DE2513649A1

DE2513649A1 - Festelektrolyt-batterie, insbesondere fuer die speicherung elektrischer energie

Info

Publication number: DE2513649A1
Application number: DE19752513649
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr Rohr
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-03-27
Filing date: 1975-03-27
Publication date: 1976-09-30
Also published as: DE2513649B2; US4038462A; FR2305865A1; FR2305865B3; GB1482895A; DE2513649C3

Description

j ;::-iOW.i. !.-fiVr:?:! ί* C: Ir . ΑΚΤΙίΊΌ -.T=ELLoCHArT

i-U-"·::. OVLR!

Hp.-Nr. 54-5/75 Mannheim, den 21. Mars 1975

ZFE/P1-¥g/Bt.

Festelektrolyt-Batterie, insbesondere für die Speicherung elek trischer Energie. __

Die Erfindung betrifft eine Festelektrolyt-Batterie, insbesondere für die Speicherung elektrischer Energie, mit mindestens ; einem Anoden- und einem Kathodenraum (Elektrodenräume), die \ über den Festelektrolyteii ionenleitend miteinander verbunden sind und die Sammel- bsw. Ausgleichsräume für die Realctanden _; baw. Reaktionsprodukte aufweisen.

Um die vorgenannten Batterien auf möglichst vielen Gebieten der Technik einsetzen zu können, sollen sie folgende Eigenschaften aufweisen:

Zunächst sollen diese Batterien eine hohe Energiedichte besitsen, d.h., ihr Energieinhalt muß möglichst groß sein, bei kleinsten Baumaßen und/oder bei kleinsten Gewichten. Weiter müssen die Batterien eine hohe Leistungsdichte haben, sie sollen bei kleinstem Gewicht und/oder kleinstem Volumen hohe Leistungen abgeben können. Auch ist eine lange Lebensdauer anzustreben, das bedeutet, die erreichbare BetriebsStundenzahl und die Anzahl der erreichbaren Auf- und Entladevor-

B09840/06U

5 A3/15.

gänge' (Zyklenzahl) muß groß sein. Schließlich sollen die für den Aufbau der Batterien erforderlichen Materialien in ausreichender Menge vorhanden sein, so daß sie billig herzustellen

Die bisher insbesondere an Speicherzellen oder -Batterien durchgeführten Dauerversuche haben gezeigt, daß die vorgenannten Anforderungen der hohen Leistungsdichte und hohen Lebensdauer bzw. Zyklenzahl mit dem herkömmlichen Batterieaufbau kaum gleichseitig erfüllt werden können. So kann man zwar durch große Lade- und Entlaclestromdichten die Leistungsdichte solcher Batterien steigern, verringert jedoch hiermit gleichzeitig ihre Lebensdauer. Denn hohe Strombelastungen und/oder Stromdichteänderungen des Festelektrolyten ändern seine Struktur und verursachen oft Risse, die zu inneren Kurzschlüssen führen. Wählt man dagegen die Lade- und Entladestromdichten geringer, so wird der Festelektrolyt weniger belastet und die Lebensdauer der Batterie steigt o.n. Gleichzeitig erhöht sich jedoch auch ihr Gewicht und/oder ihr Bauvolumen, so daß die Leistungsdichte verschlechtert \tfird.

Die Lebensdauer einer solchen Batterie ließe sich auch durch Senkung der Betriebstemperatur erhöhen* Das hat jedoch wiederum den Nachteil, daß die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten sich mindert und dadurch die Leistungsdichte der Batterie abnimmt bzw. zur Aufrechterhaltung gleicher Leistung die Batterie vergrößert werden muß.

Hinzu kommt noch, daß trotz vielfacher Anstrengungen es bisher kaum gelungen ist, geeignete Materialien für das Batteriegehäuse und die gegebenenfalls damit verbundenen Metallteile zu finden, welche gegen die Angriffe der Reaktanden beständig und in ausreichendem Maße billig beschafft werden können.

609840/0614

3.45/75

Eine bekannte Brennstoffzelle (US-PS 3 300 344), die als Festelelrtrolyt-Batterie ausgebildet ist, benötigt für ihren Aufbau eine Vielzahl von Einzelteilen, so daß sie ein großes Bauvolumen

ι aufveist. Die Leistungsdichte ist daher entsprechend gering.

Die in der deutschen Offenlegungsschrift 2 316 336 bekannt gewordenene Natriuin-Schwefel-Batterie weist zwar gewisse Verbesserungen in ihrem Aufbau auf, das Hauptproblem von hoher Energiedichte gepaart mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer ist jedoch nicht gelöst.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Festelektrolyt -Batterie der eingangs genannten Art anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet, und insbesondere hohe Energiedichte und hohe Leistungsdichte bei großer Lebensdauer und niedrigen Materialkosten vereint. Darüberhinaus soll die Festelektrolyt-Batterie im konstruktiven Aufbau einfach und damit leicht herzustellen sein, sowie in ausreichendem Maße für alle Anwendungsgebiete betriebssicher sein.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Festelektrolyt-Batterie von einer Vielzahl von parallel geschalteten, kanalförmigen Anoden- und Kathodenräumen gebildet ist, die vom Festelektrolyten begrenzt und Hbwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, so daß jeder der Elektrodenräume gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodenräumen von entgegengesetzter Polarität Reaktionsflächen aufweist.

Durch das Aufteilen des Anoden- und des Kathodenraumes in eine Vielzahl von parallel geschalteten Elektrodenräume wird ihre

609840/06U

545/75

Reaktionsfläche erheblich vergrößert_o Da hierbei die Elektrodenräume vollständig vom Festelektrolyten umgeben sind, entstehen ■ •keine !zusätzlichen Materialprobleme. Jeder der Elektrodenräume ist gleichzeitig zu wenigstens zwei Elektrodenräume benachbart, welche eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, die Leistungs- : dichte ist daher zusätzlich gesteigert« Selbstverständlich wird man die Elektrodenräume sehr dicht zusammenpacken und ihren lichten Querschnitt im Verhältnis zu ihrer Oberfläche möglichst . klein halten, jedoch nur so klein, daß die Zufuhr der Reak- · tanden bzw. Abfuhr der Reaktionsprodukte sowie die Stromver- :

sorgung bzw. Abnahme einwandfrei aufrechterhalten bleibt. Eine

Querschnittsfläche der Elektrodenräume von vorzugsweise 10 mm

und eine länge dieser Räume von ca» 100 mm soll z.B. bei ' Natrium-Schwefel-Batterien nicht überschritten werden.

Da sämtliche Elektrodenräume vom Festelektrolyten umgeben sind, .

ist eine besondere Abdichtung der Batterie nach außen meist j

nicht erforderlich. i

Die Festelektrolyten im Sinne der Anmeldung können aus beliebigen Materialien bestehen und jeiiach Art und/oder Einsatzbe- ; dingungen der Batterie ζ .B. als keramische, organische oder quasi feste Elektrolyten ausgebildet sein. Hierbei sind unter quasi festen Elektrolyten feste oder flüssige Elektrolyten zu verstellen, die von einem porösen Träger auf genommen sind.

Der Hauptvorte.il der erfindungsgemäßen Ausbildung der Festelektrolyt-Batterie besteht darin, daß ihre Reaktionsflächen vergrößert und somit die Strombelastung dieser Flächen herabgesetzt ist. Hierbei ist die Reaktionsfläche vorzugsweise um das 3- bis 10-fache vergrößert, es lassen sich jedoch auch höhere Werte erzielen. Die Strombelastung der Reaktionsflächen ist

603840/Q614

: 5-45/75_._.

dadurch um die gleichen Faktoren herabgesetzt. Behält man die ursprünglichen Werte für die Strombelastung bei, so ist die Leistungsdichte der Batterie um den entsprechenden Faktor erhöht. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn mit relativ kleinen Batterien hohe Leistungen, beispielsweise über kurze Zeit, abgegeben werden sollen.

Es lassen sich sämtliche oder fast sämtliche Festelektrolyt-Batterien, die einen Elektrolyten aufweisen, in der vorgenannten erfindungsgemäßen Art ausbilden. Besonders vorteilhaft ist diese Ausbildung jedoch für Batterien auf der Grundlage von Alkalimetall und Schwefel, die für mobilen Einsatz vorgesehen sind, wie z.B. für den elektrischen Fahrzeugbetrieb. Hier kommen die mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ersielbaren Vorteile besonders stark zum Tragen.

Mann kann die Festelektrolyt-Batterie aus einzelnen Anoden- und Kathodenräumen zusammensetzen, doch ist es besonders vorteilhaft, wenn der Festelektrolyt in Form eines Blockes ausgebildet ist und die Elektrodenräume in ihm ausgespart sind.

Hierbei wird eine übersichtliche Anordnung erzielt, falls die Elektrodenräume vorteilhaft als etwa parallelLaufende, über den Querschnitt der Festelektrolyt-Batterie etwa gleichmäßig verteilte, gerade Kanäle ausgebildet sind.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die meisten der Elektrodenräume im Querschnitt etwa die Form eines Quadrates oder gleichseitigen Dreiecks aufweisen. Hierdurch sind die Reaktionsflächen besonders groß bei gleichbleibender Dicke des zwischengeschalteten Elektrolyten.

609840/0614

545/75

Um die Zufuhr bzw. Abfuhr der Reaktanden und des Stromes einfach zu gestalten, Ist es vorteilhaft, wenn die Elektrodenräume zur elektrischen Parallelschaltung und zur parallelen Versorgung mit Reaktanden ,jeweils an mindestens einen gemein-

! samen Sammel- bzw. Ausgleichsraum angeschlossen sind, der den elektrischen Anschluß aufweist.

Für einen einfachen Aufbau der Festelektrolyt-Batterie Ist es empfehlenswert, wenn die benachbarten einen Enden der Anodenräume und die benachbarten einen Enden der Kathodenräume verschlossen sind und mit ihren offenen, anderen Enden in die Sammel- bzw. Ausgielchsräume münden, wobei den verschlossenen Enden der Anodenräume offene Enden der Kathodenräume benachbart sind. Auf diese Weise sind die offenen Enden gleicher Reaktionsräume jeweils an einer Seite der Festelektrolyt-Batterie zusammengefaßt.

Hierbei bewährte es sich, wenn die Sammel- bzw. Ausgleichsräume im FestelelcGi'Olyten ausgespart und mit einem Verschlußdeckel verschlossen sind. I

Um die Zufuhr bzw. Abfuhr der Reaktanden und des Stromes weiter zu vereinfachen, weisen die Verschlußdeckel etwa zentrische, verschließbare Zuführungsrohre für die Reaktanden auf, die mit den Reaktanden bzw. Elektroden in Verbindung stehen und die elektrischen Anschlüsse mitbilden.

Ist die Festelektrolyt-Batterie mit flüssigen oder festen Reaktanden bzw. Elektroden versehen, so besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß die elektrischen Anschlüsse gegebenenfalls über elektrisch leitende Matrizes mit den Reaktanden "bzw. Elektroden oder Reaktionsflächen verbunden "; sind. [

609840/0614

_____ J545/75

Um den elektrischen Innenwiderste.rx -υ verringern, bewährte es
I sich, wenn in der Matrix mindestens κ in elektrischer leiter
! eingebettet ist, der vom Bereich des elektrischen Anschlusses
j ausgeht und die Elektrodenräume durchdringt. Torzugsweise
[ besteht der elektrische Leiter ?\us Graphit. I

j ί

: Mehrere Festelektrolyt-Batterien können auf -vorteilhafte Weise

! elektrisch in Serie geschaltet v/erden, wenn sie mit ihren

^: gegenpoligen Saminel- bzw. Ausgleichsräumen unter Zwischenschal-

I tung eines gemeinsamen elektrisch leitenden Verschlußdeckels

j miteinander verbunden sind, wobei zumindest in den gernein-

^: samen Verschlußdeckeln gev.-ynnte, verschließbare Kanalsysteme
eingearbeitet sind, welc' ώ die betref enden Sammel- bzw. Aus-

! gleichsräume mit dem Au;3enraum verbinden. j

ι !

] I

j Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen her- ,

j vor, welche folgendes schematisch zeigen: j

Fig, 1 einen längsschnitt durch eine Festelektrolyt-Batterie

j für die Erzeugung elektrischer Energie (Brennstoff-

; Zelle) gemäß der Schnittlinie I - I der Figur 2,

J Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand der

ί Figur 1 gemäß der Schnittlinie II - II der Figur 1, j

Fig. 3 einen zentralen vertikalen längsschnitt durch eine !

elektrochemische Speicher-Batterie mit Alkalimetall _: und Schwefel als ReaktandenCNatrium-Schwefel-Batterie) mit einer zylindrischen äußeren Form, wobei die ί Elektrodenräume als Kanäle ausgebildet und einseitig [

verschlossen sind und an ihren gegenüberliegenden i offenen Enden Ausgleichsräume für die Reaktanden \ aufweisen,

Fig. 4 einen Hor»izontalschnitt durch den Gegenstand der
Figur 3 gemäß der Schnittlinien IV- IV der
Figur 3, wobei nicht sämtliche Elektrodenräume
dargestellt sind,

"■■ O ""

609840/0614

■ 545/75

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Variante des Gegenstandes

der Figur 3, entsprechend der Figur 4,
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Variante des

Gegenstandes der Figur 3, entsprechend der Figur 4, Fig. 7 einen Vertikalschnitt entsprechend der Figur 3 durch eine andere Ausführungsform des Gegenstandes der

Figur 3,

Fig. 8 ebenfalls einen vertikalen Schnitt durch den Gegenstand der Figur 3 in einer Ausführungsvariante,
Fig. 9, auf verschiedene Weise zusammengeschaltete Natrium-10 u. 11 Schwefel-Baterien,
Fig. 12 den vertikalen Querschnitt durch hintereinander

geschaltete Natrium-Schwefel-Batterien,
Fig. 13 einen Vertikalschnitt durch eine herkömmliche

Speicherzelle und
Fig. 14 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Figur 13 gemäß der Schnittlinie XIV - XJV.

In den einzelnen Figuren sind für gleiche Teile jeweils die
gleichen Bezugszeichen verwendet.

In den Figuren 1 und 2 ist eine als Brennstoff-Zelle ausgebildete Festeleketrolyt-Batterie dargestellt. Sie besteht aus dem etwa quaderförmigen Festelektrolyten 7, in den Anoden- 3 und Kathodenräume 5 in Form von Kreiszylindern eingearbeitet sind. Die Elektrodenräume 3, 5 sind hierbei gleichmäßig über den Festelektrolyten verteilt und möglichst eng benachbart,
so daß jeder der Elektrodenräume große Reaktionsflächen 26

609840/Q6U

5.4.5/7.5 __

zu möglichst vielen angrenzenden Elektrodenräumen von entgegengesetzter Polarität aufweist. Die Elektrodenräume 3, 5 durchdringen den Festelektrolyten und münden mit ihren offenen Enden in Sammelräume 9, die an den Stirnseiten des quaderförmigen Festelektrolyten 7 vorgesehen sind. Da Brennstoff-Zellen meist mit elektrisch schlecht leitenden Gasen betrieben v/erden, sind ihre Reaktionsflächen mit Elektroden 27 versehen, von denen der Strom abgenommen wird. Die Elektroden bestehen hierbei meist aus porösem Silber oder Nickel. Die Sammelräume 9 sind in einer Platte 24 ausgespart, die aus Festelektrolyt-Material besteht und z.B. durch Löten mit Glas- oder Keramik-Lot am Festelektrclyten 7 gasdicht befestigt ist. Die offenen Enden der Kathodenräume 5 münden unmittelbar in den entsprechenden Sainmelraum 9, die offenen Enden der Anodenräume 3 sind über Zwischenstücke 25 mit den entsprechenden Sammelraum 9 verbunden, der ober- bzw. unterhalb des anderen Sammelraumes angeordnet ist. In die Sammelräume 9 münden jeweils Zuführungs- bzw. Abführungsrohre 21 für die Reaktanden bzw. ihre Realctionsprodukce. Die Zuführungsrohre 21 dienen gleichzeitig für die Stromabnahme aus der Brennstoffzelle.

Um die Zuführungsrohre 21 mit den auf den Reaktionsflächen der Elektrodenräume vorgesehenen porösen Elektroden 27 elektrisch leiten d zu verbinden, sind in den entsprechenden Sammelräumen

elektrisch leitende, poröse Matrizes 22, z.B. aus Graphit oder ^! Metall, vorgesehen, die sich vom Bereich der Zuführungsrohre 21 j bis zu den Elektroden 27 erstrecken. Es wäre natürlich ebensogut möglich, die Elektroden 27 über metallische Drähte mit den Zuführungsrohren 21 zu verbinden.

Für den Betrieb der Batterie wird z.B. über das Zuführungsrohr 21 Brennstoff, z.B. Wasserstoff, in die Anodenräume 3 und Oxyda-! tionsmittel, z.B. Luft, in die Kathodenräume 5 eingebracht.

- 10 -

6098A0/06U

· 543/75

Der entstehende elektrische Strom wird dabei über die Elektro- !

den 27 und die Zuführungsrohre 21 abgeführt, während die Reak- j

tionsprodukte unten aus der Batterie abgeführt werden. Die !

Reaktionsäbläufe in einer Brennstoffzelle sind allgemein be- '

kann, so daß sich weitere Ausführungen hierüber erübrigen. Im ! vorliegenden Beispiel besteht der Festelektrolyt aus Zirkonium-;

dioxyd. j

Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3 und 4, das eine Natrium-Schwefel-Batterie zeigt, sind in dem zylinderförmigen Festelektrolyten 7 die Anodenräume 3 und die Kathodenräume 5 als gerade, zylindrische Räume ausgespart. Wie insbesondere aus der Figur 4 zu ersehen ist, sind diese Elektrodenräume 3, abwechselnd nebeneinander und umeinander in einer großen Zahl gleichmäßig und mit geringem Abstand über den Festelektrolyten verteilt. Die Elektrodenräume verlaufen hierbei untereinander parallel und zeigen in die gleiche Richtung wie die Längsachse des zylinder.!:örmigen Festelektrolyten 7. Hierbei sind die Kathodenräume 5 und die Anodenräume 3 jeweils an ihrem einen Ende 15, 13 verschlossen, während die offenen Enden der Elektrodenräume gleicher Funktion jeweils auf einer Seite münden und zwar so, daß auf der einen Seite z.B. die Anodenräume und auf der gegenüberliegenden Seite die Kathodenräume offen sind. Die Elektrodenräume 3, 5 münden hierbei in die Ausgleichsräume 11. Diese Ausgleichsräume sind jeweils mit einem Verschlußdeckel 19 von der Form einer Haube gebildet, die mit ihren Rändern auf dem Festelektrolyten 7 festgelötet ist. Als Lot ist hierbei ein Glas- oder Keramikpulver verwendet worden. Die Außendurchmesser des Festelektrolyten 7 und der Verschlußdeckel 19 sind gleich. Als Material für die Verschlußdeckel kann Aluminium, Edelstahl oder keramisches Material, beispiels- \ weise cL -Aluminium-Oxyd (AL₂ 0^) verwendet werden, während der Festelektrolyt aus β -Aluminium-Oxyd (ß-AL₂ O₅) besteht.

- 11 -

609840/0614

. 545/_75_...

Anstelle die Elektrodenräume in dem Festelektrolyten auszusparen ist es auch möglich, die Batterie aus einzelnen Anoden- und Kathodenräumen zusammenzustellen. Hierbei sind die Elektrodenräume jeweils vom Festelektrolyten umgeben und als einzelne/-Teile ausgebildet, die mit großen Berührungsflächen zusammengefaßt sind.

Etwa im Zentrum der jeweiligen Verschlußdeckel 19 sind die elektrischen Anschlüse 8 vorgesehen. Sie bestehen aus je einem Zuführungsrohr 21, das vom Außenraum in den Ausgleichsraum 11 geführt ist. Dieses Rohr kann aus Aluminium oder Edelstahl bestehen, aus preislichen Gründen wird man jedoch vorzugsweise Aluminium genau wie für die Verschlußdeckel 19 verwenden.

Die Kathodenräume 5 sowie der zugehörie Ausgleichsraum 11 sind, mit einer porösen Matrix 22, z.B. aus graphit i er tem Filz, ausgefüllt. Mit dieser Matrix wird der zu- oder abgeführte Strom von dem elektrischen Anschluß 8 zu den Reaktionsflächen 26 geführt, denn der im Kathodenraum 5 vorhandene Reaktand, z.B. Schwefel, ist elektrisch kaum leitend. Für die Anodenräume 3 und den zugehörigen Ausgleichsraum 11 erübrigt sich im allgemeinen eine solche Maßnahme, denn das hier eingefüllte Natrium ist ein guter elektrischer Leiter. Wäre das nicht der Fall, so müßte auch der Anodenraum mit einer entsprechenden Matrix ausgefüllt sein, die z.B. aus Metallwolle bestehen könnte.

Wie insebesondere aus Figur 4 zu ersehen ist, sind eine Vielzahl von Elektrodenräume wabenförmig nebeneinander angeordnet. Jeder dieser Elektrodenräume ist mindestens zwei Elektrodenräumen von anderer Polarität benachbart, so daß gegenseitig große Reajctionsflachen 26 gegeben sind. Vorzugsweise ist die größtmögliche Anzahl von Elektrodenräumen je Volumeneinheit vorgesehen.

- 12 -

609840/Q6U

. 545/75__

Das Einbringen der Reaktanden geschieht über die Zuführungsrohre 21. In die Anodenräume sowie in den zugehörigen Ausgleichs raum 11 wird Natrium und in die Kathodenräume 5 sowie in den zugehörigen Ausgleichsraum 11 wird Schwefel bzw. Natrium-Polysulfid eingebracht. Dies geschieht am besten durch Destillation im Vakuum. Nach dem die Reaktanden eingefüllt sind, werden die Zuführungsrohre 21 verschlossen, beispielsweise durch •Zusammenquetschen ihrer äußeren Enden. Normalerweise ist für den Betrieb dieser Batterie eine Temperatur von etwa 300⁰C erforderlich. Zum laden werden die beiden elektrischen Anschlüsse 8 in richtiger Polung an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Hierbei laufen in der Batterie folgende Reaktionen ab:

5 Na₂ S₃ *- 3 Na₂ S₅ + 4 Na

Nach dem Laden der Batterie kann an die elektrischen Anschlüsse ein Stromverbraucher angeschlossen und Strom entnommen werden. Hierbei spielt sich folgende Reaktion ab:

3 Na₂ S₅ + 4 N_a—^ 5 Na₂ S₃

Da während des Entladevorganges Natrium verbraucht' wird, nimmt der Natriumspiegel im zugehörigen Ausgleichsraum 11 ab. Es muß daher Sorge dafür getragen werden, daß der zugehörige elektrische Anschluß immer in Eontakt mit dem Natrium bleibt, d.h. er muß tief genug .in den Ausgleichsraum·11 hineinragen, da sonst der Entladevorgang unterbrochen würde. Während des Entladevorgangs nimmt der Schwefelanteil in den Zathodenräumen 5 bzw. im zugehörigen Äusgleichsraum 11 zu. Es ist daher erforderlich,

- 13 -

609840/0614

545/75

die eingebrachte Menge der Reaktanden aufeinander abzustimmen. Der Transport des Schwefels aus dem zugeordneten Ausgleichsraum 11 zu den Reaktionsflächen der Kathodenräume 5 geschieht : durch Kapillarwirkung der Kathodenräume und der darin befindlichen porösen Matrix 22, z.B. des graphitierten Filzes. Auf ; diese Weise ist die Batterie auch in der gezeichneten Lage gemäß Figur 3, die rein zufällig ist, zu betreiben. Soll die ; Batterie dagegen vollständig lagenunabhängig betreibbar sein, ' so muß in den Ausgleichs raum 11 für das Natrium sowie in die

32 zugehörigen Anodenräume 3 ebenfalls eine poröse Matrix für den Transport des Natriums eingebracht sein. Diese Matrix kann beispielsweise aus Metallwolle bestehen. Durch großes Ausbilden der Ausgleichsräume 11 kann eine große Menge der Reaktanden gespeichert und damit die Betriebsdauer beliebig erhöht v/erden.

I j Während die Elektrodenräume 3, 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 und 4 zylindrische Form aufweisen, zeigen die \ Figuren 5 und 6 sehr vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Elek- '. trodenräume sowie der gesamten Zelle. Gemäß Figur 5 ist die ! Batterie 1 im Querschnitt etwa quadratisch aufgebaut und ebenso haben die Elektrodenräume 3, 5 einen quadratischen Querschnitt. Diese Ausführung ergibt eine sehr gute Raumausnutzung und sichert jedem Elektrodenraum möglichst große Reaktionsflächen, wobei der zwischengeschaltete Elektrolyt immer gleich dick ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 haben die Elektrodenräume 3, 5 im Querschnitt die Form von jeweils gleichseitigen Dreiecken. Auch diese Form ergibt eine sehr gute Ausnutzung des Elektrolyten. Die äußere Ausbildung der Festelektrolyt-Batterie

•6 09840/0614

in Form eines Sechseckes ergibt ebenso wie die Ausbildung in Form eines Quadrates die sehr gute Möglichkeit die Batterien ^: ohne Raumverlust aneinander zu stellen. S

1 '

Figur 7 zeigt eine bevorzugte Ausfuhrungsvariante der Natrium-Schwefel-Batterie. Im Prinzip entspricht ihr Aufbaut dem in Figur 3 und 4 gezeigten. Abweichend hiervon sind die Ausgleichsräume 11 im Elektrolyten 7 ausgespart. Diese Aussparung hat die Form eines kurzen Kanales, der mit seiner einen Deckseite 28 jeweils sämtliche Mündungen der Elektrodenräume überdeckt und dessen andere offene Seite mit Verschlußdeckel 19, der hier die Form einer Platte mit Zentrierrand aufweist, verschlossen ist. Diese Platte 1st vorzugsweise aus Aluminium hergestellt und trägt an den Stellen, die von dem Reaktanden angegriffen werden könnten, also z.B. auf der Schwefelseite eine Schicht 18 aus Graphit. Diese Schicht ist gegenüber den Reaktanden widerstandsfähig und sie weist zudem eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Das ist hierbei besonders wichtig, da die Platte hier gleichzeitig als elektrischer Anschluß 8 benutzt wird. Hierzu ist sie auf der Kathodenseite mit der eingebrachten Matrix 22 in Verbindung. Um auf der Anodenseite die Verbindung von Natrium zur Aluminiumplatte herzustellen, ist im Ausgleichsraum 11 ebenfalls eine Matrix 32, z.B. aus Metallwolle, vorgesehen. Dehnt man diese Matrix gleichzeitig noch bis in die Anodenräume 3 aus, so wird gleichzeitig ein lagenunabhängiger Betrieb der Batterie ermöglicht, denn durch die Kapillarwirkung der Matrix ist der Natriumnachschub gesichert. Da. das im zugehörigen Ausgleichsraum 11 sich befindende Natrium mit dem Aluminium nicht reagiert, ist eine Schutzbchicht nicht erforderlich. ;

- 15 -

η α ß /. η /nßi L

545/15

Da die aus Graphit-Filz bestehende Matrix 22 auf der Kathodenseitofelektrisch nicht besonders gut leitend ist, sind in der Matrix elektrische leiter 14,vorzugsweise in Form von Graphitstäben, eingebettet, die vom Bereich des entsprechenden Anschlusses 8 bis au den Enden 15 der Kathodenräume geführt sind. Auf diese Weise wird der Innenwiderstand der Batterie wesentlich verringert.

Um die Batterie leicht mit den Reaktanden füllen zu können, ist in den Verschlußdeckeln 19 jeweils ein Kanalsystem 17 eingearbeitet, das die Ausgleichsräume 11 jeweils mit dem Außenraum 10 verbindet und nach dem Einfüllen der Reaktanden verschlossen wird, z.B. mittels eines Stopfens.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 8 sind die Ausgleichsräume 11 ebenfalls im Festelektrolyten ausgespart. Der zu den Kathodenräumen 5 gehörende Ausgleichsraum 11 ist im Volumen größer als der entsprechende Ausgleichsraum auf der Anodenseite. Denn der Schwefel bzw. das bei der Entladung der Batterieentstehende Natrium-Polysulfid hat gegenüber dem Natrium ein größeres Volumen. Die Verschlußdeckel 19 sind hier als einfache Deckel ausgebildet und sie sind, wie bereits■ in Figur 3 dargestellt und beschrieben, mit Zuführungsrohren 21 versehen, die gleichzeitig die elektrischen Anschlüsse bilden. Diese Zuführungsrohre bestehen ebenso wie die Deckel aus Aluminium und sie sind auf der Kathodenseite mit ihren vom Schwefel bzw. Natrium-Polysulfid berührten Stellen mit einer Schicht aus Graphit versehen, Der elektrische Leiter 14» der hier in der * Matrix 22 auf der Kathodenseite 5 der Batterie eingebettet ist, hat die Form von Aluminiumdrähten, die am Zuführungsrohr 21 angeschlossen sind und die Kathodenräume 5 durchdringen. Diese Drähte sind ebenfalls mit einer Schicht

- 16 - -

"609840/0614

545/25.

aus Graphit überzogen. Gegenüber der Ausführungsform gemäß der Figur 7 ist hier eine noch bessere Abfuhr bzw. Zufuhr des Stromes zu den Reaktionsflächen 26 gegeben.

In den Figuren 9 bis 11 sind Hinweise gegeben, wie die Festelektrolyt-Batterien zusammengeschaltet werden können. Gemäß Figur 9 geschieht dies durch Einanderstoßen der elektrischen Anschlüsse 8 von verschiedener Polarität nach der Art von Batterien in Taschenlampen. Figur 10 zeigt die Verbindung der elektrischen Anschlüsse mittels einer Drahtschleife 29, während in Figur 11 Metallbügel 30 zur elektrischen Verbindung

dienen. j

Figur 12 zeigt eine, besonders vorteilhafte Reihe von Festelektrolyt-Batterien (Natrium-Schwefel-Batterien), die mit plattenförmigen Deckeln verschlossen und zur Hintereinanderschaltung aufeinander gestapelt sind. Der Aufbau der einzelnen Batterien entspricht hier auch bezüglich der Verschlußdeckel 19 ungefähr . dem Aufbau wie ihn die Figur 7 zeigt und wie er dort erläutert wurde. Die Verschlußdeckel der aneinander grenzenden Festelek- ; trolyt-Batterien erfahren hier jedoch eine Abwandlung, indem ; sie gleichzeitig den Abschluß zweier Batterien bilden. Hierzu sind die gemeinsamen Verschlußdeckel 31 auf beiden Seiten \

mit VorSprüngen versehen, welche die Enden der Batterien jeweils zur Zentrierung umfassen. An den Berührungsstellen . j zwischen den Batterien und den Verschlußdeckeln 19, 31 ist jeweils ein Dichtelement 16 in Form eines Aluminiumringes eingelegt. Zum Einfüllen der Reaktanden weisen die gemeinsamen Verschlußdeckel 31 zwei voneinander getrennte Kanalsysteme 17 auf,! die, wie bereits beschrieben, nach dem Einfüllen der Reaktanden verschlossen werden.

- 17 -

6098A0/06U

545/75.

25136A9

Nachdem die Batterien unter Zwischenschaltung der gemeinsamen Verschlußdeckel 31 und Dichtelemente 16 aufeinander gestapelt sind, werden sie an ihren Enden mit Abschlußdeckeln 19 versehen, die nur ein Eanalsystem aufweisen. Um die so zusammengestellte Batterie zusammenzuhalten, wird sie über die Verschlußdeckel 19 mit einer Spannvorrichtung 23, die z.B. aus Spannschrauben und Federn besteht, zusammengehalten. Der wesentliche Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, daß die Batterie nach dem Zusammenbau auf einfache Weise mit den Reaktanden gefüllt werden kann, da das Eanalsystem an den schmalen Seitenwänden der Deckel in den ;

Außenraum mündet. i

Der Figur 12 gegenüber—gestellt ist die Figur 13 mit einem · Querschnitt entsprechend Figur 14· Die in den Figuren 13, H dargestellte Natrium-Schwefel-Batterie hat den Aufbau, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. So ist z.B. der rohrförmige und unten verschlossene Festelektrolyt 7, der den ; Anodenraum begrenzt, vom ebenfalls zylinderförmigen Kathodenraum 5 umgeben. Nach außen wird er von einem Mantel 33 aus Edelstahl begrenzt, der gleichzeitig als elektrischer Anschluß dient. Der Strom wird auch hier kathodenseitig über eine Matrix 22 den Reaktionsflächen 26 des Festelektrolyts 7 zugeführt. Am oberen Ende der Batterie ist der Ausgleichsraum 11 angeordnet, der mit einem Hohlzylinder aus Edelstahl gebildet und nach \ außen hin verschlossen.ist. j

Vergleicht man die Figuren 12 und 13, so erkennt man leicht den. vorteilhaften Aufbau der erfindungsgemäßen Batterie gemäß Figur 12.

- 18 -

609840/0614

545/75 _

Dieser Torteil wird noch augenscheinlicher, wenn man folgendes berücksichtigt. Wie aus den Figuren 12 und 13 leicht zu erkennen ist, hat die erfindungsgemäße Batterie die gleiche Größe und den gleichen Rauminhalt, wie die in Figur 13 dargestellte, herkömmliche Batterie. In der folgenden Tabelle sind die kennzeichnenden Daten dieser beiden Batterien gegenüber-gestellt.

	Batterie a. Fig. 12	200 mA/cm	Batterie n.- Fig. 13	Z	?00 m/yCF/
Gesamtlänge	17 cm	150	17 cm	80 - 90 Wh	19,2
lußendur chine s s er	4 cm	283	4 cm	153 - 172 Wh/kg	37
Je s amtvolumen	213,5 cm³	3,53	213,5 cm³	6,54 - 5,81 kg/kVh	26,8
äffektive Zellen-	12 cm	703	12 cm		90,9
Länge		1,42			11
wirksame Zellenober-	bei 2 mm Kapillar-0		bei 2 cm Zellen-0	25 mA/cm
Cläche	und 1 mm Elektrolyt—	und 2 mm Elektro	2,9
	stärke 438 cm²	lytstärke 57 cm2	5,5
gespeicherte Na-ITenge	Kapillaren 23 cm\|	Zelle 23 ce\|	182
	Reservoir 24 cm	Reservoir 24 cn""	13,4
Je samtgewicht	530 g	520 g	74,7
elektrische Daten:
Leerlaufspannung	3 -U₂ = 3· 2,1 =	2,1 Y
	^Δ 6,3 V
gesamte gespeicher	56 Ah . U	56 Ah . U
te Energie
nutsbare el. Energie	80 - 100 Wh
Energiedichte	150 - 188 Wh/kg
Energi egewicht	6,67 - 5,32 kg/kWh
Leistung:
bei Stromdichte 25 und
200 mil/cm²	25 mA/cm
Leistung der Zelle (W)	22
Leistungsdichte (W/kg)	41,5
Leistungsgewicht (kg/kW)	24
Leistungsvolumen (W/l)	103
(l/kW)	9,7

609840/0614

545/75

Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, sind die beiden Batterien in ihrem Aufbau und ihrem Gewicht sowie in ihren kennzeichnenden Abmessungen weitgehend identisch oder ähnlich, so daß sie ohne weiteres miteinander vergleichbar sind. i

Betrachtet man die letzten Zeilen dieser Tabelle, so stellt man fest, daß die Batterie . gemäß der Erfindung ein . Vielfaches der herkömmlichen Batterie leistet. Entsprechend . ■ günstig liegen daher auch die Werte für die Leistungsdichte, das Ieistungsgewicht sowie das Leistungsvolumen. !

Hierbei hat man den Vorteil, daß man wahlweise die Leistungsdichte erhöhen oder bei gleichbleibender Leistungsdichte die Strombelastung der Reaktionsflächen herabsetzen kann. Dies ■ erhöht die Lebensdauer der Festelektrolyt-Batterie. <

Zudem ist es möglich, die Batterie mit niedrigen Temperaturen zu betreiben, ohne eine Einbuße der Leistungsdichte in Kauf nehmen zu müssen. Die großen Re akt ions flächen gleichen die Leistungseinbuße aus. Niedrige Betriebstemperaturenverlängern die "Lebensdauer der Batterie, verringern die Korrossionsgefahr · und gestatten daher den'Einsatz .von billigem Material, das oft nicht besonders korrosionsfest ist. ■

Ein weiterer Vorteil der niedrigen Betriebstemperaturen ist j darin zu sehen, daß bei Natrium-Schwefel-Batterien anstelle des Schwefels bzw. des Natriumpolysulfids Lösungen dieser Stoffe in organischen Lösungsmitteln eingesetzt v/erden können bei einer Betriebstemperatur,die zwischen der Raumtemperatur und etwa 20O⁰C liegt. Die großen Reaktionsflächen kompensieren auch hier den temperaturbedingten Leistungsabfall der Batterie. ;

Die vorgenannten Vorteile gelten ganz allgemein für Festelektrolyt-Batterien gemäß der Erfindung.

- 20 - !

609840/0614

Claims

, 545 /_7 5.

_ ₂₀ _ 251 36A9

Patentansprüche

1. Festelektrolyt-Batterie, insbesondere für die Speicherung elektrischer Energie, mit mindestens einem Anoden- und einem Kathodenraum (Elektrodenräume), die über den Festelektrolyten ionenleitend miteinander verbunden sind und die Sammel- bzw. Ausgleichsräume für die Reaktanden bzw. Reaktionsprodukte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolyt-Batterie (1) von einer "Vielzahl von parallel geschalteten, kanalförmigen Anoden- (3) und Kathodenräumen (5) gebildet ist, die vom Festelektrolyten (7) begrenzt und abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, so daß jeder der Elektrodenräume (3, 5) gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodenräumen von entgegengesetzter Polarität Reaktionsflächen (26) aufweist.

2. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (7) in Form eines Blockes ausgebildet ist und die Elektrodenräume (3, 5) in ihm ausgespart sind.

3. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenräume (3, 5) als etwa parallellaufende, über den Querschnitt der Festelektrolyt-Batterie (1) etwa gleichmäßig verteilte, gerade Kanäle ausgebildet sind.

4. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle wabenförmig nebeneinander angeordnet sind.

- 21 -

609840/0614

__ 545/75 _

I ₂₁ _' 251 36Λ9

5. Festelektrolyt-Batterie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß -wenigstens ein Teil der Elektrodenräume (3, 5) im Querschnitt etwa die Form eines Kreises oder Sechseckes aufweisen.

6. Festelektrolyt-Batterie nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die meisten der Elektrodenräume (3, 5) im Querschnitt etwa die Form eines Quadrates oder gleichseitigen Dreiecks aufweisen. (Fig. 5 und 6)

7. Festelektrolyt-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolyt-Batterie (1) außen von einer Deck- (2) und einer gleichen Grundfläche (4) sowie mindestens einer Seitenfläche (6) begrenzt ist, wobei Deck- und Grundfläche (2, 4) in zwei parallelen Ebenen liegen und die Seitenfläche (6) senkrecht auf der Grundfläche (4) steht.

8. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Festelektrolyt-Batterie (1) die Form eines Quadrates oder gleichseitigen Dreiecks aufweist. (Fig. 5 und 6)

9. Festelektrolyt-Batterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenräume (3, 5) zur elektrischen Parallelschaltung und zur parallelen Versorgung mit Reaktanden jeweils an mindestens einen gemeinsamen Sammel- (9) bzw. Ausgleichsraum (11) angeschlossen sind, der den elektrischen Anschluß (8) aufweist.

- 22 -

609840/0614

10. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten einen Enden (13) der Anodenräume und die benachbarten einen Enden (15) der Kathodenräume verschlossen sind und mit ihren offenen, anderen Enden in die Sammel- bzw. Ausgleichsräume (11) münden, wobei den verschlossenen Enden (13) der Anodenräume offene Enden der Kathodenräume (5) benachbart sind. (Fig. 3, 7, 8 u. 12)

11. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammel- (9) bzw. Ausgleichsräume (11) hauptsächlich mit Wänden aus Festelektrolyt-Material zum Außenraum (10) begrenzt sind.

12. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammel- bzw. Ausgleichsräume (11) im Festelektrolyten (7) ausgespart und mit einem Yerschlußdecke1 (19) verschlossen sind. (Fig. 3, 7, 8 u. 12)

13. Festelektrolyt-Batterie nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammel- · bzw. Ausgleichsräume (11) untereinander etwa gleich ausgebildet sind.

14. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußdeckel (19') etwa zentrische, verschließbare Zuführungsrohre (21) für die Reaktanden aufweisen, die mit den Reaktanden bzw. Elektroden in Verbindung stehen und die elektrische! Anschlüsse (8) mitbilden.

- 23 -

609840/0614

54-5/15

15. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußdeckel (19) die elektrischen Anschlüsse mitbilden.

16. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 14 oder 15, mit

flüssigen oder festen Reaktanden bzw. Elektroden, da-

durch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse ■

(8) gegebenenfalls über elektrisch leitende Matrizes (32, ;'

22) mit den Reaktanden bzw. Elektroden (27) oder ! Reaktionsflächen (26) verbunden sind.

17· Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 12, dadurch j gekennzeichnet, daß in den Verschlußdeckeln (19) ί Kanalsysteme (17) angeordnet sind, die von den Sammel- bzw. Ausgleichsräumen (11) ausgehen und in den Seitenwänden der Verschlußdeckel (19) in den Außenraum (10) münden. (Fig. 7)

18. Festelektrolyt-Batterie nach einem der Ansprüche 12 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußdeckel (19) sowie die elektrischen Anschlüsse (8) aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl oder Aluminium bestehen.

19. Festelektrolyt-Batterie nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 18 mit einer porösen Matrix als Elektrode, welche die betreffenden Reaktionsflächen mit dem elektrischen Anschluß verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix (22) mindestens ein elektrischer leiter (H) eingebettet ist, der vom Bereich des elektrischen Anschlusses (8) ausgeht und die Elektrodenräume (3, 5) durchdringt. (Fig. 7 und 8)

-ZA-

609840/06U

545/75

20. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 19_f dadurch - gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (14) aus einem Draht aus Edelstahl oder Aluminium besteht und am elektrischen Anschluß (8) befestigt ist.

21. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 18 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl bzw. das Aluminium an den korrosionsgefährdeten Stellen eine Schicht (18) aus Graphit trägt.

22. Elektrisch in Serie geschaltete Festelektrolyt-Batterien nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolyt-Batterien (1) mit ihren gegenpoligen Sammel- bzw. Ausgleichsräumen (11) unter Zwischenschaltung eines gemeinsamen elektrisch leitenden Verschlußdeckels (31) miteinander verbunden sind, wobei zumindest in den gemeinsamen Verschlußdeckeln getrennte, verschließbare Kanalsysteme (17) eingearbeitet sind, welche die betreffenden Sammel- bzw. Aüsgleichsräume (11) mit dem Außenraum (10) verbinden. (Fig. 12)

23. Festelektrolyt-Batterien nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körpern der Festelektrolyt-Batterien (1) und den losen Verschlußdeckeln Dichtelemente (16.) eingefügt und die hintereinander geschalteten Einheiten mittels einer Spannvorrichtung (23) zusammengehalten sind.

609840/0614

Leerseite