貼在氫氣流場凹2 —側，形成復合雙極板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施例1進行。實施方法3:制作復合雙極板16:采用機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、導電劑CoO和ZnO、黏結劑羧甲基纖維素(CMC)水溶液和PTFE乳液等按一定比例進行配料，用適量去離子水混合均勻并加入涂漿機料斗中，然后在厚度約0.5mm的泡沫鎳基材上拉漿并做烘干處理。將烘干后的粗帶經滾壓機滾軋，壓到標準厚度，并剪切成規(guī)定尺寸。表面上，經干燥固化和燒結處理后，按復合雙極板16設計的長寬尺寸進行沖裁備用。采用激光焊接方法將泡沫鎳電極與設置有氫氣流場凹槽2的鍍鎳不銹鋼帶背側焊接在一起，并按復合雙極板16設計的長寬尺寸進行沖裁備用。再將復合隔膜6粘貼在氫氣流場凹槽2 —側，形成復合雙極板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施例1進行。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NiOOH，另一面只有凹進的流道作為氫氣進出的通道；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，負極部分留有氫氣進出的通道，該通道通過管路接到外面的儲氫罐。管路上有電磁閥控制，當電池擱置時閥門關閉，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。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驗，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，也可以方便地進行維修更換。由于電池組為雙極性的結構，省略了大量的內部連接件，電池組的內阻大幅度減小，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，這樣電池就不會產生不均衡的問題，電池的可靠性和壽命會得到進一步的提高。這樣的氫鎳電池，特別適合電動車輛和大規(guī)模地儲能應用。用于電動車船時，電池直接設計成與電機的電壓等級相匹配。用于儲能時，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、負極活性物質的分離和電堆的雙極性結構，不僅提高了負極活性物質的靈活性 ，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；還可以避免電池內部的自放電,提高電池的比能、比功率和壽命。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內，進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合方式、采用不同種類的或催化劑、正極活性物質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)明權利要求范圍。
權利要求
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)包括復合正極端板(7)、復合負極端板(8)和連接在復合正、負極端板(7，8 )之間的多個并排排列的復合雙極板(16 );所述復合雙極板(16)包括導電基板(I)和分別設于導電基板(I)兩側的正極活性物質層(5)和復合隔膜(6)，所述導電基板(I)的一面設有作為氫氣進出通道的氫氣流場凹槽(2)，所述氫氣流場凹槽(2)的首尾端在導電基板(I)上分別開設有氣體出入口(3)，所述氣體出入口(3)為通孔；所述復合隔膜(6)粘貼在導電基板(I)上設有氫氣流場凹槽(2)的一側，所述正極活性物質層(5)敷設在導電基板(I)的另一側且覆蓋所述氣體出入口(3);所述復合正極端板(7)包括正極端板(9)和敷設在正極端板(9)上的正極活性物質層(5)，所述正極端板(9)設有與氣體出入口(3)相對應的出氣孔(18)，所述正極活性物質層(5)覆蓋于出氣孔(18)上；所述復合負極端板(8)包括負極端板(11)和敷設在負極端板(11)上的導電基板(1)，所述負極端板(11)設有與氣體出入口( 3)相對應的進氣孔(17)，所述導電基板(I)設有氫氣流場凹槽(2)的一面還設有復合隔膜(6)，且與相鄰的復合雙極板(16)上的的正極活性物質層(5)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:在所述相鄰的復合正極端板(7)與復合雙極板(16)之間，相鄰的復合雙極板(16)之間，復合雙極板(16)與復合負極端板(8)之間還設有能將正極活性物質層(5)和復合隔膜(6)的外周密封的密封絕緣邊框(10);所述密封絕緣邊框(10)為沿正極活性物質層(5)外緣布置的矩形結構。
3.根據(jù)權利要求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?！?br> 4.根據(jù)權利要求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)權利要求3所述的雙極性氫鎳電池裝置，其特征在于:所述進氣孔(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:所述正極活性物質層(5)的活性物質為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，雙極電池包括復合正極端板、復合負極端板和連接在兩者之間的多個并排排列的復合雙極板；復合雙極板包括導電基板和分別設于基板兩側的正極活性物質層和復合隔膜，導電基板的一面設有作為氫氣進出通道的氫氣流場凹槽，氫氣流場凹槽的首尾端在導電基板上開設有通孔的氣體出入口；復合隔膜粘貼在導電基板上設有氫氣流場凹槽的一側，正極活性物質層敷設在另一側。本發(fā)明儲氫合金從電池的內部轉移出來，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)先權日2013年3月20日
發(fā)明者錢志剛, 孫世強 申請人:錢志剛, 孫世強