DE2424639C2 - Galvanische Zelle mit Schwefel und Natrium als Reaktionsteilnehmer - Google Patents

Description

genommen und auf die Elektrode 11 mittel des Körpers tO übertragen wird. Das Natrium und der Schwefel kombinieren sich, um Natriumpolysulfide zu bilden. Die Vergrößerung des Volumens infolge der Bildung der Natriumpolysulfide wird durch die Ausdehnungskammer 6 aufgenommen. Das Gemisch aus Schwefel- und NatriumpolysulFiden, welches in die Ausdehnungskammer 6 getragen wird, nimmt an der elektrochemischen Reaktion nicht weiter teil, wodurch sich ein wesentlicher Verlust an effektivem reaktivem Material ergibt Außerdem wird durch den Pegelabfall des Natriums in der inneren Kammer 4 die effektive Oberfläche der rohrförmigen Membran 3 reduziert Dies kann durch Vergrößerung der Ausdehnungskammer 7 und Erhöhung der Masse von Natrium überwunden werden, doch führt dies ebenfalls zu einer Snefftzienz.

Es sei nunmehr auf die F i g. 2 und 3 Bezug genommen, die ein zusammengefaßtes Paar von Natrium-Schwefei-Zellen 15 gemäß der Erfindung zeigen. Jede Zelle 15 weist ein langgestrecktes Gehäuse 16 aus Aluminiuni auf, welches eine durchlässige Membran 17 {Beta-Aluminiumoxid) enthält, die in Längsrichti ;=g im Gehäuse 16 angeordnet ist, um eine innere Kammer 18 für eine flüssige Anode (Natrium) und eine äußere ringförmige Kammer 19 für eine flüssige Kathode (Schwefel) zu bilden. Ein Paar von Ausdehnungskammern 20 erstreckt sich in paralleler Anordnung über die gesamte Länge der äußeren Kammer 19, wobei die Kammern mit der äußeren Kammer für die gesamte Länge einstückig ausgebildet sind oder mit dieser in offener Verbindung stehen, um einen Ausdehnungsraum für die Produkte der kathodischen Reaktion zu schaffen. Eine Masse 21 aus mit Schwefel imprägniertem Kohlenstofffilz und ein Gehäuse 16 dienen als Mittel zum Sammeln von Strom, der durch elektrochemische Reaktion zwischen dem flüssigen Natrium und dem Schwefel erzeugt wird. Die Masse 21 ist nicht so dicht, daß sie die durch diese kathodische Reaktion erzeugte Ausdehnung in irgendeinem Ausmaß behindert.

Im einzelnen sind die Zellen 15 in einer im wesentlichen horizontalen Lage angeordnet. Die obere und untere Oberfläche jeder Zelle ist so geformt, daß Zellen raumsparend zusammengefaßt werden können. Jede rohrförmige Membran 17 hat ein blindes Ende, wobei das andere Ende der Membran durch eine metallische Endkappe 22 verschlossen ist, die eine negative Elektrode bildet und sich mit wesentlichem Spiel durch das eine Ende des Gehäuses 16 hindurch erstreckt, wobei das Gehäuse als positive Elektrode dient. Die Zellen 15 sind durch einen Streifen 23 in Reihe geschaltet, der an der Endkappe 22 der oberen Zelle befestigt ist und sich zwischen dieser und dem Gehäuse 16 der unteren Zelle erstreckt.

Jede Zelle 15 ist mit Mitteln zum Überführen von Natrium nach den Teilen der rohrförmigen Membran 17 oberhalb des Natriumspiegels ausgestattet, so daß die gesamte Wand der Membran 17 für den Auswärtsdurchgang von Natrium verwendet wird, und zwar unabhängig vom tatsächlichen Pegel des Natriums. Diese Mittel weisen einen rohrförmigen Körper 24 aus Draht-Maschenwerk auf, der innerhalb der Anodenkammer 18 angeordnet ist, und zwar zwischen der Wand der rohrförmigen Membran 17 und einer dünnwandigen rohrförmigen Halterung 25. Die Halterung 25 ist perforiert, um einen Kontakt zwischen dem Draht-Maschcnkörper 24 und dem Natrium zu ermöglichen. Der Draht-Maschenkörper 24 dient sozusagen als »Docht«, so daß einiges Natrium über dessen Oberfläche durch Kapillarwirkung hochgezogen wird, um jene Teile der rohrförmigen Membran 17 oberhalb des Natriumpegels zu »benetzen«.

Eine Zelle 15 hat etliche Vorteile gegenüber der Zelle 1 von F i g. 1. Die dichte Nähe der Schwefel/Polysulfid-Masse in den Ausdehnungskammern 20 zur rohrförmigen Membran 17 stellt sicher, daß im wesentlichen der ganze Schwefel an der kathodischen Reaktion teilnehmen kann und wirksam wieder während des Ladezyklus

ίο in Schwefel umgewandelt werden kann. Außerdem ändert infolge Vorhandenseins des »Dochtes« 24 der tatsächliche Natriumpegel nicht mehr die wirksame Oberfläche der rohrförmigen Membran, welche die beiden Reaktionsteilnehmer trennt

Die Fig.4 und 5 zeigen vereinzelte, d.h. unzusammenhängende galvanische Zellen mit anderen Ausführungsformen für das Gehäuse 16. Die Achse jeder Membran 17 ist aus der Achse des umgebenden Gehäuses 16 versetzt angeordnet Die oberen größeren Teile von jedem der ringförmigen Räume zw>.;:hen einer Membran 17 und dem Gehäuse 16 bilden einen Ausdehnungsraum für die Produkte der kathodischen Reaktion. Die dargestellten, nicht zusammengefaßten Zellen können außerdem zusätzliche Stromsammeimittel enthalten, um die Stromdichten an der Oberfläche der rohrförmigen Membran 17 auszugleichen. Die Zellen 15 sind insbesondere nützlich zur Stromversorgung elektrisch betriebener Straßenfahrzeuge, da sich die Zellen in Längsrichtung unter den Fußböden der Fahrzeuge erstrecken können. Im Falle von aufrechtstehenden Batteriezellen könnte die Länge jeder Zelle für diesen Zweck hinderlich sein, während eine horizontale Zelle 15 wesentlich größer gemacht werden kann.

Die rohrförmige Halterung 24 kann eingespart werden, wenn der Drahtmaschenkörper (»Docht«) 24 genügend starr gemacht wird.

Ein Drahtmaschendocht kann auch durch ein schlichtes Rohr ersetzt werden, das ein geringes Spie' bildet (z. B. 300 Mikronmeter), wodurch eine Kapillarwirkung stattfinden kann. Die F i g. 6 und 7 zeigen andere Ausfüh.-ungsformen von Zellen mit anderen Ausdehnungskammer^ F i g. 6 zeigt eine Zelle 30 mit fast getrennter Ausdehnungskammer 31 von rundem Querschnitt. Die einstückig angeformte Ausdehnungskammer 32 einer Zelle 33 (Fig.7) hat einen mehr dreieckigen Querschnitt. Die Stromsammeieinrichtung bei jeder Anordnung besteht aus einem Kohlenstoffstab 29.

F i g. 8 zeigt eine Anordnung, die der in F i g. 6 dargestellten ähnlich ist, doch wird in F i g. 8 eine Schwerkraftzufuhr verwendet, und der Spalt zwischen der Membran 17 und dem Gehäuse 16 wird klein gehalten, um eine Überfülle von Natrium zu vermeiden.

Ei;.*: Zelle kann von jedem geeigneten Querschnitt sein, z. B. rechteckig oder sechseckig. Derartige Querschnitte erlauben eine kompakte Lagerung. F i g. 9 zeigt eine Zelle 34 von länglich rechteckigem Querschnitt mit einem Paar von Membranen 17, die in einer im wesentlichen parallelen Anordnung vorgesehen sind, wobei eine Stromsammelplatte oder ein entsprechendes Gewebe 35 die Membranen voneinander trennt.

Die Relativlagen von Natrium und Schwefel können umgekehrt sein, d. h. der Schwefel (und Filz) kann innerhalb der rohrförmigen Membran angeordnet sein und das Natrium zwischen der Membran und dem Gehäuse.

F i g. 10 zeigt eine galvanische Zelle, die im allgemeinen ähnlich der in F i g. 5 dargestellten ist. doch mit Natrium zwischen der Membran 17 und dem Gehäuse 16. Genügend Raum ist innerhalb der Membran 17 vorge-

sehen, um die Produkte der kathodischen Reaktion aufzunehmen.

Wo die Konstruktion einer Zelle so ist, daß das Natrium nicht auf einen zu niedrigen Pegel bei Zellenentladung abfällt, so kann ein teilweiser »Docht« verwendet werden, d. h. ein Docht von nur teilweise rundem Querschnitt

F i g. 11 zeigt eine Zelle 37 mit einem »Docht« 24, der mit hochgezogenen Hilfsteilstücken oder Verlängerungen versehen ist, die sich nach außen vom Hauptkörper des Dochtes 24 in Richtung zur Wand des Gehäuses 16 erstrecken. Diese Anordnung stellt sicher, daß ungeachtet der Zellenausrichtung immer noch Natrium zur Oberfläche der Membran 17 gefördert werden kann. Genügend Raum ist innerhalb der Membran 17 vorhanden, um die Produkte der kathodischen Reaktion aufzunehmen.

Fig. 12 zeigt eine Zelle 38, in der eine Vielzahl von Membranen 17 in einem Gehäuse 16 gestapelt ist, mn einem relativ großen Ausdehnungsraum 40 für Natrium am einen Ende des Gehäuses für die Produkte der kathodischen Reaktion und einer Speicherzone 41 zwischen dem Raum 40 und der Membran. Ein »Docht« kann um jede Membran herum angeordnet werden, oder es können, wie dargestellt, kleine Spalten zwischen benachbarten Membranen und zwischen den letzteren und dem Gehäuse vorgesehen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Galvanische Zelle mit Schwefel und Natrium als Reaktionsteilnehmer, mit einem langgestreckten Gehäuse, das mindestens eine ionendurchlässige Membran von Rohrform mit einem geschlossenen Ende enthält, die in Längsrichtung im Gehäuse angeordnet ist, um eine innere Kammer für den einen der Reaktionsteilnehmer und eine äußere ringförmige Kammer für den anderen der Reaktionsteilnehmer zu bilden, ferner mit einem Kohlenstoffilz. der im wesentlichen die Kammer für den Schwefel füllt, sowie mit einer Einrichtung zum Sammeln des durch die kathodische Reaktion zwischen dem Natrium und dem Schwefel erzeugten Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß Ausdehnungskammern (20,31, 32, 40) vorgesehen sind, die sich zumindest über den größten Teil der Länge der einen der Kammern (19 ug«i.) erstrecken und mit dieser einen Kammer über diesen größten Teil in Verbindung stehen, um einen Ausdehnungsraum für die Produkte der kathodischen Reaktion zu schaffen, und daß eine Einrichtung (24) zur Oberführung von Natrium nach Teilen der Membran (17) oberhalb des Natriumpegels in der Natriumkammer vorgesehen ist.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der rohrförmigen Membran (17) aus der Achse des Gehäuses versetzt ist (F i g. 4 und 5).

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Natrium in der inneren Kammer und Schwefel in der äußeren Kammer enthält (F ig. 2 bis 7).

4. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schwefel in der inneren Kammer und Natrium in der äußeren Kammer enthält (F i g. 8 bis 11).

5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführungseinrichtung aus einem Docht (24) besteht, der um die Membran herum angeordnet ist.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Docht (24) mit hochgezogenen Hilfsteilstücken versehen ist, die sich vom Hauptkörper des Dochtes weg erstrecken (F i g. 11).

7. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von rohrförmigen Membranen (17) vorgesehen ist (F i g. 9 und 12).

8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Stapel von schwefelgefüllten Membranen (17) enthält, die im einen Ende eines langgestreckten Gehäuses (16) angeordnet sind, und daß natriumgefülltc Ausdehnungseinrichtungen (40) im anderen Ende des Gehäuses (16) angeordnet sind.

9. Batterie, gekennzeichnet durch mehrere Batteriezellen (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zellen (15) Gehäuse (16) aufweisen, die so geformt sind, daß die Zellen (15) raumsparend und in horizontaler Betriebsweise zusammengefaßt werden können.

10. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Zellen (15) so zueinander angeordnet sind, daß die geschlossenen Enden ihrer Membranen (17) sich an abwechselnden Enden der benachbarten Zellen (15) befinden und die Zellen 15) miteinander in Reihe geschaltet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf galvanische Zellen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bekannte galvanische Zellen dieser Art werden meist in aufrechter Stellung betrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanische Zelle mit erhöhtem Wirkungsgrad zu schaffen, die vor allem in horizontaler Lage vorteilhaft zu betreiben ist

ίο Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Wenn die erfindungsgemäße galvanische Zelle in ei-.ier im wesentlichen horizontalen Lage verwendet wird, so bietet sie etliche Vorteile gegenüber der aufrechtstehenden Zelle, wie sie eingangs beschrieben wurde. Bei einer Verwendung der Zelle in einer solchen Lage, wobei beispielsweise flüssiges Natrium und flüssiger Schwefel in ihren inneren und äußeren Kammern vorhanden sind, haben nunmehr die NatriumpolysulHde nur relativ kurze Wege zurückzulegen. Da eine Einrichtung zum Überführen von Natrium nach Teilen der Membran oberhalb des Natriumpegels vorgesehen ist, wirkt sich ein Abfall des Natriumpegels nicht auf den Zellenwirkungsgrad aus.

Die Erfindung wird anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigen

F i g. 1 eine Seitenansicht im Mittelschnitt durch eine aufrechte galvanische Zelle von bekannter Ausführungsform,

F i g. 2 eine Seitenansicht im Mittelschnitt durch zwei erfindungsgemäße Zellen,

Fig.3 einen Schnitt nach der Linie III-1II in Fig.2 und die

Fig.4 bis 12 vertikale Querschnitte von abgeänderten Ausführungsformen.

Nach F i g. I weist eine Natrium-Schwefel-Zelle 1 von bekannter Ausführungsforrr. ein aufrechtes Gehäuse 2 aus Glas auf. welches eine durchlässige Membran 3 von Rohrform enthält, die in Längsrichtung innerhalb des Gehäuses 2 so angeordnet ist, daß sie eine innere Anodenkammer 4 bildet, die von einer äußeren ringförmigen Kathodenkammer 5 begrenzt wird. Die innere Kammer 4 enthält flüssiges Natrium und die äußere Kammer 5 enthält flüssigen Schwefel. Die rohrförmige Membran 3 besteht aus einem festen Keramikstoff (Beta-Aluminiumoxid), der nur für Natriumionen durchlässig ist. Das untere Ende der Membran 3 ist geschlossen. Eine Ausdehnungskammer 6 ist über der äußeren Kammer 5 angeordnet und steht mit dieser in Verbindung. Eine weitere Ausdehnungskammer 7 ist über der inneren Kammer 4 angeordnet und steht mit dieser in Verbindung. Eine negative Elektrode 8 ist in der Kammer 4 angeordnet. Strom wird durch einen Körper 9 aus mit Schwefel imprägniertem Kohlenstoffilz gesammelt, der sich zwischen der äußeren Oberfläche der Membran 3 und einem metallischen Stromsammeikörper 10 von Ringform erstreckt, an welchem eine positive Elektrode 11 befestigt ist. Der Stromsammelkörper io ist perforiert. Der Körper 9 kann auch aus einem anderen Material als Kohlenstoffilz bestehen, beispielsweise aus Graphitschaum oder einem metallischen Filz.

Wenn sich die Zelle 1 entlädt, so durchdringen Nab5 triumionen die rohrförmige Membran 3, um sich mit Schwefelionen zu kombinieren, was zu einer elektrochemischen (kaihodischen) Reaktion führt, wodurch ein Strom erzeugt wird, der durch den Kohlenstoffilz 9 auf-