-
-
Elektrochemische Sp#eicherzelle
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Speicherzelle
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Solche elektrochemischen Speicherzellen eignen sich sehr gut als Energiequellen.
Sie finden in vermehrtem Maße ihre Anwendung beim Aufbau von Speicherbatterien,
die als Energiequelle von Elektrofahrzeugen vorgesehen sind.
-
Ein spezielles Beispiel für solche Speicherzellen sind solche auf
der Basis von Natrium und Schwefel, die wiederaufladbar sind und einen Festelektrolyten
aus Betaaluminiumoxid besitzen, der ihren Anodenraum von dem Kathodenraum trennt.
Ein Vorteil dieser Speicherzellen besteht darin, daß beim Laden keine elektrochemischen
Nebenreaktionen ablaufen. Der Grund dafür ist, daß nur Natriumionen durch den Festelektrolyten
gelangen können.
-
Die Stromausbeute einer solchen Natrium/Schwefel-Speicherzelle liegt
daher bei etwa 100 %. Bei diesen elektrochemischen Speicherzellen ist das Verhältnis
von Energieinhalt zum Gesamtgewicht einer Speicherzelle im Vergleich zum Bleiakkumulator
sehr hoch, da die Reaktionsstoffe leicht sind, und bei den elektrochemischen Reaktionen
viel Energie frei wird.
-
Aus der US-PS 4247605 ist eine elektrochemische Speicherzelle auf
der Basis von Natrium und Schwefel bekannt, in deren becherförmig ausgebildetem
Festelektrolyten ein Sicherheitsbehälter angeordnet ist. Dieser dient zur Aufnahme
des Natriums. Die Abmessungen des Sicherheitsbehälters sind so gewählt, daß zwischen
seinen Außenflächen und den Innenflächen des Festelektrolyten rundum ein zusammenhängender
Zwischenraum verbleibt, der mit einem als Kapillare wirkenden Material ausgefüllt
ist. An der Unterseite ist der Sicherheitsbehälter mit einer Öffnung versehen, über
die das in ihm enthaltene Natrium in diesen Spalt austreten kann. Vor der Inbetriebnahme
der Speicherzelle ist diese Öffnung durch einen schmelzbaren Werkstoff verschlossen.
Wird die Speicherzelle auf ihre Arbeitstemperatur, insbesondere auf eine Temperatur
um 350 Grad Celsius aufgeheizt, so schmilzt dieses Material und gibt die Öffnung
frei, so daß das Natrium in den Spalt ausströmen kann. Von Nachteil ist hierbei,
daß der die Öffnung verschließende Werkstoff sich beim Schmelzen mit dem in den
Spalt austretenden Natrium vermischt und somit eine Verunreinigung desselben bewirkt.
Diese Verunreinigungen haben eine negative Wirkung auf die Reaktion des Natriums
mit dem Schwefel und beeinflussen die Haltbarkeit der Festelektrolytkeramik nachteilig.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Speicherzelle
mit einem einfach handhabbaren Sicherheitsbehälter für die Aufnahme des Natriums
zu schaffen, der zum einen einen freien Austritt des Natriums in den Festelektrolyten
während des Betriebs der Speicherzelle gewährleistet und zum anderen so ausgebildet
ist, daß eine nachteilige Beeinflussung des Natriums und der Festelektrolytkeramik
vermieden wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Die Verwendung einer Kartusche als Sicherheitsbehälter bietet den
Vorteil, daß diese unabhängig von der übrigen Konstruktion der Speicherzelle gefertigt
und mit Natrium gefüllt werden kann. Gegenüber den bekannten Speicherzellen kann
diese Kartusche unter einer inerten Atmosphäre leichter mit Natrium gefüllt werden,
als dies bei herkömmlichen Speicherzellen der Fall ist. Bei diesen wird der Sicherheitsbehälter
erst dann mit Natrium gefüllt, wenn er im Festelektrolyten angeordnet ist. Nach
dem Einfüllen des Natriums muß er mit aufwenigen Verfahren verschlossen werden.
Bei der Verwendung einer Kartusche ist das Verschließen des Sicherheitsraums relativ
einfach möglich, da diese nur eine Öffnung aufweist, die zunächst als Einfüllöffnung
für das Natrium dient und später als Austrittsöffnung innerhalb der Speicherzelle
verwendet wird. Diese Öffnung ist gegenüber dem Gesamtdurchmesser der Kartusche
relativ klein bemessen, so daß auch der Verschluß nach dem Einfüllen des Natriums
unter einer inerten Atmosphäre keine Probleme mit sich bringt.
-
Bei den Sicherheitsbehältern bekannter Speicherzellen ist nach dem
Füllen derselben immer eine Öffnung zu verschließen, die dem Durchmesser des Sicherheitsbehälters
entspricht. Erfindungsgemäß wird für den Verschluß der Kartusche eine Stopfen aus
Metall verwendet. Für die Herstellung des Stopfens wird vorzugsweise eine Legierung
verwendet, die bei einer Temperatur von 350 Grad temperaturbeständig ist. Hierfür
eignet sich beispielsweise eine MCrAlY-Legierung. Der Stopfen ist im Inneren der
Kartusche mit einem federnden Element, vorzugsweise einer Spiralfeder verbunden,
deren zweites Ende am#zweiten Ende der Kartusche befestigt ist. Vor dem Einbau der
Kartusche
in die Speicherzelle ist das federnde Element gespannt und bleibt auch so lange
gespannt, wie das in der Kartusche enthaltene Natrium fest ist. Wird die Speicherzelle
in Betrieb genommen, insbesondere auf einer Temperatur um 350 Grad Clesius aufgeheizt,
so beginnt das in der Kartusche angeordnete Natrium zu schmelzen, und das federnde
Elemente kann sich jetzt zusammenziehen. Hierdurch wird der Stopfen aus der Öffnung
gezogen und diese für den Durchlaß des Natriums freigegeben. Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Öffnung durch einen Faltenbalg verschlossen, der mit einer
Legierung oder eine Salzschmelze ausgefüllt ist, die bei Raumtemperatur fest ist,
und erst oberhalb einer Temperatur von 150 Grad Celsius zu schmelzen beginnt. Der
zum Verschließen der Öffnung mit einem dieser Werkstoffe gefüllte Faltenbalg wird
beim Erstarren des Werkstoffes gedehnt, so daß er die Öffnung sehr gut verschließt.
Wird die Speicherzelle jedoch auf ihrer Arbeitstemperatur erwärmt, so schmilzt dieser
Werkstoff und der Faltenbalg zieht sich wieder zusammen, so daß er die Öffnung für
den Durchfluß des Natrium in den Festelektrolyten frei gibt.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung durch
eine Metallfolie verschlossen. Nach dem Einbau der Kartusche in die Speicherzelle
und deren Aufheizung auf ihre Arbeitstemperatur wird diese Folie durch den sich
in der Kartusche ausbildenden Druck aufgerissen, so daß die Öffnung frei wird. Die
Druckerhöhung innerhalb der Kartusche wird durch das Natrium bedingt, das beim Erhitzen
der Speicherzelle auf 350 Grad Clesius einer Volumenänderung von 3 % unterworfen
ist, die einen Druckanstieg im Inneren der Kartusche mit sich bringt.
-
Die Verwendung einer solchen Kartusche, deren Öffnung entweder durch
einen Stopfen oder durch eine Metallfolie verschlossen ist, bringt den Vorteil mit
sich, daß sie bei Raumtemperatur gefahrlos gelagert werden kann. Andererseits wird
eine Verunreinigung des aus der Kartusche austretenden Natriums durch einen schmelzenden
Werkstoff vermieden und eine negative Beeinflussung der Festelektrolytkeramik durch
diese Verunreinigungen ausgeschlossen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnung erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1: Eine erfindungsgemäße Speicherzelle, Figur 2:
eine Variante der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, Figur 3: eine weitere
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle.
-
Die in Figur 1 dargestellte Speicherzelle 1 wird im wesentlichen durch
ein metallisches Gehäuse 2, einen Festelektrolyten 3 und einen Sicherheitsbehälter
4 gebildet. Das metallische Gehäuse 2 ist becherförmig ausgebildet und auf seiner
Innenfläche (hier nicht dargestellt) mit einem Korrosionsschutz versehen. Im Inneren
des Gehäuses 2 ist der ebenfalls becherförmig ausgebildete Festelektrolyt 3 aus
Betaaluminiumoxid installiert.
-
Im Inneren desselben ist der Sicherheitsbehälter 4 angeordnet, der
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Kartusche gebildet wird.
Die Abmessungen des Festelektrolyten sind so gewählt, daß zwischen
den
Innenflächen des Gehäuses 2 und den Außenflächen des Festelektrolyten ein zusammenhängender
Zwischenraum 5 verbleibt, der bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als
Kathodenraum dient. Dieser ist mit einem Graphitfilz 6 ausgefüllt, welcher mit Schwefel
(hier nicht dargestellt) getränkt ist.
-
Die im Inneren des Festelektrolyten 3 angeordnete Kartusche 4 ist
an die Form des Festelektrolyten 3 angepaßt.
-
Ihre Abmessungen sind so gewählt, daß zwischen ihr und dem Festelektrolyten
rundum ein schmaler Spalt 7 verbleibt, der mit einem als Kapillare wirkenden Werkstoff,
insbesondere einer Metallwolle 7M ausgefüllt ist. Im Inneren der Kartusche 4 ist
ein stabförmiger Stromabnehmer 8 angeordnet, der weit in die Kartusche 4 hineinreicht,
und mit einem Ende mit der nach oben weisenden Deckfläche 9 der Kartusche 4 elektrisch
leitend verbunden ist. Die Kartusche 4 selbst ist aus einem korrosionsbeständigen
Metall gefertigt. An der nach außen weisenden Deckfläche 9 der Kartusche 4 ist das
anodische Anschlußelement 10 elektrisch leitend befestigt. Die Kartusche 4 weist
an ihrem dem Boden 2B der Speicherzelle 1 zugewandten Ende eine Öffnung 11 auf.
Diese ist bei der hier dargestellten Speicherzelle 1, die noch nicht in Betrieb
genommen ist, durch einen Stopfen 12 verschlossen. Im Inneren der Kartusche 4 ist
der Stopfen 12 mit einem federnden Element 13, insbesondere einer Spiralfeder verbunden,
deren zweites Ende an der Deckfläche 9 der Kartusche befestigt ist. Der Innenraum
der Kartusche ist vollständig mit Natrium (hier nicht dargestellt) ausgefüllt und
dient zusammen mit dem Sicherheitsspalt 7 als Anodenraum 14. Bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel ist das in der Kartusche 4 enthaltene Natrium fest, da sich
diese noch auf Raumtemperatur befindet. Hierdurch wird das sich in gespanntem
Zustand
befindende federnde Element 13 in dieser Position gehalten. Wird die Speicherzelle
auf ihre Arbeitstemperatur, insbesondere eine Temperatur um 350 Grad Clesius aufgewärmt,
so wird das Natrium flüssig und das federnde Element 13 zieht sich zusammen, wodurch
der Stopfen 12 aus der Öffnung 11 gezogen wird, und das Natrium in den Sicherheitsspalt
7 fließen kann. Durch das im Sicherheitsspalt 7 angeordnete kapillare Material wird
das Natrium längs der gesamten Innenfläche des Festelektrolyten 3 verteilt, so daß
diese vollständig mit Natrium benetzt ist, was für die Funktion der Speicherzelle
unbedingt erforderlich ist. Als kathodischer Stromabnehmer dient das metallische
Gehäuse 2, an dessen oberem Ende ein kathodisches Anschlußelement 15 befestigt ist.
Der Verschluß der Speicherzelle nach außenhin erfolgt durch einen Druckring 16 und
einen Kompensationsring 18, die jeweils über eine Glasschicht 17 bzw. 19 an der
Innen- bzw. Außenfläche des Festelektrolyten 3 befestigt sind. Der Kompensationsring
16 ist über die Glasschicht 17 an der Außenfläche des Festelektrolyten 3 befestigt
und so breit gewählt, daß er den Kathodenraum 5 nach außenhin verschließt und mit
dem metallischen Gehäuse verschweißt werden kann. Der Kompensationsring 18 ist über
die Glasschicht 19 an der Innenfläche des Festelektrolyten 3 befestigt und so breit
gewählt, daß er den Sicherheitsspalt 7 zusammen mit der Glasschicht 19 nach außenhin
luftdicht abschließt.
-
Bei der Fertigung der Speicherzelle 1 kann die Kartusche 4 getrennt
von dem übrigen Aufbau der Speicherzelle hergestellt und mit Natrium gefüllt werden.
Erst nach dem Fertigstellen des Kathodenraums und dem Einsetzen des Festelektrolyten
in das metallische Gehäuse 2 sowie der Anordnung der Metallwolle 7M im Innenraum
des Festelektrolyten 3 wird die Kartusche 4 in den Festelektrolyten
3
eingesetzt. Anschließend werden ihre Außenflächen mit dem Kompensationsring 18,
der über die Glasschicht 19 an der Innenfläche des Festelektrolyten befestigt ist,
fest verbunden.
-
In Figur 2 ist eine Variante der erfindungsgemäen Speicherzelle dargestellt.
Der Unterschied zwischen beiden Ausführungsformen besteht lediglich im Verschluß
der Kartusche 4. Gleiche Bauelemente sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Verschluß 12 der Öffnung 11 wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
durch einen Faltenbalg gebildet, der mit einer erstarrten Legierung bzw. einer Salzschmelze
gefüllt ist. Nach dem Einfüllen des Natriums in die Kartusche 4 wird der Faltenbalg
12 mit der flüssigen Legierung bzw.
-
der flüssigen Salzschmelze gefüllt und in die Öffnung 11 gesteckt.
Beim Erstarren der Legierung bzw. der Salzschmelze dehnt er sich aus. Für das Füllen
des Faltenbalgs 12 werden vorzugsweise solche Legierungen bzw.
-
Salzschmelzen verwendet, die erst oberhalb von 150 Grad Celsius zu
schmelzen beginnen. Hierdurch wird auch bei Verwendung eines solchen Verschlusses
sichergestellt, daß die Kartusche bei Temperaturen bis mindestens 100 Grad Celsius
gefahrlos gelagert werden kann. Nach dem Einbau der Kartusche in die Speicherzelle
wird die Öffnung 11 beim Aufheizen der Speicherzelle auf ihre Arbeitstemperatur
durch das Schmelzen der innerhalb des Faltenbalgs angeordneten Legierung bzw. der
Salzschmelze freigegeben, da sich der Faltenbalg 12 beim Flüssigwerden der Legierung
bzw. der Salzschmelze wieder zusammenzieht, und damit die Öffnung 11 für den Ausfluß
des Natrium freigibt.
-
Figur 3 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Speicherzelle.
Gleiche Bauteile sind auch hierbei wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der
Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und den Ausführungsformen, die in den
Figuren 1 und 2 dargestellt sind, besteht ebenfalls nur im Verschluß der Öffnung
11 der Kartusche 4. Die Öffnung 11, die bei der Fertigung der Kartusche 4 zum Einfüllen
des Natriums dient, wird durch eine Metallfolie 12 verschlossen, nachdem selbiges
innerhalb der Kartusche 4 angeordnet ist. Die Dicke dieser Folie ist so bemessen,
daß sie unter der Einwirkung eines definierten Drucks zerreißt und die Öffnung 11
freigeben kann. Wird die Kartusche in eine Speicherzelle 11 eingebaut, und wird
diese Speicherzelle in Betrieb genommen, so wird das in der Kartusche 4 enthaltene
Natrium flüssig. Dies bewirkt eine Volumenvergrößerung des Natrium um etwa 3 %,
die eine Druckerhöhung innerhalb der Kartusche 4 verursacht. Dieser Druckanstieg
reicht aus, um die Metallfolie 12, die vor der Öffnung 11 der Kartusche 4 angeordnet
ist, aufzureißen, so daß das Natrium in den Sicherheitsspalt 7 fließen kann. Die
Metallfolie 12 ist erfindungsgemäß aus einem solchen Material gefertigt, das bei
Temperaturen um 350 Grad Celsius und mehr beständig ist, d.h. nicht selbst zu schmelzen
beginnt und damit keine Verunreinigung des Natriums hervorruft.