DE2401726A1

DE2401726A1 - Natrium-schwefel-zelle

Info

Publication number: DE2401726A1
Application number: DE2401726A
Authority: DE
Inventors: James Lowe Sudworth; Alec Roger Tilley
Original assignee: British Railways Board
Current assignee: British Railways Board
Priority date: 1973-01-16
Filing date: 1974-01-15
Publication date: 1974-07-25
Also published as: SE7907700L; FR2214174A1; DE2401726C2; FR2214174B1; GB1452481A; CA1003486A; IT1003397B

Description

222, Marylebone Road, London N.W. l/England

Natrlum-Schwefeiszelle

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, bei der die elektrochemischen Reaktionsteilnehmer flüssiges Natrium als negatives aktives Material (Anode) und flüssiges Schwefel-Material als positives aktives Material (Kathode) sind und bei der der Anoden- vom Kathoden-Raum durch einen festen Elektrolyten getrennt ist, welcher ein Natrium-Ionen^Leiter, z*B. Beta-Aluminiumoxyd, ist.

Galvanische Zellen dieser Art sind' bekannt.Ein wesentliches Hindernis für die Verbreitung solcher Zellen war bisher Je« doch die komplizierte Herstellung hinsichtlich der schwierig

sowie gen Handhabung der Natrium-KomponenteVhinsichtlich des korn plizierten Aufbaus solcher Zellenj denn für eine ordnungsgemäße Punktion ist u.a. eine sichere Gasabdichtung der Räume gegeneinander unerläßlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine galvanische Zelle der eingangs genannten Art-einfach montierbar aufzubauen und dabei eine einfach herstellbare und sichere Gasabdichtung zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen gelöst durch einen Aufbau als rohrförmige Zelle mit einem inneren Rohr als der festen Elektrolyten und mit einem metallenen äußeren Rohr, wobei der Anoden-Raum durch das Innere des inneren Rohres gebildet ist und eine Verteilungsvorrichtung für das flüssige Na -

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trium längs der Innenwandung des inneren Rohres aufweist, während der Raum zwischen den beiden Rohren den Kathoden-Raum bildet.

Als Verteilungsvorrichtung, die bewirken soll, daß das Natrium über ,die innere Oberfläche des inneren Rohres verteilt' wird, kann erfindungsgemäß Metallwolle dienen, die wi· ein Docht wirkt und das Natrium im wesentlichen über dessen gesamte Länge an die innere Oberfläche des inneren Rohres heranführt; auf diese Weise erübrigt sich die Verwendung eines separaten Vorratsspeichers für das Natrium. Anstatt dessen oder zusätzlich dazu kann nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung eine Kapillarwirkung hervorgerufen werden,indem in dem inneren Rohr ein Bauteil so angeordnet .wird,daß seine Oberfläche sich dicht entlang der inneren Oberfläche des inneren Rohres erstreckt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung sind das innere und das äußere Rohr an einem Ende durch eine Druckdichtung verschlossen, die aus einem Flansch am inneren Rohr besteht, der mit dem Ende des äußeren Rohres zusammenwirkt und so das Ende des äußeren Rohres abschließt; ein Verschlußglied verschließt mit dem Flansch zusammen das innere Rohr. Diese Anordnung wird unter Druck gehalten mittels einer Klemmeinrichtung, welche über das Verschlußglied faßt und am äußeren Rohr befestigt ist. Beispielsweise kann diese klemmein richtung am äußeren Rohr durch Punktschweißen befestigt sein.

Weitere Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäß aufgebauten Natrium-Schwefel-Zelle ergeben sich aus nachstehender Beschreibung zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigt :

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zellenaufbau, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen abgewandelten Zellenaufbau nach der Erfindung.

Eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle gemäß Fig. i enthält

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koaxial angeordnet je ein inneres und äußeres Rohr 1 und 2. Das innere Rohr 1 stellt den festen Elektrolyten der Zelle dar, und besteht aus Beta-Tonerde (Beta-Aluminium-Oxyd).Das Innere des inneren Rohresjl stellt den Anorden-Raum der Zelle dar und ist mit Metallwblle 3 gefüllt, die bezüglich der elektrochemischen Reaktion der Zelle neutral ist; das äussere Rohr 2 besteht aus rostfreiem Stahl. Der kreisringförmige Raum 4 zwischen dem inneren Rohr 1 und dem äußeren Rohr stellt denJKathoden-Raum der Zelle rxlar. Das innere Rohr 1 weist ein geschlossenes Ende 5 und das äußere Rohr 2 eine Endplatte 6 auf, die dort festgeschweißt wird, nachdem die Druckdichtungsanordnung 7 am anderen Ende der Rohre aufgebaut und der Kathoden-Raum mit positivem aktivem Material gefüllt ist.

Für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Druckdichtungsanordnung 7 ist idas innere Rohr 1 mit einem Kragen 8 aus Alpha-Aluminium-Oxyd versehen, der gegen einen inneren Plansch 9 am äußeren Rohr 2 über ein ringförmiges Dichtungselement 10 aus Aluminium oder "Grafoil" anliegt und somit das Ende des äußeren Rohres 2 verschließt. Das Ende des inneren Rohres 1 ist durch ein Verschlußglied 11 verschlossen, welches einen nach außen gebogenen Plansch 12 aufweist, der über eine AIu;-minium-Einsatzdichtung 21 hindurch gegen den Flansch 8 an liegt. Um das Dichtungsverhalten zu verbessern, kann der Flansch 12 eine Rippe aufweisen, die sich um ihn herum er streckt und mit der Einsatzdichtung 21 zusammenwirkt. Diese Anordnung wird durch eine Klemmeinrichtung l4 unter Druck gehalten, welche über den Plansch 12 des Verschlußgliedes hinüberfaßt, gegen diesen über eine elektrisch isolierende Abdichtung 22 aus Glimmer oder Asbest anliegt und mit dem äußeren Rohr 2 punktyerschweißt ist.

Die Druckdichtungsanordnung 7 wird erstellt, ehe das positive und das negative aktive Material in die Zelle eingeführt werden. Wie schon erwähnt, wird das positive aktive Material durch das offene Ende des äußeren Rohres 2 eingefüllt, ehe die Endplatte 6 aufgesetzt wird. Um das negative aktive Mate-

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rial, also Natrium,einzufüllen, ragt ein Aluminium-Rohr 15 durch das Verschlußglied 11, und es erstreckt sich längs des inneren Rohres 1 abwärts. Hinreichend viel flüssiges Natrium für die elektro-chemische Reaktion der Zelle wird in das innere Rohr 1 durch das Aluminium-Rohr 15 eingeführt. Das äussere Ende des Aluminium-Rohres 15 wird mittels eines Alumi nium-Stopfens 16 verschlossen. Das Rohr 15 wirkt als eine Elektrode der Zelle und weist einen Aluminiumleiter 17 auf, der an ihm befestigt ist. Die andere Elektrode der Zelle ist durch das äußere Rohr 2 gebildet.

Bei einer Betriebsart der Zelle hält die Metallwolle J> den elektrischen Kontakt zwischen dem festen Elektrolyt und dem Elektroden-Rohr 15 aufrecht. Von gleicher Bedeutung ist jedoch, daß die Metallwolle 3 nach Art eines Dochtes das flüssige Natrium zur inneren Oberfläche des Rohres 1 hin leitet, d.h., zur Oberfläche des Elektrolyten hin. Folglich.ist kein Natrium-Vorratsbehälter zum Aufrechterhalten der Füllung des Rohres 1, damit ein Kontakt zu möglichst großen Teilen der inneren Oberfläche des Rohres 1 hergestellt wird, mehr erforderlich.

Bei einer anderen Betriebsart der Zelle wird diese kopfüber umgestülpt verwendet, und der Innenraum des Verschlußglie des 11 wirkt als Vorratsbehälter, der Natrium in die Packung der Metallwolle 2 einführt. Auf diese Weise ist zu jedem Zeitpunkt genügend Natrium in dem Rohr 1 vorhanden, wie es für die Reaktion erforderlich ist.

Bei einer Abwandlung eines Aufbaues der Zelle wird keine Metallwolle 3 benutzt, sondern die Zelle wird horizontal ausgerichtet betrieben, (im Gegensatz zur vertikalen Ausrichtung, wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist). Das flüssige Natrium kriecht aufgrund von Kapillarwirkung an der inneren Oberfläche des Rohres 1 entlang. Auf diese Weise erübrigt sich ebenfalls ein Natrium-Speicher.

In Fig. 1 ist noch eine zusätzliche Einrichtung eingezeichnet, wobei ein Blech 24 aus rostfreiem Stahl in die Röhre 1 -

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so eingeklemmt ist, daß es sich längs der Innenwandung des inneren Rohres 1 erstreckt. Das Blech 24vfnicht gezeigte) Vertiefungen auf, die es in einem definierten Abstand von der inneren Oberfläche des Rohres 1 halten, gegen die es aufgrund seiner inneren Spannung federnd angedrückt liegt. Die Abmessungen der Vertiefungen (Sicken) sind so gewählt, daß ein solcher Abstand zwischen dem Rohr 1 und dem Blech 24 sich ergibt, daß aufgrund Kapillarwirkung ein Fließen des Natriums über die innere Oberfläche des Rohres 1 sichergestellt ist.

In Pig. 2 ist ein weiteres vorteilhaftes Auäführungsb-?e3spiel des Aufbaues einer erfindungsgemäßen Zelle, gegenüber dem zuvor beschriebenen nach Pig. 1, dargestellt. Diese Zellle weist ebenfalls wieder koaxial angeordnet ein inneres Rohr 1 und ein äußeres Rohr 2 auf. Das innere Rohr 1 stellt den festen Elektrolyten der Zelle dar und ist aus Beta-Aluminiumoxyd erstellt. Das Innere des inneren Rohres 1 stellt den Anoden-Raum der Zelle dar. Ein Blech 33 aus rostfreiem Stahl ist federnd in das innere Rohr 1 eingespannt, derart, daß es sich nach Art eines Zylinders koaxial innerhalb des inneren Rohres erstreckt. Bei dieser Konstruktion ist keine .Packung aus Me tallwolle vorgesehen. Die Federkraft des Bleches j53 drückt diese gegen die innere Wand des inneren Rohres 1, und ausgestanzte Löcher 31 oder Vertiefungen (Sicken) bilden Abstandshalter, die das Blech 33 in. einem definierten Abstand von der Wand des Rohres 1 halten. Dieser Abstand ist so gewählt, daß das Natrium des Anoden-Raumes (aufgrund Kapillarwirkung) über die innere Oberfläche des inneren Rohres 1 fließt.

Das äußere Rohr 2 besteht aus rostfreiem Stahl. Der kreisringförmige Raum 4 zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr 1 und stellt den Kathoden-Raum der Zelle dar. ■ "

Das innere Rohr 1 ist an einem Ende 5 verschlossen, und das äussere Rohr 2 weist eine Endplatte 6 auf, die nach Herstellung der Druckdichtungsanordnung 7 am gegenüberliegenden Ende des Roh res 1 und nach Auffüllen des Kathoden-Raumes 4 mit positivem aktivem Material angeschweißt wird.

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Um die Druckdichtlingsanordnung 7 zu bilden, ist das innere Rohr 1 mit einem Alpha-Aluminium-Oxyd-Kragen 38 versehen, der über ein Aluminium- oder "Grafoil"-Dichtungselement 40 gegen einen Plansch 39 anliegt, welcher seinerseits, am Rohr angeschweißt ist, und so das Rohr 2 abschließt. Das Ende des inneren Rohres 1 ist durch ein Verschlußglied 4l verschlossen, welches einen nach außen weisenden Flansch 42 aufweist, der über ein zweites Aluminium-Dichtungselement 43 gegen den Kragen 38 anliegt. Diese Anordnung wird mittels einer zylindri ·* sehen Klemmeinrichtung 44 unter Druck gehalten, welche längs ihres zylindrischen Randes mit dem Plansch 39 verschweißt ist und einen nach innen weisenden Plansch 45 trägt, der gegen den Plansch 42 des -Verschlußgliedes 41 über eine elektrisch isolierende Dichtung 46 hindurch anliegt. Eine AsbesthülSe liegt in der Fluchtlinie des Inneren der Klemmeinrichtung

Um die Druckdichtungsanordnung 7 herzustellen, kann die Klemmeinrichtung 44 zunächst mit dem Flansch 49 verschweißt sein, ohne schon einen Plansch 45 aufzuweisen. Nach dem Einspannen der Anordnung in eine Montagevorrichtung wird der Plansch 45 aufgeschweißt, um den Druck aufrecht zu erhalten. Bei einem anderen Herstellungsgang kann die Klemmeinrichtung 44 schon ursprünglich mit dem Flansch 45 versehen sein, und nach dem Auf klemmen wird s.'.e mit dem Flansch 49 verschweißt.

Das Natrium wird in das Rohr 1 durch ein Loch im Verschlussglied 4l hindurch eingefüllt, welches danach durch einen Aluminiumstopfen 17 verschlossen wird. Dieses erfolgt, nachdem die Druckdichtungsanordnungjf hergestellt ist.

Zusätzlich oder alternativ zu den Dichtungselementen 4o, 43 aus Aluminium oder "Grafoil" kann eine Federverschweißung zwischen dem Verschlußglied 41 und dem Kragen 38 vorgesehen sein.

Wenn das ringförmige Dichtungselement 10 in Fig. 1 bzw. 4o in Fig. 2 eine "Grafoil"-Dichtungsscheibe ist, d.h. aus einer Gaphit-Mischung besteht, dann gleicht seine innere Elastizität unterschiedliche thermische Ausdehnungen der

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Komponenten der Dichtungsanordnung 7 aus, wenn die Zelle von Umgebungstemperatur auf ihre normale Arbeitstemperatur von ca. 550⁰C aufgeheizt wird. Wenn dieses Dichtungselement bzw. 4o aus Aluminium besteht, dann kann eine Elastizität dadurch sichergestellt werden, daß in die Dichtungsanordnung 7 ein federnder Dichtungsring unter dem Plansch 13 (Fig.l) bzw. 45 (Fig. 2) oder-ein Klemmglied eingelegt wird. Alternativ kann der Flanschv(Fig. 1) bzw. 42 (Fig. 2) des Verschlußgliedes 11 bzw. 4l aus Material (mit hoher Temperaturausdehnung bestehen, um die Dichtungsanordnung 7 dicht zu halten. Auch kann der Flansch 13 (Fig. 1) bzw. 45 (Fig.2) aus einer Gruppe von Federsegmenten gebildet sein, z.B. aus einer Gruppe radialer sägezahnähnlicher Einschnitte im Flansch I3 bzw. 45.

Die Erfindung ist also nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; sie umfasst auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und Un « terkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

- Ansprüche -

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Claims

Ansprüche

lJ) Galvanische Zelle, bei der die elektro-chemischen Reaktionsteilnehmer flüssiges Natrium als negatives aktives Material und flüssiges Schwefelmaterial als positives aktives Material sind und bei der der Anoden- vom Kathodenraum durch einen festen Elektrolyten getrennt ist, der ein Natrium-Ionen-Leiter ist, gekennzeichnet durch einen Aufbau als rohrförmige Zelle mit einem inneren Rohr (1) als dem festen Elektrolyten und mit einem metallenen äußeren Rohr (2), wobei der Anoden-Raum durch das Innere des inneren Rohres (1) gebildet ist und eine Verteilungsvorrichtung für das flüssige Natrium längs der Innenwandrung des inneren Rohres (1) aufweist, während der Raum (4) zwischen den beiden Rohren (1 und 2) den Kathoden-Raum bildet.
2.) Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsvorrichtung eine Füllung aus Metallwolle (3) ist.
J>.) Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verteilungsvorrichtung im Inneren des inneren Rohres (1) zusätzlich ein Blech (24) angeordnet ist, dessen Oberflä ehe sich so dicht entlang der inneren Oberfläche des inneren Rohres (1) erstreckt, derart, daß für das Natrium durch Kapillarwirkung über die innere Oberfläche des inneren Rohres (1) verteilt wird.
4.) Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verteilungsvorrichtung ein Blech (24) im Innern des inneren Rohres (1) in einem solchen Abstand von der inneren Oberfläche des inneren Rohres (1) angeordnet ist, daß eine durch Kapillarwirkung hervorgerufene Verteilung des Natrium über die innere Oberfläche des Rohres (1) erfolgt.
5.) Zelle nach Anspruch J5 oder 4, dadurch gekennzeichnet,daß das Blech (24) Aussickungen(31) als Abstandshalter zum Ein halten eines definierten Abstandes von der inneren Oberflä ehe des inneren Rohresvaufweist.

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6.) Zelle nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und das äussere Rohr (1 und 2) an einem Ende durch eine Druckdichtungsanordnung (7) geschlossen sind, die einen Kragen (38; 8) am inneren Rohr (l) aufweist, der das Ende des äußeren Rohres(2) verschließt, daß ein Verschlußglied (11; 4-1) gegen den Kra gen-(38; 8) anliegt und das innere Rohr (1) verschließt und daß eine Klemmeinrichtung (4-4; 14·) über das Verschlußglied (11; 4-1) greift und am äußeren Rohr (2) befestigt ist.
7.) Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (44; 14) mit dem äußeren Rohr (2) verschweißt ist.
8.) Zelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,daß das Ende des äußeren Rohres (2) mit einem nach innen gerichteten Flansch (39; 9) versehen ist, gegen den der Kragen(38; 8) des inneren Rohres (1) anliegt, und daß die Klemmeinrichtung (44; l4)einen nach innen gerichteten Flansch (45; 22) zur Verbindung des Flansches (39; 9) des äußeren Rohres (2) und dem Flansch (46; 12) der Klemmeinrichtung (44; 14·) aufweist.
9.) Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (44·; l4) einen zylindrischen Teil aufweist, mittels dessen sie am äußeren Rohr (2) befestigt ist.
10.) Zelle nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil sich über die Außenseite des äußeren Rohres (2) erstreckt.
11.) Zelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil entlang einem seiner Enden mit dem äußeren Rohr (2) verschweißt ist.

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