DE2163304A1 - Schwefel-Natrium-Akkumulator und Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Schwefel-Natrium-Akkumulator und Akkumulatorenbatterie

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DE2163304A1 DE19712163304 DE2163304A DE2163304A1 DE 2163304 A1 DE2163304 A1 DE 2163304A1 DE 19712163304 DE19712163304 DE 19712163304 DE 2163304 A DE2163304 A DE 2163304A DE 2163304 A1 DE2163304 A1 DE 2163304A1
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Description

PATENTANWXLTF
DR. MOLLER-BORe ■ DR. MANITZ ■ DR. DEUFEL DIPL-ING. FINSTERWALD · DIPLtNQ. GRÄMKOW MD/U/C -^ β MÖNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STR. 1
TELEFON225110
C 2460
München, den 20, Dez. 1971
COMPAGNIE GENEHAIE D'EIECTRICITE 54f Rue La Boetie, PARIS (8), Prankreich
SCHWEFEL-NATRIUM-AKKUMÜLATOR UND AKKUMULATORENBATTERIE
Die Erfindung betrifft Schwefel-Natrium-Akkumulatoren und aus derartigen Akkumulatoren hergestellte Akkumulatorenbatterien.
. Es ist bekannt, elektrochemische Schwefel-Natrium-Elemente herzustellen, die ein Rohr aufweisen, deren unterer Teil zumindest als fester Elektrolyt ausgebildet ist. In der Regel besteht dieser Teil aus Beta-Aluminiumoxid. Im Innern des Rohrs wird die beispielsweise aus Natrium bestehende negative aktive Masse untergebracht. Mindestens der den Elektrolyten bildende Teil des Rohrs wird in einem Behälter vorgesehen, der eine aus einem leitenden Material bestehende Verkleidung aufweist, beispielsweise Graphitfilz, der mit der positiven aktiven Masse, beispielsweise Schwefel, durchtrankt ist. Derartige Elemente werden bei einer Temperatur von etwa 350° C betrieben und wirken mit Reaktionsmitteln und geschmolzenen Reaktionsprodukten zusammen.
209826/0765 ./.
Aufgrund der bisher durchgeführten Arbeiten konnten nur Schwefel-Natrium-Elemente geringer Leistung hergestellt werden, beispielsweise einer Leistung von etwa 50 W, die sich für industrielle Anwendungen jedoch nicht eignen.
Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Schwefel-Natrium-Elements hoher Leistung, beispielsweise 5 kW, das insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden kann. Dies setzt voraus, dass sämtliche Probleme in bezug auf . die Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur zufriedenstellend gelöst sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein Schwefel-Natriun·- Akkumulator, der im Innern eines Behälters mehrere im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Röhren aufweist, deren unteres Teil zumindest als fester Elektrolyt ausgebildet ist, und die alle mit einem ihnen gemeinsamen, die negative aktive Masse enthaltenden Behälter verbunden sind, der mindestens bis zu einer Höhe, die im wesentlichen dem als Elektrolyten dienenden Teil der Röhren entspricht, eine aus einem elektronisch
leitenden Stoff bestehende, mit der positiven aktiven Masse durchtränkte Verkleidung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Ktihleinrichtungen versehen ist, die hauptsächlich in Höhe der Verbindung der Röhren mit dem gemeinsamen Behälter wirksam sind.
Der Behälter besteht aus Metall und bildet einen der Pole des Akkumulators.
209826/0765
Im Innern des Behälters sind Metallplatten zur Stromabnahme angeordnet, die Öffnungen zur Durchführung der Röhren aufweisen und mit den Wänden des Behälters elektrisch verbunden sind. Diese Stromabnahmeplatten sind im wesentlichen parallel angeordnet und an senkrecht angebrachten Abstandsstücken befestigt.
Sie weisen vorteilhafterweise kleine Offnungen auf, durch die das Imprägniermittel des ,leitenden Materials hindurchtritt. Sie weisen ferner Unebenheiten auf, um das leitende Material zu halten. Die Offnungen und Unebenheiten werden gleichzeitig beim Ausstanzen hergestellt.
Lediglich die unteren Teile der als Elektrolyt ausgebildeten Föhren sind aus Beta-Aluminiumoxid hergestellte Die oberen Teile der Fohren bestehen aus Alpha-Aluminiumoxid, und die Verbindung zwischen den einzelnen Teilen erfolgt durch Schweissen, beispielsweise mit Hilfe von Glas oder Emaille.
Bei einer erfindungsgemässen Ausführungsart ist der die negative aktive Masse enthaltende Behälter mit den Röhren über einen Verteiler verbunden. Ausserdem ist zwischen dem Behälter und dem Verteiler ein System vorgesehen, das den Durchsatz der negativen aktiven Masse regelt. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung mit Ventilen oder Membranen bzw. einen Docht. Der Verteiler ist als Schale ausgebildet, die Offnungen aufweist, in die die oberen Enden der Röhren eingesetzt sind. Im übrigen simd Vorrichtungen vorgesehen, die die Dichtigkeit zwischen dem Verteiler und den Röhren gewährleisten.
209826/0765
Weitere Merkmale enthält die Beschreibung an Hand der Zeichnung.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch einen erfindungsgemässen Schwefe1-Natrium-Akkumulatοr;
Fig. 2 ist eine vergr'dsserte Teilansicht der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Draufsicht einer zum Einbau in den Akkumulator bestimmten Stromabnehmerplatte;
Fig, 4 veranschaulicht einen Schnitt des Akkumulators nach Fig. 1 entsprechend der Linie 11 j
Fig. 5 veranschaulicht schematisch im Schnitt eine Akkumulatorenbatterie, die durch Reihenschaltung von in Fig. 1 veranschaulichten Akkumulatoren hergestellt istj
Fig. 6 ist ein waagerechter Schnitt der Fig. 5 entsprechend der Linie BB;
Fig. 7 ist ein senkrechter Schnitt der Fig. 5 entsprechend der Linie CC.
In Fig. 1 ist mit 1 der erfindungsgemässe Akkumulator bezeichnet. Dieser weist einen Behälter 2 auf, der zylindrisch ausgebildet ist und beispielsweise aus rostfreiem Stahlblech oder Flusstahl besteht, welcher eine Oberflächenbehandlung erfahren hat, um der Korrosion durch Schwefel oder Polysulfide zu widerstehen.
Die Dicke der Wand des Behälters beträgt beispielsweise etwa 0,8 mm.
209828/0765 ·/·
Mit 3 sind die an ihrem unteren Ende verschlossenen, parallel angeordneten Röhren bezeichnet. Diese sind zur Aufnahme des Natriums bestimmt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bestehen diese Röhren aus zwei Teilen, die durch Schweissen miteinander verbunden sind, d.h. aus dem unteren Teil 4 zur Aufnahme des festen Elektrolyten und dem oberen Teil 5. Der untere Teil besteht aus Beta-Aluminiumoxid und der obere Teil 5 aus Alpha-Aluminiumoxid. Die Abmessungen des Teils der Röhren aus Beta-Aluminiumoxid sind beispielsweise 8 mm Aussendurchmesser und 7 mm Innendurchmesser. Die Abmessungen des Teils aus Alphaaluminiumoxid sinds Aussendurchmesser 5 bis 10 mm, Innendurchmesser 0,5 bis 5 mm.
Es ist vorteilhaft, den Innendurchmesser des oberen Teils 5 der Röhre kleiner als den Innendurchmesser des unteren Teils 4 zu wählen. Der Behälter 2 ist um die Rohren 3 herum und mindestens bis zu einer Höhe, die dem Teil 4 der Röhren entspricht, mit einem porösen leitenden Stoff umgeben, beispielsweise Graphitfilz, der im geladenen Zustand mit Schwefel durchtränkt ist. Der besseren Übersicht halber ist dieser Stoff in der Zeichnung nicht veranschaulicht. Das obere Ende des Behälters 2 ist mit einem Flansch 6 versehen, der im gezeigten AusfUhrungsbeispiel zwei Laschen 7 aufweist, welche die positiven Klemmen des Akkumulators bilden.
Das leitende Material, beispielsweise Graphitfilz, ist als Platte ausgebildet, die Löcher zur Durchführung der Röhren aufweist. Diese Platten werden in waagerechten Schichten,
209826/0765
beispielsweise einer Stärke von 5 mm, ttbereinanderangeordnet. Vorteilhafterweise werden zur Verringerung des ohmschen Spannungsabfalls in der Kathode in regelmäßigen Abständen zwischen den Schichten Metallplatten 8 zur Stromabnahme vorgesehen. Diese Platten 8 bestehen aus dem gleichen Material wie der Behälter 2. Sie sind vorteilhafterweise auf ihrem Umfang mit Laschen versehen, die ggf · durchlöchert sind, um ihr Gewicht zu verringern, und sich elastisch an die Innenwand des Behälters 2 anlegen.
Fig. 3 ist eine Draufsicht einer derartigen Platte vor ihrem Einbau in den Behälter und vor dem teilweisen Umklappen der Laschen. Die Platten 8 weisen auf ihren beiden Seiten Unebenheiten auf, die dazu bestimmt sind, das leitende Material zu halten. Sie haben ferner Offnungen, die die Polysulfide hindurchlassen. Die Unebenheiten und Öffnungen sind in Fig. 3 mit 81 bezeichnet und werden gleichzeitig beim Tiefziehen hergestellt. Vorteilhafterweise sinl die Platten durch senkrechte Abstandsstttcke, die nicht in der Fig. veranschaulicht sind, verbunden. Auf diese Weise werden die mechanischen Beanspruchungen infolge des beträchtlichen Schrumpfens des Schwefels und der Natriumpolysulfide bei der Verfestigung aufgehoben« Durch die Platten 8 und die senkrechten Abstandsstttcke, die sie miteinander verbinden, wird ein optimales Verfestigen des leitenden Materials erzielt,
Mit 9 ist der gemeinsame Natriumbehälter für sämtliche Röhren 3 bezeichnet. Dieser Behälter besteht aus
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rostfreiem Stahlblech einer Stärke von etwa 1 mm und wird durch Tiefziehen hergestellt. Die Röhren 3 werden über eine Verteilerkammer 10 versorgt, und zwischen dem Behälter 9 und der Kammer 10 ist in dem beschriebenen AusfUhrungsbeispiel eine Durchsatzregelung vorgesehen. Diese Durchsatzregelvorrichtung ist mit einem Rohrstutzen 11 versehen, der zwei Membranen 12 aufweist. Sie dient dazu, das Einströmen des geschmolzenen Natriums in den Behälter zu verhindern, falls ein Rohr 3 bricht. Anstelle der Membranen können Ventile oder Dochte vorgesehen werden.
Die Kammer 10 wird von Metallteilen begrenzt, die eine Schale bilden, auf deren Boden Offnungen zum Einführen der oberen Enden der Teile 5 der Röhren 3 vorgesehen sind. Die Offnungen 16 dienen zum Durchfluss des Natriums. Um eine ausgezeichnete Dichtigkeit zu erzielen, sind die Enden der Röhren mit Runddichtungen 16* versehen, die beispielsweise aus Silikonkautschuk bestehen und zwischen dem Boden 14 der Schale und der auf dem Boden befestigten Platte 17 verspannt sind. Der obere Teil der Verteilerkammer besteht aus einer Metallwand,die zur Kühlvorrichtung gehört. Wie aus den Fig. ersichtlich, weist die Platte 17 auf ihrem Umfang einen Flansch 18 auf, der im veranschaulichten Ausführungsbeispiel mit zwei Laschen 19 versehen ist, die die negativen Klemmen des Akkumulators bilden. Die Flansche 6 und 18 werden nach Zwischenlegung von Isoliermitteln, beispielsweise Unterlegscheiben oder Dichtungen aus Silikonkautschuk, miteinanderverbunden. Die
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Verbindung erfolgt auf herkömmliche Weise mittels Schrauben oder auf geeignete andere Weise, beispielsweise durch Versiegelung mit Glas oder Emaille.
. Die dem Akkumulator zugeordnete Kühleinrichtung besteht aus einem Stutzen 20, der in die Kühlkammer 21 mündet, welche zwischen der Verteilerkammer 10 und dem unteren Teil des Behälters 9 angeordnet ist. Die Kammer 21 umgibt den Stutzen 11. Das Kühlmedium, beispielsweise Luft, verlässt durch einen Stutzen 22 die Kammer 21· Die Wände der Kammer 21 sind zur Erhöhung der Kühlwirkung mit Metallrippen 21f ausgerüstet.
Im geladenen Zustand nimmt das Natrium den grössten Teil des Behälters 9 einj im entladenen Zustand verbleibt es jedoch nur auf dem Behälterboden. Die überschüssigen Kalorien .aufgrund des Jouleeffekts im Innern des Akkumulators werden durch das in den Röhren befindliche Natrium abgeführt. Damit die Kühlung stets einwandfrei ist, muss diese hauptsächlich auf einer Ebene erfolgen, die der Natriumfüllung entspricht. Aus diesem Grunde ist die Kühlkammer 21 vorteilhafterweise auf der Verbindungsebene der Röhren und des Natriumbehälters angebracht. Wenn die Kühlung in der Hauptsache den oberen Teil des Natriumbehälters betreffen würde, wäre am Ende der Entladung, d.h. wenn der Behälter praktisch leer ist, die Abfuhr der überschüssigen Kalorien durch die Behälterwände unzureichend. Dank einer derartigen Anordnung der Kühlkammer 21 werden folgende Vorteile erzielt:
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1. Die abzuführende Wärme entsteht insbesondere an den Wänden der unteren Teile 4 der Röhren 31 und zwar durch Jouleeffekt, Da das in den Röhren 3 enthaltene Natrium ausgezeichnet wärmeableitend ist, wird die Wärme am besten am Eingang der Röhren abgeführt. Die Wärmeabfuhr erfolgt von der Verteilerkammer 10 aus, die ebenfalls mit Natrium gefüllt ist, das mit dem in den Röhren 3 befindlichen Natrium in Berührung steht. Am unteren Wandteil der Kammer 21 erfolgt die Wärmeabfuhr mit minimalem thermischen Widerstand zwischen der Stelle, an der die Wärme entsteht, und der Stelle, an der sie abgeführt wird.
2. Die obere Wand der Kühlkammer kühlt das Natrium des Behälters 9 selbst dann, wenn dieser fast leer ist, denn sie ist stets von flüssigem Natrium umgeben.
3. Die Wärmeabfuhr erfolgt aus den Röhren der Mitte des Akkumulators ebenso wirksam wie aus den Röhren, die am Umfang angeordnet sind, so dass eine einwandfreie gleichmässige Temperatur gewährleistet ist.
Um eine zu hohe Temperatur der Verbindung 16' zu veihindern, wird der Innendurchmesser des Teils 5 der Röhren 3 vorteiLhafterweise so gewählt, dass er geringer als derjenige des Teils 4 ist, der als Elektrolyt dient.
tn einer abgewandelten Ausführungsarb we Lot der Akkumulator I eine Anzahl von 37 Röhren auf. DLe pouitiven und negabLvon Stromabnohmerlaaohen können beLnpLeLaweiae
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BAD ORlGlNM
mit Silber metallisiert werden, um die Berührungswiderstände bei Reihenschaltungen zu verringern.
Die Fig. 5, 6 und 7 veranschaulichen Teile einer Akkumulatorenbatterie mit mehreren Akkumulatoren, die den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ähnlich sind.
Darin ist die Batterie mit 30 bezeichnet. In dieser Ausführung umfasst sie zwölf Akkumulatoren 1, die durch Verbindung ihrer positiven und negativen Klemmen in Reihe geschaltet sind. Die Batterie 30 hat einen Behälter 31, der beispielsweise aus Schaumpolystyrol besteht und dessen Seitenwände mit einer Wärmeisolierung 32 versehen sind, die beispielsweise aus Mineralwolle besteht. Die Akkumulatoren 1 liegen parallel zueinander, Mit 33 ist ein Gebläse zur Erzeugung der Kühlluft bezeichnet. Diese wird im Innern der Batterie durch waagerechte Kanäle 34 verteilt, in die die Leitungen 20 bzw. 22 der einzelnen Akkumulatoren münden. Die Gebläseluft wird bei 35 abgerührt.
Das Temperaturregelsystem besteht aus einem mit
einem dehnbaren Rohr versehenen Detektor, der in der Batterie in Höhe des oberen Endes der Röhren 3 angeordnet ist und auf mechanische Weise den Lufbsbrom über Drosselklappen 36 und 37 regelt; diese schLiesseii bei vöLliger Ausschaltung der Batterie die Luf te in tr it bn- bzw. Aus br L tbs'df fnungen volls bändig und gewährleisten deren. Wärmedämmung, Sofern die Babber ie zum An brio b einen Fahrzeug« ve rv/otule b wird, kann die aus der fU'Le quiifcrn bf'iidr! "/armLuf t fei Lv/e Ine oder ganz zur
BAD ORlGfNAL
Innenheizung des Fahrzeugs herangezogen werden.
Zur Berechnung der Wärmeisolierung können beispielsweise folgende Werte genannt werden;
- Steinwolle: Dicke 40 mm?
- Schaumpolystyrols Dicke 14 mm.
Unter diesen Bedingungen kann die Batterie ohne Medererwärmung nach völliger Ausschaltung, die weniger als etwa 10 Stunden beträgt, erneut verwendet werden, da die Temperatur dann mindestens 220° C beträgt. Unter diesem Temperaturwert muss die Batterie vor ihrer Wiederverwendung wieder erwärmt werden. Die Erwärmung der Batterie kann beispielsweise durch Warmluft erfolgen, die in dem normalerweise zur Kühlung vorgesehenem Umlauf system zirkuliert.
Die Erwärmung der Luft kann beispielsweise -durch ein elektrisches Widerstandsnetz erfolgen, wobei als Energiequelle eine herkömmliche Bleibatterie dient.
Die anderen Kennwerte der Batterie sind beispielsweise folgende:
- Spannung bei offenem Stromkreis: 25 V
- Spannung bei höchster Leistung: 19,2 V
- Stromstärke bei höchster Leistung: 270 V
- Entladungswert: 50$
- Gesamtgewicht des Natriums: 15,8 kg
- Gesamtgewicht des Schwefels: 29 kg
- Gesamtgewicht der Anlage ohne Reagenzien: 60,2 kg
2098 k (i/0 76 6
«I
- Gesamtgewicht der Batterie: 105 kg
- Maximale Ausgangsleistung: 5,2 kW
- Eingespeicherte Energie (Entladung in 3 Std.):
. . 15,6 kWh
- Kapazität im Verhältnis zur Blasse: 148 Wh/!cg
- Leistung im Verhältnis zur Massei 49,5 W/kg
- Aussenabmessungen: Höhe 56 cm
Breite 63 cm * Länge 112 cm
- Leistung des Lüfters: ungefähr 100 W.
-PatentansprUche-209826/0765

Claims (1)

  1. 21633OA
    PATENTANSPRÜCHE
    Ί .) Schwefel-Natrium-Akkumulator, der im Innern eines Behälters mehrere im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Röhren aufweist, deren unteres Teil zumindest als fester Elektrolyt ausgebildet ist und die alle mit einem ihnen gemeinsamen, die negative aktive Masse enthaltenden Behälter verbunden sind, der mindestens bis zu einer Höhe, die im wesentlichen dem als Elektrolyten dienenden Teil der Röhren entspricht, eine aus einem elektronisch leitenden Stoff bestehende, mit der positiven aktiven Masse durchtränkte Verkleidung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Kühleinrichtungen versehen ist, die hauptsächlich in Höhe der Verbindung der Röhren (3) mit dem gemeinsamen Behälter (9) wirksam sind.
    2· Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Behälter (9) mit den Röhren (3) über eine Verteilerkammer (10) verbunden ist, wobei eine Durchsatzregeleinrichtung (12) zwischen dem Behälter (9) und der Kammer (10) vorgesehen ist.
    3. Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtungen einen Luftzufuhrstutzen (20) aufweisen, der in eine Kühlkammer (21) führt, die zwischen dem gemeinsamen Behälter (9) und der Verteilerkammer (10) angeordnet ist, aus der die Luft durch einen zweiten Stutzen (22) abgeführt wird.
    209826/0765
    4. Akkumulator nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtigkeit zwischen dem oberen Teil (5) der Röhren (3) und dem Boden der Verteilerkammer (10) mit Hilfe von Runddichtungen (161) erfolgt, die die Enden der Röhren (3) umgeben und zwischen dem Boden (14) und einer auf diesem befestigten Metallplatte (17) verspannt sind.
    5. Akkumulator nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (4) der Röhren (3)f der als Pe st elektrolyt dient, aus Beta-Aluminiumoxid besteht.
    6. Akkumulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (5) der Röhren (3) aus Alpha-Aluminiumoxid besteht.
    7. Akkumulator nach einem der Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des oberen Teils (5) der Röhren (3) kleiner als der Durchmesser des unteren Teils (4) ist»
    h 8. Akkumulator nach einem der Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnahme über Flansche (6,18) erfolgt, von denen der Plansch (6) auf dem oberen Ende des Behälters (2) angebracht ist und der Plansch (18) mit dem Boden (14) der Verteilerkammer (10) in elektrischem Kontakt steht.
    9. Akkumulatorenbatterie dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Akkumulatoren nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
    ./. 209826/0765
    10. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatoren zueinander parallel in einem Kasten untergebracht sind, dessen Innenwand vorzugsweise mit einem wärmedämmenden Stoff (32) versehen ist.
    11. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Vorrichtungen zum Umlauf eines Kuhlmediums, beispielsweise Luft, im Innern des Kastens aufweist.
    12. Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichne t, dass die Kuhleinrichtungen einen Lufter (33) aufweisen, wobei die Luft in Kanälen (34) umläuft, in die die Kühlstutzen (20) der einzelnen Akkumulatoren (1) münden.
    209826/0765
    Leerseite
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