DE2101829A1 - Elektrische Batterie vom Typ der thermischen Batterie - Google Patents

Description

DR. MÜLLER-BOR6 Dl PL-Hn\ S. DR. MANITZ DIPL CHEM. DR. OEUFEL

DIPL-ING. FINSTERWALD DI PL-I NG. G RÄMKO W O 1 η 1 Q O Q PATENTANWÄLTE

Hl/bg - S 2228 15. JAN. 1971

SOCIETE ÜTATIOHALE HmUSTRIELLE AEHOSPATIALE

37» Boulevard de Montmorency Paris 16, Frankreich

Elektrische Batterie vom Typ der thermischen Batterie

Die Erfindung "bezieht sich auf eine elektrische Batterie bzw. ein elektrisches Element vom Typ der thermischen Batterie bzw. des thermischen Elementes und auf ein Anfertigungsverfahren.

Die bekannten thermischen Elemente bestehen aus einer Gesamtheit von gleichen Elementarzellen, von denen jede die Form eines zylindrischen Gehäuses aufweist,dessen Umhüllung die Kathode bildet und die elektrisch in Reihe verbunden sind. Die Anode jeder Zelle ist in der Mitte des Gehäuses angeordnet und elektrisch mit einer Kathodenmetallscheibe verbunden, die den Deckel des Gehäuses der

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Dr. Müller Bor* Dr Manitz ■ Dr. Deufel ■ Dipl.-Ing. Finsterwald Dipl.-Ing. Grämkow Braunicliweiq. Am llimjnrporlc 8 8 München 22, RoIierrKorJi-Slraße 1 7 Slultgafl Bad Cannstott

lelelon (0531) ΓΜΛ! Telefon {Ü8I!) 2251 10, 221569, lelex 522050 mbptil MarklilraOe 3, Telefon (0/11) 567261

folgenden Zelle bildet. Die Anode ist von dem Kathodenbehälter durch eine Stapelung von Folien getrennt, die aus einem isolierenden Material bestehen und mit einem Elektrolyten imprägniert sind. Die thermische Aktivierung erfolgt mittels Scheiben, die aus einer pyrotechnischen Mischung bestehen und entweder zwischen den Elektroden einer gleichen Zelle oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen angeordnet sind, die im allgemeinen übereinandergelegt/ung elextriscTi isoliert sind.

Ein von einer Gesamtheit solcher elektrisch in Reihe verbundener Zellen gebildetes Element weist im allgemeinen eine Sperrigkeit auf, die die Handhabung schwierig gestaltet; weiterhin ist dessen Morfege schwierig. Es ist insbesondere, um die Bildung von Streuströmen bzw. Kriechströmen zu vermeiden, erforderlich,einerseits eine perfekte Zentrierung der Anode und des Gehäuses und andererseits zwischen der Anode und dem Deckel des folgenden Gehäuses eine so perfekte elektrische Verbindung wie möglich herzustellen, die gegenüber dem Gehäuse, das sie durchquert, isoliert ist. Darüberhinaus bereitet das Anordnen all der elektrisch vorher miteinander verbundenen Zellen in dem Element oft einige Schwierigkeiten und es treten öfters aufgrund dieser Schwierigkeiten Montagefehler auf, die so eine Verminderung der Betriebssicherheit dieses Elementetyps nach sich zieh/?ⁿDarüberhinaus beeinflussen diese gleichen Montageschwierigkeiten zu einem nicht vernachlässigbaren Teil die Herstellungskosten die-

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ser Elemente.

Andererseits hat eine detailierte Studie der von den Metallmassen ausgeführten Punktionen, die in die Punktion/solcher-Elemente eingehen, gezeigt, dass etwa 36 ^ der die-Kathode und die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden bildenden Metallmasse elektrochemisch keine Bedeutung hat; daraus folgt eine weitere erhebliche Steigerung des Herstellungspreises, da die bei der Herstellung dieser Elemente erforderlichen Metalle Edelmetalle g sind, deren Preis hoch ist.

Schliesslich Is.t es für die Isolierung zwischen den Zellen erforderlich, schwere und sperrige isolierende Platten zu verwenden, was nochmals zur Erhöhung des Herstellungspreises beiträgt.

Ziel der Erfindung ist die,Schaffung eines thermischen Elementes, das von vereinfachter Konstruktion ist, wodurch insbesondere die Wahrscheinlichkeit für Montagefehler herabgesetzt und somit die Betriebssicherheit erhöht wird, das eine geringe

relative Sperrigkeit und eine an seine Umgebung an- M

passbare Form aufweist und bei dem die Mengen der Edelmetalle, die keine elektrochemische Bedeutung haben, merklich verringert sind, wodurch insbesondere in einem erheblichen Mass seine Energie pro Masseneinheit erhöht und seine Aktivierungszeit vermindert wird. A-

Erfindungsgemäss ist bei einem thermischen Element des Typs mit einer Gesamtheit von identischen Zellen,

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die übereinandergestapelt und elektrisch in Reihe verbunden sind, vorgesehen, dass in jeder Zelle die grundlegenden Elemente Teile mit der Form von aktiven Platten oder Blöcken sind, die alle die gleiche sichtbare Kontur aufweisen und einesüber dem anderen und eines in Berührung mit dem anderen in einer vorbestimmten Reihenfolge gestapelt sind, und dass jede der Zellen aufeinanderfolgend umfasst eine Platte aus einem depolarisierendem Material, eine die Kathode bildende leitende Platte, eine Platte mit einer anodischen Mischung, einen isolierenden Block, der mit einer festen elektrolytischen Substanz imprägniert ist, eine Platte mit einer pyrotechnisehen Mischung und einen isolierenden Block, der mit einer festen elektrolytischen Substanz der gleichen Zusammensetzung wie die des ersten Blocks imprägniert ist; der letztere Block steht mit seiner äusseren Querfläche in Berührung mit der Aussenflache der Platte mit depolarisierendem Material der folgenden Zelle und die elektrische Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen erfolgt durch die direkte Berührung der Platte mit der anodischen Mischung.der einen mit der Kathodenplatte der anderen.

Bevorzugt sind die Platten mit depolarisierendem Material, die die Kathode bildende leitende Platte und die Platte mit anodischer Mischung in einem einzigen feil vereinigt, dass von einer die Kathode bildenden leitenden Platte gebildet wird,

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die auf einer ihrer Flächen mit einem depolarisierendem Material und auf der anderen Fläche mit einem anodischen Material "bedeckt ist.

Bei dem Verfahren zur Anfertigung eines erfindungsgemässen thermischen Elementes werden durch direkte Stapelung und mit der gleichen Ausrichtung die aufeinanderfolgenden Teile der verschiedenen Zellen eines auf das andere folgend und eines in Berührung mit dem anderen in einem

Rohr angeordnet, dessen innere sichtbare Kontur a

gleich der den verschiedenen Teilen gemeinsamen sichtbaren Kontur ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Teils einer zylindrischen thermischen Batterie bzw. eines zylindrischen thermischen Elementes gemäss der Erfindung, der zwei Zellen umfasst, und

Fig. 2 ein Betriebsdiagramm eines zylindrischen

thermischen Elementes gemäss der Erfin- J

dung.

Nach Fig. 1 umfasst eine Zelle eines thermischen Elementes eine eine Kathode bildende metallische Scheibe 1, deren eine der Flächen mit einem Belag bzw. einer Schicht 2 einer oxidierenden zusammengesetzten Feststoffmasse bzw. einer oxidierenden Feststoffmischung bedeckt ist, die den Depolarisator

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bildet, während ihre andere Fläche mit einer Schicht 3 eines leitenden Feststoffmaterials bedeckt ist, die die Anode bildet; die Scheibe 1 iat von der Scheibe 1' der folgenden Zelle, die der Scheibe 1 gleicht und in der gleichen Weise wie diese ausgerichtet ist, durch einen Elektrolyten getrennt, der von zwei isolierenden Platten 4 und 5 gebildet wird, von denen jede mit einer festen elektrolytischen Subat^n., imprägniert ist und zwischen die eine Platte 6 einer zusammengesetzten pyrotechnischen Masse bzw. einer pyrotechnischen Mischung eingesetzt ist; der Elektrolyt steht einerseits mit der Anode 3 durch die Platte 4 und andererseits mit der Schicht der oxidierenden Mischung 2', mit der die Scheibe 1' bedeckt ist, durch die Platte 5 in Berührung. Die Gesamtheit, die von den obigen Teilen gebildet wird, die aneinanderstossend bzw. lückenlos in der gleichen dargestellten Ordnung und Richtung übereinander gestapelt sind, bildet eine Zelle des thermischen Elementes, deren negative Platte, im konventionellen Sinn des Ausdrucks, von der Scheibe 1' und deren positive Platte von dem anodischen Überzug 3 der Scheibe 1 gebildet wird.

Es können so viele von den obigen gleiche Zellen wie gewünscht in Reihe angeordnet werden, wobei die homologen Teile der verschiedenen Zellen bei allen die gleiche Ausrichtung bebehalten, um Elemente zu bilden, deren Anzahl an grundlegenden Zellen nach Belieben variiert werden kann und bei denen unabhängig von der Zahl der Zellen die

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Teile
äusseren fiieteeEtttflt Kathodenplatten wje1 und 1' sind, von denen die eine als Aussenseite die mit der oxidierenden Mischung überzogene und die Anode des Elementes bildende Fläche und die andere die mit dem Anodenmaterial überzogene und die Kathode des Elementes bildende Fläche aufweist. In Fig. 1 ist beispielsweise ein Teil eines Elementes, dargestellt, der zwei nebeneinander angeordnete. Zellen umfasst von denen die homologen KiiatMtiflt bis auf die Striche die gleichen Bezugsziffern aufweisen. Bei einem g

Element, das durch diesen Teil mit zwei Zellen gebildet würde, wäre die Anode die Platte 1, während die Kathode die Platte 1" wäre; dabei würde die Verbindung in Reihe der zwei Zellen durch die direkte Berührung zwischen der Kathodenplatte 1' der ersten Zelle und der Anode 3^f der zweiten ausgeführt. Das, was für zwei Zellen zutrifft, gilt gleichfalls für irgendeine Zahl von diesen Zellen, die eine auf die andere folgend mit der gleichen Ausrichtung angeordnet sind; dabei sind diese Zellen elektrisch in Heihe direkt durch die Kathoden- Anoden-Platten wie 1 und 1' verbunden; es ist infolgedessen nicht erforderlieh, die Anode einer Zelle mit der Kathode der folgenden durch die konventionellen Mittel elektrisch zu verbinden.

Wie bei den bekannten Elementen kann die elektromotorische Kraft des thermischen Elementes bzw. "Thermoelementes"gemäss der Erfindung, die ein Vielfaches der elektromotorischen Kraft einer jeden

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Zelle ist, auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden. Ebenso kann die Leistung einer jeden Zelle und folglich die des von einer vorbestimmten Anzahl von Zellen gebildeten Elementes gewählt werden, indem der Oberfläche der Teile jeder geeignete Wert und jede geeignete Form gegeben wird und/oder indem Elemente oder Zellen gleicher elektromotorischer Kraft richtig parallel geschaltet werden. Die Elektroden und folglich das fertiggestellte thermische Element können eine Kontur besitzen, die jede geeignete Form ebenso bei der Unterbringung der Elemente in den Verwendungsorganen und -einrichtungen wie in den Lagerungsorten oder -gesteilen bekleidet.

Die Anfertigung eines erfindungsgemässen thermischen Elementes ist beachtlich vereinfacht in Bezug auf die Anfertigung von bekannten thermischen Elementen. Es genügt, die grundlegenden Teile der Zellen in einem Rohr oder einer Hülle 7 zu stapeln, die aus einem nichtleitenden geeigneten feuerfesten bzw. hochschmelzenden Material besteht und dessen bzw. deren innere Kontur die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie die sichtbare Kontur der verschiedenen Teile aufweist, um schnell dieses Element zu erhalten. Das Anfertigungsverfahren kann noch vereinfacht werden, indem vorher bei der Herstellung der elektrolytischen Platten 4 und 5 diese letzteren mit der Platte 6 der pyrotechnischen Mischung vorher vereinigt werden, um einen einzigen Block zu bilden; in diesem Fall sind nur zwei Sorten von Komponenten zur Bildung des Elementes erforderlich, die nur wech3elwei-

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se in dem UmhüTlungsrohr angeordnet zu werden brauchen, wodurch Montagefehler auf ein Minimum reduziert werden und die Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit dieser Elemente beachtlich erhöht wird.

Das Anzünden der pyrotechnischen Mischung, um die Verschmelzung des Elektrolyten während der Funktionszeit des Elementes zu erhalten, wird auf die gleiche Weise wie bei den bekannten thermischen Elementen erreicht, d.h. indem die verschiedenen Platten 6 dieser Mischung mit einer Zündschnur verbunden oder in Berührung gebracht werden, die beispielsweise in einer, Längsnut des Rohres 7 angeordnet sein kann.'

Bevorzugt sind in dem thermischen Element die Kathodenplatten wie 1 und 1' entweder aus NiclfiL oder aus Gold oder aus einem mit einer Goldschicht überzogenen Metall, wird das Anodenmaterial von Kalzium, der Depolarisator von Kalziumchromat oder Ferrisulfat, der Elektrolyt von einem eutektischen Gemisch aus Lithiumchlorid und Kaliumchlorid und die pyrotechnische Mischung von einer reduzierendenoxidierenden Mischung von Zirkonium-Barium-Chromat gebildet. Das nicht leitende, feuerfeste bzw. hochschmelzende Material, aus dem das Rohr oder die Hülle 7 zur Stapelung der Elemente besteht, ist entweder Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid oder Glas oder auch Phenolharz.

In Fig. 2 ist ein Teil der Funktionskurve C eines thermischen Elementes gemäss der oben beschriebenen

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bevorzugten Ausführungsform dargestellt, dessen Durchmesser 34 mm und dessen Länge einschliesslich der Klemmen 40 mm beträgt und das mit einem Widerstand von 20 Ohm belastet ist. Das Element, dessen Gesamtgewicht 70 g beträgt, umfasst zehn in Reihe geschaltete Zellen, von denen jede eine elektromotorische Kraft von 2,55 Volt liefert, und weist somit eine elektromotorische Kraft von 25»5 Volt auf. Die Massenleistung eines solchen Elementes beträgt 0,40 Watt pro g während die eines bekannten Elementes nur 0,26 Watt pro g beträgt, was einer Massenleistungssteigerung von 54 $> entspricht. Die Zünddauer, die in der G-rössenordnung von 0,1 bis 0,2 Sekunden liegt, ist in Bezug auf die üblichen thermischen Zellen um 0,05 bis 0,1 Sekunden vermindert. Die Betriebskurve C zeigt die Änderungen der Spannung an den Klemmen U in Volt auf der Ordinate aufgetragen in Abhängigkeit von der Zeit in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. Die Betriebsdauer eines solchen Elementes liegt in der Grössenordnung von 60 Sekunden.

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Claims (4)

1. - 11 -

   Patentans-orüche

   Ther.uisches Elenent des Typs mit einer Ges aut lieit von gleichen Zellen, die übereinandergestapelt und in Reihe verbunden sind, dadurch

   gekennzeichnet , daß in jeder ä

   Zelle die grundlegenden Konponenten aus Teilen zusammengesetzt sind, die die ITorm von aktiven Blocks oder Platten haben, welche alle die gleiche äußere Kontur aufweisen, übereinandergestapelt sind und in einer vorbestimmten Reihenfolge nit ein and er in Kontakt stehen, und daß jede der Zellen aufeinanderfolgend umfaßt eine Platte (2) aus depolarisierenden Material, eine die Kathode bildende leitende Hatte (1), eine Platte (3) einer anodischen Mischung, einen isolierenden Block (4), der nit einer festen elektrolytischen Substanz imprägniert ist, eine Platte (6) einer pyrotechnischen Mischung und einen isolie- "

   r end en Block (5)i äer ^i t einer festen elektrolytischen Substans der gleichen Zusammensetzung wie die des Blocks (4) imprägniert ist, wobei der letztere Block ,nit seiner äußeren Querfläche in Berührung nit der Außenfläche der Platte aus depolarisierenden Material der folgenden Zelle steht und die elektrische Verbindung zwischen sviei aufeinanderfolgenden Zellen durch die direkte Berührung zwischen der Platte mit anodischer Mi-

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   schung der einen mit der Kathodenplatte der anderen erfolgt.
2. 2. Thermisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Platte (2) aus depolarisierendem Material, die die Kathode bildende leitende Platte (1) und die Platte (3) mit anodischer Mischung in einem einzigen Teil vereinigt sind, das von einer die Kathode bildenden leitenden Platte gebildet ist, die auf einer ihrer Flächen mit einem depolarisierendem Material und auf der anderen Fläche mit einem Anodenmaterial bedeckt ist.
3. 3. Thermisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die zwei isolierenden, mit einer elektrolytischen Substanz imprägnierten Blöcke (4,5) und die Platte mit pyrotechnischer Mischung (6) in einem einzigen Teil vereinigt sind, bei dem die Platte zwischen die zwei Blöcke eingesetzt ist.
4. 4. Verfahren zur Anfertigung eines thermischen Elementes nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet , dass durch direkte Stapelung und mit der gleichen Ausrichtung die aufeinanderfolgenden Teile der verschiedenen Zellen aufeinanderfolgend und miteinander in Berührung stehend in einem Rohr (7) angeordnet werden, dessen innere sichtbare Kontur gleich der den verschiedenen Elementen gemeinsamen .sichtbaren Kontur ist.

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