DE2163304B2 - Schwefel-Natrium-Akkumulator und Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwefel-Natrium-Akkumulator, der im Innern eines Behälters mehrere im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Röhren aufweist, deren unterer verschlossener Teil als fester Elektrolyt ausgebildet ist, und die alle mit einem ihnen gemeinsamen, das Natrium enthaltenden Vorratsbehälter verbunden sind, wobei der Behälter mindestens bis zu einer Höhe, die im wesentlichen dem als Elektrolyten dienenden Teil der Röhren entspricht, mit einem porösen, elektronisch leitenden Stoff ausgefüllt ist, der mit dem Schwefel durchtränkt ist Die Erfindung betrifft ferner aus derartigen Akkumulatoren hergestellte Akkumulatorenbatterien.

Ew ist bekannt, elektrochemische Schwefel-Natrium-Elementt herzustellen, die ein Rohr aufweisen, deren unterer Teil zumindest als fester Elektrolyt ausgebildet ist In der Regel besteht dieser Teil aus Beta-AIuminiumoxid. Im Innern des Rohres wird die aus Natrium bestehende negative aktive Masse untergebracht. Mindestens der den Elektrolyten bildende Teil des Rohres wird in einem Behälter vorgesehen, der eine aus einem leitenden Material bestehende Verkleidung aufweist, beispielsweise Graphitfilz, der mit der positiven aktiven Masse Schwefel, durchtränkt ist. Derartige Elemente werden bei einer Temperatur von etwa 350° C betrieben.

Aufgrund der bisher durchgeführten Arbeiten konnten nur Schwefel-Natrium-Akkumulatoren geringer Leistung hergestellt werden, beispielsweise einer Leistung von etwa 50 W, die sich für industrielle Anwendungen jedoch nicht eignen.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines Schwefel-Natrium-Akkumulators 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-Natrium-Akkumulator, der im Innern eines Behälters mehrere im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Röhren aufweist, deren unterer verschlossener Teil als fester Elektrolyt ausgebildet ist, und die alle mit einem ihnen gemeinsamen, das Natrium enthaltenen Vorratsbehälter verbunden sind, wobei der Behälter mindestens bis zu einer Höhe, die im wesentlichen dem als Elektrolyten dienenden Teil der Röhren entspricht, mit einem porösen, elektronisch leitenden Stoff ausgefüllt ist, der mit dem Schwefel durchtränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Kühleinrichtungen versehen ist, die hauptsächlich in Höhe der Verbindung der Röhren mit dem gemeinsamen Vorratsbehälter wirksam sind.

Der Behälter besteht aus Metall und bildet einen der Pole des Akkumulators.

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 öffnungen auf, durch die der Reaktant hindurchtritt Sie weisen ferrer Unebenheiten auf, um das poröse leitende Material zu halten. Die öffnungen und Unebenheiten werden gleichzeitig zum Ausstanzen hergestellt.

Lediglich die unteren Teile der als Elektrolyt ausgebildeten Röhren sind aus Beta-Aluminiumoxid hergestellt Die oberen Teile der Röhren 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 das Natrium enthaltende Vorratsbehälter mit den Röhren über eine Verteilerkammer verbunden. Außerdem ist zwischen dem Vorratsbehälter und der Verteilerkammer ein System vorgesehen, das den Durchsatz des Natriums regelt Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung mit Ventilen oder Membranen bzw. einen Docht Die Verteilerkammer Lt als Schale ausgebildet, die öffnungen aufweist, in die die oberen Enden der Röhren eingesetzt sind. Im übrigen sind Vorrichtungen vorgesehen, die die Dichtigkeit zwischen dem Verteiler und den Röhren gewährleisten.

Weitere Merkmale enthält die Beschreibung an Hand der Zeichnung.

F i g. 1 veranschaulicht schematisch einen erfindungsgemäßen Schwefel-Natrium-Akkumulator;

F i g. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht der Fig. 1;

Fig.3 ist eine Draufsicht einer zum Einbau in den Akkumulator bestimmten Stromabnehmerplatte;

F i g. 4 veranschaulicht einen Schnitt des Akkumulators nach F i g. 1 entsprechend der Linie A-A;

Fig.5 veranschaulicht schematisch im Schnitt eine Akkumulatorenbatterie, die durch Reihenschaltung von in F i g. 1 veranschaulichten Akkumulatoren hergestellt ist;

F i g. 6 ist ein waagerechter Schnitt der F i g. 5 entsprechend der Linie B-B;

Fig.7 ist ein senkrechter Schnitt der Fig.5 entsprechend der Linie C-C

In F i g. 1 ist mit 1 der erfindungsgemäße Akkumulator bezeichnet Dieser weist einen Behälter 2 auf, der zylindrisch ausgebildet ist und beispielsweise aus rostfreiem Stahlblech oder Flußstahl besteht, welcher eine Oberflächenbehandlung erfahren hat, um der Korrosion durch Schwefel oder Polysulfide zu wiederstehen.

Die Dicke dei Wand des Behälters beträgt beispielsweise etwa 0,8 mm.

Mit 3 sind die an ihrem unteren Ende verschlossenen, parallel angeordneten Röhren bezeichnet Diese sind zur Aufnahme des Natriums bestimmt. Wie aus F i g. 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 S aus Alpha-Aluminiumoxid. Die Abmessungen des Teils der Röhren aus Beta-Aluminiumoxid sind beispielsweise 8 mm Außendurchmesser und 7 mm Innendurchmesser. Die Abmessungen aus Alphaaluminiumoxid sind: 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 Röhren 3 herum und mindestens bis zu einer Höhe, die dem Teil 4 der Röhren entspricht, mit einem porösen leitenden Stoff unigeben, 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 Ausführungsbeispiel 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, beispielsweise einer Stärke von 5 mm, übereinander angeordnet 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 anlegea

F i g. 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 poröse leitende Material zu halten. Sie haben ferner öffnungen, die die Polysulfide hindurchlassen. Die Unebenheiten und öffnungen sind in F i g. 3 mit 8' bezeichnet und werden gleichzeitig beim Tiefziehen hergestellt Vorteilhaftenveise sind die Platten 8 durch senkrechte Abstandsstücke, die nicht in der Figur 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 Abstandsstükke, die sie miteinander verbinden, wird ein optimales Verfestigen des leitenden Materials erzielt.

Mit 9 ist der gemeinsame Natriumvorratsbehälter für sämtliche Röhren 3 bezeichnet Dieser Vorratsbehälter besteht aus 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 Vorratsbehälter 9 und der Verteilerkammer 10 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 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 Verteilerkammer 10 wird von Metallteilen begrenzt, die eine Schale bilden, auf deren Boden öffnungen zum Einführen der oberen Enden der Teile 5 der Röhren 3 vorgesehen sind. Die öffnungen 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 besi.'ht aus einer Metallwand, die zur Kühlvorrichtung gehört. Wie aus den Figuren 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 J8 werden

nach Zwischenlegung von Isoliermitteln, beispielsweise Unterlegscheiben oder Dichtungen aus Silikonkautschuk miteinander verbunden. Die 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 Vorratsbehälters 9 angeordnet ist. Die Kühlkammer 21 umgibt den Stutzen 11. Das Kühlmedium, beispielsweise Luft, verläßt durch einen Stutzen 22 die Kühlkammer 21. Die Wände der Kühlkammer 21 sind zur Erhöhung der KUhlwirkung mit Metallrippen 2Γ ausgerüstet

Im geladenen Zustand nimmt das Natrium den größten Teil des Vorratsbehälters 9 ein; im entladenen Zustand verbleibt es jedoch nur auf dem Behälterboden. Die überschüssigen Kalorien aufgrund des Jouleefekts 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 auf der Verbindungsebene der Röhren und des Natriumvorratsbehälters angebracht Wenn die Kühlung in der Hauptsache den oberen Teil des Natriumvorratsbehälters betreffen würde, wäre am Ende der Entladung, d. h. wenn der Vorratsbehälter praktisch leer ist, die Abfuhr der überschüssigen Kalorien durch die Vorratsbehälterwände unzureichend. Dank einer derartigen Anordnung der Kühlkammer 21 werden folgende Vorteile erzielt:

1. Die abzuführende Wärme entsteht insbesondere an den Wänden der unteren Teile 4 der Röhren 3, 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 Röi ren 3 befindlichen Natrium in Berührung steht Am unteren Wandteil der Kühlkammer 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 Vorratsbehälters 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 verhindern, 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

In einer abgewandelten Ausführungsart weist der Akkumulator 1 eine Anzahl von 37 Röhren auf. Die positiven und negativen Stromabnehmerlaschen können beispielsweise 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 F i g. 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 Kasten 31, der beispielsweise aus Schaumpolystyrol besteht und essen Seitenwände mit einer Wärmeisolierung 32 versehen sind, die beispielsweise aus

ίο 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 abgeführt

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 Luftstrom über Drosselklappen 36 und 37 regelt; diese schließen bei völliger Ausschaltung der Batterie die Lufteintritts- bzw. Austrittsöffnungen vollständig und gewährleisten deren Wärmedämmung. Sofern die Batterie zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet wird, kann die aus der Batterie austretende Warmluft teilweise oder ganz zur Innenheizung des Fahrzeugs herangezogen werden.

Zur Berechnung der Wärmeisolierung können beispielsweise folgende Werte genannt werden:

— Steinwolle: Dicke 40 mm;

— Schaumpolystyrol: Dicke 14 mm.

Unter diesen Bedingungen kann die Batterie ohne Wiedererwärmung nach völliger Ausschaltung, die weniger als etwa 10 Stunden beträgt erneut verwendet werden, da die Temperatur dann mindestens 220⁰C 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 vorgesehenen Umlaufsystem 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: 25V
- Spannung bei höchster Leistung: 19,2 V

— Stromstärke bei höchster Leistung: 270 A

— Entladungswert: 50%

— Gesamtgewicht des Natriums: 153 kg

— Gesamtgewicht des Schwefels: 29 kg
— Gesamtgewicht der Anlage

ohne Reagenzien: 60,2 kg

— Gesamtgewicht der Batterie: 105 kg

— Maximale Ausgangsleistung: 5,2 kW

— Eingespeicherte Energie

(Entladung in 3 Std): 15,6 kWh

— Kapazität im Verhältnis zur Masse: 148 Wh/kg

— Leistung im Verhältnis zur Masse: 49,5 W/kg

— Außenabmessungen:

Höhe 56 cm
Breite 63 cm
Länge 112 cm

— Leistung des Lüfters: ungefähr 100 W.

Hierzu JTBlatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schwefel-Natrium-Akkumulator, der im Inneren eines Behälters mehrere im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Röhren aufweist, deren unterer verschlossener Teil als fester Elektrolyt ausgebildet ist, und die alle mit einem ihnen gemeinsamen, das Natrium enthaltenden Vorratsbehälter verbunden sind, wobei der Behälter minde- stens bis zu einer Höhe, die im wesentlichen dem als Elektrolyten dienenden Teil der Röhren entspricht, mit einem porösen, elektronisch leitenden Stoff ausgefüllt ist, der mit dem Schwefel durchtränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mit is Kühleinrichtungen (20, 21, 22) versehen ist, die hauptsächlich in Höhe der Verbindung der Röhren (3) mit dem gemeinsamen Vorratsbehälter (9) wirksam sind.

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Vorratsbehälter (9) mit den Röhren (3) über eine Verteilerkammer (10) verbunden ist, wobei eine Durchsatzregeleinrichtung (12) zwischen dem Vorratsbehälter (9) und der Verteilerkammer (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 Vorratsbehälter (9) und der Verteilerkammer (10) angeordnet ist, aus der die Luft durch einen zweiten Stutzen (22) abgeführt wird.

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 (16') erfolgt, die die Enden (5) der Röhren (3) umgeben und zwischen dem Boden (14) und einer auf diesem befestigten Metallplattte (17) verspannt sind.

5. Akkumulator nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (4) der Röhren (3), der als Festelektrolyt 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 so Durchmesser des unteren Teils (4) ist

8. Akkumulator nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabnahme über Flansche (6,18) erfolgt, von denen der Flansch (6) auf dem oberen Ende des Behälters (2) ss angebracht ist und der Flansch (18) mit dem Boden (14) der Verteilerkammer (10) in elektrischem Kontakt steht

9. Akkumulatorbatterie mit mehreren Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatoren zueinander parallel in einem Kasten (31) untergebracht sind, dessen Innenwand vorzugsweise mit einem wärmedämmenden Stoff (32) versehen ist, und daß die Akkumulatorbatterie (30) Vorrichtungen zum Umlauf eines Kühlmediums, beispielsweise Luft, im Innern des Kastens (31) aufweist

10. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtungen einen Lüfter (33) aufweisen, wobei die Luft in Kanälen (34) umläuft, in die die Kühlstutzen (20) der einzelnen Akkumulatoren (1) münden.