DE2553285C2 - Überwachungsanordnung für die Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen und Verfahren zum Überwachen der Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen - Google Patents

Description

Bei dem in H g. I dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Alkalimetall-Schwefel-Zelle mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung zylindrisch aufgebaut. Die Zelle weist ein äußeres rohrförmiges Gehäuse 1 aus Stahl, beispielsweise rostfreiem Stahl, und ein inneres Rohr 2 aus Beta-Aluminiumoxid, das den festen Elektrolyten der Zelle darstellt, auf. Die offenen Enden des Gehäuses. 1 und des inneren Rohres 2 sind mittels für derartige Zellen als solcher bekannter Verschlußanordnungen 3 abgedichtet, die nicht Gegenstand dieser Erfindung sind und deshalb nachstehend nicht im Detail beschrieben werden.

Das Innere des Rohres 2 stellt den Anodenraum der Zelle dar. Beim Zusammenbau der Zelle wird dieser Anodenraum mit Natrium bis zur Füllhöhe 4 aufgefüllt. Ein Stromsammler (Elektrode) oder Strompol erstreckt sich in Form einer Leiter-Stange 5 in das Rohr 2 hinab. Am unteren Ende weist diese Stange 5 ein stangenförmiees Endstück in Form eine« !soüerstückes 6, das rrsii der Stange 5 verbunden ist, auf. Die äußere Oberfläche des Isolierstückes 6 ist geriffelt. Dicht entlang der inneren Oberfläche des Rohres 2 erstreckt sich eine metallene Platte 7 im definiertem geringem Abstand von dieser inneren Oberfläche des Rohres 2. Vorzugsweise ist die Platte 7 aus Federstahl und beim Zusammenbau der Zelle zusammengerollt, um sie in das Rohr 2 einzuführen, woraufhin sie sich entspannt und gegen das Innere des Rohres 2 anlegt, wobei sie durch kleine Warzen auf dem vorgegebenen geringen Abstand gehalten wird. Der Abstand zwischen dem Rohr 2 und der Platte 7 ist so klein gewählt, daß bei fallendem Füllspiegel des Natrium im Rohr 2 infolge der Kapillarwirkung der Raum zwischen dem Inneren des Rohres 2 und der Platte 7 weiterhin mit Natrium, die gesamte innere Oberfläche des Elektrolyten weiterhin bedeckend, angefüllt bleibt, so daß die Funktion der Zelle während des Entladens erhalten bleibt.

Der kreisringförmige Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem inneren Rohr 2 stellt den Kathodenraum der Zelle dar. Im aufgeladenem Zustand der Zelle enthält er Schwefel. Um in diesem kreisringförmigen Raum eine elektrische Leitfähigkeit zu schaffen, ist er mit Kohlefilz oder dergleichen Material, das vor dem Zusammenbau der Zelle mit Schwefel getränkt ist, angefüllt. Als zweiter elektrischer Anschluß ist ein Pol 8 außen am Gehäuse 1 befestigt.

Ein elektrischer Stab 9 erstreckt sich durch die Verschlußanordnung 3 der Zelle hindurch. Der Stab 9 reicht ein bestimmtes Stück in das innere Rohr 2 hinein und ist gegenüber der Verschlußanordnung 3 mittels einer isolierenden Hülse IO Elektrisch isoliert Das außerhalb der Zelle liegende Ende des Stabes 9 ist über ein a!s elektrischer Widerstand 11 wirkendes Material mit einer Metallhülse 12 verbunden, über die er mit dem Gehäuse 1 und damit mit dem Pol 8 in elektrischer Verbindung steht.

Sofern das Natrium im Anodenraum einen derartigen Füllspiegel einnimmt, daß das Natrium den Stab 9 berührt, ist eine elektrische Verbindung zwischen der Pol-Stange 5 und dem zweiten Pol 8 hergestellt, die einen μ Nebenschluß zum Kathodcnraum der Zelle darstellt. Die Leitfähigkeit des Widerstandes II ist derart gewählt, daß bei Betriebsspannung kein derart hoher Strom über diesen Nebenschluß fließen kann, der die Zelle beschädigen könnte.

Nach erstmaligem Aktivieren der Zelle durch Aufheizen auf ihre Betriebstemperatur erfolgt ein Entladen der Zelle über den Widerstand 11. solange, bis der Natrium-Füllspiegel unter das Ende des Stabes 9 absinkt. Danach erfolgi: das weitere Endladen durch eine außen angeschlossene (in der Zeichnung nicht dargestellte) Last. Bei einem bestimmten Entiadezustand erreicht der Natrium-Fülispiegei die Füllhöhe 13, also die Trennstelle zwischen der leitenden Stange 5 und dem Isolierstück 6. Danach erfolgt die Stromleitung also nur noch über den dünnen Natrium-Film auf dem Äußeren des Isolierstückes 6. Dieser Leitweg weist folglich relativ hohen Widerstand auf, insbesondere dann, wenn das Isolierstück 6 außen geriffelt ist (vergl. die Darstellung in Fig. I), wie es Für die Gestaltung von Hochspannungsisolatoren bekannt ist; die Zellenspannung sinkt nun abrupt ab, und dies wiederum bewirkt einen spürbaren Spannungseinbruch in der abgegebenen Batteriespannung, wenn mehrere der dargestellten Zellen z. B. als Batterien zusammengeschaltet sind. Dieses Absinken der Batteriespannung kann meßtechnisch ausgewertet "■erden, um die Sclssiung der Saueric äbzüscimiicri.

Während des nachfolgenden Aufladens der Batterie sinkt andererseits der wirksame Widerstand abrupt ab, sobald der Natrium-Füllspiegel die genannte Füllhöhe 13 übersteigt und folglich danach mit der leitenden Stange 5 unmittelbar in Berührung steht. Der wirksame Widerstand bleibt danach im wesentlichen konstant, bis der Natrium-Füllspiegel die Füllhöhe 14 erreicht, in der das Natrium also den Stab 9 berührt Der Ladestrom wird nu; über den Widerstand 11 abgeleitet, der Natrium-Füllspiegel bleibt also im wesentlichen konstant, d. h., die Zelle behält fortan diesen Ladezustand bei. Die weitere Einspeisung von Ladestrom kann beliebig fortgesetzt werden, da dieser Ladestrom über den Widerstand 11 abgeleitet wird, ohne die Zelle zu gefährden.

Beim in Fig.2 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel für eine mit der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung ausgerüstete Zelle, weist diese wiederum zylindrische Form auf. Sie enthält ein äußeres Stahlrohr als Gehäuse 21 und ein inneres elektrolytisches Rohr 22 aus (Beta-Aluminiumoxid). Bei dem Zellenaufbau gemäß F i g. 2 stellt das Innere des Rohres 22 den Kathodenranim dar, der also im geladenen Zustand der Zelle Schwefel enthält Der kreisringförmige Raum zwischen dem Gehäuse 21 und dem Rohr 22 bildet den Anodenraum, ist also im geladenen Zustand der Zelle mit Natrium gefüllt Eine Verschlußanordnung 23 verschließt die nun unten liegenden offenen Enden des Gehäuses 21 und des Rohres 2Z Der eine Stromsammel-PoI ist wieder als Stange 24 aus elektrisch leitendem Material erstellt, die sich in das Innere des Rohres 22 hinein erstreckt Der andere Pol 25 ist an das äuRere Gehäuse 21 angeschlossen.

Das äußere Gehäuse 21 ist länger als das darinnen liegende Rohr 22, so daß ein Natrium-Vorratsraum 26 gebildet wird, aus dem Natrium infolge der Schwerkraftwirkung durch eine Drosseleinrichtung 27 dosiert abgegeben wird, um den kreisringförmigen Raum zwischen dem rohrförmigen Gehäuse 21 und dem inneren Rohr 22 auch während des Entladens der Zelle stets mit Natrium gefüllt zu halten.

Als Füllstandsfühler zum Ermitteln der für den Lade-Entladc-Zyklus der Zelle maßgeblichen Füllhöhen der Natriumfüllung, entsprechend der im Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Anordnung, ist einerseits eine Stange 28 aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, die in den Vorratsraum 26 hinabreicht An ihrem unteren Ende weist diese nun ein kurzes Isolierstück 29 aus isolierendem Material auf, das vorzugsweise wieder, wie das Isolierstück 6 in Fig. I, an seiner Oberfläche gerif-

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felt ausgestaltet ist. Wenn diese Stange 28 an eine Detektorschaltung angeschlossen wird, dann kann die Widerstandsänderung bei Absinken der Natriumfüllung unter die Füllhöhe 30 ausgenutzt werden, um das Entladen der Zelle zu brenden, indem die Last von der Batterie, die aus solchen Zellen erstellt ist, abgeschaltet wird. Des weiteren erstreckt sich ein Stab 32 in den Vorratsraum 26, wie die vorgenannte Stange 28 von oben her, hinein -isr die Funktion des Stabes 9 bei der Ausführung nach Fit,. 1 erfüllt, also über ein einen elektrischen Widerstand 33 darstellendes Material an die Pol-Stange 24 angeschlossen ist. Wie bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform für die erfindungsgemäße Überwachungsanordnung wird nun wiederum ein elektrischer Nebenschluß für den Ladestrom gebildet, sobald der Natrium-Füllspiegel im Zuge des Aufladens der Batterie die Füllhöhe 34 erreicht, also das untere Ende des weniger weit, als die Stange 28, in den Vorratsraum 26 hineinragenden Stabes 32.

Die Isolierstiickc 6 bzw. 29, auf denen sich bsi Absin ken des Natrium unter den unteren Füllspiegel ein dünner Natrium-Film bildet, der als schlechter Leiter im Stromkreis wirksam ist, können, nach einer zweckmäßigen Abwandlung, auch dadurch gebildet sein, daß

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a) Widerstandsdraht am unteren Ende der Stange 5 bzw. 28 befestigt ist, der sich nach unten hin erstreckt; geeignete Materialen für derart das untere Ende der Stange 5 bzw. 28 bildenden Widerstandsdraht sind Konstanten, Chromnickel, Manganin oder Wolfram;

b) dp; untere Ende der Stange 5 bzw. 28 mit einem Schraubgewinde versehen ist, auf das ein Block aus Widerstandsmaterial aufgeschraubt ist; geeignete Materialien für einen solchen Block sind Kohlenstoff oder elektrisch leitende Keramiken wie Siliziumkarbid (Karborund) oder Borkarbid;

c) oder die Stange 5 bzw. 28 selbst erstreckt sich bis unterhalb der für das Umschalten maßgeblichen unteren Füllhöhe 13 bzw. 30 und ist dort mit einem Isoliermaterial überzogen, beispielsweise mit einer Glasur, auf die eine dünne Schicht Widerstandsmaterial geringen elektrischen Leitwertes aufgebracht wird, die in der Gegend der Füllhöhe 13 bzw. 30 mit der Stange 5 bzw. 28 in elektrisch leitender Verbindung steht, um elektrische Leitfähigkeit über die gesamte Länge der Stange 5 bzw. 28 zu gewährleisten; geeignete Materialien hierfür sind Chrom, Mangan, Konstantan oder Wolfram.

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In F i g. 3 ist schematisch eine Natrium-Schwefel-Batterie aus einer Gruppe von Natrium-Schwefel-Zellen 41 dargestellt, die mit einer Natrium-Natrium-Umsteuerzelle 42 elektrisch in Serie geschaltet sind.

Die Umsteuerzelle 42 weist im wesentlichen den gleichen Aufbau auf, wie die in F i g. 1 dargestellte Natrium-Schwefel-Zelle. Sie enthält also Räume 43 und 44 entsprechend den Anoden- und Kathoden-Räumen der Natrium-Schwefel-Zellen 41, wobei der Raum 43 wieder durch einen Behälter 45 aus Beta-Aluminiumoxid und der Raum 44 durch den Abstand zwischen dem Behälter 45 und dem äußeren metallischen Gehäuse 46 begrenzt sind. Als Stromsammler sind wieder zwei Pole herausgeführt, von denen der eine wieder die Form einer Stange 47 aufweist, die sich in den Raum 43 hinab erstreckt, und zwar bis zu einer bestimmten Füllhöhe 48; ein entsprechender Stab 49 erstreckt sich im Raum 44 bis auf eine Füllhöhe 50 hinab und dient als der diesem Raum 44 zugeordnete Strom-Pol. Die Stange 47 und der Stab 49 ragen durch isolierende Durchführungen 51 und 52 in einem Deckel 53 der Umsteuerzelle 52 hindurch aus dieser heraus.

An den unteren Enden der Stange 47 und des Stabes 49 befinden sich unterhalb der Füilhöhen 48 b/w. 50 als Isolierstücke Verlängerungen 57 aus einem Material mit einem gegenüber demjenigen der Stange 47 und des Stabes 49 höherem elektrischem Widerstand. Diese Verlängerungen 57 bestehen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wiederum aus Kohlenstoff oder elektrisch leitender Keramik wie Siliziumkarbid (Karborund) oder Borkarbid, so daß wie im Falle der Natrium-Schwefel-Zellen gemäß Fig. 1 oder 2 dann, wenn das Natrium in dem Raum 43 und im Raum 44 unter die Füllhöhe 48 bzw. 52 absinkt, ein abrupter Abfall der elektrischen Leitfähigkeit durch die Umsteuerzelle 42 hindurch auftritt.

Wenn die aus den Zellen 41 aufgebaute Batterie durch Anschluß an eine Gleii.nsiiuniqueiie 54 voii aufgeladen worden ist, dann befindet sich der größte Teil des geschmolzenen Natrium der Umsteuerzelle 42 innerhalb des Raumes 43, wie in F i g. 3 dargestellt. Wenn die Batterie nun an eine Last 56 angeschaltet wird, dann entlädt sich die Batterie abhängig vom Lastzustand. Gleichzeitig wird aufgrund der Polarität der auf die Umsteuerzelle 42 einwirkenden, von den Zellen 41 vorgegebenen Spannung infolge Natrium-Ionenwanderung durch den Behälter 45 aus Beta-Aluminiumoxid Natrium vom Raum 43 in den Raum 44 überführt. Der Endzustand der normalen (zulässigen) Entladeperiode ist dadurch definiert, daß der größte Teil des Natriummetalles aus dem Räume 43 in den Raum 44 übergegangen ist, so daß der Füllspiegel des Natrium im Räume 43 gerade unter die Füllhöhe 48 absinkt. Dieses bewirkt den Übergang auf höheren Durchgangswiderstand in der Umsteuerzelle 42, da der Strom nun über das Isolierstück, d. h. die Verlängerung 57, geleitet wird, mit daraus resultierendem abrupten Abfall des Stromes in der Serienschaltung; mittels einer üblichen, nicht zum Gegenstand der Erfindung gehörenden elektrischen Meßanordnung kann das leicht überwacht und festgestellt werden, um aufgrund eines daraus abgeleiteten Signales nunmehr die Last 56 von der Batterie abzuschalten.

Beim Aufladen durch Anschließen der Batterie an die Gleichstromquelle 54 wird die Polarität der Anschlüsse an die Umsteuerzelle 42 umgekehrt und folglich das Natrium aus dem Raum 44 infolge Natrium-Ionenwanderung in den Raum 43 rückübertragen. Als Ende der Ladeperiode ist der Zeitpunkt definiert, in dem der größte Teil des flüssigen Natrium-Metalles aus dem Raum 44 wieder in den Raum 43 zurückgelangt ist, so daß der Füllspiegel des Natrium im Räume 44 gerade unter die in Fig.3 eingetragene Füllhöhe 50 absinkt; nun wird der höhere Übergangswiderstand über das Isolierstück bzw. die Verlängerung 57 des Stabes 49 im Stromkreis wirksam, mit der Folge eines entsprechenden Abfalles des Ladestromes, der ebenso wie zuvor der Entladestrom überwacht und das entsprechende Signal zum Abschalten der Ladestromquelle 54 von der Batterie (Serienschaltung der Zellen 41) ausgenutzt werden kann.

Der »Lade- und Entladezykius« der Umsteuerzelle 42 in bezug auf die Zeitdauer des Lade- und Entiadezyklus der Natrium-Schwefel-Zellen kann einfach und sicher reproduzierbar dadurch beeinflußt werden, daß die Menge des im Ausgangszustand in der Umsteuerzelle 42 enthaltenen Natrium geändert wird. Die von der Um-

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Steuerzelle 42 begrenzten Teilzeiten des Lade- und Entladezyklus der Natrium-Schwefel-Zellen 41 sollte
zweckmäßigerweise kürzer als die kürzeste zulässige
Lade- bzw. Entladezeit gewählt werden, die bei irgendeiner der in Serie geschalteten Zellen 41 vorkommt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Auiführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie
Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/
oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (15)

Patentansprüche:

1. Überwachungsanordnung für die Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen, dadurch gekennzeichnet, daB Füllstandsfühler (Stange 5, 2S, 47: Stab 9, 32, 49) für vorgegebenen unteren und oberen Füllspiegel (13,30,48; 14, 34, 50) des Alkalimetals im Anodenraum oder in einem Vorratsraum (26) für das Alkalimetall, der mit dem Anodenraum in Verbindung steht, vorgesehen sind.

2. Überwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsfühler (Stab 9,32,49) für oberen Füllspiegel (14,34,50) im Anodenraum oder im Vorratsraum (26) elektrisch leitend mit dem Pol (8,25) des Kathodenraumes verbunden ist

3. Überwachungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsfühler für den oberen Füllspiegel (14,34,50) ein Stab (9,32) ist, der sich bis zu einem vorgegebenen Füllstand in den Anodenraum oder Vorratsraum erstreckt und mit dem Pol des Kathodenraumes elektrisch verbunden ist

4. Überwachungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsfühler (Stange 5, 28, 47) für den unteren Füllspiegel (13,30,48) des Alkalimetals im Anodenraum oder im Vorratsraum (26) als Endstück (Isolierstück 6,29,57) einen hohen elektrischen Widerstand unternalb des unteren Füllspiegels (13,30, 48) aufweist.

5. Überwachungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der F illstandsfühler für den unteren Füllspiegel (13, 30, 48) eine Stange (5, 28) aus elektrisch gut leitendem Material ist, die in den Anodenraum oder in dessen Vorratsraum (26) hineinragt und die in einem Isolierteil (6,29,57) endet, dessen Oberfläche derart geformt ist, daß sich nach Absinken des Alkalimetals ein Film aus flüssigem Metall auf ihr hält.

6. Überwachungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsfühler für den unteren Füllspiegel eine Stange (5, 28, 47) aus elektrisch gut leitendem Material ist, die in den Anodenraum oder deren Vorratsraum (26) hineinragt und die mit einem Endteil (6, 29, 57) von hohem elektrischem Widerstand versehen bzw. verbunden ist.

7. Überwachungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Endteil (5,28,47) mit einer Spule aus Widerstandsdraht um das untere Ende des Stabes versehen ist.

8. Überwachungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (5,28,47) mit einem Endteil (6, 29, 57) in Form eines Blockes aus Material hohen elektrischen Widerstandes endet, der auf das untere Ende der Stange (5,29,47) aufgeschraubt ist.

9. Überwachungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (5, 28, 47) in einem Endteil (6,29,57) endet, das als unterstes Ende Teil der Stange (5,28,47) selbst ist, die unterhalb des unteren Füllspiegcls (13, 30, 48) von einer Isolierschicht umgeben ist, auf die eine Schicht eines Materials hohen elektrischen Widerstandes aufgebracht ist. das oberhalb des vorgegebenen unteren Füllspiegeis (13,30,48) mit der Stange (5,28,47) in elektrisch leitender Verbindung steht

10. Überwachungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche für die Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen, dadurch gekennzeichnet daß mehrere Zellen (41) in Serie zu einer Batterie zusammengeschaltet sind, von denen jede Zelle (41) mit Füllstandsfühlern (Stange 5, 28, 47; Stab 9, 32, 49) für deren unteren und vberen Füllspjegel (13,30,48; 14,34,50) ausgestattet ist

11. Überwachungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, für die Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen, dadurch gekennzeichnet daß mehrere Zellen in Serie zu einer Batterie zusammengeschaltet sind, und daß wenigstens eine Zelle (41) jeder derartigen Serienschaltung mit Füllstandsfühlern (Stange 5,28,47; Stab 9,32,49) für den unteren und den oberen FüIIspäegel (13, 30, 48; 14, 34,50) ausgestattet ist.

12. Überwachungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9. für die Lade- und Entladezyklen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gruppe von Alkalimetall-Schwefel-Zellen zu einer Batterie in Reihe geschaltet ist daß eine gesonderte Alkalimetall-Alkalimetall-Umsteuerzelle (42) vorgesehen ist, die mit der Batterie in Serie geschaltet ist und als ÜberwachungszeL'-i dient und daß die Alkalimetall-Alkalimetall-Umsteuerzelle mit Füllstandsfühlern (47, 49) zur Feststellung des oberen und/oder unteren Füllstandspiegels für das Alkalimetall in einem oder beiden Abteilen der Zelle versehen ist

13. Überwachungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umsteuerzelle

(42) ein Füllstandsfühler (Stange 47) für einen unteren Füllspiegel (48) des Alkalimetals in einem dem Anodenraum entsprechenden abgegrenzten Raum

(43) dieser Umsteuerzelle (42) und weiterer Füllstandsfühler (Stab 49) für einen oberen Füllspiegel (50) des Alkalimetalles in dem ij^um (43) in dem anderen vom erstgenannten Raum (43) durch einen Festelektrolyten (Behälter 45) abgegrenzten Raum

(44) der Umsteuerzelle (42) angeordnet ist, und daß beide Füllstandsfühler (Stange 47, Stab 49) aus elektrisch gut leitendem Material mit elektrisch schlecht leitendem Isolierstück (57) am jenseits des jeweiligen Füllspiegels (48,50) liegenden Ende bestehen.

14. Verfahren zum Überwachen der Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen, dadurch gekennzeiclmet, daß während des Entladebetriebes eine vorgegebene untere Füllhöhe des Alkalimetalles im Anodenraum oder einem damit verbundenen Vorratsraum der Zelle über den momentanen Durchgangswiderstand durch die Zelle abgefragt und bei abrupter Widerstandserhöhung die Last abgeschaltet, während des Ladebetriebes eine obere Füllhöhe des Alkalimetalles abgefragt und bei deren Erreichen ein Nebenschluß für den Ladestrom unmittelbar zwischen den beiden Polen der Zelle hergestellt wird.

15. Verfahren zum Überwachen der Lade- und Entladezyklen von aus Reihenschaltungen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen erstellten Batterien, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und eine untere Füllhöhe in einer Alkalimetall-Alkalimetali-Umsteuerzelle, die mit der Batterie in Serie geschaltet ist, abgefragt werden und bei Überschreiten der oberen bzw. bei Unterschreiten der unteren Füllhöhe jeweils eine abrupte Erhöhung des Durchgangs-

Widerstandes durch die Umsteuerzelle bewirkt wird.

Die Erfindung betrifft eine Oberwachungs- bzw. Steuer-Anordnung für die Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen, einschließlieh Alkalimetall-Schwefel-Batterien, die aus einer Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Zellen dieser Art bestehen, sowie allgemein ein Verfahren zum Überwachen des Betriebes derartiger Zellen. Eine Alkalimetall-Schwefel-Batterie kann eine einzige Gruppe von Alkalimetall-Schwefel-Zellen aufweisen, die elektrisch in Serie geschaltet sind, oder aus einer Mehrzahl solcher Gruppen, wobei diese Gruppen untereinander parallel geschaltet sind.

Derartige Alkaiimetall-Schwefel-Zellen, auf die die Erfindung sich bezieht, sind als solche bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Anodenraum (d. h. einem Alkalimetall-Abteil) und einem Kathodenraum (d. h. einem Schwefei-Abteü), die voneinander durch einen festen Elektrolyten getrennt sind, bei df;n es sich um einen Alkalimetall-Ionenleiter handelt. Derartige Zellen werden bei solcher Temperatur betrieben, daß die elektrochemischen Reaktionspartner in geschmolzenem Zustand vorliegen. Während der Entladung der Zelle werden Polysulfide des Alkalimetalles im Kathodenraum gebildet, woraus folgt, daß das Alkalimetall aus dem Anodenraum auswandert

Es hat sich gezeigt, daß sowohl eine Überladung als auch eine übermäßige Entladung der Alkalimetall-Schwefel-Zellen schädlichen Einfluß auf deren Leistungsfähigkeit ausüben. Bei einer einzelnen Zelle kann derartiges Überladen bzw. übermäßiges Entladen dadurch verhindert werden, daß die Zellenspannung genau gemessen wird und das Aufladen bzw. das Entladen beendet wird, wenn eine bestimmte obere bzw. untere Spannung auftritt. Bei einer Batterie, die aus Serien- und gegebenenfalls auch aus Parallelanordnungen solcher Zellen besteht, ist die genaue Beobachtung der Spannungen der einzelnen Zellen aber schwierig und kostspielig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Überwachen bzw. Steuern der Lade- und Entladezyklen von Alkalimetall-Schwefel-Zellen oder -Batterien zu schaffen, bei der cz nicht notwendig ist, die einzelnen Zellenspannungen zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Füllstandfühler für vorgegebenen oberen und unteren Füllspiegel des Alkalimetalles im Anodenraum oder in einem Vorratsraum für das Alkalimetall, der mit dem Anodciraum in Verbindung steht, vorgesehen sind.

Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, daß das Messen der einzelnen Zellenspannungen sich erübrigt, wenn die Tatsache der Veränderung des Füllspiegels des Alkalimetalles während der Lade- und Entladezyklen beobachtet und hieraus z. B. das Ende eines Ladevorganges bzw. eines Entladevorganges abgeleitet wird.

Wenn die Zelle auf ihren Sollwert aufgeladen ist, wird nach der Erfindung zweckmäßigerweise für den Ladestrom ein Nebenschluß zum Kathodenraum der Zelle über das Alkalimetall geschlossen, also wenn der vorgegebene obere Füllspiegel erreicht ist. Mittels des Füllstandsfühlers wird die Tatsache, daß der obere Füllspiegel des Alkalimetals im Anodenraum der Zelle oder in einem Vorratsraum, der mit dem Anodenraum in Verbindung steht, erreicht isi ermittelt. Zum Ermitteln des Erreichens des vorgegebenen unteren Füllspiegels des Alkalimetalles im Anodenraum ist der Füllstandsfühler nach der Erfindung vorzugsweise derar! gestaltet, daß

er in dem tntladekreis der Zelle oder in einem Überwachungskreis einen hohen Widerstand wirksam werden läßt, wenn die Alkalimetall-Füllung auf den unteren Füllspiegel abgesunken ist, um damit das Beenden des Entladens zu bewirken.

Wenn aus derartigen Zellen eine Batterie zusammengesetzt ist, dann kann jede Zelle mit einer Anordnung nach der Erfindung ausgestattet sein: vorteilhafter ist jedoch, eine oder mehrere derartige Zellen vorzusehen, die als Steuerzellen für eine Mehrzahl weiterer Zellen der Batterie wirken und die allein mit der Anordnung nach der Erfindung ausgestattet sind. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann es nach einer Weiterbildung der Erfindung auch zweckmäßig sein, eine gesonderte Alkalimetall-Alkalimetall-Umsteuerzelle vorzusehen, die elektrisch mit der Batterie verschaltet ist und als Überwachungsanordnung nach der Erfindung für die Batterie wirkt.

Unter einer Alkaürr.etaü-Aikaümeiaü-Urr.steuerzeüe ist eine Anordnung zu verstehen, die den gleichen Grundaufbau wie eine Alkali-Schwefel-Zelle aufweist, aber kein Schwefelmaterial enthält. Wenn eine solche Anordnung an eine Gleichstromquelle derart angeschaltet wird, daß der Natrium enthaltende Raum am positiven Pol der Gleichstromquelle liegt, dann wird das Natrium infolge Natrium-Ionenwanderung durch den

jo Elektrolyten hindurch in den anderen Raum überführt. Wenn nach Hinüberwandern das Natrium die Polarität des Anschlusses an die Gleichstromquelle umgekehrt wird, dann wird das Natrium in seinen Ausgangs-Raum zurücktransportiert. Auf diese Weise kann ein zyklischer Betrieb einer solchen Umsteuerzelle durch periodisches Umpolen der Anschlüsse an die Gleichstromquelle erzielt werden. Wenn eine solche Umsteuerzelle mit einer oder mehreren Alkalimetall-Schwefel-Zellen elektrisch in Serie geschaltet ist, dann entspricht der Funktionszyklus der Umsteuerzelle dem Auflade-Entlade-Verlauf der Alkalimetail-Schwefei-Zellen, die für die Um ,ieuerzelle während ihres Entladens als die Gleichstromquelle wirken.

Eine derartige Alkalimetall-Alkalimetall Umsteuerzelle gemäß der vorstehend beschriebenen Weiterbildung der Erfindung weist ebenfalls I-üllstandsfühler zum Ansprechen auf vorgegebene obere und untere Füllspiegel des Alkalimetalles in wenigstens einem der Zellenräume dieser Anordnung auf, so daß der Wechsel zwischen Lade- und Entladezykien der mit der Umsteuerzelle in Serie geschalteten Batterie v/iederum durch Ansprechen der Füllstandsfühler steuerbar ist. Die Füllstandsfühler der Umsteuerzelle können ebenso gestaltet se'i, wie diejenigen für die Alkalimetall-Schwefel-Zellen, wenn diese unmitielbar mit der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ausgestattet sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung dreier in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele zur Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerungsanordriung. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Alkalitietall-Schwefel-Zelle in einem ersten Ausführungjbeispiel,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Alkalimetall-Schwefel-Zelle in einem gegenüber F i g. 1 abgewandelten Ausführungsbeispid, und

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer Batterie, die mit einer Umsteuerzclle zusammengeschaltet ist.