DE3780010T2 - Nickel-wasserstoff-speicherzelle mit innerer ueberbrueckung bei stoerung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Nickel- Wasserstoff Speicherzelle, mit:
• - einem aktiven Plattensatz, der eine positive Nickelelektrode, eine negative Wasserstoffelektrode sowie ein Trennelement zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode umfaßt;
• - einem Druckgefäß, das den aktiven Plattensatz sowie einen Elektrolyten enthält, wobei das Druckgefäß elektrische Durchführungen zum Anschließen des aktiven Plattensatzes aufweist; und
• - in dem Druckgefäß enthaltenden Mitteln zum Kurzschließen des Strompfades durch die Zelle, wenn die Spannung über der Zelle einen charakteristischen negativen Wert annimmt.
• Eine Speicherzelle der vorstehend genannten Art ist aus dem Dokument US-A-3 213 345 bekannt.
• Diese vorbekannte Batteriezelle verwendet jeweils eine Halbleiterdiode für jede Zelle einer herkömmlichen Batterie. Die Halbleiterdiode weist einen mit ihr verbundenen, vorgespannten Federkontakt auf. Bei einem erzwungenen Polaritätswechsel irgendeiner der Zellen wird die Diode des entsprechenden Elementes leitfähig und, infolge des Aufheizeffektes des dadurch fließenden Stromes, schnell auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der das Lötzinn mit niedrigem Schmelzpunkt flüssig wird. Auf diese Weise wird der vorgespannte Federkontakt gelöst, der die fehlerhafte Zelle dauerhaft kurzschließt.
• Wiederaufladbare Zellen und Batterien sind elektrochemische Bauelemente zum Speichern und Halten einer elektrischen Ladung und zum späteren Abgeben der Ladung in Gestalt eines Nutzstromes. Ein bekanntes Beispiel einer solchen wiederaufladbaren Zelle sind Bleiakkumulatoren, wie sie in Automobilen verwendet werden. Eine andere Art von Zellen mit größerer Speicherkapazität, gemessen an ihrem Gewicht, sind unter Druck stehende Gas-Metall- Zellen, von denen ein wichtiger Vertreter die Nickel-Wasserstoff- Zelle ist, die bei Raumfahrtanwendungen eingesetzt wird. Eine in einem Satelliten eingesetzte Nickel-Wasserstoff-Zelle wird periodisch durch einen elektrischen Strom aufgeladen, der von Sonnenkollektoren des Raumfahrzeuges erzeugt wird und wird dann später entladen, um elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, wenn das Raumfahrzeug sich im Schattenbereich befindet oder ein Spitzenwert elektrischer Leistung abgegeben werden muß. Eine Nickel-Wasserstoff-Speicherzelle gibt Ströme bei ungefähr 1,3 Volt ab und eine größere Anzahl Zellen ist üblicherweise in Serie geschaltet, um Strom bei der erforderlichen Spannung zu erzeugen, die von den Systemen des Raumfahrzeuges benötigt wird.
• Die Nickel-Wasserstoff-Zelle - wie sie beispielsweise in dem Dokument US-A-4 420 545 beschrieben ist - umfaßt eine Serie von aktiven Plattensätzen, die eine Ladung elektrochemisch speichern und diese Ladung später als Nutzstrom abgeben, wobei der aktive Plattensatz in einem Druckgefäß enthalten ist, das den Elektrolyten der Plattensätze, das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas, die während des Betriebes der Zelle erzeugt werden, ebenso wie den Wasserdampf enthält, der während des Betriebes der Zelle erzeugt wird, wobei diese sämtlich andernfalls entweichen und die Speicherzelle betriebsunfähig machen würden.
• Druckgas-Speicherzellen haben normalerweise eine hervorragende Zuverlässigkeit und können über mehrere tausend Lade- und Entladezyklen während einer normalen Lebensdauer an Bord eines Satelliten oder einer anderen Art Raumfahrzeug arbeiten. Derartige Zellen können jedoch möglicherweise ausfallen, beispielsweise durch einen Bruch des Druckgefäßes, so daß einige der darin enthaltenen Flüssigkeiten oder Gase entweichen können. Wenn diese Art von Ausfall auftritt, dann fällt die Zelle in einem Zustand eines offenen Schaltkreises aus, weil der einzige Strompfad durch die Zelle derjenige durch den Elektrolyten ist, der allmählich verloren geht. Wie bereits erwähnt, wird normalerweise eine Anzahl von Zellen als Batterie in Serie geschaltet, um einen Strom bei einer gewünschten Spannung zur Verfügung zu stellen. Ein Aussetzen im offenen Zustand bei einer dieser Zellen gefährdet daher den Betrieb der gesamten Batterie, weil kein Strompfad durch die Batterie existiert, der an der ausgefallenen Zelle vorbeiführt.
• Aufgrund des Risikos eines Ausfalls der gesamten Batterie infolge des Ausfalls einer einzelnen Zelle, und weil die Batterie für Reparaturarbeiten nicht zugänglich ist, wenn sie sich im Weltall befindet, sind Batterien für den Raumfahrteinsatz normalerweise in eine Ausfallschutz-Schaltung eingebunden, die den Ausfall jeder einzelnen Zelle erkennt und einen Strompfad um diese Zelle herum aufbaut, falls diese ausfällt. Wenn ein Ausfall eintritt, dann isoliert die Ausfallschutz-Schaltung die ausgefallene Zelle und führt den Strom um die ausgefallene Zelle herum. Die Ausgangsspannung der Batterie ist dann um die Spannung der ausgefallenen Zelle vermindert, es ist jedoch allgemein üblich, beim Entwurf der Batterie eine genügende Reserve vorzusehen, so daß sogar eine geringfügige Anzahl von Zellen ausfallen kann, ohne daß die Ausgangsspannung der Batterie unter einen Wert fällt, der für die Versorgungsspannung des Raumfahrzeuges erforderlich ist.
• Ausfallschutz-Schaltungen, die sich außerhalb der Zelle, aber innerhalb der Batterie befinden, umfassen typischerweise ein Netzwerk von Dioden oder Relais - wie beispielsweise im Dokument US-A-4 061 905 beschrieben - um den Zellenausfall zu erkennen und den Strom um die ausgefallene Zelle herum zu führen. Das Gewicht dieser elektrischen Bauelemente und ihrer zugehörigen Verdrahtung trägt jedoch deutlich zum Batteriegewicht bei, so daß die nutzbare Nutzlast des Raumfahrzeuges vermindert wird. Darüberhinaus gefährdet ein Ausfall eines Bauelementes der Ausfallschutz-Schaltung die gesamte Batterie und damit das Raumfahrzeug.
• Es ist daher eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ansatz zur Verfügung zu stellen, durch den der Ausfall einer einzelnen Zelle einer derartigen Speicherbatterie wirkungslos gemacht wird. Dieser Ansatz muß zuverlässig arbeiten, um eine Fortsetzung der Batteriefunktion zu gestatten, ohne dabei von einer externen Schaltung abzuhängen und ohne mehr Zusatzgewicht hinzuzufügen, als man durch die Einsparung der Ausfallschutz-Schaltung gewinnt. Der Ansatz sollte ferner in vollem Umfange kompatibel mit den vorhandenen Elementen der Nickel-Wasserstoff-Zellenkonstruktion sein, weil man weiß, daß derartige Konstruktionen im allgemeinen zuverlässig sind. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen und erbringt damit zusammenhängende Vorteile.
• Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mittel einen kurzschließenden Plattensatz in Parallelschaltung zu dem aktiven Plattensatz umfassen, wobei der kurzschließende Plattensatz so ausgestaltet ist, daß er elektrochemisch reagiert, wenn der charakteristische negative Spannungswert überschritten wird, um einen elektrisch leitenden Kurzschlußpfad über den aktiven Plattensatz durch fortschreitenden Niederschlag eines metallischen Materials auf dem kurzschließenden Plattensatz zu bewirken.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der kurzschließende Plattensatz eine kurzschließende Elektrode, eine lösliche Elektrode sowie ein kurzschließendes Trennelement zwischen der kurzschließenden Elektrode und der löslichen Elektrode, wobei die lösliche Elektrode aus einem Material gebildet ist, das eine hohe Überspannung in Verbindung mit dem Material der kurzschließenden Elektrode bei normaler Funktion der Zelle hat, bei der die maximale negative Spannung der Zelle ungefähr - 0,3 Volt beträgt, und die inert gegenüber dem Elektrolyten ist, wobei das Material der löslichen Elektrode in dem Elektrolyten löslich und in der Lage ist, auf der kurzschließenden Elektrode abgeschieden zu werden, sobald eine negative Spannung von mehr als ungefähr - 1,5 Volt an den kurzschließenden Plattensatz angelegt wird. Das Druckgefäß enthält den aktiven Plattensatz sowie den kurzschließenden Plattensatz. Die lösliche Elektrode ist vorzugsweise eine Silberelektrode; sie mag jedoch auch aus anderen Materialien als Silber bestehen, solange diese nur gegenüber der Zelle dieselbe Funktion aufweisen. Andere geeignete Materialien können beispielsweise Blei, Kupfer und Cadmium sein. Die kurzschließende Elektrode ist vorzugsweise eine Nickelelektrode.
• Bei normaler Funktion der Zelle im Bereich von ungefähr + 1,7 Volt vorwärts bis ungefähr - 0,3 Volt rückwärts fließen vernachlässigbare Ströme in dem kurzschließenden Plattensatz, weil eine Überspannung auf den Nickel- und Silberoberflächen vorhanden ist. Bei normalem Betrieb arbeitet daher eine Speicherzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung im wesentlichen identisch wie eine herkömmliche Nickel-Wasserstoffzelle. Wenn jedoch ein Ausfall beispielsweise ein Bruch in der Wandung des Druckgefäßes auftritt, wird während der Entladung eine große negative Spannung über den kurzschließenden Plattensatz aufgeprägt. Wenn die negative Spannung ungefähr - 1,5 Volt übersteigt (d.h. negativer als dieser Wert ist), dann wird die Silberelektrode zu Silbermonoxid, Ag&sub2;O, oxidiert, das in dem Elektrolyten löslich ist. Das gelöste Silberoxid wandert zur kurzschließenden Elektrode und wird dort zu Silber reduziert, mit dem Erfolg, daß das Silber sich auf der kurzschließenden Elektrode abzusetzen beginnt. Nach einer bestimmten Zeit überbrückt das Silber den Zwischenraum zwischen den kurzschließenden und den Silberelektroden vollständig, so daß diese Elektroden kurzgeschlossen werden und dann die Zelle selbst ebenfalls kurzgeschlossen wird. Weil der kurzschließende Plattensatz parallel zum aktiven Plattensatz angeordnet ist, fällt die Zelle durch einen internen Kurzschluß im kurzgeschlossenen Zustand aus. Ein Ausfall der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt daher einen geschlossenen oder kurzgeschlossenen Ausfall, wodurch elektrischer Strom durch die ausgefallene Zelle hindurchgeleitet wird. Die ausgefallene Zelle erzeugt dann zwar keine Spannung mehr, aber die gesamte Ausgangsspanne der Batterie, von der die ausgefallene Zelle ein in Reihe geschaltetes Bauteil ist, wird lediglich um die Spannung der ausgefallenen Zelle vermindert. Es ist daher keine externe Ausfallschutz-Schaltung erforderlich, um diesen Ausfall im Kurzschlußzustand zu erreichen.
• Die vorliegende Erfindung findet sich daher in einer Nickel- Wasserstoff-Zelle, die aufgrund ihrer internen Struktur im kurzgeschlossenen Zustand ausfällt und zwar ohne die Notwendigkeit einer gegenüber der Zelle externen Ausfallschutz-Schaltung. Ein Ausfall einer einzelnen Zelle der Batterie bewirkt daher keinen Ausfall der Batterie insgesamt, sondern vermindert lediglich die Ausgangsspannung um diejenige der ausgefallenen Zelle. Das Gewicht einer Batterie, die mit derartigen Zellen versehen ist, liegt daher unterhalb des Gewichtes herkömmlicher Batterien mit Ausfallschutz-Schaltung, während sich die Speicherelemente der Zellen nicht ändern.
• Es wird daher verständlich, daß durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung Raumfahrzeugbatterien gegen vollständigen Ausfall geschützt werden können, der sich infolge eines Ausfalls im geöffneten Zustand einer einzelnen Zelle einstellt und zwar ohne die Notwendigkeit einer schweren Ausfallschutz-Schaltung. Bei Ausfall einer einzelnen Zelle bewirkt der kurzschließende Plattensatz in der Zelle, daß die Zelle im kurzgeschlossenen Zustand ausfällt, so daß die Batterie weiter funktionsfähig ist, lediglich bei einer um die Spannung der ausgefallenen Zelle verminderten Spannung.
• Eine Zelle mit einer zusätzlichen Elektrode zum Erfassen des Zellzustandes ist ebenfalls in der US-A-3 470 025 beschrieben. Nach diesem Dokument wird die Spannung zwischen der zusätzlichen Elektrode und der positiven Elektrode erfaßt; ein wesentlicher Anstieg der Spannungsdifferenz zwischen dieser Elektrode ist ein Anzeichen dafür, daß die Zelle vollständig entladen ist, so daß die Entladung gestoppt wird.
• Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, die in Beispielen die Prinzipien der Erfindung illustrieren. In der Zeichnung ist
• Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Nickel-Wasserstoff-Batterie für Luftfahrzwecke mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen;
• Fig. 2 eine Seitenansicht, im Schnitt, einer Nickel-Wasserstoff-Zelle für Luftfahrzwecke, nach der Art gemäß Fig. 1;
• Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2, im wesentlichen entlang der Linie III-III, darstellend die Ausbildung, Anordnung und elektrische Verbindung der aktiven Plattensätze sowie eine bevorzugte Art des kurzschließenden Plattensatzes;
• Fig. 4 eine Seitenansicht, im Schnitt, durch eine alternative Anordnung des kurzschließenden Plattensatzes;
• Fig. 5 eine Seitenansicht, im Schnitt, einer weiteren Ausführung des kurzschließenden Plattensatzes; und
• Fig. 6 eine Funktionsdarstellung einer Spannung über der Zeit während des Wirksamwerdens des kurzschließenden Plattensatzes.
• Gemäß Fig. 1 speichert eine Nickel-Wasserstoff-Batterie 10 Überschußenergie, die von Solarzellen eines Raumfahrzeuges erzeugt wird und liefert dann später die gespeicherte Energie an die Raumfahrzeugsysteme, wenn die Solarzellen die erforderliche Menge nicht liefern können. Die Batterie 10 umfaßt eine Mehrzahl von Nickel-Wasserstoff-Zellen 12 als Energiespeichereinheiten. Jede Zelle 12 liefert gespeicherte Energie bei einer Spannung von ungefähr 1,3 Volt, was zu niedrig ist, um die meisten Raumfahrzeug- Systeme zu versorgen. Die Zellen 12 sind daher in Reihe geschaltet, so wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, um eine Batteriespannung zu erzeugen, die gleich der Summe der einzelnen Spannungen der Zellen 12 ist. Wenn im Beispielsfall der Fig. 1 jede der fünf Zellen 12 eine Ausgangsspannung von 1,3 Volt hat, so liefern die fünf in Serie geschalteten Zellen Strom bei einer Batteriespannung von 6,5 Volt. Falls eine der Zellen 12 ausfällt, ohne daß ein Ausfallschutz vorgesehen ist, dann hätte man eine offene Schaltstrecke, die verhindern würde, daß die Batterie 10 irgendeinen Strom abgibt. Herkömmliche, externe Ausfallschutz-Anordnungen stellen in diesem Falle einen externen Strompfad um die ausgefallene Zelle herum her, wie dies schematisch durch einen gestrichelten Leiter 14 dargestellt ist. Die vorliegende Erfindung erzeugt hingegen einen internen Strompfad, wie er schematisch durch den gestrichelten Leiter 16 illustriert ist, und zwar durch die ausgefallene Zelle, so daß die Batterie weiterhin arbeiten kann und zwar mit der reduzierten Spannung der verbleibenden Zellen, d.h. mit 5,2 Volt im Beispiel der Fig. 1. Der vorliegende Vorschlag vermeidet die Notwendigkeit von schweren Ausfallschutz-Schaltungskomponenten, die erforderlich sind, um einen externen Strompfad 14 zu implementieren.
• Fig. 2 zeigt die Nickel-Wasserstoff-Zelle 12 und ihre Komponenten. Eine derartige Zelle 12 schließt eine Vielzahl von einzelnen aktiven Plattensätzen 18 ein, die parallel geschaltet sind, wie dies im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist. Jeder aktive Plattensatz 18 umfaßt wiederum eine positive Elektrode 20, eine negative Elektrode 22 sowie ein Elektrolyt enthaltendes Trennelement 24, das die Elektroden 20 und 22 körperlich voneinander trennt und ferner das Elektrolytmedium bereitstellt, durch das der Transfer mittels Ionen und Elektronen abläuft. Das Laden und das Entladen der Elektroden 20 und 22 wird über zwei Sätze elektrischer Anschlüsse 26 bewirkt. Alle positiven Elektroden 20 sind mittels eines Satzes Anschlüsse 26 parallel geschaltet und alle negativen Elektroden 22 sind mittels des anderen Satzes von Anschlüssen 26 parallel geschaltet.
• Mehrere Konstruktionen von Nickel-Wasserstoff-Zellen und deren Einzelheiten sind in den folgenden Dokumenten beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme einbezogen wird:
• US-A-4 369 212; US-A-4 283 844; US-A-4 262 061; US-A-4 250 235; US-A-4 000 350 und US-A-3 669 744.
• Vorzugsweise wird die positive Elektrode 20 dadurch gebildet, daß man Nickelhydroxid in porös gesintertes Nickel imprägniert, welches von einem geätzten Nickel-Elektroden-Substrat gehalten wird. Die negative Elektrode 22 ist auf einer Seite mit einer gesinterten Mischung aus Platinschwarz und Polytetrafluorethylen und auf der anderen Seite mit einer porösen Schicht von Polytetrafluorethylen 23 bedeckt. Diese Schichten werden auf ein Nickelsubstrat in Gestalt eines geätzten Blattes oder eines gewebten Netzes aufgebracht, um die negative Elektrode 22 zu bilden, die auch als Wasserstoffelektrode bezeichnet wird. Viele verschiedenartige Trennelemente 24 sind einsetzbar, einschließlich, beispielsweise, Asbest, Nylon und ein Gewebe von Zirkonoxid-Yttriumoxid. Der Elektrolyt, vorzugweise eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid, vorzugsweise eine 31%ige Lösung, wird in das Trennelement 24 und den Raum in und zwischen den Elektroden imprägniert.
• Die einzelnen aktiven Plattensätze 18 werden auf einem inneren Kern 28 zusammengefügt, um eine gestapelte Anordnung 30 zu bilden. Bei der Herstellung der gestapelten Anordnung 30 wird ein Gitter aus Monofilament-Polypropylen zwischen jeden aktiven Plattensatz 18 eingelegt, so daß Sauerstoff, der während eines Überladens an jeder positiven Elektrode 20 freigesetzt wird, von der Elektrode 20 hinweg zur negativen Elektrode 22 diffundieren kann, um sich mit Wasserstoff zu verbinden. Die gestapelte Anordnung 30 wird unter eine Längs-Druckspannung von beispielsweise ungefähr 10 Pfund pro Quadratzoll (0,7 kg/cm²) gesetzt, indem man Druckplatten 34 gegen die Enden der gestapelten Anordnung 30 verspannt. Die Verspannung der Druckplatten 34 wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß die Anordnung 30 zusammengedrückt wird und dann eine Mutter 36 auf einem Gewinde des Kerns 28 angezogen wird, wodurch ein Satz Federringe 38 gegen die Druckplatte 34 gedrückt wird, um die gestapelte Anordnung 30 an Ort und Stelle zu halten.
• Die gestapelte Anordnung 30 wird in einem Druckgefäß 40 abgeschlossen, das aus einem Material hergestellt ist, beispielsweise aus einer Inconel 718 Legierung auf Nickelbasis, die einem internen Druck in der Größenordnung von 1000 Pund pro Quadratzoll, absolut (psia) (70 kg/cm²) standhalten kann und zwar ohne Beschädigung durch Wasserstoffversprödung oder Korrosion durch den Elektrolyten. Ein Gasbefüllungsrohr 42 gestattet eine Kontrolle des Gasgehaltes und -drucks im Druckgefäß 40. Das Druckgefäß 40 ist typischerweise in Gestalt eines Zylinderrohres mit gewölbten Enden ausgebildet. Beispielsweise kann die Zelle 12 mit dem Druckgefäß 40 einer Außenabmessung von 3 1/2 Zoll (89 mm) Durchmesser und 13 Zoll (330 mm) Länge ungefähr 40 einzelne aktive Plattensätze 18 aufnehmen, was zu einer elektrischen Speicherkapazität der Zelle von ungefähr 50 Amperestunden bei einer Abgabe unter einer Spannung von ungefähr 1,3 Volt führt. Die Zelle 12 kann üblicherweise während tausenden von Zyklen geladen und entladen werden, ohne daß eine offensichtliche Beschädigung auftritt, sofern das Laden und das Entladen ordnungsgemäß erfolgt. Eine Anzahl derartiger Zellen 12 kann in Serienschaltung zu einer Batterie für höhere Spannungen in der Weise vereint werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, oder auch in Parallelschaltung, um höhere Ströme zu erzeugen.
• Das Laden wird dadurch bewirkt, daß eine Spannung über die Anschlüsse 26 über die aktiven Plattensätze 18 aufgeprägt wird, so daß Elektronen aus der Elektrode 22 zur Elektrode 20 fließen. Auf diese Weise wird elektrische Energie in jedem aktiven Plattensatz 18 in Gestalt chemischer Reagenzien gespeichert, um diese anschließend zu entladen und einen nutzbaren Strom zu erzeugen. Eine Nickel-Wasserstoff-Zelle der vorstehend beschriebenen Art kann vollständig mittels einer Anordnung aus Solarzellen aufgeladen werden, und zwar bis zu einer Kapazität von beispielsweise ungefähr 50 Amperestunden, unter Verwendung eines Stromes von ungefähr 5 Ampere bei 1,5 Volt und zwar während einer Ladedauer von ungefähr 14 Stunden aus einem entladenen Zustand. Die Spannung und die Ladezeit können in weiten Bereichen schwanken, abhängig von der verfügbaren Leistung von der Solarzellenanordnung und von der Zyklusdauer, die durch die Umlaufbahn des Raumfahrzeuges bestimmt wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Zelle 12 in sich Mittel zum Kurzschließen der Zelle, falls die Spannung über der Zelle einen Wert von ungefähr - 1,5 Volt überschreitet (d.h. negativer als - 1,5 Volt ist). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, daß ein kurzschließender Plattensatz 50 parallel zum aktiven Plattensatz 18 in der Zelle 12 angeordnet ist, wobei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel davon im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist. Der kurzschließende Plattensatz 50 umfaßt eine kurzschließende Elektrode 52, eine lösliche Elektrode 54 und einen Elektrodenhalter 56, von dem die lösliche Elektrode 54 gehalten wird, sowie ein kurzschließendes Trennelement 58 zwischen der kurzschließenden Elektrode 52 und der löslichen Elektrode 54. Der kurzschließende Plattensatz 50 ist über die Anschlüsse 26 elektrisch parallel zum aktiven Plattensatz 18 geschaltet und kann in herkömmlicher Weise auf dem inneren Kern 28 als zusätzliche Komponente der gestapelten Anordnung 30 vorgesehen werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die kurzschließende Elektrode 52 ist mit der positiven Elektrode 20 verbunden und die lösliche Elektrode 45 ist mit dem negativen Elektroden 22 verbunden. Die bevorzugten Baumaterialien sind ein Nickelblech als kurzschließende Elektrode 52, eine gesinterte Silberscheibe als lösliche Elektrode 54, ein Nickelblech als Elektrodenhalter 56, und ein modifiziertes Zirkon-Gewebe als kurzschließendes Trennelement 58.
• Bei normalem Betrieb der Zelle 12 fließt nur ein vernachlässigbar kleiner Strom im kurzschließenden Plattensatz 50, weil Überspannungen auf den Elektroden 52 und 54 vorhanden sind. Wenn die Zelle 12 jedoch ausfällt, was sonst üblicherweise zu einem offenen Schaltkreis führen würde, beispielsweise infolge eines Bruchs des Druckgefäßes, so daß Wasserstoff und/oder Elektrolyt entweichen können, entwickeln sich hohe negative Spannungen über der Zelle 12, die größer sind als - 1,5 Volt. Der Werkstoff der löslichen Elektrode 54 oxidiert dann in einen Zustand, der im Elektrolyten löslich ist. Im bevorzugten Fall, in dem die lösliche Elektrode ein Silberblech ist, oxidiert das Silber zu Silbermonoxid, das in dem Kaliumhydroxid-Elektrolyten komplexiert und gelöst wird. Das gelöste Silberoxid setzt sich auf der Nickelektrode 52 ab. Der Silberbelag wächst während wiederholter Lade-Entlade-Zyklen der Zelle 12 in seiner Dicke, bis er schließlich genügend dick wird, daß er eine Brücke zwischen den Elektroden 52 und 54 bildet und auf diese Weise einen elektrischen Strompfad oder Kurzschluß zwischen den Elektroden 52 und 54 bildet. Der Ausfall der Zelle, der die hohen negativen Spannungen produziert, ergibt daher einen internen Kurzschluß der Elektroden 52 und 54. Auf diese Weise fällt die Zelle im kurzgeschlossenen Zustand und nicht im geöffneten Schaltzustand aus, so daß die Batterie, von der die ausgefallene Zelle ein Element ist, bei reduzierter Spannung weiter betrieben werden kann.
• Ein alternatives Ausführungsbeispiel des kurzschließenden Plattensatzes 50 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Konstruktion des Plattensatzes ist ähnlich dem des kurzschließenden Plattensatzes gemäß Fig. 3, mit der Abweichung, daß ein Nickelgitter 60 zwischen das kurzschließende Trennelement 58 und die kurzschließende Elektrode 52 eingefügt ist. Wenn sich das Silber auf der kurzschließenden Elektrode 52 absetzt und damit beginnt, eine Brücke zu bilden, die den Plattensatz 50 kurzschließt, wird hinreichend Wärme erzeugt, um zu bewirken, daß die Federringe 38 die verbleibenden Bestandteile der löslichen Elektrode 54 zur kurzschließenden Elektrode 52 und in die Zwischenräume des Nickelgitters 60 drängen, wodurch der Kurzschlußprozeß beschleunigt wird.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel des kurzschließenden Plattensatzes 50 ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Anordnung ist ähnlich derjenigen des kurzschließenden Plattensatzes gemäß Fig. 3, mit der Abweichung, daß der Elektrodenhalter 56 fortgelassen ist. Der Elektrodenhalter 56 hilft beim Abstützen der löslichen Elektrode 54 und beim Herstellen und Aufrechterhalten eines elektrischen Kontaktes mit dieser, er erfüllt jedoch keine anderweitige unverzichtbare Aufgabe. Wenn die lösliche Elektrode 54 hinreichend starr ist und ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zu ihr hergestellt werden kann, so ist es möglich, den Elektrodenhalter 56 fortzulassen, wie bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Steigerung an Zuverlässigkeit durch Verwendung des Halters für die lösliche Elektrode 54 wiegt jedoch den geringfügigen Zuwachs an Gewicht auf, so daß ein Halter vorzugsweise vorgesehen wird.
• Die kurzschließende Elektrode 52 besteht vorzugsweise aus Nickel, weil dieser Werkstoff verträglich mit der positiven Elektrode 20 des aktiven Plattensatzes 18 ist. Die lösliche Elektrode 54 besteht vorzugsweise aus Silber, obwohl andere Metalle wie Blei, Kupfer oder Cadmium auch verwendbar sind. Die Oxidationspotentiale für diese Werkstoffe in einer 31%igen Kaliumhydroxid- Lösung sind bei Silber - 0,35 Volt, bei Kupfer 0,36 Volt, bei Blei 0,58 Volt und bei Cadmium 0,81 Volt. Der Werkstoff mit dem am meisten negativen Oxidationspotential, nämlich Silber, wird bevorzugt.
• Die folgenden Beispiele dienen zur Illustration von Aspekten der Erfindung, sollten jedoch nicht als für die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend verstanden werden.
Beispiel 1
• Ein kurzschließender Plattensatz der bevorzugten Art, wie in Fig. 3 dargestellt, wurde hergestellt und getestet mit der löslichen Silberelektrode negativ, entsprechend einem normalen Betrieb, und positiv, entsprechend einem Ausfallzustand. Die nachstehende Tabelle 1 umfaßt die Ergebnisse der Versuche zusammen: Tabelle 1 Zeitabschnitt Silberzustand Volt Strom/mA Anfang umgekehrt
• Wenn der kurzschließende Plattensatz in einem Normalbereich von weniger positiv als + 1,7 Volt und weniger negativ als - 0,3 Volt betrieben wird, fließt praktisch kein Strom. Wenn die Spannung über ungefähr - 1,50 Volt erhöht wird (d.h., sie ist negativer als ungefähr - 1,50 Volt), entsprechend einer ausgefallenen Zelle, dann wird der Strom stark, was auf eine Auflösung der Silberelektrode hindeutet sowie deren Abscheidung auf der Nickelelektrode, um die Zelle kurzzuschließen.
Beispiel 2
• Ein kurzschließender Plattensatz derselben Bauart, wie sie bei Beispiel 1 verwendet wurde, wurde einem gleichförmigen Strom von 15 A ausgesetzt, und zwar mit positiver Silberelektrode, was einer ausgefallenen Zelle entspricht. Die Spannung der Zelle in Abhängigkeit von der Zeit ist nachstehend in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2 Verstrichene Zeit/min Plattensatz-Spannung/V
• Eine Aufzeichnung der Spannung auf einem Rollenschreiber zeigte eine gleichförmige Abnahme ohne Übergänge und damit einen Hinweis auf die Anwesenheit der gewünschten langsamen und gleichförmigen Entwicklung eines Kurzschlusses über den Plattensatz.
Beispiel 3
• Ein kurzschließender Plattensatz der Bauart, wie er beim Beispiel 1 verwendet wurde, wurde unter herkömmlichen Lade - und Entladebedingungen betrieben, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Ein simulierter Ausfall wurde dadurch erzeugt, daß eine große negative Spannung dem kurzschließenden Plattensatz aufgeprägt wurde, wobei die lösliche Silberelektrode positiv war. Im Ausmaße des Anstiegs der negativen Spannung funktionierte der kurzschließende Plattensatz in der gewünschten Weise, indem er einen Kurzschluß auf eine niedrige Spannung über den Plattensatz erzeugte.
• Wie die Beispiele zeigen, verhält sich der kurzschließende Plattensatz nach der vorliegenden Erfindung in der gewünschten Weise und bewirkt, daß die mit ihm versehene Zelle in einem kurzgeschlossenen und nicht in einem offenen Zustand ausfällt. Es ist keinerlei externe Ausfallschutz-Schaltung erforderlich, so daß das Gewicht der Batterie reduziert wird, obwohl ihr Dauerbetrieb gewährleistet ist.

Claims (9)

1. Elektrische Nickel-Wasserstoff Speicherzelle (12), mit:

- einem aktiven Plattensatz (18), der eine positive Nickelelektrode (20), eine negative Wasserstoffelektrode (22) sowie ein Trennelement (24) zwischen der positiven Elektrode (20) und der negativen Elektrode (22) umfaßt;

- einem Druckgefäß (40), der den aktiven Plattensatz (18) sowie einen Elektrolyten enthält, wobei das Druckgefäß (40) elektrische Durchführungen zum Anschließen des aktiven Plattensatzes (18) aufweist; und

- in dem Druckgefäß (40) enthaltenden Mitteln zum Kurzschließen des Strompfades durch die Zelle (12), wenn die Spannung über der Zelle (12) einen charakteristischen negativen Wert annimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen kurzschließenden Plattensatz (50) in Parallelschaltung zu dem aktiven Plattensatz (18) umfassen, wobei der kurzschließende Plattensatz (50) so ausgestaltet ist, daß er elektrochemisch reagiert, wenn der charakteristische negative Spannungswert überschritten wird, um einen elektrisch leitenden Kurzschlußpfad über den aktiven Plattensatz (18) durch fortschreitenden Niederschlag eines metallischen Materials auf dem kurzschließenden Plattensatz (50) zu bewirken.

2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kurzschließende Plattensatz (50) eine kurzschließende Elektrode (52), eine lösliche Elektrode (54) sowie ein kurzschließendes Trennelement (58) zwischen der kurzschließenden Elektrode (52) und der löslichen Elektrode (54) umfaßt, wobei die lösliche Elektrode (54) aus einem Material gebildet ist, das eine hohe Überspannung in Verbindung mit dem Material der kurzschließenden Elektrode (52) bei normaler Funktion der Zelle hat, bei der die maximale negative Spannung der Zelle (12) ungefähr minus 0,3 Volt beträgt, und die inert gegenüber dem Elektrolyten ist, wobei das Material der löslichen Elektrode (54) in dem Elektrolyten löslich und in der Lage ist, auf der kurzschließenden Elektrode (52) abgeschieden zu werden, sobald eine negative Spannung von mehr als ungefähr minus 1,5 Volt an den kurzschließenden Plattensatz (50) angelegt wird, wobei die Abscheidung auf der kurzschließenden Elektrode (52), nach einigen Zell-Zyklen, hinreichend dick wird, um eine Brücke zwischen der löslichen Elektrode (54) und der kurzschließenden Elektrode (52) aufzubauen.

3. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (54) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe, bestehend aus Silber, Blei, Kupfer und Cadmium, ausgewählt wurde.

4. Speicherzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (54) aus Silber besteht.

5. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (54) auf einem Elektrodenhalter (56) gelagert ist.

6. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzschließende Elektrode (52) aus Nickel besteht.

7. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der kurzschließende Plattensatz (50) ferner ein Sieb umfaßt, das zwischen der kurzschließenden Elektrode (52) und dem kurzschließenden Trennelement (58) angeordnet ist.

8. Speicherzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das kurzschließende Trennelement (58) aus Zirkonoxid besteht.

9. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine wässrige Lösung aus Kaliumhydroxid ist.