DE2610222C2 - Schwefel-Natrium-Batterie, insbesondere für elektrischen Fahrzeugantrieb - Google Patents
Schwefel-Natrium-Batterie, insbesondere für elektrischen FahrzeugantriebInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß diese Zellen (1) in jedem der Moduln mit Hilfe von mit den Böden
der kathodischen (2) 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß die Moduln (15) elektrisch parallel geschaltet
sind.
4. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, so 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. i)5
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 CFi) in
die Batterie eingeführt und aus dem oberen Raues (29) die Luft (F2) 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.
11. 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 t bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kathodischen und
anodischen Behälter (2 bzw. 8) aus mit Chrom oder Molybdän beschichtetem rostfreiem Stahl bestehen.
13. Batterie gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Behälter durch ein Fließformverfahren hergestellt sind.
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 sind.
Die Erfindung betrifft eine Batterie, bei der elektrochemische Schwefel-Natrium-Generatoren eingesetzt
werden. Eine derartige Batterie 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.
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 kathodischen 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 aus Natrium-Betaaluminiumoxyd, d. h. einer Verbindung
mit etwa fünf bis neun Aluminiumoxydmolekülen pro Natriumoxydmolekül. Häufig weist er die Form eines an
seinem ersten 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 Eicktrolytrohr ist am anodischen Behälter angetaut,
der seinerseits hermetisch dicht schließend mit einem Behalter 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 vorbestimmtfc elektrische Leistung aufweist.
Die Erfindung zielt auf eine derartige Batterie ab, die einen einfachen Aufbau besitzt und ir. Hinsicht auf Abmessungen
und Gewicht Mindestwerte aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine 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 Reaktionsstoffes 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 Boden 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 Zeichnungen
näher erläutert
F i g. 1 zeigt eine bei der erfindungsgemäßen Batterie eingesetzte Zelle.
F i g. 2 zeigt eine Aufsicht auf einen Modul von vier Zellen aus einer erfindungsgemäßen Batterie.
F i g. 3 stellt einen Schnitt durch den in F i g. 2 gezeigten Modul dar.
F i g. 4 zeigt eine Oruppe von Moduln der erfindungsgemäßen
Batterie.
Fig.5 zeigt die zwischen den Moduln einer Gruppe
verlaufenden elektrischen Verbindungen.
F i g. 6 zeigt einen elektrischen Verbinder zwischen Moduln einer Gruppe.
F i g. 7 zeigt den Aktiven Te>! einer erfindungsgemäßen
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
ίο kreisförmigen Alpha-Aluminiumoxydplatte 6 verschmolzen.
Ein zylindrischer anodischer Behälter 8, der praktisch denselben Durchmesser wie der kathodische
Behälter 2 aufweist, ist mit seinem offenen Rand mit der oberen Seite der Scheibe 6 verbunden.
is Er eathält 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 14 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 mit Chrom oder Molybdän beschichtetem
rostfreiem Stahl hergestellt werden. Im letzteren Fall würde das Verbundmaterial nach einem
Fließformverfahren gefertigt.
In den F i g. 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 1, wie sie in F i g. 1 beschrieben wurden. Diese Zellen sind mit
Hilfe von Aluminiumplatten 16 und 17 parallel geschaltet die mit den Böden der Behälter 8 bzw. 2 verlötet
oder verschweißt sind. Jede dieser Platten weist eine zentrale Bohrung 18 auf, deren Aufgabe weiter unten
erläutert wird.
so In F i g. 4 ist eine Gruppe 19 von den soeben beschriebenen Moduln dargestellt. Sie besitzt ein Gehäuse 20, in
dem die Moduln 15i, 15j... 15g, im vorliegenden Fall
acht Moduln, untergebracht sind. Diese Moduln sind miteinander in der Art elektrisch verschaltet wie es in
Hierzu werden zwei benachbarte Moduln, beispielsweise die Moduln IfS1 und 11S2, untereinander mit Hilfe
einer Verbindung 21, mit der die Platte 16, des Moduls ISi mit der Platte 17;. des Moduls 152 verbunden wird, in
Reihe geschaltet Ebenso ist die Platte I62 des Moduls
IiJ2 mit der Platte 17j des benachbarten (hier nicht dargestell'en)
Moduls verbunden und so fort. Der letzte Modul 15B steht somit über üeine Platte 178 mit dem (hier
nicht dargestellten) vorhergehenden Modul 15? in Verbindung.
Vorteilhafterweise können die Verbindungen 21 aus einem Stück mit den Verbimdungsplatten 16,17 der Zellen
hergestellt werden. Ein derartiger Verbinder 21
weist dann die in F i g. 6 dargestellte Form auf.
F i g. 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 Ver- ■>
bindern 21 (Fig.6) in Reihe geschalteten Gruppen 19i
bis 19e.
Die elektromotorische Kraft einer derartigen Batterie
wird an den Außenklemmen 26,27 abgenommen.
F i g. 8 zeigt die äußere Form einer erfindungsgemä- in
Ben 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 Fi) eingeblasen werden und durch den oberen Raum 29
(Pfeil F2) 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 Betriebsbeginn Widerstände wie beispielsweise 31 evtl. die eintretende Kühlluft auf- 2s
heizen 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 Duraluminium 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 errei- js
chen.
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 be- «0
schränkt, sondern diese Werte können selbstverständlich entsprechend der gewünschten Nominalleistung
der Batterie verändert werden.
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 geeignet sind.
Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel für eine erfindungsgemäße Batterie angegeben.
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 · 56 - 470 mm 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 1121, ihr
Gewicht auf 70 kg, und sie kann einen Personenkraftwagen mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von
90 km/Std. bei einem Aktionsradius von 200 km antreiben.
Claims (1)
1. Aus mehreren Schwefel-Natriurn-Zellen bestehende
Batterie, wobei jede Zelle s
— 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 ksthodischen
Behälter so angeordnet ist. daß es in den kathodischen Reaktionsstoff eingetaucht ist,
wobei die Wandung dieses Rohres insbesondere aus Betaaluminium 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 Reaktionsstoffes 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 Muduln
aus jeweils ρ Zellen umfaßt,
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