DE3941190A1 - Elektrochemische zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektochemische Zelle, insbesondere eine wiederaufladbare elektrochemische Hochtemperatur-Energiespeicherzelle mit einer geschmolzenen Alkalimetallanode.

Die Erfindung liefert eine wiederaufladbare elektrochemische Hochtemperatur-Energiespeicherzelle mit einer geschmolzenen Alkalimetallanode, einer Kathode und einem Separator, der die Anode von der Kathode trennt und ein Leiter des Alkalimetalls der Anode ist, wobei die Zelle ein Gehäuse hat, das durch den Separator in ein Anodenabteil, das die Anode enthält, und ein Kathodenabteil, das die Kathoden enthält, geteilt wird und wobei das Alkalimetall der Anode in einer Umhüllung sitzt, welche das Anodenabteil umfaßt, wobei diese Umhüllung eine Wand oder Wände hat, welche zwei elektronisch leitfähige Teile umfassen, die durch eine elektronisch isolierende Zone getrennt sind, und die Zelle eine Betriebsstellung hat, in welcher sie aufrecht steht und in welcher die Teile senkrecht voneinander durch die Zone getrennt sind, wobei der obere Teil elektronisch an die Kathode durch einen äußeren Kreis angeschlossen ist und diese Zone als Schalter wirkt, der automatisch die Zelle während ihres Betriebes in Abhängigkeit von Veränderungen im Niveau des Alkalimetalls in der Umhüllung über dieser Zone schaltet.

Dieser Schalter kann so angeordnet sein, daß er übermäßiges Aufladen der Zelle verhindert. Stattdessen kann der Schalter so angeordnet sein, daß er ein übermäßiges Entladen der Zelle verhindert. Zweckmäßigerweise umfaßt die Wand oder umfassen die Wände der Umhüllung drei elektronisch leitfähige Teile, die durch zwei elektronisch isolierende Zonen getrennt sind, nämlich einen obersten Teil, einen mittleren Teil und einen unteren Teil, die senkrecht in Reihe voneinander jeweils durch eine obere isolierende Zone und eine untere isolierende Zone im Abstand gehalten werden, wobei der oberste Teil und der mittlere Teil an die Kathode durch äußere Stromkreise angeschlossen sind und die obere bzw. untere Zone jeweils als Schalter wirken, die die Zelle automatisch während ihres Betriebes als Antwort auf Veränderungen im Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung über diesen Zonen schaltet, so daß sowohl übermäßiges Beladen als auch Entladen der Zelle vermieden werden.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Zelle mit einem oberen Teil und einem unteren Teil, wie oben beschrieben, kann der Schalter so angeordnet sein, daß er übermäßiges Beladen der Zelle vermeidet, wobei der obere Teil in der Betriebsstellung der Zelle über dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung im vollbeladenen Zustand der Zelle angeordnet ist, wobei der äußere Stromkreis, durch den der obere Teil mit der Kathode verbunden ist, ein Sicherheitskreis ist und der untere Teil mit der Kathode durch einen äußeren Zellbetriebs-Stromkreis verbindbar ist, so daß nach einer genügenden Zunahme im Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung als Antwort auf die Überladung der Zelle der Spiegel des Alkalimetalls über die Zone in Kontakt mit dem oberen Teil steigt und die Anode mit der Kathode kurzschließt, um weiteres Beladen der Zelle durch den Betriebsstromkreis zu verhindern. Unter äußerem Betriebsstromkreis der Zelle ist der äußere Kreis zu verstehen, durch den die Zelle im Gebrauch normalerweise beladen und entladen wird. Der obere Teil sitzt somit über dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung bei normalem Gebrauch und während des normalen Betriebs unter Anwendung des Betriebsstromkreise fluktuiert der Alkalimetallspiegel, bleibt jedoch unterhalb dem oberen Teil und außer Kontakt damit. Im Falle von übermäßiger Beladung mittels des Betriebsstromkreises steigt der Alkalimetallspiegel über die Zone und kommt in Kontakt mit dem oberen Teil. Dies schließt die Anode mit der Kathode kurz und vermeidet weiteres Beladen der Zelle, wobei ein wahlweiser Widerstand im Sicherheitsstromkreis, der hoch sein kann, übermäßige Kurzschlußströme und die Zellentladung über den Sicherheitsstromkreis vermeidet, bis das Alkalimetall soweit fällt, daß es nicht mehr in Kontakt mit dem oberen Teil ist. Wenn nicht das Laden über den Betriebsstromkreis unterbrochen wird, wird dann die Zelle wieder das Beladen aufnehmen und der obige Zyklus von Abläufen wird zyklisch wiederholt, wobei der Alkalimetallspiegel im Zyklus nach oben und unten wandert in die Kathode und aus der Kathode mit dem oberen Teil.

Bei einer anderen Ausführungsform der Zelle mit einem oberen Teil und einem unteren Teil, wie oben beschrieben, kann der Schalter so angeordnet werden, daß er übermäßigem Entladen der Zelle widersteht, wobei die Zone in Betriebsstellung der Zelle unterhalb dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung im voll entladenen Zustand der Zelle angeordnet ist, wobei der äußere Stromkreis, durch den der obere Teil mit der Kathode verbunden wird, ein Zellbetriebsstromkreis ist, so daß nach einem genügenden Abfall im Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung als Antwort auf übermäßige Entladung der Zelle der Spiegel des Alkalimetalls außer Kontakt mit dem oberen Teil abfällt, um das weitere Entladen der Zelle durch diesen Betriebsstromkreis zu unterbrechen. Somit ist die Zone unterhalb des Spiegels des Alkalimetalls in der Umhüllung bei normalem Gebrauch angeordnet, und der obere Teil wird durch den äußeren Betriebsstromkreis der Zelle mit der Kathode verbunden. In diesem Fall schwankt während des normalen Betriebs über den Betriebsstromkreis der Alkalimetallspiegel, bleibt jedoch oberhalb der Zone in Kontakt mit dem oberen Teil. Im Falle übermäßigen Entladens fällt der Alkalimetallspiegel ab und kommt außer Kontakt mit dem oberen Teil, wodurch der äußere Betriebsstromkreis unterbrochen und ein weiteres Entladen der Zelle verhindert wird. Gewünschtenfalls können der obere Teil und der untere Teil über einen Stromkreis, der einen Widerstand, der hoch sein kann, aufweist, verbunden werden, so daß anstatt der Unterbrechung der Entladung es möglich ist, sie mit sehr geringer Geschwindigkeit fortzusetzen. Dieses Merkmal gestattet das anschließende Wiederbeladen der Zelle, das sonst verhindert werden könnte.

Bei der oben erwähnten Ausführungsform mit drei Teilen und zwei Zonen hat die Wand oder haben die Wände der Umhüllung drei elektronisch leitende Teile, wobei die Teile in Betriebsstellung der Zelle ein oberster Teil, ein mittlerer Teil und eine unterer Teil sind und zwei elektronisch isolierende Zonen, wobei die Zonen in der Betriebsstellung der Zelle eine obere Zone zwischen dem oberen und dem mittleren Teil und eine untere Zone zwischen dem mittleren und dem unteren Teil sind, wobei der oberste Teil mit der Kathode durch einen äußeren Sicherheitsstromkreis und der mittlere Teil mit der Kathode durch einen äußeren Zellbetriebsstromkreis verbunden ist und der oberste Teil in Betriebsstellung der Zelle über dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung in vollbeladenem Zustand der Zelle angeordnet ist und die untere Zone in dieser Betriebsstellung unter dem Spiegel von Alkalimetall in der Umhüllung im voll entladenen Zustand der Zelle angeordnet ist, so daß nach ausreichender Erhöhung des Spiegels von Alkalimetall in der Umhüllung als Antwort auf das Überladen der Zelle der Alkalimetallspiegel über die obere Zone in Kontakt mit dem obersten Teil steigt und die Anode mit der Kathode kurzschließt, um weiteres Beladen der Zelle durch den Betriebsstromkreis zu verhindern und nach einem ausreichenden Abfall des Alikalimetallspiegels in der Umhüllung als Antwort auf übermäßiges Entladen der Zelle der Spiegel des Alkalimetalls außer Kontakt mit dem mittleren Teil abfällt, um weiteres Entladen der Zelle durch diesen Betriebsstromkreis zu unterbrechen. Demgemäß sind diese Teile und Zonen so angeordnet, daß sie sowohl übermäßiges Beladen als auch übermäßiges Entladen verhindern, wobei der oberste Teil und die untere Zone so angeordnet sind, daß sie jeweils überhalb bzw. unterhalb dem Spiegel des Alkalimetalls bei normalem Gebrauch liegen und der oberste Teil durch den äußeren Sicherheitsstromkreis, der gegebenenfalls einen hohen Widerstand aufweist, mit der Kathode verbunden ist, der mittlere Teil durch den äußeren Zellbetriebsstromkreis mit der Kathode verbunden ist und der mittlere und untere Teil gegebenenfalls miteinander über einen Stromkreis verbunden sind, der einen hohen Widerstand aufweist. In diesem Fall wird der Alkalimetallspiegel bei normalem Betrieb auf und ab wandern, und zwar unterhalb dem obersten Teil und über die untere Zone außer Kontakt mit dem obersten Teil und in Kontakt mit dem mittleren Teil. Diese Zelle kombiniert die Merkmale der automatischen Verhinderung von übermäßigem Beladen und widersteht auch übermäßigem Entladen.

Wie oben angegeben, kann der äußere Sicherheitsstromkreis in jedem Falle, wo er angewandt wird, einen Widerstand aufweisen, wodurch der Strom, der von der Anode zur Kathoden entlang des Sicherheitsstromkreises fließt, auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt wird und in jedem Fall, wo ein übermäßiges Entladen vermieden wird, können der unterste Teil und der Teil unmittelbar darüber durch einen Stromkreis für einen kleinen Reststrom verbunden sein, der vom Betriebsstromkreis getrennt ist und einen Widerstand enthält, wodurch die Unterbrechung des Betriebsstromes derart ist, daß der Entladestrom, der durch den Betriebsstromkreis fließt, auf einen kleinen Reststrom vermindert wird.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Zelle kann die Umhüllung eine Verlängerung umfassen, die in Betriebsstellung der Zelle sich nach oben von der Anodenkammer erstreckt und ein Reservoir für das Alkalimetall in Verbindung mit der Anodenkammer bildet, wobei das Reservoir oberhalb dem Niveau der Anodenkammer sitzt und jede isolierende Zone in der Verlängerung vorgesehen ist. In diesem Fall kann das Reservoir mit der Anodenkammer durch ein Rohr von verhältnismäßig kleinem horizontalen Querschnitt relativ zu den horizontalen Querschnitten der Anodenkammer bzw. des Reservoirs verbunden sein und stattdessen oder zusätzlich kann das Reservoir ein Standrohr haben, das nach oben daraus hervorragt und das mit einem Einwegüberdruckventil versehen sein kann. In anderen Worten kann das Reservoir somit mit der Anodenkammer durch ein Rohr verbunden sein, das einen kleineren horizontalen Querschnitt hat, wenn die Zelle sich im Betriebszustand befindet, als diejenigen von Reservoir und Anodenkammer, und das Reservoir kann ein Standrohr haben, das sich nach oben daraus erstreckt, wenn sich die Zelle in ihrer Betriebsstellung befindet, wobei das Standrohr mit einem Einwegüberdruckventil versehen ist. Bei dieser Konstruktion ist bei normalem Gebrauch die Kammer zu allen Zeiten mit Alkalimetall gefüllt und der Spiegel des Alkalimetalls schwankt nach oben und unten im Reservoir. Wenn die Umhüllung nur so angeordnet ist, daß sie übermäßiges Beladen verhindert, bilden Reservoir und das Rohr, das es mit der Anodenkammer verbindet, den unteren Teil, wobei die Zone im Standrohr vorgesehen und der obere Teil durch das Standrohr über der Zone gebildet wird. Wenn die Umhüllung so angeordnet ist, daß sie nur übermäßiges Entladen verhindert, kann das Standrohr weggelassen werden, wobei das Reservoir den oberen Teil bildet und die Zone im Rohr vorgesehen ist, welche das Reservoir mit der Kammer verbindet, wobei der untere Teil durch dieses Rohr unterhalb der Zone gebildet wird. Wenn die Umhüllung so angeordnet ist, daß sie sowohl übermäßiges Laden als auch Entladen verhindert, bildet das Reservoir den mittleren Teil, wobei die obere Zone im Standrohr und die untere Zone in dem Rohr vorliegt, welches das Reservoir mit der Kammer verbindet, wobei das Standrohr oberhalb der oberen Zone den obersten Teil bildet und der untere Teil des Rohres, welcher das Reservoir mit der Kammer verbindet, unterhalb der unteren Zone den untersten Teil darstellt.

Die Zelle kann zusammengesetzte Konstruktion haben, wobei die Anode in eine Mehrzahl von Anodenteilen geteilt ist, die jeweils in ihren eigenen Umhüllungen sitzen und die Kathode in eine Mehrzahl von Kathodenteilen geteilt ist, wobei die Anodenteile voneinander durch die Kathodenteile getrennt sind und die Kathodenteile voneinander durch die Anodenteile getrennt sind, wobei die Anodenteile und die Kathodenteile in einem gemeinsamen Gehäuse sitzen, das durch eine Mehrzahl von Separatoren in eine Mehrzahl von Anodenkammern und eine Mehrzahl von Kathodenkammern getrennt ist, worin jeweils die Anodenteile und die Kathodenteile sitzen, wobei die Anodenteile elektronisch miteinander parallel geschaltet und auch die Kathodenteile elektronisch miteinander parallel geschaltet sind und der obere und oberste Teil der Umhüllungen elektronisch mit den Kathodenteilen auf einem gemeinsamen äußeren Stromkreis verbunden sind. In diesem Falle können die Umhüllungen miteinander kommunizieren, so daß sie oberhalb dem Alkalimetall darin, wenn die Zelle in ihrer Betriebsstellung ist, vom gleichen Druck sind.

Gewöhnlich ist das Alkalimetall Natrium und der Separator kann ein fester Elektrolytleiter für Alkalimetallionen sein, z.B. ein Natriumionenleiter, wie beta-Aluminiumoxid, insbesondere beta′′-Aluminiumoxid oder Nasicon. Wenn die Anode Natrium und der Separator beta-Aluminiumoxid ist, kann die Kathode Schwefel/Natriumsulfid/Polysulfid sein. Stattdessen kann bei einer besonderen Konstruktion, wenn die Anode Natrium und der Separator beta-Aluminiumoxid ist, die Kathode eine elektronisch leitfähige, elektrolytdurchlässige poröse Matrix aufweisen, die mit einem geschmolzenen Natrium-Aluminium-Halogenid-Salzschmelzelektrolyten imprägniert ist, wobei die Matrix darin verteilt eine elektrochemisch aktive Kathodensubstanz aufweist, die in ihrem beladenen Zustand ein Mitglied der Gruppe FeCl₂, NiCl₂, CoCl₂, CrCl₂ und MnCl₂ ist, wobei der Mengenanteil an Natriumionen und Aluminiumionen in dem Salzschmelzelektrolyten so gewählt wird, daß in geladenem Zustand die aktive Kathodensubstanz darin praktisch unlöslich ist. Dies kann leicht bewirkt werden, indem man sich versichert, daß das Al : Na Molverhältnis zu allen Zeiten nicht größer als 1 : 1 ist, was seinerseits leicht erreicht werden kann, indem man sich vergewissert, daß der Elektrolyt zu allen Zeiten bezüglich NaCl gesättigt ist, indem man festes NaCl in Kontakt mit dem Elektrolyten beim geladenen Zustand der Zelle vorliegen hat.

Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine schematische Wiedergabe einer Ausführungsform einer Zelle gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Zelle gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Zelle gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Ansicht einer zusammengesetzten Zelle gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 10 ganz allgemein eine wiederaufladbare elektrochemische Hochtemperaturzelle gemäß der Erfindung. Die Zelle 10 umfaßt ein Gehäuse 12, das durch einen beta′′-Aluminiumoxidseparator 14 in ein Paar Elektrodenabteile geteilt ist, nämlich ein Anodenabteil, das eine Anode 16 enthält, und ein Kathodenabteil, das eine Kathode 18 enthält. In dem gezeigten schematischen Beispiel ist das Gehäuse 12 aus Stahl und enthält zwei Teile, die die Elektrodenabteile definieren und elektronisch voneinander bei 20 isoliert sind.

Die Anode 16 ist geschmolzenes Natrium und die Kathode 18 ist ein poröse Eisenmatrix, die mit geschmolzenem NaAlCl₄ Salzschmelzelektrolyten gesättigt ist und FeCl₂ in ihrem porösen Inneren im beladenen Zustand der Zelle verteilt enthält, zusammen mit einer kleinen Menge an NaCl. Ein Stromsammler 22 ist gezeigt, der von der Kathode in Form eines Stahlstabes hervorragt, der in die Matrix eingebettet ist, und ein Stahlrohr 24 ist gezeigt, das aus dem Anodenabteil hervorragt. Das Rohr 24 führt nach oben zu einem Stahlreservoir 26 mit einem Stahlstandrohr 28, das daraus nach oben hervorragt.

Das Rohr 24 und das Reservoir 26 sind gezeigt, wie sie geschmolzenes Natrium enthalten. Das Reservoir 26, das Rohr 24 und das Natrium darin wirken als Anodenstromsammler. Das Standrohr 28 ist ebenfalls aus Stahl mit Ausnahme des Teils 30 davon, das aus einem elektronisch isolierendem Material ist, nämlich alpha-Aluminiumoxid. Das Standrohr 28 hat ein Einwegüberdruckventil 32 an seinem oberen Ende.

Das Reservoir 26 ist gezeigt, wie es mit dem Stromsammler 22 durch einen äußeren Zellbetriebsstromkreis 34 verbunden ist. Das Standrohr 28 oberhalb des Teils 30 ist mit dem Stromsammler 22 durch einen äußeren Sicherheitsstromkreis 36 verbunden, der einen hohen Widerstand 38 aufweist.

Es ist ersichtlich, daß das Anodenabteil, das Rohr 24, das Reservoir 26 und das Standrohr 28 zusammen eine Umhüllung bilden, welche das geschmolzene Natriumanodenmaterial enthält. Diese Umhüllung hat zwei elektronisch leitfähige Teile, die durch eine elektronisch isolierende Zone getrennt sind, welche durch das Teil 30 des Rohrs gebildet wird, nämlich einen oberen Teil, der vom Stahlteil des Rohres 28 über dem alpha-Aluminiumoxidteil 30 gebildet wird, und einen unteren Teil, der vom Stahlteil des Rohres 28 unterhalb dem alpha-Aluminiumoxidteil 30 und vom Reservoir 26, dem Rohr 24 und dem Anodenabteil gebildet wird.

Bei der Verwendung, wenn die Zelle 10 über den äußeren Betriebsstromkreis 34 beladen und entladen wird, steigt und fällt der Spiegel 40 von Natrium im Reservoir jeweils im Reservoir 26. Die Menge an verwendetem Natrium wird so gewählt, daß dann, wenn die Zelle übermäßig beladen wird, das Natrium im Reservoir 26 in das Rohr 28 steigt. Wenn der Spiegel des Natriums im Rohr 28 über den Teil 30 steigt und in Kontakt mit dem Stahlteil des Rohres 28 über dem Teil 30 kommt, wird die Zelle durch den Sicherheitsstromkreis kurzgeschlossen, was automatisch jedes weitere Beladen der Zelle 10 verhindert. Der Widerstand 38 wird so gewählt, daß ein übermäßiger Strom durch den Stromkreis 36 vermieden wird, es jedoch möglich ist, daß die Zelle 10 durch den Stromkreis 36 schneller entladen wird als sie über den Stromkreis 34 geladen wird. Der Natriumspiegel im Rohr 28 fällt somit, bis er außer Kontakt mit dem Stahlteil des Rohres 28 über dem Aluminiumoxidteil 30 ist. Bei diesem Zustand, wenn nicht das Beladen unterbrochen wurde, wird dann weiteres Laden erfolgen, was wiederum bewirkt, daß der Natriumspiegel im Rohr 28 steigt und dieser Zyklus von Abläufen wird zyklisch wiederholt, bis das Beladen über den Stromkreis 34 unterbrochen wird.

In Fig. 2 bedeuten die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1, wenn nichts anderes angegeben ist. Die Unterschiede zwischen Fig. 1 und 2 sind, daß in der Fig. 2 das Rohr 28 und der Kreis 36 von Fig. 1 weggelassen sind, und daß Fig. 2 im Rohr 24 ein Teil 42 aus alpha-Aluminiumoxid-Isolationsmaterial hat, wobei die Stahlteile des Rohres 24 über- und unterhalb dem Aluminiumoxidteil 42 über einen Stromkreis 42 verbunden sind, der einen Widerstand 46 aufweist.

Beim Gebrauch der Zelle von Fig. 2 wird in entsprechender Weise der Natriumspiegel 40 im Reservoir 26 beim Beladen steigen und beim Entladen abfallen. Im Falle von übermäßiger Entladung fällt der Natriumspiegel in das Rohr 24. Wenn dieser Spiegel so weit abfällt, daß das Natrium außer Kontakt mit dem Stahlteil des Rohres 24 über dem Aluminiumoxidteil 42 gerät, wird der Zellbetriebsstromkreis 34 unterbrochen und weiters Entladen automatisch verhindert mit Ausnahme einer Reststromentladung mit sehr geringer Geschwindigkeit durch den Stromkreis 44. Es ist ersichtlich, daß dann, wenn eine solche Reststromentladung nicht annehmbar ist, der Stromkreis 44 mit einem Schalter versehen sein kann (nicht gezeigt), wodurch der Stromkreis 44 unterbrochen werden kann, wobei der Schalter geschlossen wird, um ein Stromkreis 44 zu schließen (und dadurch den Betriebsstromkreis 34), wenn es erforderlich ist, die Zelle wieder zu laden. Eine solche Beladung wird eine Reststrombeladung sein, bis das Natrium im Rohr 24 soweit steigt, bis es in Kontakt mit dem Stahlteil des Rohres 24 über dem Aluminiumoxidteil 42 ist, wonach die Beladung mit normaler Geschwindigkeit weitergeht.

Es ist auch ersichtlich, daß in Fig. 2 das Anodenabteil, das Rohr 24 und das Reservoir 26 miteinander eine Umhüllung bilden, welche das geschmolzene Natrium-Anodenmaterial enthält. Diese Umhüllung hat zwei elektronisch leitende Teile, die durch eine elektronisch isolierende Zone getrennt sind, welche durch das Teil 42 des Rohres 24 gebildet ist, nämlich einen oberen Teil, der vom Reservoir 26 und dem Stahlteil des Rohres 24 über dem Teil 42 gebildet wird und einen unteren Teil, der durch das Stahlteil des Rohres 24 unterhalb dem Teil 42 und durch das Anodenabteil gebildet wird.

In Fig. 3 bedeuten gleiche Bezugszahlen wiederum gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2, wenn nichts anderes angegeben ist. Übermäßiges Laden wird automatisch in der gleichen Weise wie in Fig. 1 verhindert und übermäßiges Entladen wird automatisch in der gleichen Weise wie in Fig. 2 verhindert.

In Fig. 3 ist ersichtlich, daß eine Umhüllung, die das Natrium-Anodenmaterial enthält, wie in Fig. 1 durch das Standrohr 28, das Reservoir 26, das Rohr 24 und das Anodenabteil gebildet wird. Im Falle von Fig. 3 hat jedoch die Umhüllung 3 elektronisch leitende Teile, die senkrecht in Reihe durch zwei elektronisch isolierende Zonen getrennt sind. Somit gibt es einen obersten Teil, der durch das Stahlteil des Standrohres 28 über dem Teil 30, das eine obere isolierende Zone ist, gebildet wird, ein Mittelteil, das durch das Stahlteil des Rohres 28 unter dem Isolierteil 30, durch das Reservoir 26 und das Stahlteil des Rohres 24 über dem Isolierteil 42, das eine untere Isolierzone bildet, gebildet wird und ein unteres Teil, welches durch das Stahlteil des Rohres 24 unterhalb dem Teil 42 und durch die Anodenkammer bildet wird.

In Fig. 4 ist eine zusammensetzte Zelle gemäß der Erfindung gezeigt, wobei wieder die gleichen Bezugszahlen sich auf die gleichen Teile beziehen wie in Fig. 3. Die zusammengesetzte Zelle ist mit 48 bezeichnet und umfaßt drei getrennte Anodenteile 16, die in Reihe in einem gemeinsamen Gehäuse 12 angeordnet und parallel geschaltet sind.

Jedes Anodenabteil 16 hat ein Paar Separatoren 14 auf seinen entgegengesetzten Seiten und ein Paar von Kathodenteilen 18 auf den entgegengesetzten Seiten davon. Die Kathodenteile 18 zwischen den Anodenteilen 16, die in voller Größe ausgebildete Kathodenteile sind, werden von den Anodenteilen 16 auf entgegengesetzten Seiten davon eingeschlossen, und die Kathodenteile 18 an den Enden der Reihe sind Kathodenteile halber Größe, die jeweils nur auf die benachbarten Anodenteile 16 auf ihrer einen Seite einwirken. Die Separatoren 14 unterteilen das Gehäuse in drei Anodenkammern und vier Kathodenkammern, die jeweils diese Anodenteile 16 und die Kathodenteile 18 enthalten.

Die Reservoire 26 der drei Anodenteile sind drei getrennte Kammern in einem gemeinsamen Stahlgehäuse und ihre Standrohre 28 sind miteinander durch einen Verteiler 50 verbunden, der zu einem einzigen Überdruckventil 32 führt, das eine nach oben gerichtete Verlängerung des Standrohres 28 des mittleren Reservoirs ist und in das sich die drei Reservoire 26 teilen. Jeder Kathodenteil 18 hat seinen eigenen Kathodenstromsammler 22, wobei die Kollektoren 22 entsprechend zu denen in den Fig. 1 bis 3 angeordnet sind, jedoch zur leichteren Darstellung in Fig. 4 als nach unten von ihren jeweiligen Kathodenteilen 18 vorragend dargestellt sind. Die Stromsammler 22 sind in Parallelschaltung angeschlossen an den Stromkreis 34 gezeigt, der zum Gehäuse der Reservoire 26 führt, wobei die Anodenteile 16 am Stromkreis 34 teilhaben. Entsprechenderweise haben die Anodenteile 16 zusammen einen gemeinsamen Sicherheitsstromkreis 36 mit dem Widerstand 38.

Die Zellen der vorliegenden Erfindung können in überbeladenem Zustand gefüllt werden, wie dies in der GB-OS 21 91 322A beschrieben ist. Das anfängliche Beladen kann dann mit der Reststromgeschwindigkeit über die Widerstände 46 erfolgen, bis das Natrium in den Anodenabteilen so weit steigt, daß es in elektronischen Kontakt mit den Reservoiren 26 kommt, worauf dann die Beladung mit voller Geschwindigkeit erfolgt. Natürlich kann die Zelle von Fig. 1 unmittelbar mit voller Geschwindigkeit beladen werden. Um das Beladen bei leerem Anodenabteil zu starten, kann eine Gaze oder ein netzähnlicher Stromsammler (nicht gezeigt), z.B. aus Stahl, in jedem Anodenabteil verwendet werden, die bzw. das gegen den zugeordneten Separator oder die Separatoren 14 an einer Mehrzahl von Stellen gehalten ist, wobei die Gaze mit dem zugeordneten Rohr 24 verbunden ist.

Es ist ein Vorteil der Zellen der vorliegenden Erfindung, daß sie automatisch übermäßiges Beladen und/oder Entladen verbinden oder gewünschtenfalls eine automatische Verminderung der Entladegeschwindigkeit auf einen Reststrom bewirken, wenn die Entladung übermäßig wird. Ein weiterer Vorteil ist die Sicherheit im Falle von Separatorversagen, da das gesamte Natrium in der zugeordneten Anode und dem zugeordneten Reservoir verbraucht werden kann, indem man mit NaAlCl₄ Elektrolyt umsetzt, um feste Reaktionsprodukt zu bilden, nämlich Al und NaCl. Ein noch weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Zellversagen durch Separatorversagen der Stromkreis automatisch geöffnet wird und kein Kurzschluß erfolgt. Dies ist erwünscht für parallel geschaltete Anodenteile und Kathodenteile des Typs, der in Fig. 4 gezeigt ist.

Claims (11)

1. Wiederaufladbare elektrochemische Hochtemperatur- Energiespeicherzelle (10) mit einer geschmolzenen Alkalimetallanode (16), einer Kathode (18) und einem Separator (14), der die Anode von der Kathode trennt und ein Leiter für das Alkalimetall der Anode ist, wobei die Zelle ein Gehäuse (12) hat, das durch den Separator in eine Anodenkammer, welche die Anode enthält, und eine Kathodenkammer, welche die Kathode enthält, getrennt ist, wobei das Alkalimetall der Anode in einer Umhüllung sitzt, welche die Anodenkammer enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung eine Wand oder Wände hat, die zwei elektronisch leitfähige Teile aufweist, die durch eine elektronisch isolierende Zone (30, 42) getrennt sind und die Zelle eine Betriebsstellung hat, in welcher sie aufrecht steht und in welcher die Teile senkrecht voneinander durch die Zone getrennt sind, wobei der obere Teil elektronisch mit der Kathode durch einen äußeren Stromkreis (34, 36) verbunden ist und diese Zone als Schalter wirkt, der während ihres Betriebes die Zelle automatisch in Abhängigkeit von Veränderungen im Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung über der Zone schaltet.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter so angeordnet ist, daß er übermäßiges Beladen der Zelle verhindert, wobei der obere Teil in Betriebsstellung der Zelle über dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung in vollbeladenem Zustand der Zelle angeordnet ist, wobei der äußere Stromkreis (36), durch den der obere Teil mit der Kathode verbunden ist, ein Sicherheitsstromkreis ist und der untere Teil mit der Kathode durch einen äußeren Zellbetriebsstromkreis (34) verbindbar ist, so daß nach ausreichender Erhöhung des Spiegels des Alkalimetalls in der Umhüllung als Antwort auf das Überladen der Zelle der Spiegel des Alkalimetalls über die Zone in Kontakt mit dem oberen Teil steigt und die Anode mit der Kathode kurzschließt und weiteres Beladen der Zelle durch den Betriebsstromkreis verhindert.

3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter so angeordnet ist, daß er übermäßiges Entladen der Zelle verhindert, wobei die Zone in der Betriebsstellung der Zelle unterhalb dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung in voll entladenem Zustand der Zelle angeordnet ist, wobei der äußere Stromkreis, durch den der obere Teil mit der Kathode verbunden ist, ein Zellbetriebsstromkreis (34) ist, so daß nach ausreichendem Abfall des Spiegels des Alkalimetalls in der der Umhüllung als Antwort auf übermäßiges Entladen der Zelle der Spiegel des Alkalimetalls so weit fällt, daß er nicht mehr in Kontakt mit dem oberen Teil ist und so weiteres Entladen der Zelle durch diesen Betriebsstromkreis unterbricht.

4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand oder die Wände der Umhüllung drei elektronisch leitende Teile haben, wobei die Teile im Betriebszustand der Zelle ein oberster Teil, ein mittlerer Teil und ein unterer Teil sind und zwei elektronisch isolierende Zonen (30, 42), wobei die Zonen im Betriebszustand der Zelle eine obere Zone (30) zwischen dem obersten und dem mittleren Teil und eine untere Zone (42) zwischen dem mittleren und dem unteren Teil sind, wobei der oberste Teil mit der Kathode durch einen äußeren Sicherheitsstromkreis (36) und der mittlere Teil mit der Kathode durch einen äußeren Zellbetriebsstromkreis (34) verbunden sind und der oberste Teil in Betriebsstellung der Zelle über dem Spiegel des Alkalimetalls in der Umhüllung in voll beladenem Zustand der Zelle angeordnet ist und die untere Zone in dieser Betriebsstellung unterhalb dem Spiegel von Alkalimetall in der Umhüllung in voll entladenem Zustand der Zelle angeordnet ist, so daß nach ausreichendem Steigen des Spiegels von Alkalimetall in der Umhüllung als Antwort auf das Überladen der Zelle der Spiegel von Alkalimetall über die obere Zone in Kontakt mit dem obersten Teil steigt und die Anode mit der Kathode kurzschließt und weiteres Beladen der Zelle durch den Betriebsstromkreis verhindert und nach ausreichendem Abfallen des Spiegels des Alkalimetalls in der Umhüllung als Antwort auf übermäßiges Entladen der Zelle der Spiegel von Alkalimetall so weit fällt, daß er nicht mehr in Kontakt mit dem mittleren Teil ist und so weiteres Entladen der Zelle durch den Betriebsstromkreis unterbricht.

5. Zelle nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsstromkreis (36) einen Widerstand (38) aufweist, durch den jeder von der Anode zur Kathode entlang dem Sicherheitsstromkreis fließende Strom auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt wird.

6. Zelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Teil und der Teil unmittelbar darüber durch einen Reststromkreis (44) verbunden sind, der vom Betriebsstromkreis (34) getrennt ist und einen Widerstand aufweist, so daß die Unterbrechung des Betriebsstromkreises so wirkt, daß der durch den Betriebsstromkreis fließende Entladestrom auf einen kleinen Reststrom vermindert ist.

7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung eine Verlängerung (21, 26, 28) aufweist, die in Betriebsstellung der Zelle sich nach oben von der Anodenkammer erstreckt und ein Reservoir (26) für das Alkalimetall in Verbindung mit der Anodenkammer bildet, wobei das Reservoir über dem Niveau der Anodenkammer sitzt und jeweils isolierende Zonen (30, 42) in der Verlängerung vorgesehen sind.

8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (26) mit der Anodenkammer in Betriebstellung der Zelle durch ein Rohr (24) verbunden ist, das kleineren horizontalen Querschnitt hat als diejenigen von Reservoir und Anodenkammer.

9. Zelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir ein Standrohr (28) hat, das sich in Betriebstellung der Zelle daraus nach oben erstreckt, wobei das Standrohr mit einem Einwegüberdruckventil (32) versehen ist.

10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zelle (48) von zusammengesetzter Konstruktion ist, wobei die Anode in eine Mehrzahl von Anodenteilen (16) geteilt ist, die jeweils ihre eigene Umhüllung haben und die Kathode in eine Mehrzahl von Kathodenteilen (18) geteilt ist, wobei die Anodenteile voneinander durch die Kathodenteile getrennt sind und die Kathodenteile voneinander durch die Anodenteile getrennt sind, wobei die Anodenteile und die Kathodenteile in einem gemeinsamen Gehäuse (12) angeordnet sind, das durch eine Mehrzahl von Separatoren (14) in eine Mehrzahl von solchen Anodenkammern und eine Mehrzahl von solchen Kathodenkammern geteilt ist, worin jeweils die Anodenteile und die Kathodenteile sitzen und die Anodenteile elektronisch miteinander parallelgeschaltet und die Kathodenteil miteinander elektronisch parallelgeschaltet sind, wobei die oberen oder obersten Teile der Umhüllung elektronisch mit den Kathodenteilen durch einen gemeinsamen äußeren Stromkreis (34, 36) verbunden sind.

11. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungen miteinander kommunizieren, so daß sie in Betriebstellung der Zelle über dem Alkalimetall darin auf gleichem Druck sind.