DE2638484A1 - ELECTROCHEMICAL CELL - Google Patents
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Patentanwälte Dipl.-Ing. RWeickmann,Patent attorneys Dipl.-Ing. RWeickmann,
Dipl.-Ing. H. Wh [ckmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke SPMT Dipl.-Ing. RA.Weickmann, Dipl.-Chem. B. HuberDipl.-Ing. H. Wh [ckmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke SPMT Dipl.-Ing. RA Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
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Elektrochemische ZelleElectrochemical cell
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, die einen festen Elektrolyt in Rohrform besitzt, der ein flüssiges Alkalimetall, das eine Anode bildet, von einem flüssigen kathodischen Reaktionsmittel bzw. -teilnehmer trennt. Derartige Zellen arbeiten bei einer erhöhten Temperatur, typischerweise bei einer Temperatur oberhalb von 2000C. Eine Natrium-Schwefel-Zelle, die normalerweise zwischen 300 und 35O°C arbeitet, die aber zwischen 270 und 4000C arbeiten kann, ist ein bekanntes Beispiel einer Zelle, die einen festen Elektrolyt besitzt.The invention relates to an electrochemical cell which has a solid electrolyte in tubular form which separates a liquid alkali metal, which forms an anode, from a liquid cathodic reactant or participant. Such cells operate at an elevated temperature, typically at a temperature above 200 0 C. A sodium-sulfur cell which normally operates between 300 and 35O ° C, but which can operate 270-400 0 C, is a familiar example a cell that has a solid electrolyte.
Das Elektrolytmaterial ist ein Material, durch das Ionen des Alkalimetalls wandern können. Eine Anzahl solcher festen Elektrolytmaterialien ist bekannt; im Falle der Natrium-Schwefel-Zellen ist es übliche Praxis, ein ß-Aluminiumoxid-Keramikmaterial zu verwenden. Dieses Material hat, ähnlich wie andere bekannte feste Elektrolyten, nur eine be-The electrolyte material is a material through which ions of the alkali metal can migrate. A number of them solid electrolyte materials are known; in the case of sodium-sulfur cells, it is common practice to use a ß-alumina ceramic material to use. Similar to other known solid electrolytes, this material has only one
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schränkte mechanische Festigkeit, und eine der Hauptmöglichkeiten eines Zellenausfalls ist der Bruch des Elektrolytrohrs. Abgesehen von dem Verlust der Zelle in einer Batterie aufgrund des Bruchs eines Rohrs besteht auch die Möglichkeit der Gefahr der Zerstörung von umgebenden Ausrüstungen bzw. Anlagen oder der Schädigung von Personal in den Fällen .eines Elektrolytbruchs, wenn dabei eine plötzliche Mischung einer großen Menge von flüssigem Alkalimetall mit dem kathodischen Reaktionsteilnehmer stattfindet. limited mechanical strength, and one of the main possibilities one cell failure is the rupture of the electrolyte tube. Apart from the loss of the cell due to a battery the rupture of a pipe there is also the possibility of the risk of destruction of surrounding equipment or systems or the harm to personnel in the event of an electrolyte breakage, when there is sudden mixing of a large amount of liquid alkali metal with the cathodic reactant.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erhöhung des Widerstandes des rohrförmigen Elektrolytmaterials gegenüber einem Bruch aufgrund von Umfangsspannung bzw. -belastung. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von ß-Aluminiumoxid beträgt etwa 7 x 10" K" , und der Unterschied der Wärmeausdehnung, der z.B. zwischen einem festen, mittigen Kathodenstromaufiänger, der einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, und dem Elektrolytrohr besteht, führt dazu, daß der Elektrolyt beim Erwärmen einer kalten Zelle auf ihre Betriebstemperatur Spannungs-Umfangsbelastungen ausgesetzt wird. In einer Natrium-Schwefel-Zelle wird bevorzugt eine mittige Kathode angewandt, aber gleichartige bzw. ähnliche Schwierigkeiten treten auf,, wenn eine feste, mittige Anode verwendet wird. Der Elektrolyt wird außerdem Belastungen im Bereich der Dichtung ausgesetzt, und zwar sowohl aufgrund der Druckkräfte, die durch die Dichtung ausgeübt werden, als auch aufgrund der unterschiedlichen Bewegung zwischen den Dichtungskomponenten, die von Änderungen der Zellentemperatur hervorgerufen wird.The present invention relates to increasing the resistance of the tubular electrolyte material to a break due to hoop stress or stress. The linear expansion coefficient of ß-aluminum oxide is about 7 x 10 "K", and the difference in thermal expansion, e.g. between a solid, central cathode current absorber, which has a relatively high coefficient of thermal expansion, and the electrolyte tube, leads to that the electrolyte is exposed to circumferential voltage loads when a cold cell is heated to its operating temperature will. A central cathode is preferred in a sodium-sulfur cell, but the same or similar difficulties occur when a solid, central anode is used. The electrolyte will also put loads in the area exposed to the seal, both due to the compressive forces exerted by the seal and due to the differential movement between the sealing components caused by changes in cell temperature will.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einer Zelle, die ein rohrförmiges Gehäuse hat, das ein Rohr aus festem Elektrolytmaterial enthält, welches das Alkalimetall von einem kathodischen Reaktionsteilnehmer trennt, eine Zusammendrückbzw. Einengungs- bzw. Zurückhalteeinrichtung (nachstehend zusammengefaßt als "Zusammendrückeinrichtung" bezeichnet) umIn accordance with the present invention, in a cell having a tubular housing, there is a tube of solid electrolyte material contains, which separates the alkali metal from a cathodic reactant, a compression or. Restraint device (hereinafter collectively referred to as "compression device")
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das Elektrolytrohr herum vorgesehen, die einen solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, daß sie einen zunehmenden Einwärtsdruck auf das Elektrolytrohr ausübt, wenn die Temperatur ansteigt. Durch diesen Aufbau kann das" Elektrolytrohr bei der Betriebstemperatur unter Kompression gesetzt werden. Der beim Anstieg der Temperatur zunehmende Druck vermindert die Möglichkeit, daß das Rohr unter Umfangsbelastung bzw. -spannung birst. Die Zusammendruckeinrichtung kann anfänglich vorbelastet bzw. -gespannt sein, so daß sie bei Raumtemperatur einen Einwärtsdruck ausübt.the electrolyte tube is provided around that has such a coefficient of thermal expansion has an increasing inward pressure on the electrolyte tube as the temperature increases. With this structure, the "electrolyte tube in the Operating temperature can be put under compression. The increasing pressure as the temperature rises reduces the possibility of that the pipe bursts under circumferential stress or stress. The compression device can initially be preloaded biased so that it exerts an inward pressure at room temperature.
Die Zusammendrückeinrichtung kann in der einfachsten Form eine Einrichtung, z.B. einen Draht, um das Rohr herum aufweisen, die bzw. der einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, als es der des Rohrs ist. Es ist jedoch oft vorteilhaft, die Tatsache auszunutzen, daß sich notwendigerweise ein äußeres Gehäuse um das Rohr herum befindet, und infolgedessen ist in einer Ausführungsform der Erfindung in dem ringförmigen Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Elektrolytrohr ein Material vorgesehen, das sich entweder in Pulverform befindet oder so geformt ist, daß es unter Druck in Radialrichtungen deformierbar ist, wobei das Material einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Gehäuses hat, so daß dann, wenn die Temperatur der Zelle zunimmt, von diesem Material auf das Elektrolytrohr Druck in Radialrichtung ausgeübt wird. Dieses Material übt also einen Druck aus, der der Umfangsspannung bzw. -belastung des Elektrolytrohrs entgegenwirkt bzw. entgegengesetzt ist, und dieser Druck nimmt mit dem Anstieg der Temperatur zu. Die Zelle kann anfänglich so aufgebaut sein, daß der Elektrolyt bei Raumtemperatur vorgespannt bzw. -belastet ist.The compressing device, in its simplest form, may be a device such as a wire around the tube have, or which has a lower coefficient of thermal expansion than that of the pipe. However, it often is advantageous to take advantage of the fact that there is necessarily an outer housing around the pipe, and consequently is in one embodiment of the invention in the annular area between the housing and the electrolyte tube a material is provided which is either in powder form or is shaped to be under pressure is deformable in radial directions, the material having a higher coefficient of thermal expansion than the material of the housing, so that when the temperature of the cell increases, pressure in of this material on the electrolyte tube Radial direction is exercised. This material therefore exerts a pressure that corresponds to the circumferential stress or load on the electrolyte tube opposed, and this pressure increases as the temperature rises. The cell can initially be constructed so that the electrolyte is biased or loaded at room temperature.
In einer Natrium-Schwefel-Zelle ist der Aufbau bevorzugt so, daß der kathodische Reaktionsteilnehmer 9 d.h. das Schwefel enthaltende Material,- innerhalb des Elektrolytrohrs ist,In a sodium-sulfur cell, the structure is preferably such that the cathodic reactant 9, ie the sulfur-containing material, - is within the electrolyte tube,
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während sich das Natrium um die Außenseite des Elektrolytrohrs herum befindet. Ein solcher Aufbau ermöglicht die Verwendung eines metallischen Gehäuses, welches das Natrium enthält. Es ist dann möglich, ein sich relativ wenig ausdehnendes Gehäuse, zu verwenden, beispielsweise eine sich wenig ausdehnende Eisen-Nickel-Legierung oder einen ferritischen rostfreien Stahl. Andere Metalle und Legierungen mit geringer Ausdehnung, die für das Gehäuse geeignet und gegenüber einem Angriff durch Natrium widerstandsfähig sind, umfassen Kobalt (α = 14 x 10" K~) und einige von dessen Legierungen, Nickel (α =13 x 10" K~) und einige von dessen Legierungen, Niob (α = 7 x 10" Κ"") und einige von dessen Legierungen, Molybdän (cc = 6 χ 10~6 K"1) und Zirkon (α = 6 χ 10~6 K"1) und einige von dessen Legierungen, bestimmte Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen und einfachen Kohlenstoffstahl (α = 11 χ 10 K), der bzw. die gegen einen Angriff durch Natrium Mittels einer geeigneten Oberflächenbeschichtung geschützt ist bzw. sind, soweit ein solcher Schutz erforderlich ist. Das Symbol α bezeichnet vorstehend sowie auch im weiteren Text den Wärmeausdehnungskoeffizienten. In diesem Falle kann das Material innerhalb des ringförmigen Bereichs um das Elektrolytrohr ein oder mehrere Elemente einer sich relativ stark ausdehnenden Legierung aufweisen, z.B. rostfreien Stahl, die bzw. der um das Elektrolytrohr herum angeordnet ist, wobei jedes Element in der Radialrichtung verformbar ist. Andere Materialien mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen bzw. sind Aluminium (α = 23 x 10" K~ ) und seine Legierungen, Kupfer (α = 17 x 10" K") und einige seiner Legierungen. Zusätzlich können einige der Materialien, die oben für das Gehäuse angegeben worden sind, in Verbindung mit einem Zellengehäuse verwendet werden, das einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Aluminium und Kupfer sind beide gegenüber einem Angriff durch flüssiges Natrium widerstandsfähig.while the sodium is around the outside of the electrolyte tube. Such a structure enables the use of a metallic housing which contains the sodium. It is then possible to use a relatively little expanding housing, for example a little expanding iron-nickel alloy or a ferritic stainless steel. Other low expansion metals and alloys suitable for the case and resistant to attack by sodium include cobalt (α = 14 x 10 "K ~) and some of its alloys, nickel (α = 13 x 10" K ~) ) and some of its alloys, niobium (α = 7 x 10 "Κ"") and some of its alloys, molybdenum (cc = 6 χ 10 ~ 6 K" 1 ) and zircon (α = 6 χ 10 ~ 6 K " 1 ) and some of its alloys, certain iron-nickel-cobalt alloys and simple carbon steel (α = 11 χ 10 K), which is or are protected against attack by sodium by means of a suitable surface coating, if such The symbol α denotes the coefficient of thermal expansion above and also in the following text. In this case, the material within the annular area around the electrolyte tube can comprise one or more elements of a relatively rapidly expanding alloy, e.g. stainless steel, the is disposed around the electrolyte tube, each member being deformable in the radial direction. Other materials with a high coefficient of thermal expansion include aluminum (α = 23 x 10 "K") and its alloys, copper (α = 17 x 10 "K") and some of its alloys. In addition, some of the materials mentioned above for The casing specified can be used in conjunction with a cell casing which has a very low coefficient of thermal expansion.Aluminum and copper are both resistant to attack by liquid sodium.
In einer vorteilhaften Ausführungsform eines Aufbaus ist ein ringförmiges Element aus rostfreiem Stahl vorgesehen,In an advantageous embodiment of a structure, an annular element made of stainless steel is provided,
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das im wesentlichen eine gewellte, geriffelte, gerippte oder geriefte Form (nachstehend zusammenfassend als "gewellt" bzw. "wellenförmig" bezeichnet) hat, wobei sich die Wellungen, Riffelungen, Rippen oder Riefen (nachstehend zusammengefaßt als "Wellungen" bezeichnet) quer über den ringförmigen Bereich zwischen dem Elektrolytrohr und dem Gehäuse hin- und hererstrecken. Ein derartiges Element kann in seiner Form gleichartig bzw. ähnlich wie eine Manschette sein, und aus diesem Grund ist es zweckmäßig, das Element als eine Manschette zu bezeichnen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Formgebung des Elements nicht kritisch ist, solange es eine Verformung in der Radialrichtung ermöglicht, wobei eine Ausdehnung bei der Erwärmung bewirkt, daß ein Druck in der Radialrichtung ausgeübt wird und sich das Element verformt, wenn bzw. wo es notwendig ist, daß sich das Element selbst an den verfügbaren Raum anpaßt.which is essentially a corrugated, corrugated, corrugated or corrugated shape (hereinafter collectively referred to as "corrugated" or "undulating") has, the corrugations, corrugations, ribs or grooves (summarized below referred to as "corrugations") extend back and forth across the annular region between the electrolyte tube and the housing. Such an element can be identical or similar in shape to a cuff, and from this It is therefore appropriate to refer to the element as a cuff. It should be noted, however, that the shape of the element is not critical as long as it allows deformation in the radial direction, with expansion when heated causes pressure to be exerted in the radial direction and to deform the element when or where it is it is necessary that the element adapts itself to the available space.
Wenn eine Manschette, die aus Folien- bzw. Plattenmaterial ausgebildet ist, angewandt wird, kann das Material perforiert sein, damit die Strömung des Alkalimetalls erleichtert wird.If a sleeve made of sheet material is used, the material can be perforated so that the flow of the alkali metal is facilitated.
Vorzugsweise ist eine Manschette, wenn sie aus Folienbzw. Plattenmaterial ausgebildet ist, so geformt, daß sie beispielsweise zwei oder mehrere Reihen von im wesentlichen zylindrischen Teilen bildet, so daß sie leicht die erforderliche Spannung bzw. Belastung aufgrund des radialen Drucks liefert. In einigen Fällen kann es' vorteilhaft sein, das ringförmige Element aus einer Anordnung von Zylindern auszubilden, welche getrennte Zylinder aufweist bzw. aus solchen Zylindern besteht, die in dem ringförmigen Bereich um das Elektrolytrohr herum gepackt sind.Preferably, a cuff, if it is made of foils or Plate material is formed so shaped that it is, for example forms two or more rows of substantially cylindrical parts so that they can easily achieve the required Stress or stress due to the radial pressure supplies. In some cases it can be advantageous to use the ring-shaped To form an element from an arrangement of cylinders, which has separate cylinders or consists of such cylinders, those in the annular area around the electrolyte tube are packed around.
Wenn ein Pulver angewandt wird, ist es möglich, jedes Material zu verwenden, das den Bedingungen widersteht und einenIf a powder is used, it is possible to use any material that will withstand the conditions and one
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geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Wie oben erläutert wurde, wird es bei einer Natrium-Schwefel-Zelle bevorzugt, das Natrium in dem ringförmigen Bereich um die Außenseite des Elektrolytrohrs herum vorzusehen, und infolgedessen muß das Material gegenüber flüssigem Natrium inert sein und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der größer als der des Gehäuses der Zelle ist. Die Verwendung eines Pulvers hat den Vorteil, daß das Zusammenbauen der Zelle erleichtert wird. Es ist auch möglich, den Ringraum mit geeignetem Pulver so zu packen, daß der Elektrolyt bei Raumtemperatur vorbelastet bzw. -gespannt wird. Das Pulver trägt dazu bei, einen Docht für das flüssige Natriummaterial zu bilden, so daß sichergestellt wird, daß die weite Oberfläche des Elektrolytrohrs von flüssigem Natrium benetzt gehalten wird. Auch wirkt das Pulver als Begrenzungsmittel für die Natriumströmung im Falle eines katastrophenartigen Ausfalls des Elektrolyts. Das gepackte Pulver trägt darüberhinaus dazu bei, ein Ausstoßen der Dichtung zu verhindern bzw. unmöglich zu machen, und die Packung erniedrigt die Spannungs-Biegebelastungen, die von den Kompressionskräften einer Dichtung am Ende des Elektrolytrohrs hervorgerufen werden.has a suitable coefficient of thermal expansion. As explained above, in a sodium-sulfur cell it is preferred to provide the sodium in the annular area around the outside of the electrolyte tube, and consequently must Be inert to liquid sodium and have a coefficient of thermal expansion greater than that of the material Housing of the cell is. The use of a powder has the advantage that the assembly of the cell is made easier. It It is also possible to pack the annular space with a suitable powder so that the electrolyte is preloaded or loaded at room temperature. - is tensioned. The powder helps wick the liquid sodium material, ensuring that that the wide surface of the electrolyte tube is kept wetted by liquid sodium. The powder also acts as a limiting agent for sodium flow in the event of a catastrophic electrolyte failure. The packed powder moreover, it helps to prevent or prevent leakage of the seal and degrades the packing the stress-bending stresses caused by the compressive forces of a seal at the end of the electrolyte tube will.
Geeignete Materialien, die als derartige Pulver verwendet werden, umfassen bzw. sind gepulvertes Metall der Materialien, die oben für eine Manschette vorgeschlagen worden sind. Es ist auch möglich, nicht-metallische Materialien, keramische oder gläserne bzw. glasartige oder glasähnliche Materialien "als Pulver, die sich stark ausdehnen, in einer Zelle mit niedriger Ausdehnung zu verwenden. Die Alkali- oder Erdalkalihalogenide können geeignet sein; beispielsweise vereinigt Calciumfluorid einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (19 x 10 K) und einen hohen Elastizitätsmodul mit einer chemischen Widerstandsfähigkeit gegenüber flüssigem Natrium.Suitable materials to be used as such powders include or are powdered metal of the materials suggested above for a cuff. It is also possible to use non-metallic materials, ceramic or vitreous or vitreous or glass-like materials "as powders that expand greatly in a cell to be used with low expansion. The alkali or alkaline earth halides can be suitable; for example united Calcium fluoride has a high coefficient of thermal expansion (19 x 10 K) and a high modulus of elasticity with chemical resistance to liquids Sodium.
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Sowohl Pulver, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, als auch die erwähnte Manschette trägt bzw. hält das Elektrolytrohr innerhalb der Zelle, was bei einer Zelle vorteilhaft ist, die in Anwendungsfallen'benutzt wird, in denen sie Antriebskraft auf Fahrzeugen liefert, in welchen Fällen der Elektrolyt aufgrund von Beschleunigung oder Verzögerung belastet wird.Both powder, as they have been described above, as well as the cuff mentioned carries or holds that Electrolyte tube inside the cell, which is beneficial in a cell which is used in application cases in which it provides propulsion power on vehicles, in which cases the electrolyte is due to acceleration or deceleration is charged.
Wie vorstehend ausgeführt wurde, kann in einem anderen Aufbau die Verstärkung des Elektrolytrohrs gegen eine Erhöhung der Umfangsspannung bzw. -belastung beim Erwärmen dadurch bewirkt werden, daß man Ringe oder Bänder oder eine Wicklung aus Material um das Elektrolytrohr herum vorsieht, wobei das Material einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als das Elektrolytmaterial hat. Vorteilhafterweise wird eine solche Verstärkung dadurch erzielt, daß man einen oder mehrere Drähte um das Elektrolytrohr herumwickelt. Bei dieser Anordnung führt eine unterschiedliche Wärmebewegung, die zwischen Umgebungstemperatur und der Zellenbetriebstemperatur auftritt, dazu, daß der Elektrolyt unter Kompression gebracht wird, wie in den anderen Ausführungsbeispielen, so daß er auf diese Weise wirksam gegen jede Spannungs-Umfangsbelastung verstärkt wird. Ein sehr geeignetes Material, das um das Elektrolytrohr in einer Natrium-Schwefel-Zelle gewickelt werden kann, umfaßt oder ist Kohlenstoff-Fasermaterial. Orientierte Kohlenstofffasern, die durch Graphitisieren einer als Vorläufer bzw. einleitendes Material dienenden organischen Faser, wie z.B. Polyacrylnitril, hergestellt worden sind, ziehen sich längs der Faserachse zusammen, wenn ihre Temperatur erhöht wird/ was mit anderen Worten bedeutet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient negativ ist. Derartige Materialien besitzen außerdem einen hohen Elastizitätsmodul. Solche Drähte bzw. Fasern können in einer Natrium-Schwefel-Zelle verwendet werden, die eine mittige Natriumelektrode hat, da das Kohlenstoffasermaterial im kathodischen Reaktionsteilnehmer benutzt werden kann. In einer Zelle, bei der das Natrium um die AußenseiteAs stated above, in another structure, the reinforcement of the electrolyte tube against an increase the circumferential tension or stress caused by heating be that one provides rings or bands or a winding of material around the electrolyte tube, the Material has a lower coefficient of expansion than the electrolyte material. Advantageously, such a Reinforcement achieved by wrapping one or more wires around the electrolyte tube. With this arrangement leads a different heat movement that occurs between the ambient temperature and the cell operating temperature, that the electrolyte is brought under compression, as in the other embodiments, so that he in this way is effectively reinforced against any stress circumferential load. A very suitable material that around the electrolyte tube may be wound in a sodium-sulfur cell, comprises or is carbon fiber material. Oriented carbon fibers, those obtained by graphitizing an organic fiber serving as a precursor, e.g. Polyacrylonitrile, contract along the fiber axis when their temperature is increased / in other words, this means that the coefficient of thermal expansion is negative. Such materials also have a high modulus of elasticity. Such wires or fibers can be used in a sodium-sulfur cell, the Has a central sodium electrode as the carbon fiber material is used in the cathodic reactant can. In a cell with the sodium around the outside
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des Elektrolytrohrs herum vorgesehen ist, kann ein Draht aus Nickel-Eisen- Legierung oder Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung mit niedriger Ausdehnung oder es können Kohlenstoffasern oder Fäden aus Glas von geeigneter Zusammensetzung, die einen geeigneten niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und gegenüber Natrium chemisch widerstandsfähig sind, um das Elektrolytrohr zu dessen Verstärkung herumgewickelt werden.of the electrolyte tube is provided around, a wire can be made Nickel-iron alloy or nickel-iron-cobalt alloy with low expansion or it can be carbon fibers or filaments of glass of suitable composition which have a suitable low coefficient of thermal expansion and are chemically resistant to sodium, to be wrapped around the electrolyte tube for its reinforcement.
In einem anderen Aufbau ist eine perforierte Folie oder dünne Platte aus Material mit niedriger Ausdehnung um das Elektrolytrohr herumgewickelt; vorausgesetzt, daß der Ausdehnungskoeffizient des Folien- bzw. Plattenmaterials niedriger als der des Elektrolytrohrs ist, wird das Rohr unter Kompression gesetzt, wenn die Temperatur ansteigt, so daß es auf diese Weise möglich ist, daß die erforderliche Kompressionsbelastung bei der Betriebstemperatur hervorgebracht bzw. entwickelt wird. In einer Natrium-Schwefel-Zelle, bei der das Natrium um die Außenseite des Elektrolytrohrs herum vorgesehen ist, kann diese perforierte Folie bzw. dünne Platte so angeordnet sein, daß sie als ein Docht wirkt, der die äußere Oberfläche des Rohrs mit Natrium bedeckt hält.In another construction, a perforated sheet or thin sheet of low expansion material is around wrapped the electrolyte tube around; provided that the coefficient of expansion of the film or plate material is lower than that of the electrolyte tube, the tube will be below Compression set when the temperature rises so that it is possible in this way to have the required compressive load is produced or developed at the operating temperature. In a sodium-sulfur cell where the If sodium is provided around the outside of the electrolyte tube, this perforated foil or thin plate can be arranged in this way be that it acts as a wick keeping the outer surface of the tube covered with sodium.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Figuren der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; und zwar zeigen die Fig. 1 bis 5 in schematischer Darstellung Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen einer Natrium-Schwefel-Zelle. The invention will be described below with reference to some of those shown in principle in the figures of the drawing preferred embodiments explained in more detail; namely, FIGS. 1 to 5 show a schematic representation of cross sections through various embodiments of a sodium-sulfur cell.
Es sei zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der schematisch eine Natrium-Schwefel-Zelle dargestellt ist, die ein Elektrolytrohr 10 aus ß-Aluminiumoxid aufweist, das koaxial innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 11 angeordnet ist, welches seinerseits beispielsweise aus einer niedrige Ausdehnung aufweisenden Eisen-Nickel-Legierung oder einem entsprechenden ferritischen rostfreien Stahl ist. Diese spe-Reference is first made to FIG. 1, in which a sodium-sulfur cell is shown schematically, which has an electrolyte tube 10 made of ß-aluminum oxide, which is coaxial is arranged within a cylindrical housing 11, which in turn, for example, from a low Expanding iron-nickel alloy or a corresponding ferritic stainless steel is. This spe-
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zielle Zelle hat den kathodischen Reaktionsteilnehmer, der Schwefel aufweist und die Polysulfidmaterialien, die "bei der Entladung der Zelle gebildet werden, innerhalb des Elektrolytrohrs 10. Zur Erzielung einer elektronischen Leitung zur Kathode ist ein mittiger Graphit-Stromauffängerstab 13 mit einem Graphit- oder Kohlenstoffilz 14, der sich zwischen dem Stromauffängerstab und dem Elektrolytrohr erstreckt, vorgesehen. Der ringförmige Bereich zwischen dem Elektrolytrohr 10 und dem Gehäuse 11 ist mit Natrium gefüllt, das bei der Betriebstemperatur der Zelle flüssig ist. Zum Herabsetzen der Umfangsspannung bzw. -belastung im Elektrolytrohr beim Erhitzen der Zelle ist in der Anordnung der Fig. 1 eine Manschette 18 vorgesehen, die aus rostfreiem Stahl ausgebildet ist. Diese Manschette ist im wesentlichen eine gewellte Folie bzw. dünne Platte, wobei sich die Wellungen quer über den ringförmigen Bereich zwischen Elektrolyt rohr und Gehäuse hin- und hererstrecken. Fig. 1 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel der Manschette, bei dem die Wellungen im wesentlichen Sinusform haben. Das Material muß im Vergleich mit dem Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 11 einen genügend hohen Ausdehnungskoeffizienten haben, und zwar derart, daß der Druck auf das Elektrolytrohr zunimmt, wenn die Temperatur ansteigt. Die Form der Manschette ermöglicht eine Verformung in der Radialrichtung, und infolgedessen bewirkt eine unterschiedliche Wärmeausdehnung eine Zunahme des Drucks auf das Elektrolytrohr. Die Größe dieses Drucks wiidvon dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials und der Beziehung zwischen dem Radialdruck und der Verformung bestimmt, wobei die letztere Beziehung von der Formgebung und der Dicke des Materials abhängt.zial cell has the cathodic reactant, the Comprises sulfur and the polysulfide materials "formed when the cell is discharged" within the Electrolyte tube 10. To achieve an electronic line to the cathode is a central graphite current collector rod 13 with a graphite or carbon felt 14, which extends between the current collector rod and the electrolyte tube, intended. The annular area between the electrolyte tube 10 and the housing 11 is filled with sodium, which is liquid at the operating temperature of the cell. To reduce the hoop stress or stress in the electrolyte tube When the cell is heated, in the arrangement of FIG. 1 a sleeve 18 is provided which is made of stainless steel is. This sleeve is essentially a corrugated sheet or thin plate, the corrugations being transverse over the ring-shaped area between the electrolyte tube and the housing stretch back and forth. Fig. 1 shows a simple embodiment of the cuff in which the corrugations in have a substantial sinusoidal shape. The material must be sufficient in comparison with the expansion coefficient of the housing 11 have high coefficients of expansion in such a way that the pressure on the electrolyte tube increases when the temperature increases. The shape of the collar allows for deformation in the radial direction, and as a result causes it a different thermal expansion an increase in the pressure on the electrolyte tube. The size of this print differs from that The coefficient of expansion of the material and the relationship between the radial pressure and the deformation are determined, where the latter relationship depends on the shape and thickness of the material.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, in der die Formgebung der Manschette so ist, daß die verschiedenen benachbarten Wellungen in Berührung gebracht werden, wodurch irgendwelche Neigungen zum vollständigen Überbiegen einer Wellung bei der Kompression vermieden werden.Fig. 2 shows a modification of the arrangement of FIG. 1, in which the shape of the sleeve is such that the various adjacent corrugations are brought into contact, thereby creating any tendency to completely overbend a corrugation during compression can be avoided.
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Es ist ersichtlich, daß die Manschette der Fig. 1 sehr ähnlich einer Reihe von zylindrischen Elementen ist, und es ist möglich, wie Fig. 3 zeigt, zylindrische Elemente 19 zu verwenden, die in dem ringförmigen Bereich zwischen dem Elektrolytrohr "IO und dem äußeren Gehäuse 11 angeordnet sind.It can be seen that the sleeve of FIG. 1 is very similar to a series of cylindrical elements, and it is possible, as shown in FIG Housing 11 are arranged.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Aufbaus, bei der in den ringförmigen Bereich zwischen dem Elektrolytrohr 10 und dem äußeren Gehäuse 11 ein Pulvermaterial 20 gepackt ist, das so ausgewählt ist, daß sein Wärmeausdehnungskoeffizient genügend groß im Vergleich mit dem des äußeren Gehäuses ist, derart, daß sichergestellt wird, daß beim Anstieg der Temperatur ein Druck auf das Elektrolytrohr ausgeübt wird.Fig. 4 shows a further embodiment of the structure, in which a powder material 20 is packed in the annular region between the electrolyte tube 10 and the outer casing 11 is selected so that its coefficient of thermal expansion is sufficiently large in comparison with that of the outer Housing is such that it is ensured that when the temperature rises, pressure is exerted on the electrolyte tube will.
Fig. 5 zeigt einen anderen Aufbau, bei dem ein Draht 22 um das Elektrolytrohr 10 herumgewickelt ist. Dieser Draht hat einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Elektrolytrohrs, so daß das Rohr beim Anstieg der Temperatur unter Kompression gesetzt wird. Im Falle einer Zelle, die, wie dargestellt, eine mittige Kathode hat, kann der Draht aus einer eine niedrige Ausdehnung besitzenden Eisen-Nickeloder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung ausgebildet sein, oder aus Fäden eines geeigneten Glases oder aus Fäden von orientiertem Kohlenstoffasermaterial. Diese Anordnung, bei der ein eng um das Elektrolytrohr herumgewickelter Draht verwendet wird, kann auch bei einer Zelle benutzt werden, die eine mittige Anode hat und bei der der kathodische Reaktionsteilnehmer, d.h. die schwefelhaltige Material, in dem ringförmigen Bereich zwischen dem Elektrolytrohr und dem Gehäuse vorgesehen ist. In diesem letzteren Falle muß der Draht aus einem Material sein, das den Bedingungen des kathodischen Bereichs widersteht; vorteilhafterweise wird Material aus oder mit orientierten Kohlenstoffasern angewandt. Der Draht kann als Spirale um das Elektrolytrohr angebracht werden, wobeiFig. 5 shows another structure in which a wire 22 is wound around the electrolyte tube 10. This wire has a smaller coefficient of expansion than the material of the electrolyte tube so that the tube is placed under compression as the temperature rises. In the case of a cell, which, as shown, has a central cathode, the wire may be made of low elongation iron-nickel or Iron-nickel-cobalt alloy, or from threads of a suitable glass or from threads of oriented Carbon fiber material. This arrangement which uses a wire tightly wrapped around the electrolyte tube can also be used with a cell that has a central anode and where the cathodic reactant, i.e., the sulfur-containing material, is provided in the annular area between the electrolyte tube and the housing is. In this latter case, the wire must be made of a material that meets the conditions of the cathodic region resists; advantageously material is made of or applied with oriented carbon fibers. The wire can be attached as a spiral around the electrolyte tube, wherein
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sich die Spirale über die Länge des Rohrs erstreckt, oder der Draht kann als Reihe von Ringen vorgesehen werden, die längs der Länge des Rohrs im Abstand angeordnet sind, so daß die Kompressionsbelastung in der Umfangsrichtung im Rohr im wesentlichen -gleichförmig über das gesamte Rohr angewandt wird. Jedes Ende des Drahts kann befestigt sein, z.B. am anderen Ende des Drahts oder an einer anderen Windung auf dem Draht bzw. des Drahts, und zwar in einer solchen Weise, daß sichergestellt wird, daß die Ringe oder die Spirale eng bzw. fest um das keramische Rohr herum bleiben bzw. bleibt.the spiral extends the length of the tube, or the wire can be provided as a series of rings running longitudinally the length of the pipe are spaced so that the compressive load in the circumferential direction in the pipe is substantially - is applied uniformly over the entire pipe. Each end of the wire can be attached, e.g., to the other end of the wire or to a different turn on the wire or the wire, in such a way that ensured becomes that the rings or the coil remain tight or tight around the ceramic tube.
Bei einem anderen Aufbau ist perforiertes Metall einer Folie oder dünnen Platte um das Elektrolytrohr bei Raumtemperatur herumgewickelt, wobei das Metall so ausgewählt ist, daß es einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger als der des Elektrolytrohrs ist, so daß der Elektrolyt dann, wenn die Zelle auf die normale Betriebstemperatur gebracht wird, einer Kompressionsbelastung ausgesetzt wird.In another construction, perforated metal is a foil or thin plate around the electrolyte tube at room temperature wrapped around, the metal being selected so that it has a coefficient of expansion less than that of the electrolyte tube, so that when the cell is brought to normal operating temperature, the electrolyte is subjected to compressive stress.
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