DE2610222A1 - Schwefel-natrium-batterie, insbesondere fuer elektrischen fahrzeugantrieb - Google Patents

Schwefel-natrium-batterie, insbesondere fuer elektrischen fahrzeugantrieb

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DE2610222A1 DE19762610222 DE2610222A DE2610222A1 DE 2610222 A1 DE2610222 A1 DE 2610222A1 DE 19762610222 DE19762610222 DE 19762610222 DE 2610222 A DE2610222 A DE 2610222A DE 2610222 A1 DE2610222 A1 DE 2610222A1
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Description

Po 9864 D
DipL-lna. Jürgen WEINMILLER ]\t ^ΓΖ 1976
PATENTASSESSOiJ
SOSP3"GmbH
80CÜ München SO
. Zeppelinstr. 63
COMPAGNIE GENERÄLE D'ELECTRICITE 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Prankreich
SCHWEFEL-NATRIUM-BATTERIE,INSBESONDERE FÜR ELEKTRISCHEN FAHRZEUGANTRIEB
Die Erfindung betrifft eine Batterie, bei der elektrochemische Schwefel-Natrium-Generatoren eingesetzt werden. Eine derartige Batteiie kann insbesondere für elektrische Fahrzeugantriebe verwendet werden.
Derartige Batterien eignen sich als Energiequelle für umweltfreundliche elektrische Fahrzeuge.
Bei elektrochemischen Schwefel-Natrium-Generatoren wird der anodische Reaktionsstoff aus einem Alkalimetall, im allgemeinen Natrium, gebildet, das bei Betriebstemperatur flüssig vorliegen muß. Der kathodische Reaktionsstoff besteht im allgemeinen aus Schwefel oder Schwefel-Natrium-Salzen', kann jedoch auch aus Phosphor, Selen und den Alkalisalzen dieser Elemente bestehen.
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Falls es sich bei den Reaktionsstoffen um Schwefel und Natrium handelt, besteht die elektrochemische Reaktion aus einer reversiblen Bildung von Polyschwefel-Natriumsalzen, deren Natriumgehalt beim Entladen zunimmt. Der Elektrolyt, der die kathodichen und anodischen Reaktionsstoffe trennt, muß bei der Betriebstemperatur fest sein, dabei für die sich im anodischen Abteil bildenden Alkali-Ionen durchlässig, jedoch für die Elektronen undurchlässig sein. Im allgemeinen besteht er aus Natrium-Betaaluminiumoxyd, d.h. einer Verbindung mit etwa fünf bis neun Aluminiumoxydmolekülen pro Natriumoxydmolekül. Häufig weist er die Form eines an seinem unteren Ende geschlossenen Rohres auf, das den anodischen Reaktionsstoff enthält und in den kathodischen Reaktionsstoff eingetaucht ist, der seinerseits in einem kathodischen Metallbehälter untergebracht ist. Das Elektrolytrohr ist am anodischen Behälter angebaut, der seinerseits hermetisch dicht schließend mit einem Behälter für den kathodischen Reaktionsstoff verbunden ist. Bei dieser Verbindung handelt es sich um eine elektrisch isolierende Verbindung.
Zur Herstellung einer in ein elektrisches Fahrzeug zu dessen Antrieb einbaubaren Batterie müssen derartige elektrische Generatoren oder Zellen untereinander gekoppelt werden, um so eine Batterie zu bilden, die eine vorbestimmte elektrische Leistung aufweist.
Die Erfindung zielt auf eine derartige Batterie ab, die einen einfachen Aufbau besitzt und in Hinsicht auf Abmessungen und Gewicht Mindestwerte aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine aus mehreren Schwefel-Natrium-Zellen bestehende Batterie, wobei jede Zelle
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- ein kathodisches Abteil mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen kathodischen ReaTct ions stoff, der aus der Gruppe von Stoffen gewählt wird, die aus Schwefel·* Phosphor, Selen und den alkalischen Salzen dieser Elemente besteht,
- mindestens ein an seinem unteren Ende verschlossenes Feststoffelektrolytrohr, das einen bei der Betriebstemperatur flüssigen anodischen Reaktionsstoff aus einem Alkalimetall, insbesondere Natrium, enthält und im kathodischen Behälter so angeordnet ist, daß es in den kathodischen Reaktionsstoff eingetaucht ist, wobei die Wandung dieses Rohres insbesondere aus Betaaluminiumoxyd besteht,
- einen Halter aus Isolierkeramik zum Befestigen des Elektrolytrohrs im kathodischen Behälter, wobei die Verbindung zwischen diesem Halter und dem Elektrolytrohr mit Hilfe von Glas hergestellt wird,
- sowie einen anodischen Behälter umfaßt, der eine Reserve des anodischen Reaktionsstoffs enthält und über dem kathodischen Behälter angeordnet ist, so daß das Elektrolytrohr sich in seinem oberen Bereich in diesen anodischen Behälter öffnet, wobei der Halter aus Isolierkeramik das offene Ende des anodischen Behälters vom offenen Ende des kathodischen Behälters trennt und die Batterie m Gruppen von η Moduln aus jeweils ρ Zellen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zellen in jedem der Moduln mit Hilfe von mit den Böden der kathodischen bzw. anodischen Behälter verbundenen Platten elektrisch zueinander parallel geschaltet sind, wobei jede dieser Platten mindestens eine praktisch zentrale Bohrung aufweist.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine bei der erfindungsgemäßen Batterie eingesetzte Zelle.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf einen Modul von vier Zellen aus einer erfindungsgemäßen Batterie.
Fig. 3 stellt einen Schnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Modul dar.
Fig. '4 zeigt eine Gruppe von Moduln der erfindungsgemäßen Batterie.
Fig. 5 zeigt die zwischen den Moduln einer Gruppe verlaufenden elektrischen Verbindungen.
Fig. 6 zeigt einen elektrischen Verbinder zwischen Moduln einer Gruppe.
Fig. 7 zeigt den aktiven Teil einer erfindungsgemäßen Batterie.
Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie.
Die elektrochemische Zelle zeigt die Form eines Drehzylinders, wie er in Fig. 1 im axialen Schnitt gezeigt wird.
Die Zelle umfaßt einen zylindrischen kathodischen Behälter 2, der mit einem hier nicht dargestellten, mit Schwefel getränkten Graphitfilz ausgeschlagen ist. Der Behälter bildet mit dem Filz den einen Stromkollektor. Die Wandung des Behälters 2 ist in ihrem oberen Bereich mit der unteren Seite einer horizontal liegenden kreisförmigen Alpha-Aluminiumoxydplatte 6 verschmolzen. Ein zylindrischer anodischer Behälter 8, der praktisch denselben Durchmesser wie der kathodische Behälter 2 aufweist,
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ist mit seinem offenen Rand mit der oberen Seite der Scheibe 6 verbunden.
Er enthält eine Reserve mit anodischem Reaktionsstoff, die aus flüssigem Natrium besteht.
Die Scheibe 6 ist mit einer koaxialen zylindrischen Bohrung 10 versehen. In diese Bohrung 10 ist der Rand der Öffnung eines Elektrolytrohrs 12 eingesetzt, das an seinem unteren ·' Ende geschlossen ist und aus Natriumbetaaluminiumoxyd besteht und den anodischen Reaktionsstoff enthält.
Der obere Rand des Rohrs 12 liegt in derselben Ebene wie die obere Seite der Scheibe 6. Zwischen der Außenwandung des oberen Rands des Rohrs 12 und der Wandung der Bohrung 10 in der Scheibe 6 liegt ein Verbindungsteil aus Glas, so daß die Verbindung an dieser Stelle abgedeckt ist. Der Behälter 8 wird aus Aluminium hergestellt, der Behälter 2 aus auf seiner Innenseite chromiertem Aluminium, damit er vom Schwefel nicht angegriffen und somit funktionsunfähig wird.
Eventuell können beide Behälter 8 und 2 aus rostfreiem Stahl oder Molybdän, Chrom oder einer Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung oder aus einem Verbundmaterial, beispielsweise »it Chrom oder Molybdän beschichtetem rostfreiem Stahl hergestellt werden. Im letzteren Fall würde das Verbundmaterial nach einem Fließformverfahren gefertigt.
In den Figuren 2 und 3 wird unter den Bezugszeichen 15 ein Modul als Gesamtheit dargestellt, so wie er in einer erfindungsgemäßen Batterie zum Einsatz kommt.
Ein derartiger Modul besteht aus vier Zellen ljWie sie in Fig. 1 beschrieben wurden. Diese Zellen sind mit Hilfe von
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Aluminiumplatten 16 und 17 parallel geschaltet, die mit den Böden der Behälter 8 bzw. 2 verlötet oder verschweißt sind. Jede dieser
18,
Platten weist eine zentrale Bohrung(auf, deren Aufgabe weiter
unten erläutert wird.
In Fig. 4 ist eine Gruppe 19 von den soeben beschriebenen Moduln dargestellt. Sie besitzt ein Gehäuse 20, in dem die Moduln 15, , 152,...15g,im vorliegenden Fall acht Moduln, untergebracht sind. Diese Moduln sind miteinander in der Art elektrisch verschaltet, wie es in Fig. 5 gezeigt wird.
Hierzu werden zwei benachbarte Moduln, beispielsweise die Moduln 15, und 15_, untereinander mit Hilfe einer Verbindung 21, mit der die Platte 16χ des Moduls 15, mit der Platte 17 des Moduls 15 verbunden wird, in Reihe geschaltet. Ebenso ist die Platte 16 des Moduls 15? mit der Platte 17_ des benachbarten (hier nicht dargestellten) Moduls verbunden und so fort. Der letzte Modul 15g steht somit über seine Platte 17g mit dem (hier nicht dargestellten) vorhergehenden Modul 157 in Verbindung.
Vorteilhafterweise können die Verbindungen 21 aus einem Stüc# mit den Verbindungsplatten 16, 17 der Zellen hergestellt werden. Ein derartiger Verbinder 21 weist dann die in Fig. 6 dargestellte Form auf.
Fig. 7 stellt den aktiven Teil 25 einer aus Modulgruppen, wie sie zuvor beschrieben wurden, gebildeten Batterie dar.
Er besteht aus sechs untereinander mit Hilfe von Verbindern 21 (Fig. 6) in Reihe geschalteten Gruppen 19, bis 19g.
Die elektromotorische Kraft einer derartigen Batterie wird an den Aueenkleramen 26, 27 abgenommen.
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Fig. 8 zeigt die äußere Foim einer erfindungsgemäßen Batterie. Der aktive Teil 25 ist in einer wärmeisolierenden Hülle 28 angeordnet. Zwischen dem aktiven Teil und dem wärmeisolierenden Stoff sind ein oberer Raum 29 und ein unterer Raum 30 vorgesehen.
Durch den unteren Raum 30 kann frische Luft (Pfeil F,) eingeblasen werden und durch den oberen Raum 29 (Pfeil F~) wieder nach außen gelangen, um so beim Betrieb den aktiven Teil 25 zu kühlen.
Diese Luft kann durch die in den Verbindungsplatten vorgesehenen Bohrungen 18 ungehindert um die Zellen 1 zirkulieren. Die aus dem Raum 29 austretende Warmluft kann im übrigen zur Beheizung des Fahrzeugs benutzt werden.
Außerdem können bei Betriebsb;eginn Widerstände wie beispielsweise 31 evtl. die eintretende Kühlluft aufheizen und so den Schwefel und das Natrium zum Schmelzen bringen, damit die Batterie funktionsfähig wird.
Für die Anschlüsse 21 und die Zellen 1 wird Aluminium und für die Gehäuse 20 der Gruppen 19 Duralttminium verwendet.
Die Hülle 28 wird vorteilhafterweise um den aktiven Teil 25 herum mit Winkelprofilen gehalten.
Jedoch werden die Gehäuse 20 der Gruppen 19 anodisch oxydiert, um eine elektrische Isolierung zu erreichen.
Die Anzahl der Zellen in einem Modul, die Anzahl von Moduln in einer Gruppe sowie die Anzahl von Gruppen in einer Batterie sind im Rahmen der Erfindung in keiner Weise auf die genannten Werte beschränkt, sondern diese Werte können selbstverständlich entsprechend der gewünschten Nominalleistung der Batterie verändert werden.
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Ebenso können die elektrischen Reihenschaltungen durch elektrische Parallelschaltungen ersetzt werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung gesprengt würde.
Die erfindungsgemäß hergestellten Batterien weisen für eine gegebene Leistung und/oder Kapazität hinsichtlich Gewicht und Abmessungen Mindestwerte auf, so daß derartige Batterien für den Einbau in elektrische Fahrzeuge geeeignet sind.
Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel für eine erfindungsgemäße Batterie angegeben.
Jeder Modul enthält vier Zellen.
Die Zellen haben eine Höhe von 380 mm und einen Durchmesser von 27 mm.
Eine Gruppe besteht aus acht in Reihe geschalteten
Moduln und ist in einem Gehäuse mit den Abmessungen 390 χ 56 χ 470mm untergebracht.
Die Batterie umfaßt sechs in Reihe geschaltete Gruppen.
In dieser Ausführung besitzt sie eine Gesamtleistung von 13 kW und eine Kapazität von 16 kW bei einer Spannung von 96 V.
Ihr Gesamtvolumen beläuft sich auf etwa 112 1, ihr
Gewicht auf 70 kg, und sie kann einen Personenkraftwagen mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 90 km/Std. bei einer Autonomie von 200 km antreiben.
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Claims (1)

  1. - 9 PATENTANSPRÜCHE
    1 - Aus mehreren Schwefel-Natrium-Zellen bestehende Batterie, wobei jede Zelle
    - ein kathodisches Abteil mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen kathodischen Reaktionsstoff, der aus der Gruppe von Stoffen gewählt wird, die aus Schwefel, Phosphor, Selen und den alkalischen Salzen dieser Elemente besteht,
    - mindestens ein an seinem unteren Ende verschlossenes Feststoffelektrolytrohr, das einen bei der Betriebstemperatur flüssigen anodischen Reaktionsstoff aus einem Alkalimetall, insbesondere Natrium enthält und im kathodischen Behälter so angeordnet ist, daß es in den kathodischen Reaktionsstoff eingetaucht ist, wobei die Wandung dieses Rohres insbesondere aus Betaaluminiumoxyd besteht,
    - einen Halter aus Isolierkeramik zum Befestigen des Elektrolytrohrs im kathodischen Behälter, wobei die Verbindung zwischen diesem Halter und dem Elektrolytrohr mit Hilfe von Glas hergestellt wird,
    - sowie einen anodischen Behälter umfaßt, der eine Reserve des anodischen Reaktionsstoffs enthält und über dem kathodischen Behälter angeordnet ist, so daß das Elektrolytrohr sich in seinem oberen Bereich in diesen anodischen Behälter öffnet, wobei der Halter aus Isolierkeramik das offene Ende des anodischen Behälters vom offenen Ende des kathodischen Behälters trennt und die Batterie m Gruppen von η Moduln aus jeweils ρ Zellen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zellen (1) in jedem der Moduln mit Hilfe von mit den Böden der kathodischen (2)
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    bzw. anodischen Behälter (8) verbundenen Platten (16, 17) elektrisch zueinander parallel geschaltet sind, wobei jede dieser Platten mindestens eine praktisch zentrale Bohrung (18) aufweist.
    2 - Batterie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Moduln (15) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
    3 - Batterie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Moduln (15) elektrisch parallel geschaltet sind.
    4 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (19) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
    5 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (19) elektrisch parallel geschaltet sind.
    6 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen (21) zwischen Moduln (15) sowie zwischen Gruppen (19) mit Hilfe von mit den Platten (16, 17) fest verbundenen Verbindungsstücken (21) hergestellt werden.
    7 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (19) in elektrisch isolierenden Gehäusen (20) untergebracht sind.
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    8 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit (25) der Zellen (1) in einer wärmeisolierenden Hülle (28) angeordnet ist, wobei zwei Räume, ein oberer (29) und ein unterer Raum (30) zwischen der Gesamtheit der Zellen und der wärmeisolierenden Hülle vorgesehen sind und in den unteren Raum (30) Luft (F1) in die Batterie eingeführt und aus dem oberen Raum (29) die Luft (F„) nach Durchqueren der Batterie nach außen abgeleitet wird.
    9 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Raum (30) Heizwiderstände (31) enthält.
    10 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kathodischen und anodischen Behälter (2 bzw. 8) aus Aluminium bestehen.
    1 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die kathodischen und anodischen Behälter (2 bzw. 8) aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe von Stoffen gewählt wird, die aus rostfreiem Stahl, Molybdän, Chrom oder einer Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung besteht.
    12 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die kathodischen und anodischen Behälter (2 bzw. 8) aus mit Chrom oder Molybdän beschichtetem rostfreiem Stahl bestehen.
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    13 - Batterie gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter durch ein Fließformverfahren hergestellt werden.
    14 - Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (21) vorzugsweise aus Aluminium, die Gehäuse (20) der Gruppen vorzugsweise aus anodisch oxydiertem Duraluminium hergestellt werden.
    15 - Elektrisches Fahrzeug, das mindestens eine Batterie entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 14 enthält.
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