DE3147191C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Graphitelektrode mit einer metallischen Sammelschiene einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Zinkchlorid­ akkumulators.

In der Elektrochemie ist Graphit als Elektrodenwerkstoff wegen seiner elektrischen und thermischen Eigenschaften weit verbreitet, sowie auch aus dem Grunde, daß Graphit gegenüber chemischen Reaktionen sehr inaktiv ist. Zur Verbindung der Graphitelektroden dienen Sammelschienen aus Metallen mit niedrigem elektrischen Widerstand.

So wird insbesondere bei zinkchloridakkumulatoren Graphit für die positive und negative Elektrode verwendet. Während des Ladens des Akkumulators wird Zink galvanisch auf der negativen Elektrode bzw. der Zinkelektrode abgelagert, während Chlorgas an der positiven Elektrode bzw. Chlorelek­ trode aus einem wäßrigen Zinkchloridelektrolyt erzeugt wird. Während des Entladens kehren sich die Reaktionen um, wobei eine Spannung an den Klemmen auftritt. Die Zinkelektrode ist aus dichtem oder feinkörnigem Graphit aufgebaut und die Chlorelektrode aus einem porösen flüssigkeitsdurchlässigen Graphit.

Bei einem bekannten Verfahren zum Verbinden von Metall und Graphit (US-PS 41 00 332) wird ein Preßsitz zwischen den Graphitelektroden und der Sammelschiene hergestellt. Dabei sind die Elektroden etwas dicker als die Nuten in der Sammelschiene, so daß sie beim Zusammenpressen darin festge­ halten werden. Die Elektroden können auch mit der Sammel­ schiene durch Kleben, Plasmasprühen am Kontaktpunkt oder Schweißen miteinander verbunden werden.

Für einen Zinkchloridakkumulator ist es ferner bekannt (US-PS 40 71 660), die Graphitelektroden mit einer Sammel­ schiene aus Titan durch Zusammenpressen zu verbinden oder die Verbindung durch Kleben herzustellen. Ferner sind auch Schraubverbindungen möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die metallische Sammelschiene einer elektrochemischen Zelle mit einer Gra­ phitelektrode zu verbinden, wobei der Übergangswiderstand möglichst gering sein soll, um Spannungsverluste zu ver­ meiden.

Die genannte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs gelöst.

Das Verbindungsverfahren als solches, nämlich das Verbinden mehrerer Platten aus nichtverschweißbarem oder schwer schweißbarem Material durch Widerstandspunktschweißen ist bekannt (GB 4 82 046, GB 5 04 405). Dabei handelt es sich um die Herstellung einer Platine für eine Strickmaschine bzw. um Leichtbauprofile, die aus Aluminiumplatten hergestellt werden.

Erfindungsgemäß handelt es sich dagegen um das Verbinden einer Sammelschiene aus Titan oder Tantal mit einer Graphit­ elektrode mit einem möglichst geringen Übergangswiderstand. So hat sich gezeigt, daß beim Durchschweißen der Sammel­ schiene und des gegenüberliegenden Trägers in den Öffnungen der Graphitelektrode Metall in das Graphitmaterial eindringt und beim Abkühlen durch den Schrumpfvorgang die Sammel­ schiene und der Träger an die Graphitelektrode angepreßt werden. Über das Ausfüllen der Öffnungen mit Metall findet der elektrische Strom einen vergrößerten Querschnitt vor, so daß der Stromübergang von der Graphitelektrode auf die Sammelschiene verbessert wird.

Die Metalle Titan und Tantal weisen einen verhältnismäßig niedrigen elektrischen Widerstand im Vergleich zu Graphit auf, sind chemisch beständig bzw. inaktiv gegenüber dem Zinkchloridelektrolyt und anderen chemischen Einflüssen. Obwohl Titan bei Temperaturen von über 500°C in Sauerstoff- und Stickstoffatmosphäre sehr reaktionsfähig ist, hat sich ergeben, daß beim Widerstandspunktschweißen keine besondere Abschirmung erforderlich ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes eines erfindungsgemäßen Zinkchloridakkumulators,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Elektroden­ paars, das einen Teil des Akkumulators der Fig. 1 bildet,

Fig. 3 einen Aufriß des Elektrodenpaars der Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung (Stromlaufplan) der Anordnung für Widerstandspunktschweißen von Me­ tall auf Graphit.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ab­ schnitts eines Zink-Chlorid-Akkumulators 10. Der Akku­ mulator 10 besteht aus mehreren Elektrodenpaaren 12, die einzeln in Fig. 2 dargestellt sind, sowie einen Kunst­ stoffrahmen 14. Die einzelnen Elektrodenpaare 12 bestehen aus einer Zinkelektrode 16, einer Chlorelektrode 18 und einer Sammelschiene 20, welche die Zinkelektrode und die Chlorelektrode miteinander verbindet. Die Chlorelektrode 18 weist zwei Chlorelektrodenplatten 22 und 24 auf, die mit einem Graphitrahmen 26 verbunden sind. Die Zink­ elektrode 16 besteht vorzugsweise aus einem dichten oder feinkörnigem Graphit.

Die Zinkelektrode weist auch eine Zunge 28 auf, die aus der Oberseite der Elek­ trode hervorragt und eine Fläche für den Anschluß an die Sammelschiene 20 bildet.

Die Chlorelektrodenplatten 22 und 24 bestehen vorzugs­ weise aus porösem Graphit, das für Flüssigkeiten durch­ lässig, jedoch gasundurchlässig ist.

Der Graphitrahmen 26 ist vorzugsweise auch aus dichtem Graphit gefertigt und dient zum Trennen der bei­ den Chlorelektroden, wobei er als elektrische Leitung wirkt. Dieser Graphitrahmen weist einen oberen Schenkel 26a und einen Seitenschenkel 26b an jedem Ende der Chlorelektrode auf. Ferner umfaßt er auch eine Zunge 29, die zur elektrischen Verbindung der Chlorelektrode 18 mit der Sammelschiene 20 dient. Der Kunststoffrahmen 14 besteht vorzugsweise aus thermo­ plastischen Harzen, die chemisch gegen die Umgebung der Zinkchloridbatterie widerstandsfähig sind, wie Tetrafluoräthylen und Polyvinylidenfluorid. Der Kunststoffrahmen 14 dient dazu, die Elektrodenpaare 12 auszurichten und von­ einander zu trennen und bildet ein Mittel, den Elektro­ lyten der Chlorelektrode 18 zuzuführen. Diese ist am Boden zwischen den Elektrodenplatten 22 und 24 zur Auf­ nahme des Elektrolyten offen, da der Graphitrahmen 26 keinen unteren Schenkel aufweist.

Die Sammelschiene 20 ist wegen ihrer mecha­ nischen Stärke, elektrischen Leitfähigkeit und Beständig­ keit gegen chemische Korrosion im Raum der Zinkchlorid­ batterie aus Titan oder Tantal gefertigt. Die Sammel­ schiene dient als Stromsammler, wobei sie benachbarte Zellen des Akkumulators 10 elektrisch in Reihe schaltet. Die Stromteilung zwischen den parallelgeschalteten Zellen wird durch einen Aufsteckstreifen 30 aus Titan erleich­ tert, der dazu dient, Sammelschienen von der gleichen Polarität miteinander zu verbinden. Am Ende eines jeden Akkus 10 ist eine Gruppe von Leitungen 32 an die Zunge der Abschlußzellen angeschlossen. Diese Leitungen führen an eine externe Klemme zu jeder Seite des Akku­ mulators, die an eine Stromversorgung zur Aufladung der Batterie oder an einen Verbraucher zur Entladung der Bat­ terie angeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt einen Aufriß des Elektrodenpaars 12 und dient zur Darstellung des Verfahrens der Verbindung der Sammelschiene 20 mit der Zinkelektrode 16 und den Gra­ phitrahmen 26 der Chlorelektrode 18. In der Zunge 28 der Zinkelektrode 16 sind mehrere Löcher oder Öffnungen 34 vorgesehen, ebenso mehrere Öffnungen 36 in der Zunge 29 des Graphitrahmens 26. Die Öffnungen 34 und 36 sind längs ihrer Zungen 28 und 29 angeordnet, weil die Stellung der Zinkelektrode 16 und der Chlorelektrode 18 im Akku 10 so ist, daß die Öffnungen 34 auch mit den Öffnungen 36 fluchten. Die Sammelschiene 20 ist genügend lang und breit, um eine Seite der beiden Öffnungen 34 und 36 voll­ kommen zu bedecken, wenn sie nach der Darstellung der Fig. 2 eingeordnet ist. Zwei Träger 38 und 40 sind so bemessen, daß sie die Gegenseiten dieser Öffnungen ab­ decken, wobei der Träger 38 die Öffnungen 34 und der Träger 40 die Öffnungen 36 abdeckt. Nach Bohren oder ander­ weitigem Anbringen der Öffnungen 34 der Zinkelektrode 16 wird die Zunge 28 zwischen die Sammelschiene 20 und den Träger 38 geschoben, so daß die Öffnungen 34 voll­ ständig bedeckt sind. Ebenso wird die Zunge 29 der Chlor­ elektrode 18 zwischen der Sammelschiene 20 und dem Trä­ ger 40 so angeordnet, daß die Öffnungen 36 vollkommen be­ deckt sind. Dann werden die Sammelschiene 20 und der Träger 38 mit der Zinkelektrode 16 an den Öffnungen 34 widerstandspunktverschweißt. Ebenso werden die Sammel­ schiene 20 und der Träger 40 mit dem Graphitrahmen 26 der Chlorelektrode 18 an den Öffnungen 36 widerstands­ punktverschweißt. Obwohl die sechs Öffnungen in der Zinkelektrode 16 und in der Chlorelektrode 18 vorgese­ hen sind, ist diese Zahl nicht erfindungswesentlich und kann in Abhängigkeit von den verwendeten Werkstoffen und der Größe der zu verschweißenden Flächen verändert werden.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anord­ nung 42 für das Widerstandspunktschweißen. Ein Graphit­ teil 44 ist mit mehreren Öffnungen 46 und 48 versehen. Das Graphitteil 44 liegt zwischen zwei Metallteilen 50 und 52, die so angeordnet sind, daß sie die Öffnungen 46 und 48 bedecken. Zwei sich gegenüberstehende Schweiß­ elektroden 54 und 56 besorgen das Punktverschweißen der Teile 50 und 52 mit dem Graphitteil 44 an der Öffnung 46. Die Schweißelektrode 54 liegt auf dem Metallteil 50, und die Schweißelektrode 56 unter dem Metallteil 52, so daß die Schweißelektroden mit der Öffnung 46 fluchten. Die Schweißelektroden 54 und 56 sind über elektrische Lei­ tungen 60, 62 mit einem Transformator 58 verbunden. Dieser erzeugt einen genügend starken elektrischen Strom für die Widerstandspunktschweißung der Metallteile 50 und 52 mit dem Graphitteil 44. Ehe elektrischer Strom durch die Schweißelektroden 54 und 56 gesandt wird, wird eine bestimmte Höhe von Druck von den Schweißelektroden an den Metallteilen 50 und 52 aufgebracht. Während des Wider­ standspunktschweißens fließt ein Anteil der Metallteile 50 und 52 in die Öffnung 46 unter dem Druck der Schweiß­ elektroden 54 und 56. Dabei bildet sich in der Öffnung eine Metallsäule aus, welche den Spalt zwischen den Me­ tallteilen 50 und 52 schließt. Nach Abschalten des elektrischen Stromes und, wenn sich die Metallsäule ab­ kühlt, zieht sie sich zusammen und übt eine Kraft aus, welche die Metallteile 50 und 52 zusammenzieht. Somit ergibt das Zusammenschweißen der Metallteile 50 und 52 einen guten elektrischen Kontakt zwischen ihnen und dem Graphitteil 44 durch Druck der Metallteile auf das Gra­ phitteil. Außerdem dringt auch Metall der Metallteile 50 und 52 in die Poren des Graphitteils 44 ein. Die Stärke dieses Eindringens hängt von der Porosität des Graphit­ teils 44 ab. Dieses Eindringen erhöht auch den elektri­ schen Kontakt zwischen den Metallteilen 50 und 52 und dem Graphitteil 44. Man erkennt auch, daß die in der Öff­ nung 46 ausgebildete Metallsäule einen direkten elektri­ schen Kontakt zwischen den Metallteilen 50 und 52 ergibt. Dies ist von Bedeutung, wenn eines der Metallteile als Stromsammelschiene wie die Sammelschiene 20 der Fig. 1- 3 dient. Damit bilden die Träger 38 und 40 praktisch einen Teil der Sammelschiene 20 nach dem Verschweißen, wodurch die Kontaktfläche vergrößert wird, die zur Strom­ übertragung zwischen den Elektroden und der Sammelschiene dient. Die vergrößerte Kontaktfläche erhöht auch die elektrische Verbindung und verringert Spannungsverluste im Akkumulator 10.

Ferner erkennt man auch, daß die Schweißelektroden 54 und 56 für eine Widerstandspunktschweißung der Metallteile 50 und 52 an das Graphitteil 54 in der Öffnung 48 eingesetzt werden können. Es kann auch ein anderer Satz von Schweiß­ elektroden vorgesehen sein, so daß die Punktschweißung an den Öffnungen 46 und 48 gleichzeitig erfolgen kann. Damit kann die einzelne Punktschweißung an den Öffnungen 34 und 36 im Elektrodenpaar 12 der Reihenfolge nach mit einem Schweißelektrodensatz oder gleichzeitig mit mehreren Schweißelektroden durchgeführt werden.

Beispiel

Dichter Graphit wurde mit zwei Titanstäben wie folgt ver­ bunden. In der Graphitplatte wurden entsprechende Öffnungen ausgeformt. Zwei Titanstäbe wurden mit feinem Sand abgestrahlt, um die Oberfläche von jeder Oxid- und Fettschicht zu befreien. Es sei bemerkt, daß andere Oberflächenbehandlungsverfahren ebenso eingesetzt werden können. Die Graphitplatte und die Titanstäbe wiesen eine Dicke von 1 mm auf, und die Öffnungen in der Graphitplatte einen Durchmesser von 2 mm. Nachdem die Titanstäbe so angeordnet wurden, daß sie die Öffnungen in der Graphitplatte bedeckten, wurde eine Kraft von 100 kg an den Titanstäben bei der ersten Öffnung aufgebracht, die zum Schweißen durch zwei gegenüberstehende Schweiß­ elektroden ausgewählt wurden. Ein kurzer Stromimpuls von 2-3 Perioden wurde durch die Schweißelektroden gesandt, um die Punktschweißung durchzuführen.

Die Schweiß­ fläche der Schweißelektroden betrug 30 mm². Obwohl Titan mit einer Sauerstoff- und Stickstoffatmosphäre über 538°C äußerst aktiv ist, ergab es sich, daß keine spezielle atmosphärische Abschirmung (z. B. mit Argon oder Heliumgas) für die Widerstandspunkt­ schweißung erforderlich war. Wegen der Gasundurchlässig­ keit der verwendeten Werkstoffe und der erfindungsge­ mäßen Anordnung befand sich nur wenig Luft in Öffnungen der Graphitplatte. Obwohl möglicherweise etwas Oxidation aufgetreten sein kann, beeinflußte sie nicht die Güte und Durchgängigkeit des erzielten elektrischen Kontaktes.

Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise sind die Höhe des aufge­ wandten Druckes, die Größe der Öffnungen, Zeitspanne und Größe des elektrischen Stroms von der Wahl und den Ab­ messungen der gewählten Werkstoffe abhängig, wobei z. B. poröser Graphit anstatt dichtem Graphit verwendet werden kann.

Claims (1)

1. Anwendung des Verfahrens zum Verbinden einer nichtschweiß­ baren Platte mit beidseitig aufliegenden Metallteilen durch Widerstandspunktschweißen, wobei die Metallteile im Bereich von Öffnungen in der Platte miteinander verschweißt werden, auf das Verbinden einer Graphitelektrode mit einer metalli­ schen Sammelschiene einer elektrochemischen Zelle, insbeson­ dere eines Zinkchloridakkumulators, wobei ein zungenförmiger Abschnitt (28) der Graphitelektrode (16, 22, 24, 26) mit den Öffnungen (34, 36) versehen ist und die Sammelschiene (20) sowie der gegenüberliegende Träger (38, 40) aus Titan oder Tantal besteht.