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Elektrochemische Speicherzelle
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Speicherzelle
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Solche wiederaufladbaren elektrochemischen Speicherzellen mit Festelektrolyten
eignen sich sehr gut zum Aufbau von Akkumulatoren hoher Energie- und Leistungsdichte.
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Die in den Qlkali/Chalkogen-Spelcherzellen verwendeten Festelektrolyten,
die beispielsweise aus Beta-Aluminiumoxid gefertigt sind, zeichnen sich dadurch
aus, daß die Teilleitfähigkeit des beweglichen Ions sehr hoch und die Teilleitfähigkeit
der Elektronen um vielfache Zehnerpotenzen kleiner ist. Durch die Verwendung solcher
Festelektrolyten für den Aufbau von elektrochemischen Speicherzellen wird erreicht,
daß praktisch keine Selbstentladung stattfindet, da die Elektronenleitfähigkeit
vernachlässigbar ist und die Reaktionssubstanzen auch nicht als neutrale Teilchen
durch den Festelektrolyten gelangen können.
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Für die Herstellung von Akkumulatoren bzw. Hochtemperaturspeicherbatterien
werden eine Vielzahl solcher elektrochemischen Speicherzellen miteinander verschaltet.
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Bei Hochtemperaturspeicherbatterien für Elektrofahrzeuge beispielsweise
besteht die Notwendigkeit, viele elektrochemische Speicherzellen in Serie und nur
wenige Speicherzellen parallel zu schalten. Grunde hierfür sind dadurch gegeben,
daß der Energieinhalt einer solchen Hochtemperaturspeicherbatterie im allgemeinen
kleiner als 40 kWh sein wird, der Energieinhalt einer einzelnen Speicherzelle wird
jedoch größer sein als 80 Wh. Daraus folgt, daß eine solche Hochtemp#raturspeicherbatterie
nicht mehr als 500 Speicherzellen enthalten wird. Falls mit einer solchen Batterie
bei einer Spannung der Einzelspeicherzelle von etwa 2 Volt insgesamt 200 Volt erzeugt
werden sollen, müssen hundert Speicherzellen in Serie geschaltet werden. Das bedeutet,
daß höchstens fünf Speicherzellen parallel geschaltet werden können.
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Kommt es bei einer oder mehreren Speicherzellen dieser Serienschaltung
zu einer Überbelastung, so erhöht sich die Temperatur im Inneren der Speicherzelle.
Ein Temperaturanstieg über die Arbeitsemperatur der Speicherzelle hinaus kann zur
ihrer Zerstörung führen. Eine solche defekte Speicherzelle wird hochohmig, wodurch
der gesamte Stromfluß durch die Reihenschaltung, in der sich diese Speicherzelle
befindet, unterbrochen wird.
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Aus der DE-OS 28 19 583 ist eine elektrochemische Speicherzel]e
bekannt, deren Stromkreis unterbrochen wird, wenn die Temperatur der Speicherzelle
wesentlich über ihre Arbeitstemperatur ansteigt. Bei dieser Speicherzelle ist wenigstens
einer der beiden Stromabnehmer aus zwei Teilstücken zusammengesetzt. Das erste Teilstück
ist außerhalb und das zweite innerhalb der Speicherzelle
angeordnet.
Die beiden Teilstuecke sind über ein elektrisch leitendes Kontaktelement miteinander
verbunden, das bei einer um einen vorgebbaren Betrag über der Arbeitstemperatur
der Zelle liegenden Temperatur schmilzt. Dadurch wird der Stromkreis durch die Speicherzelle
unterbrochen.
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Als Nachteil ist hierbei anzusehen, daß der Stromfluß durch die Speicherzelle
nach dem Absinken der Temperatur auf die Arbeitstemperatur erst dann wieder erfolgt,
wenn der defekte Stromabnehmer durch einen Neuen ersetzt ist.
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Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Stand der
Technik die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Speicherzelle zu schaffen, die
beim Anstieg ihrer Innentemperatur über die Arbeitstemperatur von 3500 Celsius hinaus
solange aus dem Stromkreis herausgetrennt wird, bis die Temperatur auf die Werte
der Ärbeitstemperatur zurückgekehrt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Stromabnehmer
durch das metallische Gehäuse der Speicherzelle gebildet. Das metallische Gehäuse
und der Festelektrolyt sind hierbei becherförmig ausgebildet.
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Der zweite Stromabnehmer besteht aus einem Rohr, das an seinem ersten
im Festelektrolyten angeordneten Ende durch einen elektrisch leitenden Stopfen verschlossen
ist. Innerhalb dieses Rohres ist ein elektrisch leitender Stab konzentrisch angeordnet,
der mit seinem ersten Ende in einer Ausnehmung des elektrisch leitenden Stopfens
angeordnet und gehaltert ist. Das zweite Ende des Rohres ist aus der Speicherzelle
herausgeführt. Es
besteht auch die Möglichkeit das zweite Ende des
Rohres innerhalb der Speicherzelle anzuordnen und dieses mit einem nach außen geführten
elektrischen Leiter zu verbinden.
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Das zweite Ende des Stabes ist in definiertem Abstand von einem elektrisch
leitenden Kontaktelement angeordnet. Dieser Abstand ist gerade so groß gewählt,
daß der Stab bei einem Temperaturanstieg der Speicherzelle über ihre Arbeitstemperatur
hinaus, aufgrund seiner dadurch bedingten Längenänderung mit dem Kontaktelement
in eine elektrisch leitende Verbindung tritt. Das Kontaktelement selbst ist elektrisch
leitend mit dem ersten Stromabnehmer verbunden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung
ist das Kontaktelement über einen Isolator an dem zweiten Stromabnehmer gehaltert.
Der Isolator kann als Stopfen ausgebildet und in das zweite Ende des den Stromabnehmer
bildenden Rohres eingesetzt werden.
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Zusätzlich weist der als Stopfen ausgebildete Isolator eine zentrische
Bohrung auf, die sich über seine gesamte Länge erstreckt. In diese Bohrung ist das
Kontaktelement derart eingesetzt, daß es bei einem Temperaturanstieg mit dem Stab
in elektrisch leitenden Kontakt treten kann.
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Im Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Speicherzelle, das heißt, wenn
die Arbeitstemperatur von 3500 Celsius nicht aufgrund einer Üherbelastung oder sonstiger
äußerer bzw. innerer Störungen überschritten wird, ist ein kontinuierlicher Stromfluß
durch die Speicherzelle festzustellen. Steigt die Temperatur innerhalb der Speicherzelle
merklich über 3500 Celsius an, so wird dieser Stromfluß unterbrochen. Es kann jetzt
nur noch ein Strom zwischen den beiden elektrisch leitend miteinander verbundenen
Stromabnehmern fließen. Die Unterbrechung bleibt so lange bestehen, bis die innere
Temperatur
wieder auf den Wert der Arbeitstemperatur gesunken ist.
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Durch diese Maßnahme wird, insbesondere bei Reihenschaltungen von
Speicherzellen vermieden, daß durch das Ausfallen einer Speicherzelle der Stromfluß
durch die gesamte Reihenschaltung, in welche diese defekte Speiche.rzelle eingeschlossen
ist, unterbrochen wird. Kehrt die Temperatur der Speicherzelle in den Bereich der
Arbeitstemperatur zurck, so wird der Stromkreis durch die Speicherzelle automatisch
wieder geschlossen, so daß die Speicherzelle wieder voll funktionsfähig ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert.
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In der Figur ist eine elektrochemische Speicherzelle 1 in Vertikalschnitt
dargestellt. Diese elektrochemische Speicherzelle 1 auf der Basis von Natrium und
Schwefel ist im wesentlichen durch ein metallisches Gehäuse 2, einen Festelektrolyten
3 und einen stabförmigen Stromabnehmer 4 gebildet. Das metallische Gehäuse 2 weist
die Form eines Bechers auf. Im Inneren dieses becherförmigen Gehäuses 2 ist der
ebenfalls becherförmig ausgebildete Festelektrolyt 3 angeordnet. Der Festelektrolyt
3 ist aus Beta-Aluminiumoxid gefertigt. Seine Abmessungen sind so gewählt, daß zwischen
den inneren Begrenzungsflächen des metallischen Gehäuses Z und seinen äußeren Begrenzungsfläehen
ein zusammenb4'#gender Zwischenraum 5 entsteht. Dieser Zwischenraßm 5 dient bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeisp#i;el als Kathodenraum. Das Innere des Festelektroly
3 wird als Anodenraum 6 genutzt. Das metallische Gehause 2 ist an seinem offenen
Ende mit einem nach außen weisenden Flansch 7 versehen.
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Auf diesen ist der ebenfalls nach außen weisende Flansch 8 des Festelektrolyten
3 aufgesetzt. Der Flansch 8 des
Festelektrolyten 3 wird durch einen
Isolierring gebildet, der aus Alpha-Aluminiumoxid gefertigt ist. Die Verbindung
zwischen dem Festelektrolyten 3 und dem Isolierring erfolgt über ein Glaslot (hier
nicht dargestellt).
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Der Isolierring ist so ausgebildet, daß er über den Festelektrolyten
3 nach außen übersteht und gleichzeitig die Funktion des Flansches 8 übernimmt.
Zwischen dem Flansch 7 des Gehäuses 2 und dem Flansch 8 des Festelektrolyten 3 ist
vorzugsweise eine Dichtung 9 angeordnet.
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Durch den Flansch 8 des Festelektrolyten 3 wird der zwischen dem Gehäuse
2 und dem Festelektrolyten 3 liegende Kathodenraum 5 gegen den Anodenraum 6 und
nach außen hin volltständig verschlossen. Der Verschluß des Anodenraumes 6 erfolgt
durch eine Verschlußplatte 11, die aus einem korrosionsbeständigen Material gefertigt
ist. Die Verschlußplatte 11 liegt auf dem Flansch 8 des Festelektrolyten 3 auf.
Zwischen dem Flansch 8 und der Verschlußplatte 11 ist eine Dichtung 10 angeordnet.
Der Kathodenraum 5 ist mit einem Graphitfilz 12 ausgefüllt, der mit Schwefel getränkt
ist. Als kathodischer Stromabnehmer dient bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
das Gehäuse 2. Der anodische Stromabnehmer 4 ist stabförmig ausgebildet und ragt
weit in den becherS förmigen Festelektrolyten 3, insbesondere den Anodenraum 6,
hinein. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist der Anodenraum 6 mit einem
Metallfilz 13 ausgefüllt, der mit flüssigem Natrium getränkt ist. Der Metallfilz
13 ist so angeordnet, daß er den anodischen Stromab nehmer 4 eng umschließt und
fest an den Innenflächen des Festelektrolyten 3 anliegt. Der anodische Stromabnehmer
4 besteht aus einem Rohr LIR, das aus Stahl gefertigt ist. Das erste Ende dieses
Rohres 4R ist im unteren Bereich des Festelektrolyten 3 angeordnet. Das zweite Ende
des Rohres 4R steht einige Millimeter über die Speicherzelle 1 über. Das erste Ende
des Rohres ist mit
einem Stopfen 14 verschlossen.
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Der Stopfen 14 ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt.
Er ist so in das Rohr 4 eingesetzt, daß zwischen ihm und dem Rohr 4 eine gute elektrisch
leitende Verbindung besteht. Der Stopfen 14 weist auf seiner nach innen weisenden
Seite mittig eine Ausnehmung 14A auf. In diese ist ein Stab 15 eingesetzt und gehaltert.
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Dieser Stab 15 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material
gefertigt. Hierfür wird vorzugsweise ein Material verwendet, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
erheblich größer ist als der des Rohres 4. Vorzugsweise wird für die Fertigung des
Stabes 15 Aluminium verwendet. Das zweite Ende des Rohres 4 ist ebenfalls durch
einen Stopfen 16 verschlossen. Dieser ist aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff
gefertigt. Der Stopfen 16 weist einezentrische durchgehende Bohrung 16B auf, die
in der Längsachse der Speicherzelle 1 verläuft.
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In diese Bohrung 16B ist ein Kontaktelement 17 eingesetzt und gehaltert.
Das Kontaktelement 17 ist aus einem elektrisch leitenden Material, z. B., einer
Aluminiumlegierung gefertigt. Das zweite Ende des Stabes 15 ist soweit an das zweite
Ende des Rohres herangeführt, daß es nur einen sehr geringen Abstand von dem Stopfen
16, insbesondere dem Kontaktelement 17 aufweist. Der Abstand zwischen dem Stab 15
und dem Kontaktelement 17 wird gerade so groß gewählt, daß der Stab bei seiner Wärmeausdehnung,
insbesondere bei reiner Längenänderung, die durch eine Temperatur über 3500 Celsius
hervorgerufen wird, mit dem Kontaktelement 17 derart in Berührung kommt, daß eine
elektrisch leitende Verbindung zwischen beiden Bauelementen 15 und 17 erzielt wird.
Auf die nach oben weisende Stirnfläche des Stopfens 16 ist eine Scheibe 18 aufgelegt
und daran befestigt, die aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist.
Diese Scheibe 10 ist so mit dem Stopfen 16 verbunden, daß sie
in
engem Kontakt mit dem Kontaktelement 17 steht und zwischen beiden eine elektrisch
leitende Verbindung ausgebildet ist. Das metallische Gehäuse 2 der Speicherzelle
1, das bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als kathodischer Stromabnehmer
dient, ist über einen elektrischen Leiter 19 mit dieser Scheibe 18 verbunden.
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Alle Bauteile der Speicherzelle 1 sind so miteinander verbunden, daß
die Reaktandenräume gegeneinander und nach außen fest verschlossen und die erforderlichen
elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Bauelementen erzielt werden.
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Die Halterung des Kontaktelementes 17 an dem Rohr 4 kann auch in einer
anderen Weise erfolgen. Esjmuß hierbei lediglich sichergestellt sein, daß das Kontaktelement
17 nur einen geringen Abstand zum zweiten Ende des Stabes 15 aufweist, derart, daß
dieser Abstand durch eine Wärmeausdehnung, bei der der Stab verlagert wird, überbrückt
werden kann. Das Rohr 4R und der Stab 15 können auch aus anderen, als den oben angegebenen
Werkstoffen hergestellt werden. -Es muß lediglich die Bedingung erfüllt werden,
daß der Stab 15 einen größen Wärmeausdehnungkoeffizienten aufweist, als das Rohr
4R.
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Die Speicherzelle ist auch dann funktionsfähig, wenn sie als inverse
Speicherzelle betrieben wird, das heißt, wenn der Anodenraum 6 zwischen den Innenflächen
des Gehäuses 2 und den Außenflächen des Festelektrolyten 3 und der Kathodenraum
5 im Inneren des Festelektrolyten 3 angeordnet ist.
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L e e r s e i t e