SE464675B - Elektrokemisk cell - Google Patents

Description

464 675 2 del av separatorn, som skiljer elektrodkamrarna från var- andra, varvid varje gaskammare i alla laddningstillstånd för cellen och vid arbetstemperaturen förutom den inerta gasen in- nehåller vätska över nivån för dess förbindelse med den därmed förbundna elektrodkammaren och innehåller den inerta gasen vid tillräckligt tryck och volym för att kompensera de föränd- ringar i vätskenivån i varje delad elektrodavdelning, vilka är förbundna med laddning och urladdning av cellen.

Vid användning kommer varje förslutbart utlopp från en gaskam- mare att bilda ett utströmningsutlopp för utströmning av gas därifrån. Cellen kommer att vara orienterad i sin arbetsställ- ning så att varje förslutbart utströmningsutlopp eller -myn- ning sticker ut från den därmed förbundna elektrodkammaren vid en nivå vid eller över den del på separatorn. som skiljer elektrodavdelningarna från varandra. Såsom framgår av det föl- jande är avsikten härmed, att möjliggöra utströmning av inne- slutna gaser nära separatorn från cellen för att göra väsent- ligen hela separatorn användbar för transport av anodmaterial.

En av elektrodavdelningarna kommer att utgöra en anodavdel- ning, medan den andra är en katodavdelning. Typiskt omfattar den aktiva anodsubstansen en smält alkalimetall. såsom na- trium. varvid den flytande elektrolyten även är smält och t.ex. omfattar en alkalimetall-aluminiumhalogenid. I detta fall sker en förflyttning av anodsubstansjoner, såsom natrium- joner. genom separatorn från anodavdelningen in i katodavdel- ningen under urladdning, med en därmed förbunden minskning av vätskenivån i anodavdelningen och ökning av vätskenivån i ka- todavdelningen; och en förflyttning av natriumjoner i motsatt riktning genom separatorn vid laddning, vilket ändrar vätske- nivån i motsatt riktning i avdelningarna.

Båda elektrodavdelningarna kan vara uppdelad i en elektrod- kammare och en gaskammare, varvid cellen uppvisar ett under- rede för att uppbära cellen i dess arbetsställning på en plan horisontell bottenyta. 3 464 675 I en speciell utföringsform av cellen är anoden smält natrium och katoden i form av en elektronledande. elektrolytgenom- tränglig grundmassa impregnerad med flytande elektrolyt, var- vid den flytande elektrolyten är en smält saltelektrolyt av natrium-aluminiumhalogenid (t.ex. -klorid) och separatorn är en fast ledare för natriumjoner, såsom beta-alumíniumoxid eller “Nasicon", eller en mikromolekylsil, som innehåller nat- rium sorbetat däri. I denna utföringsform kan grundmassan vara bildad av åtminstone ett element från gruppen omfattande Fe, Ni. Co, Cr och Mn och mellanliggande eldfasta hårda metall- föreningar av dessa övergångsmetaller och åtminstone en icke- -metall från gruppen omfattande kol, kisel, bor, kväve och fosfor.

Med avseende på den fasta ledaren för natriumjoner eller mikromolekylsilen skiljer denna anodavdelningen från katod- avdelningen så att eventuell aktiv anodsubstans, såsom nat- rium. som förflyttas från anoden till elektrolyten eller i motsatt riktning. måste passera genom den inre kristallstruk- turen i den fasta ledaren eller genom det mikroporösa inre i mikromolekylsilen, allt efter omständigheterna, varvid den passerar i atomform genom gränsytan mellan anod och separator och i jonform genom gränsytan mellan elektrolyt och separator.

Med uttrycket "mikromolekylsil" avses en molekylsil med sins- emellan förbundna hålrum och/eller kanaler i sitt inre och porer på sin yta, vilka leder till hålrummen och kanalerna, varvid porerna. hålrummen och/eller kanalerna har en storlek av högst 50 Å och företrädesvis mindre än 20 Å. Sådana silar omfattar mineraliska míkromolekylsilar, såsom tektosilikater, exempelvis zeoliterna 13X, 3A och 4A.

För denna typ av cell är separatorn typiskt utformad som ett rör och sluten vid den ena änden, varvid cellen har sin yttre behållare eller hölje anordnad koncentriskt runt röret, med röret väsentligen vertikalt och den slutna änden vid använd- ning nederst, varvid en elektrodavdelning är anordnad inne i röret och den andra är anordnad mellan röret och höljet. 464 675 4 Anoden kan vara i röret med katoden utanför röret eller tvärtom. I denna typ av cell är det lämpligt att ha båda elektrodkamrarna uppdelade i en gaskammare och en elektrod- kammare enligt ovanstående beskrivning. Följaktligen kan i en _ speciell utföringsform av uppfinningen separatorn vara ett rakt rör med en öppen ände och en sluten ände, varvid cellen , har ett slutet yttre hölje, som omger röret och är på avstånd därifrån för att åstadkomma ett utrymme mellan röret och höljet, vilket avgränsa: en av elektrodavdelningarna, varvid den öppna änden på röret uppvisar en tillsluten förslutning och det inre i röret avgränsar den andra elektrodavdelningen och varvid röret och höljet är anordnade så att röret är utsträckt väsentligen vertikalt med sin slutna ände nederst vid cellen i arbetsställning. Även om man speciellt förordar att ha båda elektrodavdelning- arna uppdelade i en gaskammare och en elektrodkammare, under- förstås att fördelar kan erhållas om endast den ena elektrod- avdelningen är uppdelad i en gaskammare och en elektrodkammare och att denna möjlighet omfattas av uppfinningen. I ifrågava- rande typ av cell med en smält natriumanod kommer volymen för den smälta natriumanoden att minska under urladdníng, medan nivån för den flytande elektrolyten ökar på motsvarande sätt, varvid volymen för anoden ökar, under laddning, medan nivån för elektrolyten minskar. Denna förändring av volym eller nivå kompenseras genom förändringar i volym för den inerta gasen i de två gaskamrarna, medan de två elektrodkamrarna hålles väsentligen fyllda av vätska (smält anodsubstans, såsom natrium resp. flytande elektrolyt) vid alla tidpunkter, så att de motsatta sidorna på separatorn, vilka är frilagda mot anod- och katodkamrarna, är helt vätta av vätska vid alla tidpunkter. Detta möjliggör funktionell användning av hela separatorns tillgängliga area för jontransport vid alla sta- dium av laddning och urladdníng, varvid cellens totala inre resistans erhållen genom separatorn hålles vid sitt minimum vid alla tidpunkter.

Vid en speciell konstruktion av cellen kan elektrodavdelning- en, som avgränsas av det inre i röret, uppvisa en rörformig 5 464 675 skiljevägg med den ena änden därtill sluten mot den förslutna tillslutningen i röret och med den andra änden öppen och på avstånd från och vänd mot rörets slutna ände. varvid det inre i skiljeväggen avgränsar gaskammaren i elektrodavdelningen. det inre i röret utanför skiljeväggen avgränsar elektrodkamma- ren i avdelningen, varvid kamrarna står i förbindelse över den öppna änden till skiljeväggen och det förslutbara utloppet från elektrodkammaren är anordnat i rörförslutningen. Elek- trodavdelningen, som avgränsas av utrymmet mellan röret och höljet. kan i sin tur uppvisa en rörformig skíljeväqg. som sträcker sig längs dess inre och på avstånd från både höljet och röret, varvid den rörformiga skiljeväggen har den ände, som är närmast rörets öppna ände, förseglad mot höljet och dess andra ände öppen, varvid utrymmet mellan den rörformiga skiljeväggen och röret avgränsa: elektrodkammaren i avdelning- en och utrymmet mellan den rörformiga skiljeväggen och höljet avgränsar gaskammaren i elektrodavdelningen.

Såsom nämnts ovan är med avseende på cellens elektrokemiska funktion anodsubstansen företrädesvis en alkalimetall, varvid elektrolyten är en metallhalogenid och separatorn är en fast ledare för alkalimetalljonerna från anoden eller en mikromole- kylsil, som innehåller anodens alkalimetall sorberad däri.

Företrädesvis är anodens alkalimetall natrium, varvid elektro- lyten är en natrium-aluminiumhalogenid, separatorn är beta"- -aluminiumoxid och den aktiva katodsubstansen omfattar åt- minstone en övergångsmetall vald från gruppen omfattande Fe, Ni. Co. Cr och Mn. Katoden kan vara i form av en porös grund- massa impregnerad med elektrolyten. varvid molproportionen alkalimetallkatjoner i elektrolyten vid alla laddningstill- stånd för cellen är minst molproportionen aluminiumkatjoner däri. Då elektrolyten är en natrium-aluminíumklorid kan detta åstadkommas genom att man fyller katodavdelníngen med till- räcklig mängd natriumklorid för att fast natriumklorid skall vara närvarande och i kontakt med den flytande elektrolyten under alla laddníngstíllstånd. Denna natriumklorid i fast form bör vara närvarande vid åtminstone alla urladdningstillstånd andra än celllens helt laddade tillstånd. 464 675 6 Ett förfarande för att fylla på en cell enligt ovanstående be- skrivning omfattar tillsats av en aktiv katodsubstans och en elektrolyt till den ena elektrodavdelningen, varvid cellen är orienterad till sin arbetsställning, och åtminstone delvis påfyllning av vardera gaskammaren med en inert gas. varvid mängderna aktiv katodsubstans, elektrolyt och inert gas, som påfylles i cellen, väljes så att upphettning av cellen till dess arbetstemperatur och laddning och urladdning av cellen medför att varje gaskammare kommer att innehålla inert gas under tryck och en vätska och att elektrodavdelningarna, efter utströmning av eventuell gas närvarande i varje elektrod- kammare därifrån genom det därmed förbundna förslutbara utloppet. kommer att innehålla tillräcklig mängd vätska för att helt väta båda sidorna på den del av separatorn, som skiljer elektrodavdelningarna från varandra.

Såsom nämnts ovan är företrädesvis båda elektrodavdelningarna uppdelade i en gaskammare resp. en elektrodkammare och volymen av aktiv katodsubstans och elektrolyt, som tillföres till katodavdelningen, är större än volymen för katodkammaren i katodavdelningen, då cellen är i sitt laddade tillstånd.

Eventuellt kan anodsubstans samtidigt tillföras till den andra elektrodavdelningen, dvs. anodavdelningen, varvid dess volym väljes så att anodsubstansens volym vid cellen i sitt urladda- de tillstånd är större än anodkammarens volym i anodavdelning- en. I båda elektrodavdelningarna kommer gaskamrarna att inne- hålla inert gas, varvid den ena elektrodavdelningen innehåller katoden och den flytande elektrolyten och den andra elektrod- kammaren eventuellt innehåller anodsubstans. Ytterligare steg vid montering av cellen kommer att bero på laddningstillstån- det för katodsubstansen, då denna tillföres.

Om katodsubstans påfylles i fullt laddat tillstånd kommer tillräcklig mängd anodsubstans från början att tillföras till anodavdelningen för att täcka och väta hela den yta på separa- torn, vilken är frilagd mot anodkammaren efter att cellen är urladdad. Om katodsubstansen tillföres i överurladdat till- 464 675 stånd, behöver ingen anodsubstans tillföras till anodavdel- ningen. men volymen ör den aktiva katodsubstansen och volymen för anodkammaren i anodavdelningen bör väljas så att laddning av cellen från dess överurladdade tillstånd till dess urladda- de tillstånd medför transport av en volym anodsubstans genom separatorn till anodavdelningen. vilken är större än anodkam- marens volym. Om katodsubstansen tillföres i ett mellanliggan- de laddningstillstând kan en däremellan liggande mängd anod- substans tillföras till anodavdelningen. vilken på nytt väljes så att det, då cellen är helt urladdad, kommer att finnas en volym anodsubstans i anodavdelningen. vilken är större än anodkammarens volym.

Efter påfyllning bör den inerta gasen i gaskamrarna sättas under tryck. Eftersom föreliggande celler är hög*cm; retur- celler äger detta automatiskt rum då de uppväríff " "" ~Ä: arbetstemperatur. Cellerna bör därefter föras _ stone en laddnings/urladdningscykel.

Om katodsubstansen påfylles i urladdat tills:'¿d kommer den första halva cykeln att vara en laddningscykei wzh vid slutet av denna laddningscykel öppnas anodkammarens utsfrömningsöpp- ning och eventuell inert gas däri utströmmar för att säker- ställa att anodsubstansens nivå stiger i anodkammaren tills ytan på separatorn frilagd mot anodkammaren är helt vätt med anodsubstans och kammaren är väsentligen fylld med anodsub- stans. Utströmningsöppningen tillslutes därefter. Cellen urladdas därefter och vid slutet av urladdningscykeln öppnas katodkammarens utströmningsöppning och eventuell inert gas däri får utströmma tills katodkammaren är väsentligen helt fylld med flytande elektrolyt och ytan på separatorn vänd mot katodkammaren är helt vätt med flytande elektrolyt. Om katoden från början är överurladdad kan anodavdelningen vara tom på anodsubstans vid den första laddningscykelns början eller kan innehålla en startmängd anodsubstans och gas i anodkammaren bör få utströmma då cellen har laddats från sitt överurladdade tillstånd till sitt urladdade tillstånd. Om så önskas kan naturligtvis båda kamrarna befrias från inert gas innan den 464 675 8 första laddningscykeln börjar, om inert gas i gaskamrarna har satts under tryck genom upphettning av cellen till arbetstem- peraturen, och gas kan få utströmma på nytt från både anodkam- maren och katodkammaren efter påföljande laddnings- resp. urladdníngscykler för att säkerställa att ingen gasökning sker däri och för att säkerställa att hela separatorns tillgängliga area förblir tillgänglig för användning.

Då katodsubstansen påfylles i helt laddat tillstånd kommer anodsubstans även att påfyllas och den första halvcykeln kommer att vara en urladdningscykel. Katodkammaren kan befrias från gas vid slutet av denna urladdningscykel och anodkammaren kan befrias från gas vid slutet av nästa laddningshalvcykel, med påföljande gasutströmningar om så önskas. Då katodsubstan- sen pâfylles i delvis laddat tillstånd, kan den från början laddas eller urladdas allt efter önskan, varvid anodkammaren (som kommer att påfyllas med en delmängd anodsubstans) befrias från gas efter den första eller de första två laddningscykler- na och efter varje senare laddningscykel, om så önskas, och katodkammaren befrias från gas efter den första eller de två första urladdningscyklerna och, om så önskas, efter varje påföljande urladdningscykel.

Det bör speciellt noteras att då cellen påfylles med en över- urladdad katodsubstans och ingen anodsubstans påfylles, har ovan beskrivna förfarande den fördelen. att den reaktiva anodsubstansen ej behöver hanteras. Det har även noterats att ovanstående förfarande, även om det beskrivits för båda elektrodavdelningarna, naturligtvis kan utföras för endast den ena. varvid vid endast en elektrodavdelning i cellen uppdelad i en gaskammare och en elektrodkammare denna kammare befrias från gas efter den första halvcykeln, vilken tenderar att fylla den med vätska, och senare, om så önskas. Det är även i princip möjligt att låta gas utströmma från anodkammaren under en laddningscykel och låta gas utströmma från katodkammaren under en urladdningscykel, i stället för eller förutom att låta gas utströmma vid slutet av dessa cykler. varvid utström- ningsöppningen tillslutes då all gas utströmmat från ifråga- varande kammare. 464 675 Uppfinningen beskrives nu såsom exempel med hänvisning till den åtföljande schematiska ritningen, på vilken den enda figu- ren visar en tvärsnittsvy genom behållaren i en återuppladd- ningsbar elektrokemisk högtemperaturcell i enlighet med före- liggande uppfinning.

På ritningen betecknas cellbehållaren allmän med hänvis- ningsbeteckningen 10 och visas bruten mittpå sin längd, varvid den typiskt har en yttre diameter av ca 40-60 mm och en längd av ca 30-60 cm. Den visade behållaren är avsedd för en cell med ett smält natriumanodmaterial, en flytande elektrolyt av natrium-aluminiumklorid och en aktiv katodsubstans, som i sitt urladdade tillstånd omfattar en elektrolytgenomtränglig porös grundmassa innehållande FeCl2, NiC12 eller FeCl2/NiCl2 fördelad däri och mättad med elektrolyten. varvid grundmassan har tillräcklig mängd finfördelad NaCl fördelad däri för att säkerställa, att elektrolyten vid alla laddningstillstånd för katodsubstansen är en ekvimolär blandning av Nacl och AlC13, dvs. NaA1Cl4.

Cellbehållaren 10 omfattar ett yttre hölje 12 av mjukt kolstål med ett underrede i form av en list 13 för uppbärande därav i en upprätt arbetsställníng på en horisontell bottenyta (visas ej). Höljet 12 är genom svetsning fäst vid ett säte 14 av mjukt kolstål för höljet vid höljets 12 överdel. sätet 14 är tillslutet genom ett ringformigt övre höljelock 16 av rost- fritt stål eller aluminium, vilket är svetsat därvid. Locket 16 uppvisar en polklämma 18 av rostfritt stål eller aluminium, allt efter omständighet, vilken är svetsad därvid. Ett separa- torrör 20 av beta"-aluminiumoxid, vilket är öppet vid den ena änden. är anordnat koncentriskt inne i höljet 12, varvid den öppna övre änden på röret 20 är glassvetsad vid en alfa-alumi- niumoxidring 22, vilken ring ligger an med lös passning vid 24 mot en inre krökt yta anordnad därför på sätet 14.

Röret 20 är tillslutet genom ett förslutningsorgan 26 av mjukt kolstål. Detta förslutningsorgan 26 klämmer fast ringen 22 mot 464 675 1° en skuldra 28 på sätet 14 och förslutningsorganet 26 är i sin tur fastklämt på plats genom locket 16. Förslutningsorganet 26 innehåller en upprättstående central muff 30 därigenom. inom vilken en rörformig hylsa 32 av rostfritt stål eller aluminium är fastsvetsad. Denna hylsa är tillsluten genom en skiva 34 av rostfritt stål eller aluminium, vilken bär en uppåt utskjutan- V) de polklämma 36 av rostfritt stål eller aluminium. Den nedre änden på hylsan 32 skjuter ned under nivån för organet 26 och uppvisar en radiellt utåtskjutande perifer fläns 38, mot vilken ett inre rör 40 av mjukt kolstål är svetsat. Röret 40 har ett nickelnät 42 tätt lindat runt sin yttre yta. organet 26 är fäst vid ringen 22 genom en O-ring 44 av nickel, vilken är anordnad i ett perifert spår 40 i den nedre ytan på organet 26 och ringen 22 är i sin tur fäst vid sätet 14 genom en 0-ring 48 av nickel, som befinner sig i en fals avgränsad av en ringformig skuldra 50 i sätet 14 gränsande till skuldran 48. Locket 16 är elektriskt isolerat från organet 26 med hjälp av en ringformig glimmerskiva 52 och organet 26 är elektriskt isolerat från sätet 14 genom en glimmerring 54. O-ringen 44 av nickel vilar i spåret 46 på organet 26 över en ringformig grafitskiva 56 (grafoil) och på ringen 22 över en ringformig aluminiumskiva 58, varvid O-ringen 48 på liknande sätt vilar på skuldran 50 över en ringformig grafitskiva 60 och på ringen 22 över en ringformig aluminiumskiva 62.

Ett inre hölje 64 av mjukt kolstål, som är svetsat vid höljet 12 och sätet 14, är anordnat koncentriskt runt röret 20 och inne i höljet 12, åtskilt därifrån genom ringformiga utrymmen.

Den nedre änden på höljet 64 är tillsluten genom en skiva 66 av aluminium med en central öppning 68 därigenom, varvid ski- van 68 vilar på en radiellt inåtgående perifer fläns 70 vid den nedre änden på höljet 64. öppningen 68 fungerar för att begränsa strömningen mellan de ringformiga utrymmena, t.ex. vid cellskada. En bottenskiva 72 av mjukt kolstål är svetsad vid och tillsluter den nedre änden på höljet 12.

Muffen 30 skjuter utåt från den centrala öppningen till locket 16 och längs med muffen finns ett utströmningsutlopp eller _ 11 464 675 -mynning anordnat genom ett rör 74 av mjukt kolstål, vilket är svetsat i ett hål i organet 26. Röret 74 har en på insidan gängad yttre ände försedd med en tillslutningsskruv 76 och en tätningsring 78 av guld. Ett utströmningsutlopp eller -mynning genom sätet 14 är anordnat genom en gängad passage 80 genom sätet 14 omedelbart under skuldran 50. Denna passage 80 har en gängad yttre ände försedd med förslutningsskruven 82 och är försedd med en tätningsring 84 av aluminium. Passagen 80 leder in i överdelen av ett ringformigt utrymme mellan röret 20 och sätet 14, vilket bildar en yttre förlängning av det ringformi- ga utrymmet mellan röret 20 och höljet 64.

Behållaren 10 är avsedd att användas för en cell av typen med s.k. inre katod, varför den porösa katodgrundmassan (visas ej) kommer att bildas på den yttre ytan på röret 40, varvid nätet 42 inbäddas i denna grundmassa och nätet 42 och röret 40 fun- gerar såsom katodströmavtagare. Höljena 12 och 64 kommer i sin tur att fungera såsom anodströmavtagare.

Härvid bör noteras att röret 20 uppdelar behållaren 10 i en inre cylindrisk katodavdelning, inne i röret 20, och en yttre ringformig anodavdelning, mellan röret 20 och höljet 12. Röret 40 uppdelar i sin tur katodavdelningen i en gaskammare, som avgränsas av det inre på röret 40 och av hylsan 32, och en katodkammare, som avgränsas av det inre i röret 20 utanför röret 40; och höljet 64 uppdelar anodavdelningen i en gaskam- mare mellan höljet 64 och höljet 12 och en anodkammare mellan höljet 64 och röret 20.

För att vid användning montera cellen vakuumimpregneras katod- grundmassan lämpligen med vätskeformig elektrolyt in situ, genom röret 64, eller kan denna vara förimpregnerad utanför cellen innan den införes i behållaren. Det inre i röret 20 kan därefter fyllas med en inert gas, såsom argon eller kväve, och därefter påfyllas med smält flytande elektrolyt. Företrädesvis är katoden i ett överurladdat tillstånd och tillräcklig mängd elektrolyt matas till röret 20 för att fylla röret 20 utanför röret 40 och för att delvis fylla röret 40 (varvid behållaren 464 675 12 10 är i upprätt arbetsställning, såsom visas på ritningen), varvid gasen i röret 40 är under tryck och varvid volymen av den aktiva katodsubstansen och elektrolyten är tillräcklig för att det fortfarande. då cellen är helt laddad, skall finnas viss mängd elektrolyt i den nedre änden på röret 40. I stället kan flytande elektrolyt införas i röret 20 i fast partikelform för att fylla röret 20 utanför röret 40 och delvis fylla röret 40. varefter den smältes in situ då cellen uppvärmes till sin *J arbetstemperatur. Detta kommer automatiskt att sätta den inerta gasen inne i röret 40 under tryck och eventuell inert gas utanför röret 40 kan utströmma från röret 20 genom röret 74 då cellen har uppnått sin arbetstemperatur.

Behållaren 12 utanför röret 20 kan fyllas med inert gas genom röret 80 och en startmängd partíkelformigt eller fast natrium tillföras till höljet 12 genom röret 80, vilken mängd. vid smältning, är tillräcklig för att elektriskt ansluta den nedre änden på röret 20 till höljet 64 och/eller skivan 66. I stäl- let kan en liten grafitfilt eller metallnät (visas ej) anord- nas inne i anodavdelningen, t.ex. mellan röret 20 och skivan 66 så att dessa förbindes elektriskt med varandra.

Om cellen vid sin arbetstemperatur föres från sitt överurlad- dade tillstånd till sitt urladdade tillstånd, kommer natrium- joner att vandra från den flytande elektrolyten in i den inre kristallstrukturen i separatorröret 20 och natriummetall att passera från den yttre ytan på röret 20 in i anodavdelningen.

Då det urladdade tillståndet uppnås kan inert gas i utrymmet mellan röret 20 och höljet 64, om så önskas, få utströmma från detta utrymme genom passagen 80, varefter röret tillslutes.

Katodens kapacitet väljes, tillsammans med volymerna för utrymmena mellan höljet 12 och höljet 64 resp. mellan höljet 64 och röret 20, så att det, då cellen är i sitt urladdade tillstånd, finns tillräcklig mängd natrium i anodavdelningen för att fullständigt utfylla utrymmet mellan röret 20 och höljet 64 och för att delvis utfylla utrymmet mellan höljet 64 och höljet 12, varvid den inerta gasen, som blir kvar mellan höljena 12 och 64, är under tryck. På liknande sätt väljes 13 464 675 volymen för katoden och elektrolyten så att röret 20 utanför röret 40. då cellen är helt laddad, fortfarande är helt fyllt med elektrolyt och så att röret 40 kommer att innehålla någon mängd elektrolyt och inert gas under tryck.

Efter att den första utströmningen av gas från anodkammaren ägt rum kommer cellen att laddas till sitt laddade tillstånd, varvid mer natrium passerar genom röret 20 från katodavdel- ningen in í anodavdelningen så att elektrolytnivån kommer att falla i katodgaskammaren, som bildas av röret 40, och nivån natrium kommer att öka i anodgaskammaren mellan höljena l2 och 64, Då cellen är helt laddad kan anodkammaren åter eventuellt befrias från gas genom passagen 80.

Under nästa urladdningscykel för cellen kommer natrium att vandra genom separatorröret 20 från anodavdelningen in i katodavdelníngen. Nivån för natrium i anodgaskammaren mellan höljena 12 och 64 kommer att falla, medan natriet i anodkamma- ren mellan röret 20 och höljet 64 kommer att bli vid sin högsta nivå. varvid det hålles där genom trycket från den inerta gasen i anodgaskammaren. Då natrium i jonform vandrar in i katodkammaren stiger nivån för den flytande elektrolyten i röret 80 och inert gas i katodgaskammaren, som bildas av röret 40 och hylsan 33, sättes under tryck. I slutet av denna urladdningscykel får eventuell gas i röret 20 utanför röret 40 utströmma genom röret 74, varvid elektrolyten stiger i röret 20 utanför röret 40 under påverkan av gastrycket i röret 40 och hylsan 32. Ytterligare gasutströmningar genom passagen 80 och röret 74 kan äga rum efter påföljande laddnings- och ur- laddningscykler, om så önskas.

En fördel med uppfinningen är att en cell åstadkommas, vari säkerstâlles att både ytan på separatorn, vilken är frilagd mot anodavdelningen, och ytan på separatorn, vilken är frilagd mot katodavdelníngen. vid alla laddnings- och urladdnings- tillstånd hela tiden är helt vätta av flytande natrium resp. flytande elektrolyt. En ytterligare speciell fördel är att cellen. i det fall då katoden införes i sitt överurladdade 464 675 14 tillstånd, dvs. då den är en järn-, nickel- eller järn/nickel-grundmassa innehållande ett överskott av NaCl fördelad däri, och den flytande elektrolyten innehåller Al. t.ex. i partikelform däri, kan monteras utan behov av att hantera metalliskt natrium, varvid cellbeståndsdelarna, speciellt om katoden införes i kallt tillstånd och förim- pregnerad med elektrolyten. och den vätskeformiga elektrolyten införes i kallt tillstånd i partikelform, är helt säkra att hantera. Det är även onödigt att vid något steg evakuera cel- len under införandet då inert gas användes och katodgrund- massan är förimpregnerad med flytande elektrolyt utanför cellen.

Slutligen bör noteras att det ovan beskrivna förfarandet för påfyllning av en cell av typen med inre katod likaväl kan tillämpas på en cell med yttre katod; uppsugning av natrium erfordras ej eftersom inert gas under tryck i anodgaskammaren håller natríumnivån vid den önskade höjden vid alla tidpunk- ter; det bör även noteras att backventiler i princip kan er- sätta förslutningsskruvarna 76 och 82.

I en förbättring av uppfinningen är företrädesvis vardera elektrodkammaren under tryck till väsentligt över atmosfärs- tryck, t.ex. till ett tryck av ca 3-6 atm. Detta kan åstadkom- mas genom påfyllning av en lämplig mängd natriumazid i vardera elektrodkammaren och upphettning av cellen till en tillräck- ligt hög temperatur över 320°C. för att sönderdela natrium- aziden. Natriumazid är NaN3 och sönderdelas inom temperatur- området 280-320°C enligt formeln: ZNaNB -----> ZNa + 3N2 (natriumazid) (natrium) (inert gas) Natriumaziden kan införas i cellen innesluten i en lämplig metallfolie (t.ex. nickelfolie) kombinerbar med cellmiljön. i form av en tablett innehållande inert bindemedel eller liknan- de. Den anordnas företrädesvis på plats i vardera gaskammaren ovanför de maximala förväntade vätskenivåerna i gaskamrarna, 15 464 675 t.ex. såsom visas vid 86 och 88 på figuren. Natriumaziden kan införas i cellen vid vilket lämpligt steg som helst vid på- fyllningen av cellen, t.ex. före tillförsel av flytande elektrolyt till katodavdelningen och före tillförsel av eventuellt natrium till anodavdelningen.

Då cellen upphettas till sin arbetstemperatur kan den upp- hettas till en temperatur, t.ex. något över 320°C, som är tillräcklig för att sönderdela natriumaziden. Detta förorsakar frigörande av kväve (inert gas), som kommer att sätta elektrodavdelningarna under tryck till en väsentligt större grad än enbart upphettning till den normala arbetstemperaturen.

Pâfyllníng av cellen kommer i övrigt att vara väsentligt enligt ovanstående beskrivning och elektrodkamrarna befrias från gas enligt tidigare beskrivning. även om gas vid högre tryck kommer att frigöras. Tillräcklig mängd natriumazid kommer att tillföras för erhållande av önskade trycknivåer och natrium bildat genom sönderdelningen förorsakar inga problem.

De förhöjda trycken säkerställer att båda sidor om separatorn hela tiden är helt vätta genom att vätska under tryck pressas in i elektrodkamrarna.

Claims (8)

464 675 16 Patentkrav

1. l. Återuppladdningsbar elektrokemisk energilagringscell av högtemperaturtyp. vilken omfattar en cellbehâllare (10), som uppdelas av en separator (20) i ett par elektrodavdelningar, varav den ena innehåller en anodsubstans och den andra inne- håller en aktiv katodsubstans och en elektrolyt, varvid anod- substansen och elektrolyten är flytande vid cellens arbets- temperatur och varvid separatorn skiljer anodsubstansen från elektrolyten och möjliggör för anodsubstans att passera från anodavdelningen till katodavdelningen i jonform, k ä n n e - t e c k n a d av att åtminstone en av avdelningarna är upp- delad i två kommunicerande kammare, nämligen en gaskammare, som innehåller en inert gas, och en elektrodkammare, som innehåller en vätska vid cellens arbetstemperatur, varvid en vägg i elektrodkammaren åstadkommas av separatorn (20) och varvid elektrodkammaren har förslutbara utlopp (74, 80) till cellens utsida. varvid cellen har en arbetsställning, vid vilken varje förslutbart utlopp sticker ut från den därmed förbundna elektrodkammaren vid en nivå. som möjliggör för eventuell gas under tryck ovanför en vätska i kammaren att utströmma från kammaren. och vid vilken arbetsställning för- bindelsen mellan varje elektrodkammare och den därmed förbund- na gaskammaren är vid en nivå på avstånd under överdelen i den förbundna gaskammaren. varvid cellen vid alla laddningstill- stånd i denna ställning och vid dess arbetstemperatur inne- håller tillräcklig mängd vätska i vardera av de uppdelade elektrodavdelningarna för att helt väta den angränsande sidan på den del av separatorn. som skiljer elektrodavdelningarna från varandra. varvid vardera gaskammaren i alla laddnings- tillstånd för cellen och vid arbetstemperaturen förutom inert gas innehåller vätska ovanför dess förbindelsenivä med den därmed förbundna elektrodkammaren och innehåller denna inerta gas vid sådant tryck och i sådan volym, att förändringar i vätskenivån i vardera av de uppdelade elektrodavdelningarna. vilka är förbundna med laddning och urladdning av cellen. h! kompenseras. “ 464 675

2. Cell enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att båda elektrodavdelningarna är uppdelade i en elektrodkammare och en gaskammare och att cellen har ett underrede (72) för att upp- bära cellen i dess arbetsställning pâ en plan horisontell bäraryta.

3. Cell enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att sepa- ratorn är ett rakt rör (20) med en öppen ände och en sluten ände. att cellen har ett tillslutet yttre hölje (12), som omger röret och är anordnat på avstånd därifrån för att ge ett utrymme mellan höljet och röret, vilket avgränsar den ena elektrodavdelningen, att den öppna änden på röret uppvisar ett tillslutet lock (26) och att det inre i röret avgränsar den andra elektrodavdelningen, och att röret och höljet är så anordnade. att röret vid cellens arbetsställning sträcker sig väsentligen vertikalt med sin slutna ände nederst.

4. Cell enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att elektrodavdelningen, som avgränsas av det inre i röret, har en rörformig skiljevägg 40, som är utsträckt längs dess inre, varvid den rörformiga skiljeväggen har den ena änden fäst vid det tillslutna locket (26) på röret och den andra änden öppen och på avstånd från och vänd mot rörets slutna ände, varvid det inre i skiljeväggen avgränsar gaskammaren i elektrodavdel- ningen, varvid det inre i röret utanför skiljeväggen avgränsar I elektrodkammaren i avdelningen och varvid kamrarna står i förbindelse med varandra över skiljeväggens öppna ände och varvid det förslutbara utloppet (74) för elektrodkammaren är anordnat i rörlocket.

5. Cell enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d av att elektrodavdelningen avgränsad av utrymmet mellan röret och höljet har en rörformig skiljevägg (64), som sträcker sig längs dess inre och på avstånd från både höljet och röret, varvid den rörformiga skiljeväggen har sin ände närmast rörets öppna ände försluten mot höljet och den andra änden öppen, varvid utrymmet mellan den rörformiga skiljeväggen och röret avgränsar elektrodkammaren i avdelningen och utrymmet mellan 464 675 18 den rörformiga skiljeväggen och höljet avgränsar gaskammaren i elektrodavdelníngen.

6. Cell enligt något av föregående krav. k ä n n e t e c k - n a d av att anodsubstansen är en alkalimetall, att elektro- lyten är en metallhalogenid och att separatorn är en fast ledare för alkalimetalljonerna i anoden eller en mikromolekyl- sil. som innehåller alkalimetallen i anoden sorberad däri.

7. Cell enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att alkalímetallen i anoden är natríum, att elektrolyten är en natríum-alumíniumhalogenid, att separatorn är beta“-aluminíum- oxid och att den aktiva katodsubstansen omfattar åtminstone en övergångsmetall. som utgöres av Fe. Ni, Co, Cr eller Mn.

8. Cell enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att katoden är i form av en porös grundmassa impregnerad med elektrolyten, varvid molproportíonen alkalimetallkatjoner i elektrolyten vid alla laddníngstíllständ för cellen är minst molproportíonen alumíníumkatjoner däri.