DE2529513A1

DE2529513A1 - Aus mehreren zellen bestehende elektrische batterie

Info

Publication number: DE2529513A1
Application number: DE19752529513
Authority: DE
Inventors: Leslie Samuel Evans; John Richard Harbar
Original assignee: UK Secretary of State for Industry
Current assignee: UK Secretary of State for Industry
Priority date: 1974-07-03
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1976-01-22
Also published as: FR2293078B1; FR2293078A1; GB1508803A; FR2277444A1

Description

PATENTANWÄLTE D 59 Siegen

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Marburger Tor 2 - Postfach

DJPL-ING. ROLF PÜRCKHAUER ^{Telefon: (0271}>⁵⁴⁰⁷⁰

Telegramm-Anschrift: Patschub, Siegen

75 029 Kü/s -1. JUL11975

Secretary of State for Industry in Her Britannic Majesty^fs Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, London SWl, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 29550/74 vom 3. Juli 197*1 beansprucht.

Aus mehreren Zellen bestehende elektrische Batterie

Die Erfindung bezieht sich auf Batterien, die aus elektrischen Zellen gebildet sind, für die Verwendung mit einer flüssigen Anode und einer flüssigen Kathode und mit einem Feststoffelektrolyt en (Trockenfüllung) von rohrartiger oder ähnlicher Form mit einem geschlossenen Ende und mit einer Strom-Sammeleinrichtung, wobei diese Batterien im nachfolgenden als solche "der beschriebenen Gattung" bezeichnet werden. Eine derartige Batterie ist in der zugehörigen deutschen Patentanmeldung P 25 09 982.5 (Anwaltsakte 75 018) beschrieben.

Erfindungsgemäß weist eine Batterie eine Vielzahl von elektrischen Zellen der beschriebenen Gattung auf, die ineinander so verschachtelt sind, daß benachbarte Zellen sich in eine gemeinsame Elektrode teilen und durch diese voneinander getrennt sind.

Einem Merkmal der Erfindung zufolge bildet die gemeinsame Elektrode eine Reihenschaltung zwischen den elektrischen Zellen und wird im nachfolgenden als bipolare Elektrode bezeichnet.

Einem weiteren Aspekt der Erfindung zufolge ermöglicht die gemeinsame Elektrode auch eine Parallelschaltung der elektrischen Zellen und wird im nachfolgenden als Klemmenelektrode bezeichnet.

Vier Ausfuhrungsformen von erfindungsgemäßen Batterien mit elektrischen Zellen der beschriebenen Gattung werden nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Batterie mit zwei elektrischen Zellen, die durch eine bipolare Elektrode voneinander getrennt sind,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine gegenüber derjenigen in Fig. 1 abgeänderte Batterie,

Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt durch eine Batterie mit vier elektrischen Zellen, die durch bipolare Elektroden voneinander getrennt sind, während

Fig. h einen schematischen Axialschnitt durch eine

Batterie mit zwei elektrischen Zellen wiedergibt, die durch eine Klemmenelektrode.voneinander getrennt sind.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die dargestellte Batterie im Schnitt von runder Form und weist einen inneren rohrförmigen Beta— Aluminiumoxid-Feststoffelektrolyten 1 auf, der in Längsrichtung und im wesentlichen konzentrisch innerhalb eines äußeren rohrförmigen Beta —Aluminiumoxid-Feststoffelektrolyten 2 angeordnet ist, um dazwischen einen

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Raum zu bilden, in welchem eine bipolare Elektrode ¹I aus Edelstahl (z.B. AISI316) in Längsrichtung und im wesentlichen konzentrisch angeordnet ist, um untergeordnete Räume 5 und 6 zu bilden. Der äußere Peststoff-Elektrolyt 2 ist in Längsrichtung und im wesentlichen konzentrisch innerhalb eines rohrförmigen Metallgehäuses 7, hauptsächlich, aus= einem niedriglegierten Stahl, angeordnet, um einen rohrförmigen Raum oder Spalt 8 zwischen den Feststoff-Elektrolyten 2 und dem Gehäuse 7 zu bilden. Der innere Peststoff-Elektrolyt 1, der äußere Peststoffelektrolyt 2, die bipolare Elektrode 4 und das Gehäuse 7 sind alle am einen Ende geschlossen. Ein Molybdän-Stromsammelstab 9 ersteckt sich in Längsrichtung und im wesentlichen konzentrisch in den Raum 10 innerhalb des inneren Peststoff-Elektrolyten 1 hinein. Die Batterie ist mit ihrer Längsachse in Horizontallage dargestellt, kann jedoch auch" ebensogut in einer vertikalen oder einer Zwischenlage arbeiten.

Flüssiges Natrium ist in dem untergeordneten Haum 6 und im Raum 8 angeordnet. Graphitfilz, teilweise mit flüssigem Schwefel imprägniert, ist im untergeordneten Raum 5 und im Raum 10 angeordnet, wodurch ein entsprechend verteilter Hohlraum innerhalb des Graphitfilzes geschaffen wird, um eine Ausdehnung zu ermöglichen, die durch Bildung von Polysulfiden aus der Kombination von Natriumionen, und Schwefel beim Entladen der Batterie hervorgerufen wird. Der Graphitfilz wirkt auch als Docht, um den flüssigen Schwefel festzuhalten und die Oberflächen des inneren und äußeren Peststoff-Elektrolyten 1 und 2 zu "benetzen". Die Längen des inneren Feststoff-Elektrolyten 1, der bipolaren Elektrode *i, des äußeren Feststoff-Elektrolyten 2 und des Gehäuses 7 sind so, daß Räume 11 und frei bleiben, die als Vorratsräume für flüssiges Natrium dienen. Drahtmasekendoelrte 31 und 32 aus Edelstahl in den Räumen 11 und 20 halten das flüssige Natrium fest, um die Enden der Feststoff-Elektrolyten 1 und 2 durch Kapillarwirkung zu " benetzen".

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Die radialen Spalten zwischen dem inneren Peststoff-Elektrolyten und der bipolaren Elektrode H sowie zwischen dem äußeren Peststoff-Elektrolyten 2 und dem Gehäuse 7 sind so, daß flüssiges Natrium durch Kapillarwirkung festgehalten wird, um .die Oberflächen des inneren Peststoff-Elektrolyten 1 und des äußeren Peststoffelektrolyten 2 zu "benetzen", wenn auch diese Spalten in Fig. 1 der Klarheit wegen als weite Spalten dargestellt sind.

Im einzelnen weist die bipolare Elektrode 4 ein abgesetztes zylindrisches Teilstück 12 aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung am offenen Ende, welches an das Hauptfceilstück dieser Elektrode 4 stumpf^eschweißt ist, welche sich im Innern des äußeren Peststoff-Elekrolyten 2 befindet. Der Graphitfilz im untergeordneten Raum 5 ist mit einem locker sitzenden, ringförmigen Alfa-Aluminiumoxid-Distanzstück 13 nach Art eines Pfropfens verkapselt. Das Gehäuse 7 weist an seinem offenen Ende ein kurzes Stück einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung auf, die an das niedriglegierte Hauptteilstück des Gehäuses 7 stump f_^eschweißt ist. Das Teilstück 19, der Peststoff-Elektrolyt 2 und die bipolare Elektrode ¹I sind alle innerhalb einer Ringnut 16 in einer Endplatte 17 aus Isoliermaterial, z.B. aus Alfa-Aluminiumoxid, angeordnet und gegenüber dieser sowie untereinander mit Glas frittendichtungen 15 abgedichtet. Der innere Peststoff-Elektrolyt 1 sitzt auf einem Zapfen l8, der von der Platte 17 vorragt, und ist gegenüber diesem mit einer Glasfrittendichtung 15 abgedichtet. Der Graphitfilz innerhalb des Raumes 10 im Peststoffelektrolyten 1 ist mit einem ringförmigen Alfa-Aluminiumöxid-Distanzstück 22 verkapselt, welches an der einen Seite eines geflanschten Teilstücks 23 des Stabes anliegt. Eine "Grafoil"-Dichtungsscheibe 2¹I zwischen der Außenseite des geflanschten Teilstücks 23 und der Endplatte 17 wird durch eine Mutter 25 auf dem Gewindeende 26 des Stabes 9 zusammengepreßt.

Ein Füllrohr 27 aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung, welches vom abgesetzten Teilstück 12 der bipolaren Elektrode ¹I vorsteht, sowie ein Füllrohr 29 aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-

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Legierung erstrecken sich durch die Endplatte 17 hindurch und sind gegenüber dieser durch Glasfrittendichtungen 15 ' abgedichtet. Eine Bohrung erstreckt sich durch das Gewindeende 26 des Stabes 9 hindurch und führt nach einem Querloch 28 innerhalb des Raumes 10. Das Füllrohr 29 endet bündig mit der Innenseite der Endplatte 17 an einer Stelle in der Nähe des abgesetzten Teilstücks 12 der bipolaren Elektrode 4. Ein kurzes Rohr 30 ist in das geschlossene Ende des Gehäuses 7 hinein ausgespart. Das Rohr 27 sowie die Bohrung im Gewindeende 26 werden dazu verwendet, flüssigen Schwefel in den untergeordneten Raum 5 bzw. den Raum 10 einzubringen. Das Rohr 29 und das kurze Rohr 30 werden dazu verwendet, flüssiges Natrium in den untergeordneten Raum 6 und in den Raum 8 einzubringen. Wenn die Batterie mit flüssigem Schwefel und flüssigem Natrium gefüllt worden ist, so werden die Rohre 27, 29 und 30 sowie das Gewindeende 26 durch Zusammenquetschen und Schweißen abgedichtet. Eine negative Klemme (nicht dargestellt) ist an die Innenseite des Gehäuses 7 angeschweißt, während die positive Klemme durch das Gewindeende 26 gebildet wird.

Die bipolare Elektrode 4 trennt zwei elektrische Zellen der beschriebenen Gattung voneinander und wirkt als eine Reihenschaltung zwischen ihnen. Im Betrieb entwickelt jede dieser elektrischen Zellen eine Potentialdifferenz, und wegen der Reihenschaltung aufgrund der bipolaren Elektrode 4 wird die Gesamtpotentialdifferenz, die an der Batterie entwickelt wird, gleich der Summe der Potentialdifferenz jeder Zelle sein.

Die Erfindung wurde anhand von Fig. 1 mit Bezug auf eine Batterie beschrieben, bei der die Oberfläche des Feststoff-Elektrolyten in der inneren Zelle einer Yerschachtelung von Zellen geringer ist als diejenige der Außenzelle, doch kann sie vergrößert werden, so daß sie im Wert gleich derjenigen der Außenzelle ist. Zum Beispiel kann der einzelne innere rohrförmige Feststoffelektrolyt 1 eingespart und dafür eine Vielzahl von inneren rohrförmigen Feststoffelektrolyten von

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kleinerem Durchmesser verwendet werden, von denen jeder eine Stromsammeieinrichtung 9 innen aufweist, und mit der Endplatte 17 in einer ähnlichen Weise verbunden werden, wie dies mit Bezug auf den inneren rohrförmigen Peststoffelektrolyten 1 dargestellt ist, wobei die Gewindeenden 26 nachfolgend parallel verbunden werden. Durch Optimierung des Aufbaus der Batterie können die äußeren und inneren Zellen so angeordnet werden, daß sie im Oberflächeninhalt des Peststoffelektrolyten und im Volumen des flüssigen Schwefels gleich sind, wodurch die Leistungs- und Energiepegel in jeder Zelle ausgeglichen werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Batterie hat im Schnitt eine runde Form und folgt allgemein den Bauprinzipien und verwendet die gleichen Materialien wie die in Pig. I dargestellte Batterie, ihr fehlen jedoch die äußeren Füllrohre in der Endplatte aus Alfa-Aluminiumoxid, wodurch eine "sauberere" äußere Erscheinung hervorgebracht wird, die weniger Raum erfordert und für Beschädigung und somit ein Auslecken der flüssigen Anode und der flüssigen Kathode weniger anfällig ist.

Die Anordnung der inneren und äußeren rohrförmigen Beta-Aluminiumoxid-Feststoffelektrolyten 71 und 72 in Bezug auf die bipolare Edelstahlelektrode 74 und das Gehäuse aus niedrig^JLegiertem Stahl, um die untergeordneten Räume 75 und 76 sowie einen Raum 78 zu bilden, ist die gleiche wie bei der Anordnung in Fig. 1, und wie in Fig. 1 kann eine Vielzahl von inneren rohrförmigen Feststoffelektrolyten anstelle eines einzelnen rohrförmigen Peststoffelektrolyten 71, der dargestellt ist, verwendet werden. Vorratsräume 8l und 90 sind für flüssiges Natrium mit Edelstahldochten 101 und 102 vorgesehen. Flüssiges Natrium wird im untergeordneten Raum 76, im Raum 78 und in den Vorratsräumen 81 und 90 angeordnet, während ein Graphitfilz, teilweise mit flüssigem Schwefel imprägniert, im untergeordneten Raum 75 und im Raum 80 innerhalb des inneren Feststoffelektrolyten 71 angeordnet wird.

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Das aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung bestehende, abgesetzte bzw. mit einer Schulter versehene Teilstück der bipolaren Elektrode k der Fig. 1 ist bei der bipolaren Elektrode 7¹J weggelassen, welche stattdessen eine zylindrische Verlängerung 82 aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung aufweist, die an das Hauptteilstück dieser Elektrode 7^ stumpfgeschweißt ist. Ein Molybdän-Stromsammelstab 79 mit einem relativ großen Plansch 93 erstreckt sich in Längsrichtung und im wesentlichen konzentrisch in den Raum 80 hinein. Fülleinlässe 103 und 104 sind zum Einfüllen von flüssigem Natrium in die Vorratsräume 81 bzw. 90 vorgesehen.

Da eine hohe Temperatur im Bereich von 1000°C 'benötigt wird, um die Gläsfrittendichtungen 85 zu bilden, werden diese Dichtungen 85 hergestellt, bevor das flüssige Natrium oder der Graphitfilz und der flüssige Schwefel der Batterie zugeführt werden. Gerade dieses Merkmal erfordert ein anderes Verfahren des gemeinsamen Einbaus der Komponenten als das in Fig. 1 veranschaulichte, und zwar wegen des Fehlens, der meisten der äußeren Füllrohre.

Die in Fig. 2 dargestelllte Batterie kann als aus drei Unterbauteilgruppen gebildet angesehen werden. Die erste Unterbauteilgruppe wird durch das Gehäuse 77, den äußeren Feststoffelektrolyten 72 und einen äußeren, aus Alfa-Alumimiumoxid bestehenden Bundring 105 gebildet, wobei das Gehäuse 77 und der äußere Feststoffelektrolyt 72 in runden Ausnehmungen in diesem Bundring 105 sitzen und gegenüber diesem und untereinander mit Gläsfrittendichtungen 85 abgedichtet sind. Flüssiges Natrium wird dann durch das Füllrohr 104 eingefüllt, welches schließlich züsammengequetscht und verschweißt wird.

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Die zweite Unterbauteilgruppe wird gebildet durch die bipolare Elektrode 7¹J, den inneren Feststoffelektrolyten 71 und einen Zwischenring 106 aus Alfa-Aluminiumoxid, wobei die bipolare Elektrode 7^ und der innere Peststoffelektrolyt in runden Ausnehmungen dieses Ringes 106 sitzen und gegenüber diesem sowie gegeneinander mit Glasfrlttendichtungen 85 abgedichtet sind. Flüssiges Natrium wird über das Einlaßrohr eingebracht, wonach das Rohr ζusammengequetscht und verschweißt wird. Graphitfilzringe werden an der Außenseite der bipolaren Elektrode 7¹J angeordnet und teilweise mit flüssigem Schwefel in einer Gießform imprägniert, die im wesentlichen die gleichen Innenabmessungen wie der äußere Feststoffelektrolyt 72 hat.

Die dritte ünterbauteilgruppe wird gebildet durch den.. Stab 79, auf welchem Graphitfilzringe angeordnet sind. Der Graphitfilz wird teilweise mit flüssigem Schwefel in einer Gießform imprägniert, die im wesentlichen die gleichen Innenabmessungen wie der innere Feststoffelektrolyt 71 aufweist.

Die endgültige zusammengebaute Form der Batterie, wie in Fig. 2 dargestellt, wird dadurch hergestellt, daß die erste und die zweite Unterbauteilgruppe mit dem Stab 79 (der Klarheit wegen im Abstand dargestellt) in einer inerten Atmosphäre bei Raumtemperatur kombiniert werden, wobei Grafoil-Dichtungspackungen 108 und 109, eine Äusdehnungs-Kompensierungsscheibe 110 aus Edelstahl und ein Alfa-Aluminiumoxid-Isolierring 111 verwendet werden und dann die Bauteilgruppe mit einem Endring 112 aus niedriglegiertem Stahl zusammengeklemmt wird, der an eine äußere Klemmhülse 11¹I aus niedriglegiertem Stahl kanten geschweißt wird.

Wenn auch die Batterien nach den Fig. 1 und 2 in Bezug auf die Verwendung von flüssigem Natrium und flüssigem Schwefel beschrieben wurden, so können auch andere Materialien als flüssige Anode und flüssige Kathode mit entsprechenden

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Peststoffelektrolyten verwendet werden. Wenn, auch das Gehäuse hauptsächlich aus niedriglegiertem Stahl mit einer "Kovar"-Verlängerung hergestellt wird, kann es auch aus einem anderen Material hergestellt werden, wie beispielsweise aus Edelstahl, um sich der Betriebstemperatur der Zelle und den als flüssige Anode und flüssige Kathode verwendeten Materialien anzupassen. Das aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung bestehende Teilstück ist vorgesehen, um die Verwendung von Glasfrittendichtungen zu ermöglichen, da es eine kontrollierte Ausdehnung hat. Doch kann dieses auch eingespart werden, wenn andere Dichtungsanordnungen verwendet werden. Um die Teilstücke aus "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung gegen jeglichen Korrosionseffekt aufgrund der kathodischen Reaktionen zwischen dem flüssigen Natrium und dem flüssigen Schwefel zu schützen, werden die Alfa-Aluminiumoxid-Distanzstücke verwendet, um den Graphitfilz von diesen Teilstücken fernzuhalten, so daß in der Nähe derselben keine kathodischen Reaktionen stattfinden können. Wenn dennoch notwendig, kann eine Dichtung um die Distanzstücke eingefügt werden, um Schwefeldampf davon abzuhalten, die "Kovar"-Teilstücke zu erreichen. Ähnliche Überlegungen gelten für die Auswahl des Materials für den Stab 9» und ein alternatives Material, wie beispielsweise Graphit, kann verwendet werden. Im Hinblick auf die korrosive Eigenschaft der elektrochemischen Reaktion innerhalb der flüssigen Kathode wird es gewöhnlich erwünscht sein, einen korrosionsbeständigen Leiter als bipolare Elektrode zu verwenden, obwohl diese nicht unbedingt aus Edelstahl bestehen muß.

Die in Pig. I dargestellte Anordnung beruht auf einer Kapillarwirkung, um das flüssige Natrium festzuhalten und die zylindrischen Oberflächen der Peststoffelektrolyte zu "benetzen". Als Alternative können nicht dargestellte Dochte beispielsweise in den untergeordneten Raum 6 und in den Raum 8 eingefügt werden, die an dem inneren und äußeren Peststoffelektrolyten 1 und 2 anliegen und in elektrischem Kontakt mit der bipolaren Elektrode H und dem Gehäuse 7 zum gleichen

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Zweck stehen. Bei einer solchen Batterie können der untergeordnete Raum 6 und der Raum 8 von größerer radialer Ringabmessung sein, um einen zusätzlichen Speicherraum für das flüssige Natrium zu bilden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Räume 11 und 12 im Volumen stark zu reduzieren oder gar im wesentlichen ganz wegzulassen. Ähnliche Überlegungen gelten für die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Batterie.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Batterien mit einer runden Querschnitts form, und es können auch unrunde Querschnitts formen, wie beispielsweise ein Quadrat,.verwendet werden, um sich dem Raum anzupassen, der bei einer bestimmten Installation zum Einschließen der Batterie vorgesehen ist. Die Erfindung ist auch nicht beschränkt auf Batterien, die nur aus zwei Zellen gebildet sind, welche: durch eine bipolare Elektrode voneinander getrennt sind, und es kann auch eine Vielzahl von durch eine Vielzahl von bipolaren Elektroden getrennten Zellen gebildet werden, wie es beispielsweise schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Batterie nach Fig.3 folgt im wesentlichen den gleichen Bauprinzipien und verwendet die gleichen Materialien wie die mit Bezug auf die Fign. 1 und 2 beschriebenen Batterien. Bei ihr wird das vorerwähnte Alternativverfahren zum Vorsehen eines Speicherraumes für flüssiges Natrium innerhalb eines vergrößerten Ringraumes und innerhalb von untergeordneten Räumen verwendet, wie auch Edelstahldochte (nicht dargestellt), um das flüssige Natrium festzuhalten, damit es die Oberflächen der Feststoffelektrolyten "benetzt". Die Batterie weist vier Beta-Aluminiumoxid-Ifeststoffelektrolytrohre 121, 122, 123 und 124 sowie drei bipolare Elektroden 125, 126 und 127 aus Edelstahl (ziß. AISI316) mit Verlängerungen aus einer "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung auf, die alle abwechselnd ineinander angeordnet sind, und zwar so, daß !eie

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bipolare Elektrode zwischen zwei Feststoffelektrolytrohren liegt und untergeordnete Räume 131, 132, 133, 13¹», 135 und 136 dazwischen gebildet werden. Das äußere Peststoffelektrolytrohr 124 sitzt innerhalb eines hauptsächlich aus niedriglegiertem Stahl bestehenden Gehäuses 139, um darin einen Raum l40 zu bilden. Ein Molybdän-Stromsammelstab l4l ist in Längsrichtung innerhalb des Innenraumes 142 des inneren Feststoffölektrolytrohres 121 angeordnet. Graphitfilz, der teilweise mit flüssigem Schwefel getränkt ist, ist innerhalb der untergeordneten Räume 132, 134 und 136 und im Raum 142 angeordnet. Flüssiges Natrium befindet sich in den untergeordneten Räumen 131, 133, 135 und im Raum l40. Edelstahldochte (nicht dargestellt) sind in den untergeordneten Räumen 131, 133, 135 und l40 angeordnet.

Praktisch weist die Batterie nach Fig. 3 vier elektrische Zellen der beschriebenen Gattung auf, die durch bipolare Elektroden voneinander getrennt sind, welche als Reihenverbindungen zwischen den Zellen wirken. Die Batterie arbeitet in der gleichen V/eise wie die anhand der Fign. 1 und 2 beschriebenen Batterien. Die Potentialdifferenz an der Batterie wird der Summe der Potentialdifferenz der Zellen sein.

Die Erfindung wurde beispielsweise in den Fign.. 1,2 und 3 in Bezug auf elektrische Zellen beschrieben, bei denen ein Raum für die flüssige Anode teilweise einen Innenraum für die flüssige Kathode umgibt. Natürlich ist die Erfindung auch auf elektrische Zellen anwendbar, bei denen die Relativlage der flüssigen Anode und der flüssigen Kathode umgekehrt ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Batterie hat im Querschnitt eine runde Form und folgt im allgemeinen den Bauprinzipien und der Verwendung der gleichen Materialien wie die Batterie nach Fig. 3, und zwar insofern, als bei ihr Edelstahldochte verwendet werden, um das flüssige Natrium festzuhalten, damit dieses die Oberflächen der Peststoffelektrolyten "benetzt".

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Eine rohrförmlge Klemmenelektrode 50 aus Edelstahl (z.B. AISI316) mit einer Verlängerung 68 aus "Kovar"-Nickel/ Eisen-Legierung ist zwischen einem inneren rohrförmigen Feststoffelektrolyten 51' aus Beta-Aluminiunoxid und einem äußeren rohrförmigen Feststoffelektrolyten 52, ebenfalls aus Beta-Aluminiumoxid, angeordnet, um untergeordnete Räume 53 und 5¹* zu bilden, in denen Graphitfilz, teilweise mit flüssigem Schwefel getränkt, angeordnet ist, wobei flüssiges Natrium im Raum 59 innerhalb des inneren Feststoffelktrolyten 51 angeordnet ist. Der Graphitfilz in den untergeordneten Räumen 53 und 5^ ist mit Alfa-Aluminiumoxid-Distanzstücken 65 und 66 verkapselt. Der äußere Peststoffelektrolyt 52 ist innerhalb eines rohrförmigen, hauptsächlich aus niedriglegierteni Stahl bestehenden Gehäuses 56 angeordnet, um dazwischen einen Raum 57 für flüssiges Natrium zu bilden. Ein Edelstahldocht 63 ist im Raum 57 angeordnet und liegt am äußeren Peststoffelektrolyten 52 an. Ein. Edelstahldocht 64 erstreckt sich im Raum 59 und steht in Berührung mit der Innenseite des inneren Peststoffelektrolyten 51 und wirkt außerdem als negative Elektrode, wobei diese mit einem Stab 58 aus "Kovar"-Niekel/Eisen-Legierung verbunden ist, der durch eine Alfa-Aluminiumoxid-Scheibe SO vorragt, um eine negative Klemme zu bilden. Der Stab 58 und das Gehäuse 56, die weitere negative Klemmen bilden, sind mit einer Endkappe 61 aus niedriglegiertem Stahl verschweißt· Ein Vorsprung 62 von der Verlängerung 68 aus "Kovar"-Nickel/Eisen-Legierung, der sich durch die Scheibe 60 und die Endkappe 61 hindurch erstreckt und gegenüber der Kappe 61 durch eine Isolierhülse 67 isoliert ist, bildet die positive Klemme.Praktisch trennt die Klemmenelektrode 50 zwei elektrische Zellen der beschriebenen Gattung und bildet eine Parallelschaltung zwischen ihnen, so daß der durch die Batterie erzeugte Strom die Summe der durch jede elektrische Zelle erzeugten Ströme ist.

Die in Fig. 4 gezeigten Anordnungen können auch umgekehrt sein, so daß flüssiges Natrium sich in den untergeordneten Räumen 53 und 5²I befindet, während Graphitfilz, teil-

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weise mit flüssigem Schwefel 55 imprägniert, in den Räumen 57 und 59 angeordnet ist, wobei entsprechende Änderungen in den verwendeten Werkstoffen vorgenommen werden. Beispielsweise würde das Gehäuse 56 aus Edelstahl AISI316 bestehen, um der korrosiven Wirkung der chemischen Reaktionen zu widerstehen, die zwischen dem flüssigen Schwefel und dem flüssigen Natrium stattfinden. Der Stab 58 und das Gehäuse 56 würden positive Klemmen bilden, und die gemeinsame Elektrode 50 bildet den negativen Anschluß bei dieser umgekehrten Anordnung.

Natürlich können auch wie im Falle der Batterien nach den Pign. 1,2 und 3 andere flüssige Anoden- und flüssige Kathoden-Materialien mit entsprechenden Peststoffelektrolyte:; in der Batterie nach Pig. M verwendet werden, und ähnliche Überlegungen gelten auch für die Auswahl des Werkstoffs für das Gehäuse 56, den Stab 58, die Klemmenelektrode 50 sowie die Endkappe 61.

Eine Vielzahl von elektrischen Zellen, von denen einige durch bipolare Elektroden und die anderen durch Klemmenelektroden voneinander getrennt sind, können zur Bildung einer Batterie ineinander verschachtelt werden.

Es versteht sich, daß die Erfindung auch eine elektrische Batterie mit einer Vielzahl von elektrischen Zellen der beschriebenen Gattung, die ineinander verschachtelt sind, und auch ein Verfahren zum Zusammenbauen dieser Zellen umfaßt. Zwei benachbarte elektrische Zellen können eine gemeinsame Elektrode haben.

Patentansprüche

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Claims

75 029 Kfl/s rl. JULI 1975 Patentansprüche

1. Aus einer Vielzahl von elektrischen Zellen bestehende Batterie für die Verwendung mit einer flüssigen Anode, einer flüssigen Kathode und einem Peststoffelektrolyten von Rohrform, gekennezeichnet durch Zellen, die so ineinander verschachtelt sind, daß benachbarte Zellen eine gemeinsame Elektrode ^4,50, 74,125,126,127) haben und durch diese voneinander getrennt sind.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen so einander angepaßt sind, daß sie gleiche Leistungs-Energiepegel aufweisen.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Zellen sich in eine gemeinsame Elektrode (4,74,125,126,127) teilen, die eine Reihenschaltung zwischen benachbarten Zellen bildet, und daß andere Zellen sich in eine gemeinsame Elektrode (50) teilen, die zwischen benachbarten Zellen eine Parallelschaltung ermöglicht.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit Räumen für die flüssige Kathode, gekennzeichnet durch keramische stopfenartige Bauteile (13,22,65,66), die in den Räumen (5,10, 53,54) angeordnet sind, um Bereiche zu bilden, die von kathodischen Reaktionen im "wesentlichen frei sind.

5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit metallischen und keramischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der metallischen Bauteile (4,7,50,74,77) Teilstücke (12,19,50,58,82) aus Nickel/Eisen-Legierung für

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kontrollierte Ausdehnung aufweisen, derart, daß die metallischen Bauteile (4,7,50,74,77) durch Glasdichtungsmittel mit den keramischen Bauteilen (17,60,105,106) verbindbar sind.

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