DE2207129B2 - Galvanische Energieumwandlungseinrichtung mit einem ionisch leitenden Festelektrolyten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine galvanische Energieumandlungseinrichtung mit einem ionisch leitenden Festlektrolyten, der als Behälter für einen ersten flüssigen ho eaktionsteilnehmer dient, und einem zweiten Reakonsteilnehmer, der in einem weiteren Behälter unterebracht ist, in welchem eine Zweischichtelektrode aneordnet ist, aus einem faserförmigen elektronisch lei- :nden Material, dessen eine Oberfläche in Kontakt mit ⁶S em Festelektrolyten und dessen andere Oberfläche lit einem elektronisch leitenden Bauteü, das an einem ußeren Schaltkreis angeschlossen ist, in mechani

schem und elektrischem Kontakt steht.

In den in jüngster Zeit entwickelten Natrium-Schwefel-Energieumwandlungseinrichtungen wandern Natriumionen durch einen festen Elektrolyten, der geschmolzenes Natrium auf einer Seite und geschmolzenen Schwefel oder ein Gemisch aus Schwefel und Natriumpolysulfid auf der anderen Seite aufweist.

Während des Entladungszyklus einer Batterie als Beispiel für die Einrichtung liefern Natriumaiome ein Elektron an einen äußeren Schaltkreis, und die erhaltenen Natriumionen wandern durch den festen Elektrolyten, um sich mit Schwefelionen, die sich mit Elektronen des äußeren Schaltkreises gebildet haben, zu vereinigen. Sowohl Elektronen als auch geschmolzener Schwefelreaktionsteilnehmer müssen zugeführt und längs der Oberfläche des festen Elektrolyten verteilt werden. Das entgegengesetzte Verfahren tritt während des Ladungszyklus ein.

Eine an der Oberfläche des festen Elektrolyten befindliche Elektrodenstruktur liefert und verteilt Elektronen. Der Schwefelreaktionsteilnehmer muß rasch in die und aus der Nähe der Elektrodenstruktur und der festen Elektrolytoberfläche wandern, was schwierig ist. weil die Rcaklionsteilnehmer und Reakiionsprodukte nur wonii» mischbar sind und die Flektrodenstrukuir einen Massenfluß daraus hindert. Kerner kann ein Maximum an Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten in Kontakt mit dem maximalen Oberflächenbereich des festen Elektrolyten trotz der durch Ionenwanderung verursachten Volumenänderungen gehalten werden. Ein ähnlicher Massenübergang und ähnliche VoIumenändcrungsbetiachtungen wurden in anderen Energieumwandlungseinrichtungen angetroffen, die relativ nichtleitende Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Selen und andere anorganische und organische Flüssigkeiten aufweisen.

Aus der US-Patentschrift 34 68 709 ist eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einem mikroporösen leitenden Bauteil bekannt, wobei jedoch keinerlei Verbindung der mikroporösen Bauteile mit einem äußeren Schaltkreis gegeben ist. Auch aus der US-Patentschrift 34 13 150 ergibt sich keinerlei Hinweis auf ein elektronisch leitendes Bauteil mit großen öffnungen zum Zweck der Ermöglichung einer Massenströmung des Materials.

Gegenstand der Erfindung ist eine galvanische Energieumwandlungseinrichtung mit einem ionisch leitenden Festelektrolyten, der als Behälter für einen ersten flüssigen Reaktionsteilnehmer dient, und einem zweiten Reaktionsteilnehmer, der in einem weiteren Behälter untergebracht ist, in welchem eine Zweischichtelektrode angeordnet ist, aus einem faserförmigen elektronisch leitenden Material, dessen eine Oberfläche in Kontakt mit dem Festelektrolyten und dessen andere Oberfläche mit einem elektronisch leitenden Bauteil, das an einem äußeren Schaltkreis angeschlossen ist, in physikalischem und elektrischem Kontakt steht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß dieses Bauteil (24) öffnungen (25) mit einer Minimalabmessung von I mm zur Durchströmung des Reaktionsteilnehmers, der in Kontakt mit dem leitenden Bauteil steht, aufweist, und daß das Bauteil (24) im Abstand von dem Behälter (14) für diesen Reaktionsteilnehmer angebracht ist. Vorteilhafterweise besteht das elektronisch leitende Material (22) aus einer dünnen Schicht aus Graphitfilz. Das Bauteil (24) besteht bevorzugt aus einem Metallblech mit einer Mehrzahl darin befindlicher öffnungen (25).

Günstigerveise besteht der ionisch leitende Elektro-

lyt aus einem Rohr (20), das einen Reaktionsieilnehmer in Kontakt mit seinem Innern und den anderen Reaktionsteilnehmer in Kontakt mit seinem Äußern aufweist, wobei sich das leitende Material (22) und das leitende Bauteil (24) auf dem Äußern des Rohres befmden.

In einer speziellen Ausführungsform we.λ die Einrichtung eine Mehrzahl von Elektrolytrohren (2Oa bis 2Oe) in Abstand voneinander in dem Behälter (I4a) für den Reaktionsteilnehmer auf, wobei das leitende Material (22a bis 22e) jedes Rohr umgibt und mit dem leitenden Materia¹ (2za bis 22e), das die benachbarten Rohre umgibt, in Verbindung steht, wobei das leitende Bauteil (24a bis 24e) mit dem Äußeren des leitenden Materials, das dem zweiten Reaktionsteilnehmer ausgesetzt ist, in Kontakt steht.

Günstigerweise befinden sich dab~i das leitende Material (22a bis 22e) und das leiiende Bauteil (24a bis 24c) in physikalischem und elektrischem Kontakt mit dem Behälter für den zweiten Reaktionsteilnehmer.

Es ergibt sich dadurch eine Energieumwandlungseinrichtung mit erheblich verbessertem Massentransport der Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte in die und aus der Nähe des festen Elektrolyten und der Elektrode. Die Erfindung liefert ferner eine maximale Ausnutzung des Bereichs des festen Elektrolyten und der Elektrode trotz der Volumenänderungen der Reaktionsteilnehmer. In der Einrichtung befinde', sich ein ionisch leitender Elektrolyt zwischen einem ersten Reaktionsteilnehmer in einem Behälter und einem zweiten Reaktionsteilnehmer in einem anderen Behälter, wobei der Ausdruck Reaktionsteilnehmer hier zur Bezeichnung sowohl von Reaktionsteilnehmern als auch Reaktionsprodukten verwendet wird. Die Elektrode für einen der Reaktionsteilnehmer umfaßt eine Schicht aus elektronisch leitendem Material, wobei eine Oberfläche sich in Kontakt mit einer Seite des ionisch leitenden Elektrolyten befindet. Die andere Oberfläche des Materials steht in Kontakt mit einem strukturell integralen, elektronisch leitenden, gegenüber dem Massenfluß seines Reaktionsteilnehmers durchlässigen Bauteils, der mit dem äußeren Schaltkreis elektrisch verbunden ist. Zwischen dem strukturell integralen leitenden Bauteil und der Behälterwand befindet sich ein offenes Volumen, um den freien Fluß und das Vermischen der Reaktionsteilnehmer zu fördern. Der Reaktionsteilnehmer fließt auch leicht durch den leitenden Bauteil in die Schicht des elektronisch leitenden Materials. Der leitende Bauteil verteilt Elektronen an das leitende Material, das wiederum die Elektronen zu ode·- von den Reaktionsteilnehmern überträgt.

Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte vermischen sich gemäß der Erfindung ohne Schwierigkeit in dem offenen Raum und fließen einfach durch die Perforierungen in der Metallplatte unter Austausch von Elektronen mit dem Graphitfilz.

Die Erfindung ist besonders günstig mit ionisch leitenden festen Elektrolyten, wie beispielsweise solchen, die in den US-PS 34 04 035, 34 04 036. 34 46 677. 34 75 225 und 35 35 163 beschrieben sind. Kurz ausgedrückt, umfassen diese festen Elektrolyten ein festes Gemisch aus Aluminiumoxid und einem Alkalimetalloxid, das Alkaliionen u;»ier dem Einfluß eines elektrischen Feldes leitet. Kleine Mengen Magnesiumoxid oder Lithiumoxid können zur Verbesserung von Eigenschäften zugefügt werden. Die beweglichen Alkaliionen können aus Natrium, Kalium u.dgl. bestehen. Feste Elektrolyte vom Glastyp oder andere geeignete anorganische oder organische feste Elektrolyte, die mn dci Reaktionsteilnehmern verträglich sind, können aucl veiwendet werden. Die Erfindung kann auch zusam men mit ionisch leitenden unbeweglich gemachten fiüs sigen Elektrolyten, beispielsweise solchen, die in bishe rigen Lithium-Schwefel-Batterien verwendet wurden angewendet werden.

Gute Wirksamkeit ohne Störung durch Volumenän derungen der Reakiionsteilnehmer wird in Natrium Schwefel-Energieumwandlungsein richtungen erreicht indem ein fester Elektrolyt in Form eines an einen-Ende geschlossenen zylindrischen Rohrs hergestelli wird. Das Rohr wird horizontal in einem Behälter füi oen Schwefel angeordnet, und sein offenes Ende steht in Verbindung mit einem Natriumreservoir, das Natrium in das Rohrinnere liefert. Das leitende Material umgibt das Rohräußere, und das leiiende Glied umgibt das Material. Schwefefreakiionsieilnehmer füllt den Schwefelbehälter eben unter Eintauchen des höchsten Punktes des leitenden Gliedes bei seinem Mindestvolumen und füllt den gesamten Behälter bei seinem Maximalvolumen.

D;<s Rohr kann auch gegebenenfalls vertikal angeordnet werden. Horizontale Reihen oder vertikale Säulen einer Mehrzahl von Rohren können auch verwendet werden. Schwefelreaktionsteilnehmer kann zusammen mit dem leitenden Material und dem leitenden Glied auf dem Inneren des Rohrs oder der Rohre angeordnet werden. Ebene Formen des festen Elektrolyten können auch verwendet werden.

Die Energicumwandlungseinrichtung kann eine Primärbatterie, eine Sekundärbatterie, eine Brennstoffzelle, eine thermisch regenerierte Batterie oder eine Zelle sein, die zur Umwandlung eines Alkalisalzes in elementares Alkalimetall verwendet wird. Beispiele derartiger Einrichtungen ergeben sich aus den vorstehend erwähnten US-Patentschriften.

Eine dünne Schicht aus Graphitfilz dient in wirksamer Weise als das elektronisch leitende Material. Derartige Filze besitzen vorzugsweise eine Dichte von etwa 0,1 g/cm^J. Die Schichtdicke stimmt verzugsweise mit der gewünschten Stromdichte und Ausnutzung von aktiven Materialien überein; für die meisten Zwecke ist die Schichtdicke geringer als etwa 2 mm. Andere elektronisch leitende faserförmige Materialien, die brauchbare Zeiträume in dem Reaktionsteilnehmer überdauern können, wie beispielsweise Stahlfilze aus rostfreiem Stahl, können auch verwendet werden.

Ein perforiertes rostfreies Stahlblech dient in wirksamer Weise als strukturell integraler leitender Bauteil. Chrom-Nickel-Legierungen und andere Metalle, die brauchbare Zeiträume überdauern können, können auch verwendet werden. Größe, Gestalt und Zahl der Perforierungen wird so ausgewählt, daß sich ein Kompromiß zwischen verbesserten Massenübertragungseigenschaften und gutem elektrischen Kontakt mit der Graphitfilzschicht ergibt. Schlitzförmige Perforierungen zeigen eine verbesserte Kombination dieser Eigenschaften. Perforierungen, die etwa 50% eines offenen Bereichs ergeben und eine offene Mindestdimension von etwa 1 mm besitzen, verbessern die Betriebseigenschaften erheblich. Streckmetallblech oder Maschendraht kann als leitendes Glied verwendet werden. Elektrische Leitungen oder andere Techniken können zur Verbindung der Maschen mit einer äußeren Klemme für den äußeren Schaltkreis verwendet werden.

Im folgenden werden die Zeichnungen beschrieben,

F i g. 1 einen Längsschnitt einer Natrium-Schwefel-Energieumwandlungseinrichtung mit einem horizontal angeordneten rohrförmigen festen Elektrolyten mit dem leitenden Material und dem leitenden Bauteil oder Glied an seinem Äußeren, F i g. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 der

Fig. 1.

F i g. 3 eine teilweise im Schnitt gezeigte Draufsicht einer Energieumwandlungseinrichtung mit einer Mehrzahl horizontal benachbarter Elektrodenkonstruktionen unter Verwendung rohrförmiger fesler Elektrolytc innerhalb eines einzigen Gehäuses,

F i g. 4 eine Teilschnittansicht längs der Linie 4-4 der F i g. 3, um die besondere Art jeder Elektrodenkonstruktion wiederzugeben,

Fig.5 eine wechselnde Anordnung der in den F i g. 3 und 4 gezeigten Konstruktion, in der zwei einheitliche Stücke des leitenden Bauteils oberhalb bzw. unterhalb eines einheitlichen Stücks des leitenden Materials, das die gesamten Festelektrolytrohre umgibt, angeordnet sind; die leitenden Glieder oder Bauteile sind mit einer Behälterseitenwand verbunden,

F i g. 6 eine Abweichung zu der Konstruktion gemäß F i g. 5, in der leitende Glieder einzeln jedes Festelektrolytrohr umgeben und mit dem Boden und/oder Dach des Behälters verbunden sind,

F i g. 7 und 8 eine vertikal aufgestapelte Anordnung horizontaler Festelektrolytrohre, in der vertikal angeordnete leitende Glieder sämtliche Rohre umgeben und mit dem Boden und/oder Dach des Behälters verbunden sind,

F i g. 9 eine teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht einer Konstruktion mit einem zentral angeordneten Verteiler, der Natrium an zwei aufgestapelte Rohranordnungen liefert,

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Konstruktion, in der die Trenneinrichtung eine horizontal angeordnete Platte mit Natrium an ihrer Unterseite und Schwefeireaktionsteilnehmer an ihrer Oberseite darstellt und

F < g. 11 eine Schnittansicht einer Konstruktion, in der die Trenneinrichtung eine hohle vertikal angeordnete Platte mit Natrium im Inneren der Platte und Schwefelreaktionsteilnehmer außen darstellt, wiedergeben.

In den Fig. 1 und 2 umfaßt die Energieumwandlungseinrichtung einen elektronisch leitenden zylindrischen Behälter 10, der an einem Ende geschlossen ist und an seinem anderen Ende dicht mit einer Seite einer aus «-Aluminiumoxid hergestellten Isolierplatte 12 verbunden ist. Ein zweiter elektronisch leitender zylindrischer Behälter 14 mit einem geschlossenen Ende 16 ist an seinem anderen Ende dicht mit der gegenüberliegenden Seite der Platte 12 verbunden. Der Behälter 10 besteht aus rostfreiem Stahl, Nickel-Eisen-Kobalt-Legierungen oder anderen gegenüber geschmolzenem Natrium beständigen Materialien. Der Behälter 14 besteht aus rostfreiem Stahl oder anderen gegenüber geschmolzenem Schwefel beständigen Materialien. Der Behälter 14 ist so angeordnet, daß seine Achse sich leicht unterhalb der des Behälters 10 befindet.

Eine öffnung 18 erstreckt sich durch die Platte 12 leicht unterhalb eier Achse des Behälters 14, und das offene Ende eines Festelektrolytrohres 20 erstreckt sich durch die öffnung 18, so daß das Rohrinnere mit dem Inneren des Behälters 10 in Verbindung steht. Das Rohr 20 ist mit der Platte 12 dicht verbunden. Das andere Ende des Rohres 20 ist, wie gezeigt, geschlossen und endet in kurzem Abstand von dem geschlossenen Ende 16 des Behälters 14.

Eine Schicht 22 aus Graphitfilz umgibt das gesinnte Äußere der Trenneinrichtung 20. Die Schicht 22 ist im allgemeinen etwa 2 mm dick und ihre Stärke wurde in den Zeichnungen zur Erläuterung übertrieben. Der Graphitfilz besitzt in typischer Weise eine Dichte von etwa 0,1 g/cm³, und seine Innenoberfläche steht in innigem Kontakt mit dem Äußeren des Elektrolyten 20.

Ein perforierter Zylinder 24 aus rostfreien! Stahl steht in innigem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Graphitfilzschicht 22. Der Zylinder 24 erstreckt sich über die gesamte Länge des Behälters 14 rnd weist kleine sich nach innen erstreckende ösen 26 an seinem linken Ende auf, die gegen das geschlossen«.· Ende 16 aufliegen. Der Zylinder weist eine Mehrzahl darin befindlicher kleiner Perforierungen 25 auf. )ede Perforierung besitzt einen Durchmesser von etwa ? mm, und es liegen genügend Perforierungen vor, um ciwa 50% des Oberflächenbereichs des Zylinders auszumachen. Eine mit Gewinde versehene Befestigungsvorrichtung 28 mit einem relativ ebenen Kopf erstreckt sich durch die Stirnwand 16 von der Innenseite mit den Kopfklemmösen 26 gegen die Stirnwand unter Erzeugung eines elektronischen Kontaktes. Um thermische Beanspruchungen zu erleichtern, ist der Zylinder 24 nicht fest an der Platte 12 befestigt; es kann gegebenenfalls ein flacher oberflächlicher kreisförmiger Schlitz in der Platte 12 gebildet sein, um das Ende des Zylinders lose aufzunehmen. Ein äußerer Schaltkreis 30 verbindet die Befestigungseinrichtung 28 mit einer ähnlichen Befestigungseinrichtung 32, die in der Stirnwand des Behälters 10 angeordnet ist.

Es wird genügend geschmolzenes Natrium in den Behälter 10 gebracht, um das Innere des Rohres 20 während sämtlicher Phasen des Betriebs zu füllen. Geschmolzener Schwefel oder ein Gemisch aus Schwefel und Natriumpolysulfid füllt den Behälter 14 zu einer Höhe 34, so daß der obere Teil des Zylinders 24 eben eingetaucht ist. Es ergibt sich ein beträchtlicher Raum zwischen den Wänden des Behälters 14 und des Zylinders 24, wie in F i g. 2 gezeigt.

Während des Betriebs der Zelle liefern die Natriumatome im Behälter 10 Elektronen an den äußeren Schaltkreis, und die erhaltenen Natriumionen wandern durch die Wände des Rohrs 20 in das von dem Graphitfilz 22 eingenommene Volumen. Die Elektronen fließen durch den äußeren Schaltkreis und die Befestigungseinrichtung 28 zum Zylinder 24, der die Elektronen längs seiner Länge leitet und zu der Filzschicht 22 verteilt. Die Schicht 22 leitet die Elektronen zu der äußeren Oberfläche des Rohrs 20, wo die Elektronen Schwefelatome in Schwefelionen überführen, die mit den aus Rohr 20 abgegebenen Natriumionen unter Bildung von Natriumpolysulfid reagieren. Das Natriumpolysulfid bewegt sich nach außen durch die Perforierungen 25 und in den offenen Raum zwischen Zylinder 24 und Behälter 14, während sich der Schwefel aus dem offenen Raum durch die Perforierungen und in den Bereich des Graphitfilzes bewegt. Trotz des zunehmenden Volumens der Reaktionsteilnehmer im Behälter 14 arbeitet die Zelle fortgesetzt mit einem hohen Wirkungsgrad, da der Zylinder 24 stets in dem Reaktionsteilnehmer eingetaucht ist Die umgekehrten Reaktionen und Verfahren treten während des umgekehrten Betriebs der Zelle ein.

In den F i g. 3 und 4 sind fünf einzelne Festelektrolytrohre 20a, 206, 20c. 20</ und 2Oe horizontal in einem Behälter 14a angeordnet (Rohr 2Oe ist in F i g. 4 nicht

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gezeigt). Die Rohre sind im Abstand voneinander horizontal angeordnet, und das Innere jedes Rohres steht in Verbindung mit dem Inneren des Behalters 1Oa. Jedes Rohr ist von einer dünnen Schicht aus Graphitfilz 22.i bis 22c umgeben, und jede Filzschicht ist wiederum von einem perforierten Zylinder 24;/ bis 24c aus rostfreiem Stahl umgeben. Die Zylinder 24.·? bis 24c können mit dem Behälter 14a und einer äußeren Klemme (nicht gezeigt) in der in F i g, 1 gezeigten Weise verbunden sein oder durch die in F i g. 4 gezeigten einzelnen Leitungen 36a bis 36c. Der Betrieb der in den F i g. 3 und 4 gezeigten Konstruktionen ist ähnlich dem der F i g. 1.

In F i g. 5 umgibt ein einheitliches Stück 38 aus Graphitfilz jedes Rohr 20a bis 2Qd (Rohr 20c ist nicht gezeigt). Ein oberes perforiertes Glied 40 befindet sich oben auf dem Graphitfilz, und ein unteres perforiertes Glied 42 ist unterhalb des Graphitfilzes angeordnet. Die Glieder 40 und 42 besitzen eine rinnenartige Konstruktion wie gezeigt, um den Formen den mit Filz bedeckten Rohren zu entsprechen. Die Enden der Glieder 40 und 42 sind verschweißt oder in anderer Weise mit wenigstens einer Seitenwand des Behälters 14a elektronisch verbunden.

Die Konstruktion gemäß F i g. 6 ist ähnlich der von Fig.4 mit der Ausnahme, daß jede Graphitfilzschicht von zwei vertikal angeordneten rinnenförmigcn perforierten Gliedern 44 und 46 umgeben ist. Die Glieder 44 und 46 sind oberhalb und unterhalb der Graphitfilzschichten zusammengebracht und sind mit dem Dach und/oder Boden der Behälterwand 14a verschweißt. Der Betrieb der Konstruktionen der F i g. 5 und 6 ist ähnlich dem der F i g. 1.

Die vertikale Konstruktion der F i g. 7 und 8 weist eine Mehrzahl horizontal angeordneter Festelektrolytrohre 20a bis 20c auf, die vertikal jeweils übereinander gestapelt sind, wobei das höchste Rohr in einem beträchtlichen Abstand von dem Dach des Behälters 146 angeordnet ist. Ein einheitliches Stück 38a aus Graphitfilz umgibt jedes Rohr, wie in F i g. 8 gezeigt. Zwei vertikal angeordnete perforierte Glieder 48 und 50 weisen entsprechende Rinnen auf, die um die mit Filz überzogenen Rohre passen. Oberhalb des höchsten Rohres kommen die Glieder 48 und 50 zusammen und sind mit dem Dach des Behälters elektronisch verbunden. Die unteren Kanten der Glieder 48 und 50 ruhen auf dem Boden des Behälters. Das Reaktionsmittel füllt den Behälter \4b zu einer ausreichenden Höhe, um die höchsten Punkte der Rinnen der Glieder 48 und 50, welche die höchsten Rohre umgeben, einzutauchen, wenn die Zelle voll geladen ist. Der restliche Abstand zum Dach bzw. der Abdeckung ist ausreichend, um das erhöhte Volumen des Schwefelreaktionsteilnehmers während der Entladung zu handhaben.

Fig. 10 zeigt eine Konstruktion, in der eine Festelektrolytplatte 52 zwischen einem unteren Behälter 54 und einem oberen Behälter 56 angeordnet ist. Die Grundfläche eines U-förmigen Gliedes 58 aus einem porösen Metall liegt gegen die untere Oberfläche der Platte 52 an und seine Schenkel erstrecken sich davon abwärts. Der Behälter 54 ist zu einer vorbestimmten Höhe mit geschmolzenem Natrium 60 gefüllt, und das Metallglied 58 wendet Kapillarwirkung an, um das geschmolzene Natrium in Verbindung mit der unteren Oberfläche der Platte 52 zu ziehen.

Eine dünne Schicht 62 des Graphitfilzes bedeckt die obere Oberfläche der Platte 52. Die Schicht 62 ist wiederum von einer Platte 64 aus perforiertem Metall bedeckt. Der Behälter 56 ist mit geschmolzenem Schwefel oder einem Gemisch aus Schwefel und Natriumpolysulfid zu einer vorbestimmten Höhe, die einen Raum für Volumenänderungen reserviert, gefüllt. Der Betrieb der Zelle erfolgt in gleicher Weise zu der der vorher bes schriebenen Zellen.

In F i g. 11 ist der feste Elektrolyt in Form einer hohlen Platte 66 ausgebildet, die innerhalb eines Gehäuses 68 angeordnet ist. Das hohle Innere der Platte 66 ist mit geschmolzenem Natrium gefüllt und steht in Verbindung mit einem erhöhten Natriumreservoir (nicht gezeigt). Eine Schicht 70 des Graphitfilzes wird auf die äußeren Oberflächen der Platte 66 aufgebracht, und der Graphitfilz wird durch die Bleche 72 und 74 aus perforiertem Metall in seiner Lage gehalten. Die Enden der Bleche 72 und 74 sind mit dem Boden und/oder dem Dach bzw. der Abdeckung des Behälters 68 verschweißt. Der Behälter 68 ist mit Schwefelreaktionsmittel zu einer Höhe gerade oberhalb der Spitze der Platte 66 gefüllt, wenn die Zelle voll geladen ist. Die Wände des Behälters 54 und 56 in F i g. 10 und Behälters 68 in F i g. 11 können so ausgebildet sein, daß sie sich gemäß dem Volumen des enthaltenen Reaktionsmittels biegen, so daß die Behälter stets voll sind. Gleiche Überlegungen können auf die anderen Zellen angewendet werden.

Die Zellkonstruktion der F i g. 9 ist ähnlich der Konstruktion von F i g. 7, bietet jedoch einige vorteilhafte Merkmale. Ein Natriumbehälter 80 ruht aiif einem Isolierpolster 82, das wiederum auf einem Behälter 84 für das Schwefelreaktionsmittel ruht. Die Behälter 80 und 84 sind in typischer Weise aus rostfreiem Stahl. Das Polster 82 besteht aus «-Aluminiumoxid, Asbest oder einer Vielzahl elektrisch isolierender Materialien, die brauchbare Zeilräume bei Betriebstemperaturen überdauern können. Geeignete Zapfen 81 und 85 dienen zur Verbindung mit dem äußeren Schaltkreis.

Ein Verteilungsrohr 86, das an seinem unteren Ende geschlossen ist, erstreckt sich mit seinem offenen oberen Ende in das Innere des Behälters 80. Das Rohr 86 ist aus einem nichtleitenden Material, wie beispielsweise Λ-Aluminiumoxid, gefertigt, und sein oberes Ende besitzt eine Verlötung aus aktivem Metall, die es mit dem Behälter 80 verbindet. Ein Glas oder ein Hochtemperaturpolymeres schließt das Rohr 86 gegenüber dem Dach bzw. der Abdeckung des Behälters 84 ab.

Vier horizontal angeordnete Festelektrolytrohre 20a 20b, 20c und 2Od sind vertikal auf einer Seite des Rohrs 86 aufgestapelt. Die Rohre 20a bis 2Od erstrecken sich abgedichtet durch die Wand des Rohres 86 und stehen in Verbindung mit dessen Innerem. In ähnlicher Weise sind die vier Rohre 2Oe, 2Of, 20g und 20Λ vertikal aul der gegenüberliegenden Seite des Rohres 86 aufgesta pelt und erstrecken sich abgedichtet durch desser Wand, um mit dem Inneren in Verbindung zu kommen.

Einheitliche Stücke aus Graphitfilz 85 und 88 umge ben den jeweiligen Stapel von Rohren in der in F i g. f gezeigten Weise mit der Ausnahme, daß der Filz siel· um die Bodenrohre krümmt, anstatt sich zum Behälter boden zu erstrecken. Ein U-förmiges Stück aus perfo riertem Blech 90 ist mit dem Dach bzw. der Abdeckung des Behälters 84 verbunden und erstreckt sich an jedei Seite des Filzes 85 abwärts. Das Blech 90 enthält geeig nete Rinnen, die um den Filz passen. Ein ähnliche: Blech 92 umgibt die mit Filz überzogenen Rohre 20< bis2O/i.

Der Behälter 84 ist mit geschmolzenem Schwefel zt einer Höhe gerade oberhalb der Rohre 2Og* und 20< gefüllt, und der Behälter 80 ist zu einer gccignctci

Höhe mit geschmolzenem Natrium gefüllt. Das geschmolzene Natrium füllt das Rohr 86 und die Festelektrolytrohre 2Oj bis 20/?. Der Betrieb der Zelle erfolgt in der oben beschriebenen Weise. Die Zelle nutzt ihr Volumen wirksam aus, ist relativ einfach zu konstruieren und abzudichten und besitzt eine Doppelwandkonstruktion, wodurch der Hauptteil des Natriums vom Hauptteil des Schwefelreaktionsmittels getrennt wird.
Sekundärbatterien, die gemäß der Erfindung kon-

struiert sind, zeigten 90% Wiederaufladbarkeit unter gleichen Bedingungen, bei denen Batterien nach dem Stand der Technik, in denen der Schwefelbehälter mit Graphitfilz gefüllt ist, 20% Wiederaufladbarkeit zeigten. Die Erfindung ist besonders geeignet für große Energieumwandlungseinrichtungen, wo große Erhöhungen der Zellkapazität je Flächeneinheit an festem Elektrolyt erreicht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Palentansprüche:

1. Galvanische Energieumwandlungseinrichiung mit einem ionisch leitenden Festelektrolyten, der als j Behälter für einen ersten flüssigen Reaktionsteilnehmer dient und einem zweiten Reaktionsteilnehmer, der in einem weiteren Behälter untergebracht ist. in welchem eine Zweischichtelektrodt angeordnet ist, aus einem faserförmigen elektronisch leitenden Material, dessen eine Oberfläche in Kontakt mit dem Festelektrolyien und dessen andere Oberfläche mit einem elektronisch leitenden Bauteil, das an einem äußeren Schaltkreis angeschlossen ist, in mechanischem und elektrischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Bauteil (24) Öffnungen (25) mil einer Minimalabmev sung von 1 mm zur Durchströmung des Reaktionsteilnehmers, der in Kontakt mit dem leitenden Bauteil steht, aufweist, und daß das Bauteil (24) im Abstand von dem Behälter (14) für diesen Reaktionsteilnehmer angebracht ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch leitende Material (22) aus einer dünnen Schicht aus Graphitfil/ besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (24) aus einem Metallblech mit einer Mehrzahl darin befindlicher Öffnungen (25) besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ionisch leitende Elektrolyt aus einem Rohr (20) besteht, das einen Reaktionsteilnehmer in Kontakt mit seinem Innern und den anderen Reaktionsteilnehmer in Kontakt mit seinem Äußern aufweist, wobei sich das leitende Material (22) und das leitende Bauteil (24) ?uf dem Äußern des Rohres befinden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von Elcktrolytrohren (20a bis 2Oe) im Abstand voneinander in dem Behälter (14a) für den Reaktionsteilnehmer aufweist, wobei das leitende Material (22a bis 22c) jedes Rohr umgibt und mit dem leitenden Material (22a bis 22e), das die benachbarten Rohre umgibt, in Verbindung steht, wobei das leitende Bauteil (24a bis 24e) mit dem Äußeren des leitenden Materials, das dem zweiten Reaktionsteilnehiner ausgesetzt ist, in Kontakt steht.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (22a bis 22e) und das leitende Bauteil (24a bis 24e) sich in physikalischem und elektrischem Kontakt mit dem Behälter für den zweiten Reaktionsteilnehmer befinden.