DE2730981C2 - Behälter für einen Alkalimetall-Schwefel-Akkumulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter für einen Alkalimetall-Schwefel-Akkumulator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem derartigen aus der DE-OS 26 05 930 bekannten Behälter können unter dem Einfluß von beim Erhitzen auf die Betriebstemperatur entstehender Wärmespannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungs-Koeffizienten der Materialien von Ringscheibe, Dichtelementen und Flansche und infolge völlig ebener Ausbildung ihrer Berührungsflächen diese Elemente sich in radialer Richtung verlagern, wodurch die Abdichtung des Gehäuses gegenüber dem mit den Metallen reaktionsfähigen Elektrolyten beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Behälter gemäß der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem mit einfachen und zuverlässigen Mitteln unter Verringerung der Anzahl der Berührungsflächen für eine bessere und zuverlässigere Abdichtung zwischen den Flanschen der Gehäuse und dem keramischen Ring gesorgt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Behälters drücken sich beim Verspannen der Schraubbolzen die jeweiligen ringförmigen Erhöhungen der Flansche in die jeweils angrenzenden Ringe 38 ein und halten diese gegen eine radiale Relativverschiebung fest. Dies wird durch die Wahl von Materialien mit möglichst weitgehender Übereinstimmung der Wärmeausdehnungs-Koeffizienten erleichtert. Relativverschiebungen können sich somit praktisch nur noch zwischen den jeweils flach aufeinanderliegenden Dichtscheiben an der keramischen Ringscheibe ergeben, so daß allenfalls hier relative Schwachstellen dei Abdichtung vorhanden sein

so können. Das erfindungsgemäße Gehäuse weist also lediglich zwei solche Stellen auf, während bei der bekannten Bauart vier derartige Stellen vorhanden sind, um nicht zu sagen acht, da dort nicht nur Verschiebungen zwischen den Flanschen und den Dichtelementen einerseits und den Dichtelementen und der keramischen Scheibe andererseits vorkommen können, sondern darüber hinaus die vorhandenen Dichtelemente ihrerseits nicht aneinander anliegen, vielmehr jeweils ihre eigenen Berührungslinien bzw. -flächen mit den Flanschen einerseits und dem keramischen Ring andererseits aufweisen, die für Verschiebungen anfällig sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles einer

t>5 Alkalimetall-Batterie erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Alkalimetall-Batterie in einem auseinandergezogenen axialen Schnitt und
Fig. 2 einen axialen Schnitt durch die Alkalimetall-

Batterie gemäß F i g. 1 im zusammengebauten Zustand.

Eine hermetisch abgedichtete Alkalimetall-Batterie ist in den F i g. 1 und 2 allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet die einen keramischen Ring \1 mit einer Oberseite 14 und einer Unterseite 16 aufweist Dieser Ring besteht aus Alphaaluminiumoxid von hoher Reinheit von beispielsweise 99,8%.

Gemäß F i g. 1 und 2 ist ein inneres Gehäuse 18 aus einem festen, für Alkaliionen leitfähigen Material in Form eines Rohrs mit einem geschlossenen Ende vorhanden, das dazu dient Reaktionszonen voneinander getrennt zu halten, und das aus einem Material besteht welches Ionen eines anodischen Reagens durch seine Wand zu einem kathodischen Reagens gelangen läßt Das innere Gehäuse bzw. die Sperre 18 kann eine is Wandstärke im Bereich von etwa 20 bis 2000 μίτι haben und auf bekannte Weise aus verschiedenen Glassorten oder poly-kristallinen keramischen Materialien hergestellt sein. Als ein besonders zweckmäßiges Material hat sich Betaaluminiumoxid bzw. Natriumbetaaluminiumoxid erwiesen. Das innere Gehäuse 18 ist nahe seinem offenen oberen Ende mit der Innenfläche 20 des keramischen Rings 12 mit Hilfe einer Abdichtung 22 aus Glas so verbunden, daß es gegenüber der Unterseite 16 des keramischen Rings nach unten ragt

Das innere Gehäuse 18 ist von einem ersten äußeren Metallgehäuse 24 in einem Abstand umgeben, das ein offenes oberes Ende 26 und ein geschlossenes unteres Ende 28 aufweist.

Ein erster Metallring 30 umschließt das obere Ende des ersten äußeren Metallgehäuses 24 und ist mit letzterem durch eine Schweißnaht 32 verbunden. Dieser erste Metallring 30 weist eine ringförmige Erhöhung 34 auf, die das offene Ende 26 des ersten äußeren Metallrings zu einem noch zu erläuternden Zweck umgibt. Ferner ist der erste Metallring mit mindestens zwei öffnungen 36 versehen, von denen in F i g. 1 und 2 jeweils nur eine dargestellt ist, die zum Aufnehmen von Kopfschrauben oder dergl. dienen. Bei der gemäß F i g. 2 zusammengebauten Batterie ist der erste Metallring 30 der Unterseite 16 des keramischen Rings 12 zugewandt.

Zwischen der ringförmigen Erhöhung 34 des ersten Metallrings 30 und der Unterseite 16 des keramischen Rings 12 sind zwei erste dünne Metallscheiben 38 und 40 v, angeordnet, deren Dicke im Bereich von etwa 0,075 bis etwa 0,125 mm liegt. Die dem ersten Metallring 30 benachbarte Scheibe 38 kann aus gehärtetem und poliertem Stahl bestehen, und ihr Wärmedehnungskoeffizient entspricht weitgehend demjenigen des ersten Metallrings 30. Die in Berührung mit dem keramischen Ring 12 stehende Metallscheibe 40 kann aus einer Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung bestehen, deren Wärmedehnungs-Koeffizient weitgehend demjenigen des keramischen Rings entspricht.

Ferner ist ein zweites äußeres Metallgehäuse 42 vorhanden, dessen offenes unteres Ende 44 nur in F i g. 1 zu erkennen ist. Dieses offene Ende 44 ist von einem zweiten Metallring 48 umgeben, der mit dem zweiten äußeren Metallgehäuse 42 durch eine nur in Fig. 1 bu angedeutete Schweißnaht 50 verbunden ist, aus dem gleichen Material besteht wie der erste Metaliring 30 und ebenfalls eine ringförmige Erhöhung 52 aufweist, die das offene Ende 44 des zweiten äußeren Metallgehäuses 42 umgibt. Bei der zusammengebauten Batterie nach Fig. 2 ist der zweite Metallring 48 der Oberseite 14 des keramischen Rings 12 benachbart, so daß das zweite äußere Gehäuse 42 in einem Abstand von dem keramischen Ring 12 gehalten wird und sich im Vergleich zu dem ersten äußeren Gehäuse 24 in der entgegengesetzten Richtung, d. h. nach oben, erstreckt

Zwischen der ringförmigen Erhöhung 52 des zweiten Metallrings 48 und der Oberseite 14 des keramischen Rings 12 sind zwei weitere dünne Metallscheiben 38 und 40 angeordnet die dem gleichen Zweck dienen wie die zwischen der ringförmigen Erhöhung 34 des ersten Metallrings 30 und der Unterseite 16 des keramischen Rings angeordneten Scheiben.

Auf das zweite äußere Metallgehäuse 42 ist eine Tellerfeder 54 aufgeschoben, die sich an der Oberseite des zweiten Metallrings 48 abstützt

Über der Tellerfeder 54 ist auf das zweite äußere Metallgehäuse 42 ein dritter Metallring 56 aufgeschoben, der sich an der Oberseite der Tellerfeder abstützt Der dritte Metallring weist ebenfalls mindestens zwei in Umfangsabständen verteilte Öffnungen 58 auf, von denen in F i g. 1 und 2 jeweils nur eine dargestellt ist, welche in Fluchtung mit den Öffnungen 36 des ersten Metallrings 30 stehen und zum Aufnehmen von Kopfschrauben oder dergl. dienen.

Zu der erfindungsgemäßen Batterie gehören mindestens zwei mit Muttern versehene Kopfschrauben 60, von denen in F i g. 1 eine im gelösten Zustand dargestellt ist, während Fig.2 eine im eingebauten Zustand zeigt. Die Kopfschrauben und Muttern dienen dazu, die ringförmigen Erhöhungen 34 und 52 so zusammenzuziehen, daß die beiden Paare von Metallscheiben 38 und 40 fest mit der Unterseite 16 bzw. der Oberseite 14 des keramischen Rings 12 verspannt werden, um die Alkalimetallbatterie 10 hermetisch abzudichten. Beim Festziehen der Muttern gegenüber den Kopfschrauben bringt die Tellerfeder 54 einen axialen Druck auf die betreffenden Bauteile auf.

Durch die Verwendung der beiden Paare von Metallscheiben 38 und 40 wird der zwischen dem keramischen Ring 12, dem ersten Metallring 30 und dem zweiten Metailring 48 bestehende Unterschied bezüglich der Wärmedehnungskoeffizienten ausgeglichen. Die Scheiben 38 und 40 jedes Paars können sich an ihren Berührungsflächen in einem hinreichenden Ausmaß gegeneinander verschieben, um einen solchen Ausgleich herbeizuführen. Somit bleibt die hermetische Abdichtung der Batterie auch dann erhalten, wenn die Batterie unterschiedlichen Temperaturen zwischen der Raumtemperatur und ihrer Betriebstemperatur ausgesetzt wird.

Gemäß F i g. 2 wird durch den Innenraum des zweiten äußeren Metallgehäuses 42 und den Innenraum des inneren Gehäuses 18 eine erste Reaktionszone gebildet, die ein anodisches Reagens enthalten kann, v/elches auf bekannte Weise erhitzt werden kann und praktisch die eigentliche Anode bzw. den Leiter bildet, mittels dessen Elektronen zu einem nicht dargestellten äußeren Stromkreis geleitet werden. Bei solchen Alkalimetallbatterien wird als anodisches Reagens vorzugsweise Natrium verwendet, doch ist auch die Verwendung von Kalium, Lithium, anderen Alkalimetallen, Gemischen solcher Alkalimetalle und solche Alkalimetalle enthaltender Legierungen möglich.

Eine nur in F i g. 2 gezeigte zweite Reaktionszone 64 wird durch den Raum zwischen der Innenfläche des ersinn äußeren Metallgehäuses 24 und der Außenfläche des inneren Gehäuses 18 gebildet. Diese Reaktionszone kann das kathodische Reagens enthalten, das bei der voll geladenen Batterie aus geschmolzenem Schwefel besteht und eine Elektrode bildet, die befähigt ist, auf

chemisch reversible Weise mit dem anodischen Reagens zu reagieren. Beim Entladen der Batterie geht der Molenbruch des elementaren Schwefels zurück, bis die Leerlaufspannung konstant bleibt. Wenn während dieses Teils des Entladevorgangs der Molenbruch des Schwefels von 1,0 auf etwa 0,72 absinkt, bildet das kathodische Reagens zwei Phasen, von denen die eine im wesentlichen aus reinem Schwefel besteht, während die andere aus Schwefel besteht, der mit Alkalimetallpolysulfid gesättigt ist, wobei das Molverhältnis zwischen Schwefel und Alkalimetall etwa 5,2 :2 beträgt. Wird die Batterie bis zu dem Punkt entladen, an dem das Molenverhältnis des Schwefels etwa 0,72 beträgt, wird das kathodische Reagens einphasig, denn der gesamte elementare Schwefel hat Polysulfidsalze gebildet. Beim weiteren Entladen der Batterie bleibt das kathodische Reagens einphasig, und wenn der Molenbruch des Schwefels zurückgeht, verringert sich auch die Leerlaufspannung entsprechend der Veränderung der das Potential bestimmenden Reaktion. Somit fährt die Batterie fort, sich von dem Punkt aus zu entladen, an dem Polysulfidsalze vorhanden sind, die Schwefel und Alkalimetall in einem Molverhältnis von etwa 5,2 :2

to enthalten, und zwar bis zu dem Punkt, an dem die Polysulfidsalze Schwefel und Alkalimetall im Verhältnis von etwa 3 :2 enthalten, wobei die Batterie an diesem Punkt vollständig entladen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hermetisch abgedichteter Behälter für einen Alkalimetall-Schwefel-Akkumulator mit einer keramischen Ringscheibe, einem inneren Festelektrolytrohr aus einem für Alkali-Ionen leitfähigen Material mit einem offenen Ende, einer Abdichtung aus Glas, die das Festelektrolytrohr nahe seinem offenen Ende mit abdichtender Wirkung mit der keramischen Ringscheibe so verbindet, daß das Festelektrolytrohr von der Unterseite der keramischen Ringscheibe aus nach unten ragt, einem ersten äußeren Gehäuse mit einem offenen Ende, welches Gehäuse das Festelektrolytrohr mit Abstand umgibt, einem das offene Ende des ersten äußeren Gehäuses umgebenden, damit verbundenen ersten Flansch und einem zweiten äußeren Gehäuse mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende und einem das offene Ende des zweiten äußeren Gehäuses umgebenden, damit verbundenen zweiten Flansch, wobei die beiden Gehäuse mit ihren offenen Enden koaxial zueinander an beiden Stirnflächen der keramischen Ringscheibe unter Zwischenlage von ringförmigen Dichtelementen mittels Schraubbolzen gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Flansch (30) eine das offene Ende des ersten äußeren Gehäuses umgebende, erste ringförmige Erhöhung (34) aufweist, daß zwischen der ringförmigen Erhöhung (34) und der Unterseite der keramischen Ringscheibe (12) zwei erste dünne Ringscheiben (38, 40) als Dichtungen angeordnet sind, und daß der zweite Flansch (48) mit einer das offene Ende des zweiten äußeren Gehäuses (42) umgebenden, zweiten ringförmigen Erhöhung (52) versehen ist, welche der Oberseite der keramischen Ringscheibe (12) benachbart ist, daß zwei weitere zwischen der zweiten ringförmigen Erhöhung (52) des zweiten Flansches (48) und der Oberseite der keramischen Ringscheibe (12) angeordnete dünne Scheiben (38, 40) als Dichtungen vorgesehen sind, wobei der Wärmeausdehnung-Koeffizient der den Flanschen (30, 48) benachbarten Scheiben (38) weitgehend demjenigen der Flanschen (30, 48) und der Wärmeausdehnungs-Koeffizient der der keramischen Ringscheibe (12) benachbarten Scheiben (40) weitgehend demjenigen der keramischen Ringscheibe (12) entspricht, daß eine das zweite äußere Gehäuse (42) umgebende, mit der Oberseite des zweiten Flansches (48) zusammenarbeitende Tellerfeder (54) und schließlich ein das zweite äußere Gehäuse (42) umgebender, freier Flanschring (56) vorgesehen sind, der sich am oberen Rand der Tellerfeder (54) abstützt und mit dem ersten Flansch (30) über die Schraubbolzen (60) zusammenarbeitet

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (24,42) und die Flansche (30, 48) aus Metall bestehen und miteinander verschweißt sind.

3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Scheiben (38, 40) eine Dicke im Bereich von etwa 0,075 bis etwa 0,125 mm haben.

4. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Flanschen (30, 48) benachbarten Scheiben (38) aus gehärtetem und polierten Stahl und die der keramischen Ringscheibe (12) benachbarten Scheiben (40) aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung bestehen.