DE2455745A1

DE2455745A1 - Elektrochemische zelle

Info

Publication number: DE2455745A1
Application number: DE19742455745
Authority: DE
Inventors: Ivor Wynn Jones; Lyndon James Miles; Graham Robinson
Original assignee: Electricity Council
Current assignee: Electricity Council
Priority date: 1973-01-03
Filing date: 1974-01-03
Publication date: 1975-08-14
Also published as: US3922176A; FR2276702B1; DE2400202B2; DE2400202A1; DE2400202C3; FR2276702A1; GB1461071A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R "Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN . -

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

THE ELECTRICITY COUNCIL

30 Millbank, London, SW1P 4RD,

England

Elektrochemische Zelle

Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen mit einer flüssigen Alkalimetallelektrode und eines festen Elektrolyten. Eine derartige Zelle macht Gebrauch von einem geeigneten kathodischen Reaktionamitteli si« weist zwischen dem Alkalimetall und dem kathodischen Reaktionsmittel einen festen Elektrolyten in Fons eines Keramik« elemente» auf _t z.B. eine Membran, welche Ionen des Alkalimetalle leitet» Ein typisches Beispiel für eine derartige Zelle ist eine Hatrium-Schwef eiszelle mit einer β «Tonerde* keramikmessbr&n, welche den Elektrolyten bildet·

Wenn eine derartige Zelle mit einer flüssigen Alkalimetall«» elektrode und einer Keramikmembran einen Streu führt, so fließen Elektronen von dem die Anode bildenden Alkalimetall zu dem kathodischen Reaktionsmittel durch den externen Stromkreis» Positive Ionen des Alkalimetalle gelangen durch

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die Keramik hindurch und vereinigen sich mit den negativen Ionen des Reaktionsmittels. Die Wirkung der Entladung der Zelle besteht daher darin, das Alkalimetall zu veranlassen, durch die den Elektrolyten bildende KeramikBtembran hindurch zu gelangen. Die Hauptbeschränkung bezüglich der Leistung» die einer derartigen Zelle entnommen werden kann, ist der Widerstand der Keramikaembran; dieser Widerstand ist umgekehrt proportional zu der das Alkalimetall und das kathodische Reaktionsmittel berührenden Fläche. Sinkt somit während der Entladung der Zelle der Alkalimetallpegel, wenn das Alkalimetall durch den Elektrolyten hindurch gelangt» so nimmt der effektive Bereich des Alkalimetalle, der mit dem Elektrolyten in Kontakt 1st, fortschreitend ab und ruft eine schnelle Zunahme des Wider- stands hervor. Neben dem so hervorgerufenen Leistungsabfall kann die Konzentration des durch die kleiner werdende Fläche fließenden Stromes eine Beschädigung der Keramikmembran hervorrufen. Aus diesen Gründen wurde es deshalb bisher als erforderlich angesehen, in dem das für die Reaktion erforderliche Alkalimetall enthaltenden Vorratsbehälter genügend Alkalimetall vorzusehen, um den erforderlichen Pegel in Kontakt mit dem Elektrolyten zu halten, wenn die Reaktion abgeschlossen ist. Dieses zusätzliche Alkalimetall, welches nicht zu dem elektrochemischen Prozeß beiträgt, macht in typischer Weise etwa ein Drittel des gesamten Alkalinetalls aus.

Dieses Problem, nämlich die Anodenoberfläche des Elektrolyten mit dem Alkalisetall bedeckt zu halten, kann in einer an anderer Stelle beschriebenen Weise überwunden werden (Dt-Anm. P 24 00 202.6). An der betreffenden anderen Stelle ist eine elektrochemische Zelle mit einer

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flüssigen Metallelektrode und einem festen Elektrolyten beschrieben, wobei Kapillareinrichtungen gegenüber der Seite des Elektrolyten derart angeordnet sind, daß sie das Alkalimetall hochziehen, derart, da0 dieses Alkalimetall unabhängig von Änderungen in dem Alkalimetallpegel über der Oberfläche des Elektrolyten liegt.

Die Kapillareinrichtungen können durch einen schmalen Zwischenraum zwischen dem Elektrolyten und einem weiteren Element gebildet sein, z.B. einem Metalleiter,, der eine elektrische Verbindung zu dem Alkalimetall herstellt, oder durch poröses oder faserförmiges oder sonstiges Material, welches einen Docht bildet.

Abgesehen von der Ausnutzung der gesamten Alkalimetallmenge ist es nicht möglich, die Kapazität der Zelle In bezug auf das Gewicht des verwendeten Alkalimetalls und die Leistungsdichte durch Vergrößern der Größe der effektiven Elektrodenkammer in der Zelle zu steigern. Dies kann ohne weiteres eingesehen werden durch Betrachtung einer Zelle mit einer Elektrode, die durch ein Rohr gebildet ist, innerhalb dessen das Alkalimetall vorhanden ist und außerhalb dessen das kathodische Reaktionsmittel vorhanden ist. Wenn die Leistung der Zelle erhöht wird, und zwar durch Vergrößern des Durchmessers des Keramikrohres, nimmt die Oberfläche des Rohres (und damit die Leistung) mit zunehmendem Rohrdurchmesser linear zu; das Gewicht des nicht verwendeten Alkalimetalls, welches zur Aufrechterhaltung eines vollen Rohres erforderlich ist, würde jedoch mit zunehmendem Rohrdurchmesser quadratisch ansteigen.

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Es ist somit also erforderlich, für einen wirksamen Betrieb die Kathodenoberfläche des Elektrolyten mit dem kathodischen Reaktionsmittel bedeckt zu halten. Wenn die Zelle sich entlädt und das Alkalimetall durch den Elektrolyten hindurchgelangt, nimmt das Volumen des kathodischen Reaktionsmittels zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Form einer Zelle mit flüssiger Alkalimetallelektrode zu schaffen, bei der der Bereich des Elektrolyten, der mit dem kathodischen Reaktionsmittel in Kontakt ist, unabhängig von Volumenänderungen des kathodischen Reaktionsmittels und demgemäß unabhängig vom Durchgang des Alkallmetalls durch den Elektrolyten aufrechterhalten werden kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer elektrochemischen Zelle mit einem aufrecht stehenden festen Elektrolytrohr, das an einem Ende innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses verschlossen ist»erfindungsgemäß dadurch, daß ein flüssiges Alkalimetall neben einer Seite und ein kathodisches Reaktionsmittel neben der anderen Seite des Elektrolytrohres vorgesehen ist und daß der das kathodische Reaktionsmittel enthaltende Bereich an seinem oberen Ende zu einem das kathodische Reaktionsmittel enthaltenden Vorratsbehälter oberhalb der Oberseite des Elektrolytrohres offen ist.

Vorzugsweise befindet sich das flüssige Alkalimetall innerhalb des Elektrolytrohres, welches an seinem oberen Ende verschlossen ist. Das Gehäuse 1st in diesem Fall zweckmäßigerweise ein Rohr aus rostfreiem Stahl, welches die elektrische Kathodenverbindung zu der Zelle herstellt.

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Ferner können Einrichtungen vorgesehen sein, um das Alkalimetall mit der gesamten einen Seite bzw. Oberfläche des Elektrolytrohres in Kontakt zu halten. Beispielswelse können Kapillareinrichtungen vorgesehen sein, um das Alkalimetall nach oben über die betreffende eine Seite hochzuziehen.

An Hand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beispielsweise erläutert. In der Zeichnung ist schematisch in einem Schnitt eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Natrium-Schwefel-Zelle gezeigt.

In der Zeichnung ist eine Natrium-Schwefel-Zelle gezeigt, die aus einem äußeren Rohr 3D aus rostfreiem Stahl besteht, welches um einen rohrförmigen Elektrolyt 31 aus β -Tonerdekeramik angeordnet ist. Der ringförmige Zwischenraum zwischen diesen Rohren enthält porösen GrapMtfilz und bildet eine kathodische Reaktionsislttelkammer für den Schwefel, der bei der Betriebstemperatur von 35O°C flüssig ist. Das Elektrolytrohr 31, welches ein verschlossenes oberes Ende 33 aufweist, enthält das flüssige Natrium. Innerhalb des Elektrolytrohres 31 befindet sich ein Zylinder 35,. der aus einer 0,05 b® dicken rostfreien Folie gebildet ist und der vier Schichten eines aus rostfreiem Stahl bestehenden 300-Maseh.en-Gewebes 36 enthält, welch® Schichten um den Zylinder 35 herumgewickelt sind, bevor der betreffende Zylinder in das Elektrolytrohr 31 eingesetzt ist. Der Folienzylinder neigt dazu, sich aufzurollen und soait das Gewebe 36 in engem Kontakt an der Innenwand des Elektrolytrohrs 31 anzudrücken.

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Das äußere Rohr 30 ist länger als das Elektrolytrohr 31, um nämlich einen Speicher-Vorratsbehälter 37 oberhalb des verschlossenen Endes 33 des Elektrolytrohres zu schaffen. Dieser Vorratsbehälter nimmt das überschüssige Volumen des kathodischen Reaktionsmittels auf» welches gebildet wird, wenn Natrium durch das Rohr 31 unter Bildung von Natrium-Polysulfiden während der Entladung hindurchtritt·

Beim Zusammensetzen der Zelle \&*d, nachdem das Elektrolytrohr 31 mit Natrium gefüllt worden ist, eine ein Anschlußglied bildende Kappe 38 auf dem offenen Ende des Rohres 31 abgedichtet. Der ringförmige Bereich zwischen dem Rohr 31 und de« äußeren zylindrischen Behälter 30 wird mit Schwefel gefüllt, und dieser ringförmige Bereich wird durch eine weitere Kappe 40 abgedichtet.

Das aus rostfreiem Stahl bestehende Gewebe 36, welches an der Innenseite des Elektrolytrohres 31 anliegt, wirkt als Docht, der durch Kapillarwirkung die Innenfläche des Elektrolytrohres 31 mit Natrium benetzt hält, und zwar auch dann, wenn der Natriumpegel in dem mittleren Bereich innerhalb des Rohres 31 unter die Höhe der Oberseite des Elektrolyt sinken sollte. Der Speicher-VorratsbehMlter 37 ermöglicht, daß die gesamte Außenfläch® des Elektrolyten von dem kathodischen Reaktionsmittel während der Entladung bedeckt ist. Dieser Aufbau ermöglicht daher, die effektive Oberfläche des Keramikrohres ohne irgendeine Verminderung auszunutzen, wenn die Zelle entladen wird. Elektrochemisch arbeitet die Zelle in der bekannten Weises Wenn ein äußerer elektronischer Leiter zwischen den Natrium- und Schwefel-Elektroden angeschlossen wird, fließen Elektronen von dem Natrium zum Schwefel durch den äußeren Leiter. Die so gebildeten positiven Natriumionen und die so gebildeten

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negativen Schwefelionen vereinigen sich durch Hindurchtreten der Natriumionen durch den Elektrolyten und bilden in dem Schwefel-Vorratsbehälter Natriumsulfide*

Es sei darauf hingewiesen, daß der Schwefei-Vorratsbereich vorgesehen ist, ohne daß damit irgendeine Zunahme des Durchmessers des ringförmigen Bereichs um den Elektrolyten 31 herum verbunden ist. V/enn der Schwefel-Vorratsraum vergrößert würde, .und zwar durch Vergrößern des Durchmessers, wäre eine dickere Schwefelschicht erforderlich, was zu einem höheren Zellenwiderstand führen würde.

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Claims

Patentansprüche

(1. Elektrochemisch· Zelle »it eine« an einem Ende versclitoeeenen» aufreohtstehenden festen Elektrolytrohr innerhalb eines rohrförmigen Gehäuse«, dadurch geksnniflfrfaflft - daß neben der einen Seite des Elektrolytrohres (31) ein XlUssiges Alkalimetall und neben der anderen üeite des Elektrolytrohreβ (31) ein kathodisches Reaktionsaittel vorgesehen 1st und daß der das kathodisch· Eeaktionsmittel enthaltende Bereich an seInen oberen lande su einen das kathodische Reaktionamlttel enthaltenden Vorratsbehälter (37) oberhalb der Oberseite des Elektrolytrohres (31) offen ist.

2· Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß das flüssige Alkalimetall sich in dem an seinem oberen Ende (33) verschlossenen Elektrolytrohr (31) befindet.

3. Zelle nach Anspruch Z₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Gehttuse (30) aus einen rostfreien Stahlrohr besteht.

4· Zelle nach einen der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Kapillareinrichtungen (36) vorgesehen sind, die das Alkalimetall über der betreffenden einen Seite des Elektrolytrohre» (31) hochziehen.

5. Zelle nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet» daß das flüssige Alkalinetall Natrium 1st und daß das kathodisch· Reaktionsnlttel Schwefel ist.

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