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Natrium-Schwefel-Element Die Erfindung bezieht sich auf ein Natrium-Schwefel-Element.
Natrium-Schwefel-Elemente weisen einen festen Elektrolyten aus Beta -Aluminiumoxyd
auf, der eine flüssige Natriummetall-Anode von einem flüssigen kathodischen Reaktionsteilnehmer
bzw. einem Teilnehmer an der kathodischen Reaktion, welcher Schwefel enthält, trennt.
Dieser kathodische Reaktionsteilnehmer weist eine Zusammensetzung auf, welche vom
Zustand der Ladung oder Entladung des Elementes abhängt. Wenn sich das Element entlädt,
wandern Natriumionen durch den Elektrolyten in den kathodischen Reaktionsteilnehmer,
um sich mit den negativ geladenen Schwefelionen zu vereinigen und Natriumpolysulfide
zu bilden; der kathodische Reaktionsteilnehmer wird üblicherweise als Schwefeleiektrode
bezeichnet. Es ist notwendig, Elektronen in die Schwefelelektrode einzuführen und
aus dieser abzuziehen und dieses erfolgt mit Hilfe eines porösen leitenden Körpers,
wie z.B. einer Graphit- oder Kohle-Filz-Matrix. Der poröse Leiter wirkt als eine
Elektrode mit vergrößerter Oberfläche, an welcher Elektronen während der Reaktion
des Elements dem Schwefel oder den Polysulfiden zugeführt oder von diesen entfernt
werden
können. Wenn die elektrische Leitfähigkeit eines solchen porösen Materials gering
ist, muß ein Stromableiter elektrisch mit dieser Matrize verbunden werden, um einen
äußeren Kreis zu ermöglichen, der mit der Kathode des Elements verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich im besonderen mit diesem Kathodenstromableiter.
Unter den elektrochemischen Bedingungen, die in der Schwefelelektrode vorherrschen,
wird sogar rostfreier Stahl einer Korrosion unterworfen. Bisher wurde jedoch rostfreier
Stahl als das beste Material für diese Anwendung angesehen. Die Korrosion des Stahles
hat verschiedene schädliche Wirkungen. Beispielsweise wird Schwefel, welcher sonst
für eine Reaktion in dem Element verfügbar ist, zur Bildung von Korrosionsprodukten
verbraucht. Falls die Leistungsfähigkeit des Elementes durch den Schwefel gesteuert
wird, verringert der Verbrauch von Schwefel die Leistungsfähigkeit des Elementes.
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Gemäß der Erfindung ist ein NatriumSchwefel-Element dadurch gekennzeichnet,
daß ein Stromableiter, der mit dem kathodischen Reaktionsteilnehmer in Berührung
steht, aus einer undurchlässigen Kohle- oder Graphitröhre besteht, die einen verformbaren
metallischen Leiter enthält, der sich über die Innenfläche der Röhre erstreckt und
mit dieser in Berührung steht. Der verformbare Leiter kann aus Graphitfilz oder
Stahlwolle bestehen und in diesem Falle ist ein leitender massiver Metallkern innerhalb
der Graphitröhre vorgesehen, wobei der verformbare Leiter eine leitende Zwischenschicht
zwischen der Innenfläche der Kohle- oder Graphitröhre und dem Kern bildet. Vorteilhafterweise
besteht jedoch der verformbare Leiter aus einem Metall, das bei Betriebstemperatur
des Elementes flüssig ist,
Die Erfindung umfaßt somit ein Natrium-Schwefel-Element,
bei dem ein mit dem kathodischen Reaktionsteilnehmer in Berührung stehender Stromableiter
aus einer undurchlässigen Kohle- oder Graphitröhre besteht, die ein Metall enthält,
welches bei Betriebstemperatur des Elementes flüssig ist. Ein leitender Kern, z.B.
eine Metallstange kann innerhalb des flüssigen Metalls vorgesehen sein, wobei der
Kern aus einem Metall besteht, das bei Betriebstemperatur des Elementes fest ist.
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Es ist erkennbar, daß bei diesem Aufbau dasjenige Material, das ausschließlich
mit dem kathodischen Reaktionsteilnehmer in Berührung steht, Graphit ist. Kohle
bzw. Kohlenstoff wird durch Schwefel oder Natriumsulfide nicht in bedeutendem Maße
angegriffen und diese Anordnung vermindert in erheblicher Weise die Korrosionsprobleme
bzw. schaltet diese vollständig aus. Die Graphitröhre ist undurchlässig und daher
kann Schwefel nicht in sie eindringen; die Röhre kann in vorteilhafter Weise durch
eine pyrolytische Imprägnation undurchlässig gemacht werden.
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Es ist erkennbar, daß der weiter oben beschriebene Kathodenstromableiter
eine zusammengesetzte Konstruktion aufweist. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohle
ist schlecht, und eine einfache Kohlenstange könnte nicht als Kathodenstromableiter
verwendet werden, da ihr hoher spezifischer Widerstand die Leistung des Elementes
beeinträchw tigen würde. Durch Anordnung eines leitenden Teiles in der Graphitröhre
in Form eines flüssigen Metalls oder einer Metallstange mit einer geeigneten Zwischenschicht
zwischen der Stange und der Röhre ist die Innenfläche der Graphitröhre direkt mit
einem Pfad für den Kathodenstrom des Elementes verbunden, der einen geringen elektrischen
Widerstand aufweist. Der Strompfad durch die Graphitröhre geht nur durch die Dicke
der Röhre und nicht entlang der Länge der
Röhre Das Problem des
spezifischen Widerstandes von Kohle bzw.
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Kohlenstoff ist somit überwunden, wobei eine Form eines Kathodenableiters
geschaffen ist, der eine hohe Leitfähigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit
aufweist, während er eine leichte Herstellung gestattet.
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Es ist nicht allgemein möglich, bei den Bedingungen eines Natrium-Schwefel-Elementes
einen Kathodenstromableiter zu verwenden, der eine feste Metallstange mit einer
Beschichtung aus Kohle aufweist.
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Während des Aufheizens und Abkühlens bei der Herstellung, beim Auffüllen
und bei der Inbetriebnahme des Elementes können die Materialien eines derart zusammengesetzten
Teiles verschiedenen thermischen Ausdehnungen unterworfen werden und die sich hieraus
ergeben den Spannungen können zu einem Trennen der Beschichtung von dem Unterlagsmetall
führen. Die Anordnung eines flüssigen Metalls oder einer anderen verformbaren Zwischenschicht
überwindet diese Probleme.
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Flüssiges Metall bildet eine besonders geeignete Zwischenschicht zwischen
einem massiven Kern und der Oberfläche der Graphitröhre, wobei ein leitender Pfad
zum Kern von der gesamten Oberfläche der Röhre, die in Berührung mit dem flüssigen
Metall steht, sichergestellt ist. Das flüssige Metall kann jedes geeignete Metall
sein, welches bei der Betriebstemperatur des Elementes flüssig ist und welches nicht
mit Graphit oder dem festen Kern reagiert. Die Betriebstemperatur beträgt ungefähr
3500 C und kann innerhalb eines Bereiches von 2800 C bis Quecksilber, Gallium, Natrium,
Lithium, Indium, Kalium, Zinn und Kadmium und Legierungen und Amalgame zwischen
diesen und/oder anderen Metallen. Der Kern kann aus jedem geeigneten Metall mit
einer guten elektrischen Leitfähigkeit bestehen. Bei einem Aluminiumkern wird vorzugsweise
Weichlot (eine Zinn-Blei-Legierung) als flüssiges Metall verwendet. Falls ein
massiver
Metallkern fehlt, besteht das flüssige Metall vorzugsweise aus Zinn.
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Die äußere elektrische Verbindung zu dem Stromableiter kann mit Hilfe
einer Anschlußklemme um die Graphitröhre herum oder mit Hilfe einer Verbindung zum
Kern oder zum flüssigen Metall innerhalb der Röhre, beispielsweise durch einen Endstopfen
zum Abdichten der Graphitröhre, hergestellt werden.
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Die zusammengesetzte Elektrode muß eine Schicht aufweisen, die gegen
ein Eindringen von Schwefel oder Polysulfiden undurchlässig ist, so daß der Kern
weder chemisch noch elektrochemisch angegriffen wird.
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Die Graphitschicht kann dadurch undurchlässig gemacht werden, daß
man die offenen Poren mit einem Kunstharz oder einem Metall oder irgendeinem anderen
Material auffüllt, das bei der Betriebstemperatur des Elementes fest ist. Das Füllmaterial
braucht elektrisch nicht leitend zu sein, obgleich es auch elektrisch sein kann.
Der Zusammenhalt einer solchen Röhre wird beeinflußt durch die relativen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der einzelnen die Röhre bildenden Materialien.
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Vorzugsweise wird die Graphitschicht durch Auffüllen der Poren mit
einer Ablagerung von Kohlenstoff oder Graphit mittels Pyrolyse undurchlässig gemacht.
Die pyrolytische Ablagerung kann durch Auffüllen der Poren mit einem Harz und anschließendem
Erhitzen der Röhre zum Zwecke des Karbonisierens des Harzes oder durch Aufheizen
der Röhre in einer Kohlenwasserstoff-Atmosphäre hergestellt werden. Solche Techniken,
mit deren Hilfe Graphit undurchlässig gemacht werden kann, sind für sich gesehen
bekannt und werden nicht näher erläutert.
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Das Element ist vorteilhafterweise ein röhrenförmiges Element mit
einer Elektrolytröhre um einen Kathodenstromableiter herum und
konzentrisch
zu diesem, wobei die Schwefelelektrode in dem ringförmigen Bereich zwischen dem
Elektrolyten und dem Kathodenstromableiter und die Natriumelektrode in einem rugförmigen
Bereich außerhalb des Elektrolyten und innerhalb eines Gehäuses vorgesehen ist,
welches aus rostfreiem Stahl besteht und den Anodenstromableiter bilden kann. Der
oben beschriebene Kathodenstromableiter kann auch bei anderen Elementkonstruktionen
verwendet werden; beispielsweise kann ein Element eine oder mehrere Elektrolytröhren
mit der Natriumelektrode innerhalb der Elektrolytröhre oder den Elektrolytröhren
enthalten, wobei die Schwefelelektrode sich außerhalb der Elektrolytröhren befindet;
in diesem Falle können ein oder mehrere Kathodenstromableiter entsprechend der obigen
Beschreibung vorgesehen sein, wobei jeder Kathodenstromableiter eine Graphitröhre
umfaßt, die ein flüssiges Metall oder einen massiven Metallkern mit einer Zwischenschicht
aus flüssigem Metall oder einem verformbaren Material zwischen dem Kern und der
Röhre enthält, und wobei diese Kathodenstromableiter um die Elektrolytröhre oder
um jede Elektrolytröhre angeordnet sind.
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Während der Entladung des Natrium-Schwefel-Elementes erfolgt eine
Ubertragung von Natriumionen von der Natriumelektrode durch den festen Elektrolyten
zu der Schwefelelektrode, wo Natriumpolysulfide gebildet werden. Das Volumen des
Materials in der Schwefelelektrode nimmt deshalb während der Entladung des Elementes
zu. Wenn das Element vollständig geladen ist, ist es deshalb notwendig, daß die
Schwefelelektrode nur zum Teil, vorzugsweise ungefähr zu zwei Drittel, mit Schwefel
gefüllt ist. Bei dem Element müssen daher Vorkehrungen zur Aufnahme des vermehrten
Volumens des kathodischen Reaktionsteilnehmers getroffen sein und bei einem röhrenförmigen
Element kann dies dadurch erfolgen, daß ein Schwefelreservoir an einem Ende des
Elementes vorgesehen ist. Wie weiter oben erläutert,
ist es wegen
der relativ niedrigen elektrischen Leitfähigkeit des Schwefelmaterials bei Natrium
-Schwefel-Elementen bekannt, einen porösen leitenden Körper, beispielsweise einen
Graphitfilz, in den Schwefel zwischen den Elektrolyten und den Kathodenstromableiter
einzusetzen. Um den Widerstand des Elementes zu verringern, muß jedoch die Weglänge
durch den Schwefel von dem Elektrolyten zu dem Stromableiter gering gehalten werden.
Das poröse Material bee einflußt auch die Element-Betriebsweise durch Steuerung
der Strömung von flüssigem Schwefel und Sulfiden und kann als Kapilarmedium die
Lage dieser Reaktionsteilnehmer in der Elektrode beeinflussen. Dies ist insbesondere
beim Wiederaufladen des Elementes wesentlich, wenn Natriumsulfide mit dem Elektrolyten
trotz eines zunehmenden Übergewichtes an Schwefelgehalt und einer Entleerung in
dem Elektrodenmaterial in Berührung gehalten werden muß. Diese einander widerstrebenden
Erfordernisse führen zu einem Kompromiß. Bei einem röhrenförmigen Element nimmt
das Volumen des porösen Materials nur die Anfangsladung desschwefels auf und läßt
den Expansionsraum frei. Eine leistungsfähigere Entladung könnte durch ein großes
Filzvolumen unterstützt werden, jedoch würde ein besserer Massenstrom bei der Wiederaufladung
durch ein kleines Filzvolumen unterstützt werden.
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Bei der Anwendung des Kathodenstromableiters nach der vorliegenden
Erfindung, der eine undurchlässige Graphitröhre aufweist, ist der Kathodenstromableiter
innerhalb der Elektrolytröhre angeordnet, wobei die Außenfläche der Graphitröhre
mit Nuten oder Ausnehmungen versehen sein kann. Diese Nuten oder Ausnehmungen können
ein Drittel bis die Hälfte der Oberfläche der Röhre bedecken. Sie weisen eine derartige
Breite auf, daß sie den freien Zugang der Flüssigkeiten in den Graphitfilz hinein
und aus diesem heraus gestatten, der in bekannter Weise zwischen dem Stromableiter
und der Elektrolytoberfläche
vorgesehen ist; die Breite der Nuten
oder Ausnehmungen ist jedoch eng genug ausgeführt, um sicherzustellen, daß keine
Teile des Elektrolyten zu weit von dem Stromableiter für eine wirksame Ausnutzung
entfernt sind. Die Nuten werden vorteilhafterweise mit einer Breite von ungefähr
2 mm ausgeführt. Die maximale Weite ist mit der Filzdicke vergleichbar, d.h. der
Abstand zwischen der Elektrolytröhre und dem Stromableiter. Es ist ersichtlich,
daß bei dieser Anordnung diese Nuten einen Raum für die Aufnahme des vermehrten
Volumens an Sulfidmaterial bei der Entladung des Elementes schaffen. Selbst wenn
das Element vollständig geladen ist, ist die Elektrolytröhre immer genügend nahe
an einem Bereich der Graphitröhre des Stromableiters ohne Nuten, um die gesamte
Oberfläche des Elektrolyten nutzbar zu machen. Wenn sich das Element entlädt, füllt
das Schwefelmaterial die Nuten oder Ausnehmungen; durch diese Konstruktion ist es
möglich, die Größe eines Schwefelreservoirs an einem Ende des Elementes zu verringern
oder dieses Reservoir vollw ständig überflüssig zu machen.
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Die Nuten verlaufen vorzugsweise in Längsrichtung für den Fall, daß
die Graphitröhre auf dem Wege der Extrusion hergestellt wird. Bei gegossenen oder
geformten Röhren können andere Muster leicht verwirklicht werden, z.B Umfangs- oder
Schrauben- oder kreuz und quer verlaufende Muster.
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Der Kohle oder Graphitfilz in dem Schwefel kann an der Kohle- oder
Graphitröhre des Kathodenstromableiters mechanisch befestigt oder aufgeklebt sein.
Solch ein Ankleben kann mit pyrolytischer Kohle oder Graphit vor dem Zusammenbau
des Elementes herbeigeführt werden; das Ankleben du#rch Pyrolyse kann durch vorläufiges
Ankleben mittels eines organischen Kunstharzes und nachfolgender Karbonisierungsbehandlung
oder durch Bildung der Kohlebindung durch Pyrolyse von gasförmigen Kohlenwasserstoffen
herbeigeführt werden. Weiterhin
kann der poröse Filz als eine nicht
karbonisierte Vorstufe eingeführt werden, die zusammen mit der Kohle- oder Graphitröhre
des Stromableiters erhitzt wird, um die zusammengesetzte Form zu bilden, In der
nachfolgenden Beschreibung wird auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in
der die Erfindung beispielsweise dargestellt ist.
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In dieser zeigen: Fig. 1, 2 jeweils Längsschnitte durch ein Natrium-Schwefel-Element,
und 3 Fig. 4 einen Querschnitt durch ein abgeändertes Element nach Fig. 1; und Fig.
5 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine weitere konstruktive Ausgestaltung
eines Natrium-Schwefel-Elementes.
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In Fig. 1 ist ein Natrium-Schwefel-Element dargestellt, das eine feste
Elektrolytröhre 10 aufweist, die aus Beta-Aluminiumoxyd hergestellt ist, die eine
Schwefelelektrode 11 an der Innenseite der Röhre von einer Natriurnelektrode 12
an der Außenseite dieser Röhre trennt. Die Röhre 10 ist an ihrem unteren Ende geschlossen
und bei einer speziellen Konstruktion 22 cm lang mit einem Innendurchmesser von
2, 2 cm.
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Die Dicke der Röhrenwand schwankt zwischen 1 und 2 mm, Beta~ Aluminiumoxyd
ist ein keramisches Material, das Aluminiumoxyd und Natriumoxyd und gegebenenfalls
geringe Mengen eines anderen Materials, wie z.B. Magnesiumoxyd oder Lithiumoxyd,
enthält. Es gestattet den Durchgang von Natriumionen und wird daher als fester Elektrolyt
verwendet, um die Schwefel- und Natriumelektroden in einem Natrium-Schwefel-Element
zu trennen. Die Röhre 10 ist bei der Konstruktion in Fig. 1 von einem aus rostfreiem
Stahl bestehenden Gehäuse 13 in zylindrischer Form umgeben. Der untere Teil des
Gehäuses hat, wie
dies bei 14 dargestellt ist, einen Innendurchmesser,
der etwa 1 bis 3 mm größer ist als der Außendurchmesser der Röhre 10. Der enge ringförmige
Bereich zwischen diesem Teil des Gehäuses und der Röhre 10 enthält Natrium, welches
während des Betriebs des Elementes geschmolzen ist, wobei das Natrium 15 in diesem
Bereich die Natriumelektrode bildet. Oberhalb des schmalen ringförmigen Bereichs
weist das Stahlgehäuse einen vergrößerten Durchmesser über eine Länge von ungefähr
5 cm auf, wie dies bei 16 gezeigt ist; der im Durchmesser vergrößerte Bereich enthält
Natrium und bildet ein Natriumreservoir 17.
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Eine elektrische Verbindung mit der Natriumelektrode ist durch einen
Anschluß 18 an der Endverschlußplatte 19 hergestellt, die das untere Ende des Stahlgehäuses
14 abschließt.
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Innerhalb der Elektrolytröhre 10 befindet sich die Schwefelelektrode
und ein Kathodenstromableiter erstreckt sich in den Schwefel hinein. Der Stromableiter
umfaßt eine Graphitröhre 21, die aus Graphit hergestellt ist und durch Imprägnieren
mit pyrolytischem Kohlenstoff undurchlässig gemacht ist, um das Röhrenmaterial gegen
eine Durchdringung von Flüssigkeit undurchlässig zu machen. Die Graphitröhre 21
ist an ihrem unteren Enle geschlossen und weist einen Durchmesser von ungefähr 8
bis 10 mm bei diesem besonderen Beispiel auf. Innerhalb der Graphitröhre befindet
sich eine massive Metallstange 22, die einen elektrisch leitenden Kern darstellt.
Dieser Kern kann aus einem elektrisch leitenden Material, im vorliegenden Beispiel
aus Aluminium, hergestellt sein, obgleich andere elektrisch leitende Materialien,
wie Kupfer oder Eisen, verwendet werden können. Die Metallstange 22 weist einen
Durchmesser auf, der um ungefähr 1 mm geringer ist als der Innendurchmesser der
Röhre, so daß ein schmaler ringförmiger Raum innerhalb der Röhre 21 verbleibt. Dieser
Raum ist mit einem Metall 23 aufgefüllt, welches im Betriebstemperaturbereich des
Elementes (in der Größenordnung von 280 bis 4000 C) flüssig ist. Das Metall 23 in
dem ringförmigen Bereich muß bei diesen Temperaturen flüssig sein und kann jedes
elektrisch
leitende Material sein, welches nicht mit der Graphitröhre
21 oder der Metallstange 22 reagiert. Bei einem Aluminiumkern wird vorzugsweise
Weichlot (eine Zinn-Blei-Legierung) 23 in dem ringförmigen Bereich verwendet.
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Das flüssige Metall 23 bewirkt einen elektrischen Kontakt zwischen
der Innenfläche der Graphitröhre 21 und der Metallstange 22; die Metallstange 22
und das Metall 23 bilden einen Strompfad mit geringem Widerstand, wodurch der elektrische
Widerstand für den Strom verringert wird, der entlang dem Kathodenstromableiter
fließt, Zwischen der Außenfläche der Graphitröhre 21 und der Innenfläche der Elektrolytröhre
10 ist ein ringförmiger Bereich, der Schwefel und Sulfidmaterialien enthält, die
die Kathode des Elements bilden. Der größere Teil dieses Bereiches umfaßt eine lose
Packung aus Graphitfilz 25 oder ein ähnliches Material, um die Leitfähigkeit des
Schwefel/Sulfide Materials zu erhöhen, welches die Elektrode bildet. Der obere Teil
des ringförmigen Bereiches zwischen dem Elektrolyt und dem Kathodenstromableiter
bei 26 ist in der Zeichnung ohne jedes Sulfidmaterial dargestellt. Dieser Bereich
bildet das Sulfidreservoir. Wenn das Element entladen ist, gelangt Natrium durch
die Elektrolytröhre 10, um Natriumpolysulfide in dem Kathodenbereich zu bilden und
daher das Volumen des Materials zu vergrößern, welches die Kathode bildet.
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Der Bereich 26 dient zum Ansammeln des vergrößerten Volumens von kathodischem
Material, wenn sich das Element entlädt.
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Strom, der zur Kathode und von dieser fließt, gelangt durch den Kathodenstromableiter,
der durch die Graphitröhre 21 mit ihrem Kern 22 und dem flüssigen Metall 23 gebildet
ist. Ein elektrischer Anschluß 29 ist an der Außenseite der Graphitröhre angebracht.
Wahlweise kann ein Stopfen 24, der den oberen Verschluß dieser Röhre bildet, elektrisch
mit der Kernstange 22 verbunden und als positiver Anschluß verwendet
sein,
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kathodenanschluß 29 an der Außenseite
der Graphitröhre 21 angeklemmt und der Raum oberhalb des oberen Endes der Kernstange
bildet ein Reservoir 31, welches teilweise mit dem flüssigen Metall 23 gefüllt ist
und die Wärmedehnung des flüssigen Materials und des Kerns gestattet, wenn das Element
auf die Betriebstemperatur erwärmt wird. Der Stopfen 30 ist in das obere Ende der
Graphitröhre 21 eingeschraubt, um zusammen mit einer Dichtung 32 einen dichten Verschluß
zu ermöglichen.
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Eine Dichtung 35 dichtet die Schwefelelektrode gegen die äußere Atmosphäre
an der Stelle ab, an der der Stromableiter aus der Schwefelelektrode heraustritt,
Diese Dichtung umfaßt einen O-Ring 36 aus einem elastomeren Material sowie eine
Metallpackung 37, die durch eine Gewindekappe 38 an ihrem Platz gehalten ist, welche
auf ein Gewinde eines ringförmigen Teiles 39 aufgeschraubt ist, das sich am oberen
Ende des Schwefelbereiches quer über diesen erstreckt.
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Das Teil 39 weist einen nach unten sich erstreckenden Flansch 40 auf,
der das obere Ende der Elektrolytröhre 10 umfaßt und mit einer ringförmigen Dichtung
41 zusammenwirkt, welche eine Abdichtung zwischen der Natrium- und der Schwefelelektrode
sowie zwischen den beiden Elektroden und der äußeren Atmosphäre bildet. Die ringförmige
Dichtung 41 liegt in einem ringförmigen Metallteil 42 und wird zwischen dem unteren
Rand des Flansches 40 und der äußeren Fläche einer Isolierscheibe 43 eingequetscht,
wobei die Isolierscheibe auf einer flachen Dichtung 44 auf der oberen Fläche des
nach innen gerichteten Randflansches 45 am oberen Ende des Gehäuses 13 aufruht.
Die Isolierscheibe 43 ist bei dieser Ausführungsform erforderlich, da Graphit für
die Packung 41 verwendet ist; da Graphit ein elektrischer Leiter ist, muß die Dichtung
einen Isolator aufweisen, der sowohl durch die Isolierscheibe 43 als auch durch
den Dichtring 44 gebildet ist.
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Die Dichtung wird durch eine Kappe 46 an Ort und Stelle gehalten,
welche einen Flansch 47 aufweist, der mit dem Außengewinde 48 am Randflansch 45
zusammenwirkt. Eine Glimmerscheibe 49 isoliert die Gewindekappe 46 gegenüber der
Gewindekappe 38. Es sei erwähnt, daß die Dichtung nicht mit den flüssigen Reaktionsteilnehmern
oder den Reaktionsprodukten bei dieser Konstruktion in Verbindung kommt, so lange
das Element sich in der dargestellten aufrechten Lage befindet.
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Das Element gemäß Fig. 1 ist für den Gebrauch in der dargestellten
aufrechten Lage ausgebildet. Fig. 2 zeigt eine Abänderung des Elementes für den
Gebrauch in der umgekehrten Lage. In Fig. 2 sind die gleichen Bezugszeichen wie
in Fig. 1 verwendet, um übereinstimmende Teile aufzuzeigen, und es wird nur auf
die unterscheidenden Merkmale der Fig. 2 eingegangen.
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Gemäß Fig. 2 ist ein Natriumreservoir 50 in dem Gehäuse 13 an dem
geschlossenen oberen Ende der Elektrolytröhre vorgesehen und der Raum um die Elektrolytröhre
herum ist sowohl aufgrund der Schwerkraft als auch aufgrund einer Kapilarwirkung
mit Natrium gefüllt gehalten.
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Der Kathodenstromableiter gemäß Fig. 2 umfaßt eine undurchlässige
Graphitröhre 51 die an ihrem oberen Ende geschlossen ist, wobei die Kohleröhre mit
einem flüssigen Metall 52, z.B. Zinn oder mit Weichlot, gefüllt ist. In Fig. 2 ist
kein fester Kern dargestellt, obgleich ein derartiger Kern verwendet werden könnte.
Bei der umgekehrten Lage bleibt das flüssige Metall mit einem Metallverschlußstopfen
53 in Berührung, der das Ende der Graphitröhre 51 verschließt, und dieser Verschlußstopfen
53 ist als Kathodenanschluß des Elementes benutzt. Der Kathodenstromableiter erstreckt
sich nicht in das Schwefelreservoir hinein, welches durch einen Bereich 55 zwischen
den geschlossenen Enden der Graphitröhre 51 und der Elektrolytröhre 10 gebildet
ist.
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Die Abdichtung zwischen der Natrium- und der Schwefelelektrode und
zwischen den Elektroden und der äußeren Atmosphäre istin Fig. 2 anders als in Fig.
1. Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind zwei Dichtungen 56 und 57 vorgesehen, die
beide gegen die Elektrolytröhre 10 abdichten, so daß keine der Dichtungen in Berührung
mit einem der Reaktionsteilnehmer des Elementes kommt. Dies verhindert jeglichen
elektrochemischen Angriff des Dichtungsmaterials, wenn das Element in der dargestellten
Lage in Betrieb ist. Die Dichtung 56 besteht aus einem elastomeren Material oder
Graphit, das die Elektrolytröhre umgibt und zwischen einem elektrisch isolierenden
Ring 58 aus keramischem Material und einem Flansch 59 am unteren Ende des Gehäuses
13 eingeklemmt ist. Unter dem Ring 58 ist die zweite Dichtung 57 vorgesehen, die
aus einer Dichtscheibe besteht und durch einen Flansch 61 an dem oberen Ende eines
rohrförmigen Teiles 62 gehalten ist. Das rohrförmige Teil 62 ist durch eine Kappe
63, welche auf den Flansch 59 aufgeschraubt ist, gehalten, wobei eine weitere Dichtscheibe
64 zwischen der Kappe 63 und dem rohrförmigen Teil 62 vorgesehen ist. Das rohro
förmige Teil 62 dient als Träger für einen aus elastomerem Material bestehenden
Ring, der die Graphitröhre 21 umgibt, wobei diese Dichtung durch eine aus Metall
bestehende Beilegscheibe 65 zusammengedrückt wird, die durch eine Kappe 66 gehalten
ist.
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Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Anordnung nach Fig. 2, um zu ermöglichen,
daß das Element in horizontaler Lage verwendbar ist. In Fig. 3 sind die gleichen
Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet, wobei lediglich auf die Abänderungen eingegangen
wird.
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Gemäß Fig. 3 muß der ringförmige Raum 70 zwischen der Elektrolyt röhre
10 und dem äußeren Gehäuse 13 ein kapilarer Bereich sein, damit das Natrium in diesen
Bereich von dem Natriumreservoir 50 am Ende des Gehäuses 13 angesaugt wird, wodurch
die gesamte Außenseite der
Elektrolytröhre 10 mit Natrium trotz
der allmählichen Abnahme der Natriummenge in dem Reservoir 50 bei der Entladung
des Elementes benetzt ist. Der Kathodenstromableiter umfaßt bei dieser Anordnung
eine massive Metallstange, beispielsweise eine Aluminiumstange 71 innerhalb der
Graphitröhre 54, gegenüber der die Stange durch einen schmalen ringförmigen Bereich
72 getrennt ist, der einen Kapilarbereich bildet, in welchen flüssiges Metall angesaugt
wird, so daß die Stange 71 wirksam mit der Graphitröhre 51 über im wesent3#chen
-die gesamte Länge elektrisch leitend verbunden ist, wodurch die Leitfähigkeit verbessert
wird. Das Metall im Bereich 72 ist so ausgewählt, daß es bei der Betriebstemperatur
des Elementes flüssig ist, chemisch jedoch bei dieser Temperatur weder mit der Graphitröhre
51 noch mit der Metallstange 71 reagiert. Bei einer Aluminiumstange wird in vorteilhafter
Weise ein weiches Lot als flüssiges Metall verwendet.
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Eine andere Abänderung des Elementes nach Fig. 1 ist in Fig. 4 dargestellt,
die einen Querschnitt durch ein Element zeigt. Dieses Element weist ein äußeres
Stahlgehäuse 80 auf, das eine Elektrolytröhre 81 umgibt, wobei ein kapilarer Bereich
82 zwischen dem Gehäuse und der Elektrolytröhre für die Natriumelektrode belassen
ist. Innerhalb der Elektrolytröhre befindet sich ein Kathodenstromableiter, der
eine hohle undurchlässige Graphitröhre 84 umfaßt, die eine innere massive Metallstange
85 aufnimmt, welche vorteilhafterweise aus Aluminium besteht. Entsprechend den Ausgestaltungen
nach den Fig. 1 und 3 ist der Raum zwischen der Stange 85 und der Innenfläche der
Graphitröhre 84 mit einem flüssigen Metall 86, beispielsweise einem Weichlot, gefüllt.
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Der Raum zwischen der Elektrolyt- und der Graphitröhre ist mit einem
Graphitfilz 87 ausgefüllt, um die Leitfähigkeit des Schwefel/Sulfidmaterials zu
erhöhen, welches die Kathode bildet. Üblicherweise besitzt der Graphitfilz eine
Dichte von 0, 1 g pro ccm.
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Bei der Konstruktion nach Fig. 4 sind Längsnuten 89 in der Außenfläche
der Graphitröhre 84 vorgesehen. Diese Nuten, die eine Breite und Tiefe in der Größenordnung
von 2 bis 5 mm aufweisen, wirken als Expansionsvolumen, um das bei der Entladung
des Elementes gebildete zusätzliche Volumen an Sulfidmaterial aufzunehmen. Die Breite
der Nuten 89 ist so, daß die gesamte Elektrolytoberfläche wirkungsvoll genutzt werden
kann, d.h. die Nuten sind mit genügend großer Anzahl vorhanden, so daß kein Bereich
der Innenfläche der Elektrolytröhre 81 zu weit von einem Bereich ohne Nuten der
Graphitröhre 84 des Kathodenstromableiters entfernt ist. Wenn das Element vollständig
geladen ist, steht die Außenfläche der Graphitröhre 84 zwischen den Nuten 89 mit
dem Graphitfilz 87 und mit dem Schwefel-Elektrodenmaterial in Berührung, so daß
der Strom durch den Graphitfilz zwischen der Elektrolytröhre 81 und der Röhre 84
fließen kann. Wenn sich das Element entlädt, füllt das Schwefelmaterial allmählich
die Nuten 89 an. Diese Nuten dienen daher zur Aufnahme des zusätzlichen Sulfidmaterials,
welches bei dem elektrochemischen Prozeß entsteht, während sie auch die Verwendung
bzw. Ausnutzung der gesamten Elektrolytoberfläche gestatten.
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Bei Verwendung dieser Konstruktion eines Kathodenstromableiters ist
es möglich, das Schwefel/Sulfid-Reservoir 26 der Fig. 1 oder das Schwefel/Sulfid-Reservoir
55 nach Fig. 2 und 3 wegzulassen, wodurch das Element für eine gegebene Leistungsabgabe
kompakte#r wird.
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Der Graphitfilz zwischen der Elektrolytröhre und der Graphitröhre
steht mit den Außenflächen der Zähne oder Vorsprünge an der Graphitröhre sowie mit
der Innenfläche der Elektrolytröhre, und zwar vorzugsweise mit der gesamten Fläche
der Elektrolytröhre, in Berührung.
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Er braucht nicht den gesamten ringförmigen Bereich außerhalb der äußersten
Teile der Vorsprünge an der Graphitröhre auszufüllen, und vorzugsweise kommt geformter
Graphitfilz zur Anwendung, der zwischen 5 und 60 % dieses Bereiches ausfüllt.
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Obgleich in Fig. 4 Längsnuten 89 gezeigt sind, können sie auch eine
andere Form aufweisen. Falls die Graphitröhre extrudiert ist, sind Längsnuten vorteilhaft.
Bei einer gegossenen Röhre kann es vorteilhafter sein, Umfangsnuten vorzusehen.
Schraubenförmige Nuten oder Nuten mit einem Kreuzmuster sind andere Formen, die
anwendbar sind.
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Die Nuten müssen nicht gleichmäßig über die Oberfläche der Graphitröhre
verteilt sein, sondern können in verstärktem Maße in Richtung auf das eine Ende
oder die eine Seite der Röhre verteilt sein, um Schwerkraftwirkungen in Verbindung
mit der Ausrichtung des Elementes oder elektrische Ungleichförmigkeit in Verbindung
mit dem endlichen spezifischen Widerstand des Stromableiters zu berücksichtigen.
Die Nuten können leer oder mit Fasern aus einem elektrischen Leiter oder Isolator,
z.B. Aluminiumfasern, ausgestopft sein, welche als Kapilaren dienen, um den Transport
des kathodischen Reaktionsteilnehmers zu unterstützen, Obgleich bei den oben beschriebenen
Ausführungsformen-der Kathoden" stromableiter im Inneren der Elektrolytröhre angeordnet
wurde, sind andere Anordnungen möglich. Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt
durch ein Elementsystem, das innerhalb eines äußeren Gehäuses 90 eine Anzahl von
Elektrolytröhren 91 aufweist, die aus Beta-Aluminium oxydlKeramikmaterial bestehen.
Das Natrium 92 ist innerhalb der Elektrolytröhre vorgesehen, wobei ein geeigneter,
nicht dargestellter Stromableiter vorzugsweise an einem Ende der Röhre angeordnet
ist.
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Die Elektrolytröhren sind von dem Schwefel/Polysulfid-Elektrodenmaterial
mit einer Grapbitfilzpackung 94 zwischen den Elektrolytröhren und dem Gehäuse umgeben.
Innerhalb dieser Schwefelelektrode sind eine Anzahl von Kathodenstromableitern 95
vorgesehen, von denen jeder aufgebaut ist aus einer Graphitröhre 96, die gegen Flüssigkeiten
undurchlässig ist, wobei jede Röhre einen massiven Metallkern 97, beispielsweise
eine Aluminiumstange mit einem Flüssigmetall 98, beispielsweise
Weichlot,
enthält, das ein Zwis chens chichtmaterial zwischen dem festen Kern und der Graphitröhre
bildet. Diese Kathodenstromableiter sind um die verschiedenen Elektrolytröhren angeordnet
und unter~ einander parallel geschaltet, wie dies schematisch bei 99 angedeutet
ist. Wie bei den weiter oben beschriebenen Anordnungen ermöglicht der massive Kern
mit der flüssigen Metallzwischenschicht innerhalb der Graphitröhre die Anordnung
von Kathodenstromableitern mit einem geringen elektrischen spezifischen Widerstand,
die jedoch eine Graphitoberfläche aufweisen, die dem Sulfidmaterial ausgesetzt ist,
woraus sich die Vorteile eines größeren Widerstandes gegen einen elektrochemischen
Angriff im Vergleich zu Kathodenstromableitern aus roste freiem Stahl ergeben.
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