DE2160058A1

DE2160058A1 - Elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE2160058A1
Application number: DE19712160058
Authority: DE
Inventors: Leroy Sumner San Jose Cahf Rowley (V St A )
Original assignee: Lockheed Aircraft Corp Burbank Cahf V St A
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1971-04-14
Filing date: 1971-11-30
Publication date: 1972-10-26
Also published as: US3791871A; DE2160058C3; IT945029B; CA989471A; JPS5544426B1; GB1355988A; JPS4735725A; FR2119357A5; DE2160058B2

Description

L 382

HA.J3 RUSCHME .&.-Hy. OCU

¹^tI. ι . 33

Lockheed Aircraft Corporation» Burbank/Oalifornia (Y.St.ν.Α.)

Elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft eine bessere Einrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität direkt aus einer elektrochemischen Reaktion von Alkalimetallen mit Wasser in einer einfachen Zelle in einem kontrollierten Alkalimetallhydroxidelektro-Iyten.

Soweit bisher bekanntgeworden ist, mussten Separatoren, Ab stands glieder, Membrane, poröse '-Erennglieder, dynamische Mime, Quecksilberamalgame, Legierungen mit weniger aktiven Metallen, nicht-wässerige Elektrolyten oder bei hohen Temperaturen schmelzende Sazte zwischen den Zellenelektroden verwendet werden, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern, und um heftige chemische Reaktionen bei Verwendung von Alkalimetallen zu vermeiden. Bei neueren Entwicklungen auf diesem G-ebiete werden sich bewegende mechanische Bauteile verwendet für eine Alkalihochleistungszelle mit einem dynamischen dünnen Film. Seit mehr als 65 Jahren gehen Bestrebungen dahin, in Batterien Alkalimetalle mit einem höheren Wirkungsgrad zu verwenden«

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Es ist ferner bekannt, dass als Elektrode ein hoch-elektropositives Material erwünscht ist* Diese elektropositive Eigenschaften waren bisher nur in Alkalimetallen oder in Legierungen mit Alkalimetallen vorzufinden, die vom Wasser rasch angegriffen werden. Der rasche Angriff durch das Wasser sowie die mechanischen und physikalischen Eigenschaften und der Schmelzpunkt hat die Verwendung dieser Materialien für viele Zwecke verhindert, für die sie im übrigen, z»B. für primäre Zellen mit in Wasser aktivierten Elektroden. Metallisches Natrium wird vom Wasser dekomprimiert, und wässerige Lösungen von Ätzkalk können mit einem Elektrolyten nicht direkt in Berührung gebracht werden. Die direkte einstufige elektrochemische Oxidation eines Alkalimetalls zum Erzeugen elektrischer Energie wird nicht für durchführbar gehalten in einem wässerigen Elektrolyten wegen der raschen Reaktion des Alkalimetalls mit Wasser, und es wurde immer angenommen, dass die heftige chemische Reaktion zwischen einem Alkalimetall und Wasser immer die Verwendung nicht-wässeriger Elektrolyten erfordert, der mit dem Alkalimetall in Berührung steht.

Im ü-egensatz zu den oben erläuterten Lehren ermöglicht die Erfindung die sichere und wirksame Verwendung von Alkalimetallen mit einem wässerigen Elektrolyten in einer Zelle einfacher Ausführung, wobei zwischen den Elektroden keine bewegbaren Teile, dynamische Filme oder mechanische Separatoren erforderlich sind und und auch keine Legierungen oder Amalgamierungen von Alkalimetallen. Trotzdem können Energiedichten im Bereich von 330 Wattstunden pro Kilogramm Anodenmaterial für natrium und mehr als 200 Wattstunden bei Lithium erreicht werden. Als einzige Materialien werden das Anodenmetall und Wasser verbraucht. Der einfache Aufbau der Zelle ermöglicht, dass das Gesamtgewicht der gesamten Einrichtung nicht wesentlich größer ist als das Gewicht dieser verbrauchten materialien allein.

Bei der Zelle nach der Erfindung kann die Anode gänzlich aus einem Alkalimetall bestehen. Der Elektrolyt kann spontan und örtlich erzeugt werden durch die Reaktion des Alkalimetalls der Anode mit Wasser unter Bildung einer Alkalimetall-hydroxidlösung. Die Möglichkeit der Verwendung von Wasser zum Erzeugen des Batterieelektrolyten stellt einen wesentlichen Vorzug der Zelle

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nach der Erfindung dar. Durch eine Kontrolle der Konzentration des elektrolytischen Hydroxids kann das Ausmaß der Eeaktion des /Wassers im Elektrolyten mit dem Anodenmetall so bestimmt werden, dass ein Schmelzen der Anode vermieden wird« Das Oxidierungsmittel kann aus unbehandeltem Frischwasser oder Meerwasser oder auch aus einer anderen geeigneten wässerigen Lösung bestehen. Das Wasser kann beständig in beschränkten Mengen dem Elektrolyten zugesetzt werden, während der Zelle zugleich elektrische leistung entnommen wird. Das Wasser wird in dem Ausmaß zugesetzt, in dem das reduzierte Wasser zu ersetzen ist, um eine bestimmte Konzentration des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Die Katode, an der das zugesetzte Wasser elektrochemisch reduziert wird, kann von der Anode entfernt gehalten werden mittels einer Folie oder einer Platte aus einem geeigneten, nicht-reagierenden leitenden Metall. In der erfindungsgemäßen Zelle wird daher sicher und wirk Elektrizität erzeugt mittels einer hochaktiven festen Alkalimetallanode und einer einfachen Katode, welche beiden Elektroden direkt in einem geeigneten und kontrollierten wässerigen Elektrolyten eingetaucht ruhen, dem Wasser in begrenzten Mengen zugeführt wird.

Die Erfindung ermöglicht, in Batterien Alkalimetalle direkt zu verwenden, die gute elektrische und thermische Leiter sind, ein geringes Gewicht aufweisen, ohne Schwierigkeiten erhältlich sind sowie billig, wobei hohe Energiedichten erreicht werden können. Die erfindungsgemäßen Zellen können bei geringen Kosten mit Wasser betrieben werden und weisen einen mechanisch einfachen Aufbau sowie eine gute Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die

Fig.1 ein senkrechter Schnitt durch eine elektrochemische Zelle nach der Erfindung,

Figo2 ein Querschnitt durch die in der Fig.1 dargestellte Zelle nach der Linie 2-2 in der Fig.1,

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle,

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Pig.4 ein Ausschnitt aus einer Schnittzeichnung nach der Linie 4-4 nach der Pig.3»

Pig.5 ein senkrechter Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Zelle nach der Erfindung,

Pig.6 ein senkrechter Schnitt durch eine vierte Ausführungsform einer Zelle nach der Erfindung,

Pig.7 ein senkrechter Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, vollständig in Wasser eingetauchten Zelle und die

Pig.8 eine graphische Darstellung der Betriebszone für eine jtfatriumanode und für einen aus einer Jüatriumhydroxidlösung bestehenden Elektrolyten.

™ Die Piguren 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform einer Batteriezelle 10 nach der Erfindung. Die nachstehende Beschreibung dieser Zelle 10 nach den Piguren 1 und 2 gilt auch für die Zellen 50, 100, 150 und 200 nach den Piguren 3, 4, 5, 6 und 7 mit Ausnahme der noch zu beschreibenden Unterschiede.

Die Zelle 10 weist in der Mitte eine zylindrische Anode aus einem Alkalimetall (Natrium) auf, die von einem isolierenden Abstandselement in Porm eines dünnen Pilmes 14 eines nicht reagierenden und in Wasser löslichen Materials besteht, das kein elektronischer Leiter ist. Pur den PiIm 14 wird vorzugsweise das natürliche hydratisierte Oxid benutzt, das sich auf der Oberfläche des Natriums bildet, wenn dieses der Einwirkung ψ feuchter Luft ausgesetzt wird. Pur den PiIm 14 können natürlich auch andere geeignete und in Wasser lösliche elektrische Isolierungsmaterialien verwendet werden» Dieser PiIm 14 wird direkt umgeben von einem die Katode bildenden, nicht-reagierenden und elektrisch leitenden zylindrischen Rohr 16, das von der Jüatriumanode durch den PiIm H entfernt gehalten wird. Wenn für gewisse Verwendungszwecke erwünscht, kann das Katodenrohr 16 mit einer äußeren Umhüllung 18 aus einem teilwese thermisch isolierenden Material, z.B, aus einem Kunststoff versehen werden.

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In den Jüatriumzylinder 12 Ist ein elektrischer Kontakt 20 eingebettet, der durch eine isolierende Bodenkappe 22 abgedichtet hindurchgeführt ist und die negative Elektrode der Zelle bildet. Es ist wichtig, mit dem Kontaktelement 20 und dem natrium einen guten elektrischen Kontakt herzustellen, zu welchem Zweck der Kontaktdraht vorzugsweise in das natrium fest eingebettet wird. Die isolierende Bodenkappe 22 kann aus einem geformten Kunststoff bestehen, oder das Ende der Zelle 10 kann in ein geeignetes Abdichtungsmaterial eingetaucht werden. Der positive Katodenanschluss 24 kann aus einer geeigneten elektrischen Verbindung mit dem Katodenrohr 16 bestehen.

Die .Batterie ist am oberen Ende mit einer aus Kunststoff bestehenden Kappe 26 versehen, die eine Öffnung zum Einlassen von Wasser 28 durch ein Kapillarrohr 30 sowie ein Entlüftungsloch 32 aufweist, durch das Wasserstoffgas entweichen kann. Eine lange Lagerfähigkeit kann dadurch erreicht werden, wenn das Entlüftungsloch 32 mit einem nur schwach durchlässigen und entfernbaren Stopfen 38 aus Kork oder Holz verschlossen wird. Ein Ventil 34 ermöglicht eine .bestimmung der Menge des in die Zelle einzulassenden Wassers 28 aus einem Vorratsbehälter 36ο

Soll für den Film 14 das natürlich hydratisierte Oxid des natriums verwendet werden, so genügt eine Oxidierung der JMatriumoberflache an der Luft für fünf Minuten. Der an der Oberfläche oxidierte xiatriumzylinder 12 kann dann in ein steifes konzentrisches Rohr 16 eingesetzt werden unter Herstellung eines guten, jedoch nicht festen Sitzes, so dass zwischen dem natrium und dem Eohr 16 kein metallischer elektrischer Kontakt hergestellt

aus exner

wird. Das Rohr 16 kann andererseits um den an der Oberfläche oxidierten Imtriumzylinder 12 herumgelegten Metallfolie bestehen, (12), deren .Nahtstelle z.B. mittels eines Epoxidharzes abgedichtet wird. Wird das Epoxidharz vollständig um das Rohr 16 herum aufgetragen, so kann es auch als thermischer Isolator 18 dienen sowie als Behälter für die Zelle.

Zwischen dem oberen Teil des «atriums und der Unterseite der Kappe 26 ist ein Raum mit mindestens dem halben Volumen des lmtriums 12 plus einer kleinen zusätzlichen Strecke vorgesehen, in dem sich das Reaktionsprodukt (hydratisiertes Natriumhydroxid)

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anfangs ansammeln kann, wobei gleichzeitig ein kleiner üasraum unterhalb der Kappe 26 geschaffen wird. Andererseits kann auch an der Seite der Zelle eine Öffnung vorgesehen, durch die der überschüssige Elektrolyt im Betrieb der Zelle entfernt werden kann *'

Soll die Batterie in Betrieb gesetzt werden, so wird über das Ventil 34 durch die kleine Öffnung Wasser 23 langsam und in begrenzten Mengen eingelassen, die den thermischen und elektrischen Belastungen der Batterie entsprechen müssen, so dass im Innern der Zelle die Betriebstemperatur innerhalb entsprechender Grenzen gehalten wird. Die wässerige Lösung 28 kann dem Vorratsbehälter 36 entnommen werden, oder die gesamte Batterie wird in Frischwasser oder Meerwasser eingetaucht. Das Ventil kann natürlich auch weggelassen werden, wobei die fcenge des einzulassenden Wassers bestimmt werden kann durch Verwenden eines entsprechend bemessenen Kapillarrohres 30 oder durch Dochte« Anstelle des Ventils 34 können auch eine oder mehrere genügend kleine Öffnungen benutzt werden, um die Lienge des einzulassenden Wassers zu bestimmen. Der Elektrolyt besteht aus einer wässerigen Lösung des Reaktionsproduktes 40 mit geeigneter Konzentration, das sich in der Zelle 10 bildet, wenn Wasser zugesetzt wird.»

Der Stopfen 38 kann selbsttätig entfernt werden unter der Einwirkung des Druckes des in der Zelle erzeugten Wasserstoffs und zwar in der folgenden //eise. Das Ventil 34 wird kurz geöffnet, um ein paar Wassertropfen einzulassen, und dann wieder geschlossen. Der bei der Reaktion im Innern der Zelle erzeugte Wasserstoff stößt den Stopfen 38 hinaus. Durch nachfolgendes Öffnen des Ventils 34 in einem bestimmten Grade wird die Batterie in Betrieb gesetzt. Andererseits kann der Stopfen 38 (wenn ein solcher vorgesehen ist) von Hand entfernt und das Ventil 34 ordnungsgemäß eingestellt werden, bevor der Vorratsbehälter 36 gefüllt oder die Batterie in Wasser eingetaucht wird. Anstelle des Stopfens 38 können auch verschiedene Ausführungen von herkömmlichen federbeaufschlagten selbsttätigen Ventilen verwendet werden.

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Entsprechend dem beabsichtigten Verwendungszweck, der elektrischen Belastung, der Dauer der Entladung und der Umgebung können der Durchmesser, die Länge, die Dicke der Wärmeisolation 18, die Einstellung des Ventils 34 und/oder die Weite des Kapillarrohres 30 entsprechend verändert werden. Sind die Leistungsanforderungen immer kleiner als die größte Nennleistung der Batterie am Verwendungsort, so ermöglicht das Ventil 34 eine wesentliche Anpassung an die Gegebenheiten. Das Ventil kann empirisch immer so eingestellt werden, dass im Innern der Zelle die geeignete Betriebstemperatur herrscht, und die Stromerzeugung kann unter dem Nennwert, fü?^e8le Zelle bemessen ist, auf den .Bedarfspegel herabgesetzt werden, sofern die Umstände dies zulassen.

Rohre 16 mit einem Innendurchmesser von 0,5 bis 6,0 cm haben zu einem befriedigenden Betrieb geführt, und es bestehen anscheinend keine Einschränkungen bei der Verwendung von Zellen mit einem größeren Durchmesser, bei entsprechender Ausbildung der Zellen. Bei einem Rohr 16 mit einem Innendurchmesser von 1,27 cm wurde bei einem Betrieb bei Raumtemperatur und ohne thermische Isolation 18 eine Dauerhöchstleistung von 2 Watt erreicht. Diese Leistung war von der Länge der Zelle nahezu unabhängig, vorausgesetzt, dass die Länge mehr als mehrere Zentimeter beträgt.

Bei dem Aufbau der Zelle stellt einen kritischen Faktor die Höchstmenge des Wassers dar, die in die Zelle eingelassen werden darfβ Ein Überfluten der Zelle mit Wasser führt zu einem außerordentlich raschen Temperaturanstieg und im allgemeinen zu einer Explosion. Zuviel überschüssiges Wasser im Elektrolyten bewirkt einen Anstieg der Innentemperatür auf über 97»5⁰C, die zum Schmelzen der natriummasse ausreicht mit der Folge, dass die Reaktion mit dem Elektrolyten sofort verstärkt einsetzt und eine Explosion verursacht. Ist andererseits bei der Batterie keine Wärmeisolation 18 vorgesehen, oder befindet sich die Batterie eingetaucht in Wasser mit der Umgebungstemperatur oder in eine andere Kühlflüssigkeit, so wird nur eine außerordentlich niedrige elektrische Ausgangsleistung erreicht, da die Innen temperatur unter demjenigen Wert bleibt, der zum Verflüssigen des üatriumhxdroxid-Elektrolyten erforderlich ist. Aus diesen

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Gründen muss die Wärmeleitfähigkeit der Batteriewandungen an die Bedingungen des Verwendungsortes und an die gewünschte Ausgangsleistung angepasst werden.

Aus der Theorie der Arbeitsweise ist bekannt, dass zuerst Wasser in die batterie einströmt und die oberen Teile des löslichen Filmes 14 auflöst unter Erzeugung von hydratisiertem Natriumhydroxid und Hitze. Bei niedriger Temperatur besteht das erzeugte Produkt aus einem Feststoff mit sehr geringer Beweglichkeit der Wassermoleküle und Ionen. Bei genügend hoher Temperatur wird das hydratisierte iMatriumhydroxid verflüssigt und ein flüssiger Elektrolyt erzeugt, wobei eine ausnutzbare elektrische Leistung erhalten wird. Es wird angenommen, dass die sich direkt an der jwatriumaußenseite befindenden Wassermoleküle

P in jedem Augenblick durch direkte chemische Einwirkung sofort verbraucht werden, wobei ein Schutzfilm mit einem Konzentrationsgefälle (Konzentrationspolarisation) erzeugt wird, durch den die Wassermoleküle diffundieren müssen, bevor an der Fläche zwischen natrium und Elektrolyt eine weitere chemische Reaktion erfolgen kann. Die Wassermoleküle an der Katode 16 können jedoch elektrolytisch zu Wasserstoffgas und Hydroxidionen reduziert werden von den Elektronen, die aus dem .Natrium über einen geschlossenen äußeren Stromkreis zugeführt werden. Die hohe Beweglichkeit der nahe an der Katode erzeugten Hydroxidionen begünstigt deren Abwanderung von der Ursprungsstelle aus und behindert weniger die fortgesetzte Wanderung der Wassermoleküle zur

fc Katode anstatt zur polarisierten Anode. Es besteht elektrochemisch keine .Notwendigkeit, dass Wassermoleküle die Anodenfläche erreichen sondern nur die Hydroxidionen, da die Ionen des Anodenmetalls in den Elektrolyten leicht eindringen können selbst bei einem Wassermangen an der Zwischenfläche zwischen Anode und · Elektrolyt. Die Kombination aus (1) die Diffusionsschranke für Wasser an der Anode, (2) der beansichtigte starke Elektronentransport von der Anode aus zur Katode über einen äußeren und eine niedrige Impedanz aufweisenden Stromkreis, (3) der niedrige . ohm'sche Y/iderstand des Elektrolyten und (4) die Einschränkung der Menge des dem Elektrolyten zugesetzten Wassers ermöglicht eine fortgesetzte und selektiv begünstigte Wanderung der

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Wassermoleküle zur Katode» Hierdurch kann ein hoher Wirkungskrad und eine hohe Leistung erzielt werden, ohne selektiv poröse Sehraknen, Membrane oder dergleichen verwenden zu müssen.

Hieraus geht hervor, dass ohne Einsetzen von Begrenzungselementen bei genügend hoher Dichte des der Zelle entnommenen Stromes, wobei die Spannung wesentlich unter die Spannung bei offenen Stromkreis absinkt, die Diffusion des Wassers zur Katode begeünstigt wird. Bei Versuchen wurde ermittelt, dass der Coulomb'sehe Wirkungsgrad 20$ bei einer Zellenspannung von 1 Volt bei Belastung "betrug, sich jedoch bei 1/4 Volt auf mehr als 60$ erhöhte. Es wurde daher mehr als die Hälfte der Wassermoleküle bei den chemischen und elektrochemischen (in bezug auf die Hydratisierung) Reaktionen in der Zelle an der Katode reduziert, wenn der Zelle starke Ströme (bei niedrigen Spannungen) entnommen wurden.

Die Beziehung der Innentemperatur zu den Funktionsfaktoren ist am besten aus der Zusammensetzung des Elektrolyten abzuleiten. Pur eine Hatriumanodenzeile ist das Phasendiagramm für Natriumhydroxid und Wasser höchst nützlich, das in dem Werk A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry von MELJjOE , Band 2, Supplement 2, Seite 502 (1961) angeführt ist. Diese Daten sind in der Fig. 8 enthalten, in der die Betriebszone 300 schraffiert gezeichnet und der bevorzugte Arbeitspunkt bei 302 dargestellt ist. Aus diesem Ehasendiagramm ist zu ersehen, dass zwischen den Temperaturen von 50 und 97 C eine homogene Flüssigkeit besteht zwischen dem jjlatriumhxdroxid und dem Wasser bei Konzentrationen bis zu 60 Gew.$ Natriumhydroxid bei 50⁰C, wobei die Konzentrationen höher werden, wenn die Temperatur über 50⁰C hinaus ansteigt. Die bevorzugte Konzentration von 70 Gew.$ .watriumhydroxid ist eine Lösung bei mehr als 65⁰C. Dies ist ungefähr 30 molar .Natriumhydroxid und entspricht dem flüssigen liatriumhydroxid-monohydrat.

Der in der Fig«8 schraffiert gezeichnete Bezirk 300 zeigt den den Dauerbereich der Zusammensetzungen des Elektrolyten an, bei dem stabile Betriebsbedingungen bei Zellen mit .Natriumanoden vorliegen. Wie aus der Fig_o8 zu ersehen ist, ist der Bezirk 300 im großen und ganzen dreieckig und wird an der linken Seite von

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einer Linie begrenzt, die empirisch von de*n größten Wassermengen bestimmt, die dem Elektrolyten bei den verschiedenen Temperaturen zugesetzt werden können, ohne dass die Zelle gefährdet wird. Der Bezirk 300 nähert sich einer oberen Grenze, die von der Schmelztemperatur des natriums bestimmt wird, während die rechte Seite des Bezirks 300 von der Übergangsgrenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff bestimmt wird, d.h. für watriumhydroxidmonohydrat (.aaOH'HgO) und für juatriumhxdroxid (i\ia0H). Wie weit diese Annäherung an die ü-renze zwischen Flüssigkeit/ü'eststoff erfolgt wird natürlich von zwei Erfordernissen bestimmt. Zuerst einmal muss im Betrieb der Zelle eine Verfestigung des Elektrolyten verhindert werden. Bei Versuchen wurde z„B. festgestellt, dass bei einem Batteriebetrieb mit einem flüssigen und 70 Gew.$ Natriumhydroxid enthaltenden Elektrolyten bei einem Absinken der Innentemperatur unter 65⁰C der Innenwiderstand der Batterie stark anstieg, da der Elektrolyt sich nach der Fig.8 verfestigt hatte. Zweitens müssen im Elektrolyten für eine Teilreaktion mit der Katode so viele Wassermoleküle vorhanden sein, wie für eine elektrische Nettoausgangsleistung der Zelle erforderlich sind·

Die Temperatur des Elektrolyten muss daher unter dem Schmelzpunkt der Alkalimetallanode liegen, den Siedepunkt des Elektrolyten jedoch nicht übersteigen. Für das System Hatrium/Wasser entspricht daher die Zusammensetzung des Elektrolyten ungefähr der Zusammensetzung des flüssigen Hatriumhydroxidmonohydrates, das gewichtsmäßig 70$ Natriumhydroxid ist.

Was die Wassermenge anbelangt, die zum Betreiben der Zelle zugesetzt werden muss, um den stöchiometrischen Erfordernissen der Reaktionen zu genügen, so ist leicht einzusehen, dass für jedes Atom des verbrauchten .Natriums zwei Wassermoleküle benötigt werden. Das eine dieser Wassermoleküle wird benötigt zum Umwandeln des Satriums in Eatrium-hydroxid (entweder bei direkter chemischer oder bei elektrochemischer Reaktion), während das zweite Wassermolekül aus den obengenannten Gründen zum Bilden des Monohydrates des Natriumhydroxids benötigt wird»

Zum Bestimmen der zulässigen Höchstmenge des in die Zelle

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einzulassenden Wassers genügt die Messung des bei einer im Betrieb befindlichen Zelle entwickelten WasserstoffVolumens. Aus dieser kessung kann die Anzahl der pro Sekunde entwickelten Wasserstoffmols leicht berechnet werden. Die pro Sekunde benötigte größte Anzahl von Wassermols beträgt genau das Vierfache der Anzahl der Mols/sec des entwickelten molekularen Wasserstoffs. Wird bei der Waseerzugabe dieser Wert überschritten, so wird die Temperatur bis zum Gefahrenpunkt erhöht, oder, wenn die Zelle oder die Anode so weit gekühlt werden kann, dass die Temperatur unter 97⁰C gehalten wird, so sinkt die Konzentration des Natriumhydroxids ab als Folge der aufgelösten jedoch nicht reagierten. Wasseransammlung im Elektrolyten, bis das Ausmaß der Reaktion und die Erhitzung schließlich die Kühlkapazität übersteigt. In jedem .Falle ist eine Explosion zu erwarten.

Wird der Wassereinlass geschlossen, so reagiert das überschüssige Wasser im Elektrolyten mit dem isiatrium in einem Ausmaß, bei dem der Wassergehalt vermindert wird. Dementsprechend wird weniger Hitze erzeugt, und die Innentemperatur sinkt ab, bis der Elektrolyt sich verfestigt· In diesem J?alle hört die Reaktion praktisch auf, und die .Batterie bleibt so lange außer Betrieb, bis wieder Wasser nachgefüllt wird· Die Einrichtung kann daher mühelos durch eine entsprechend bemessene Wassernachfüllung reguliert werden, vorausgesetzt, dass die obengenannten Höchstgrenzen nicht überschritten werden.

Bei der uatriumzelle 10 besteht daher ein Selbstschutz insofern, als die Zelle bald unwirksam wird, wenn kein Wasser mehr nachgefüllt wird. Der Elektrolyt verfestigt sich, und eine wesentliche innere Reaktion ist erst dann wieder möglich, wenn aus einer äußeren Quelle mehr Wasser zugesetzt wird. Dennoch kann die Einrichtung einfach durch nachfüllen von Wasser aktiviert werden, das genügend wandert, so dass die Reaktionen eingeleitet werden und Hitze erzeugt wird. Diese Aktivierungs ist weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur, so dass keine aktivierende Chemikalien oder Behandlungen erforderlich sind. Die gesamte zum Erreichen des gewünschten Betriebszustandes erforderliche Hitze kann einfach durch die exothermische

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Reaktion in der Zelle erzeugt werden. Eine niedrige Umgebungstemperatur und die Anwesenheit eines festen Elektrolyten in der Zelle kann deren Aktivierung nicht behindern, und die Zelle arbeitet ungefähr bei Raumtemperatur rasch stabil. Die Zellen können für eine Anlaufzeit von einigen wenigen Sekunden eingerichtet werden, wenn dies erwünscht ist.

Aus den obenstehenden Ausführungen geht hervor, dass für den wirksamen und sicheren Betrieb eines aatrium/Wasser-Systems als .Batterie eine Reihe von mit einander in Beziehung stehenden Bedingungen erfüllt werden müssen. Diese Wechselbedingungen werden mit der Erfindung erfüllt, so dass aus einer anderenfalls hefti-Reaktion eines Alkalimetalls mit Wasser eine ausnutzbare elektrische Leistung der Zelle entnommen werden kann. Anstelle einer Reduzierung der Aktivität der Alkalimetallanode durch Amalgamierung oder Legierung mit einem hohen Prozentsatz eines weniger aktiven Metalls, wie bisher für erforderlich gehalten wurde, um die Alkalimetallanode mit einem wässerigen Elektrolyten ohne die Gefahr einer plötzlichen starken Hitzeentwicklung in Berührung zu bringen, ermöglicht die Erfindung eine direkte Benutzung und eine totale Immersion des aktiven festen Alkalimetalls als eine Anode durch Begrenzen der Aktivität des wässerigen Elektrolyten. Dies wird dadurch erreicht, dass die Menge begrenzt wird, in der die Waseermoleküle die Außenseite der metallischen Anode erreichen können. Es wird eine hohe elektrische Ausgangsleistung dadurch erzeugt, dass im Betrieb der Zelle Wasser nur in einer begrenzten Menge nachgefüllt wird, so dass die Hydroxidkonzentration des Elektrolyten aufrechterhalten und das verbrauchte Wasser ersetzt wird. Es muss das Wasser ersetzt werden, das an der Katode elektrochemisch reduziert wird zusätzlich der Wassermenge, die bei der direkten chemischen Reaktion mit der Anode verbraucht wird sowie zusätzlich der erforderlichen Hydratisierungs/Verdünnung, die zum Ausgleich der Vergrößerung der Menge des Hydroxids im Elektrolyten erforderlich ist.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine zweite ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 50, deren Zelle spiralförmig ausgestaltet ist. Die Zelle besteht aus einer blechförmigen Alkalimetall (natrium-)-Anode 52, aus einem dünnen elektrisch

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isolierenden Film aus einem löslichen Material 54 (gleich der bereits beschriebenen Oxidschicht),' aus einer Metallblechkatode 56, aus einem in das Material der Alkalimetallanode eingebetteten Kontaktstift 58, aus einer unteren Kunststoffkappe oder einem Verschluss aus einem Abdichtungsmaterial 60, aus einem Katodenkontakt 62 und aus einem Wasservorratsbehälter 64, aus dem Wasser durch das Ventil 66 dem Elektrolyten in begrenzeter Menge zugesetzt wird, und ferner sind senkrechte Abdichtungen wie die innere Abdichtung 70 vorgesehen, die den Elektrolyten in der Zelle 50 zurückhalten.

Bei der spiralförmigen Ausgestaltung der Zelle 50 werden beide Seiten des Metallbleches als Katodenfläche 56 benutzt, wach der Fig.4 stellen daher die beiden aktiven Seiten der Katode 56 zwei Windungen desselben Metallbleches dar. Als Alternative für die Anordnung nach den Figuren 3 und 4 können auch zwei gesonderte parallele Metallblechkatoden an entgegengesetzten Seiten der Anode 52 angeordnet werden, wobei eine flache plattenförmige Konstruktion geschaffen wird, oder die Anordnung kann ebenfalls zu einer offenen oder einer geschlossenen Spirale zusammengerollt werden. Diese Ausführungsform erfordert mehr Baum und Material, weist jedoch größere äußere Katodenflächen auf _f die für eine äußere Kühlung zur Verfügung stehen und eine Serienschaltung der Zellen für höhere Spannungen nahelegen.

Die Vorzüge eines plattenförmigen oder spiralförmigen Aufbaus der Zellen, von denen die Zelle 50 ein Beispiel darstellt, sind in dem gedrängten Aufbau und in der Leichtigkeit zu sehen, mit der die Zellen hergestellt und zusammengesetzt werden können. Z.B. kann eine & atriumplatte ohne Schwierigkeiten als ein kontinuierliches Band mit der gewünschten Dicke ausgewalzt werden, wobei eine Oxidierung an der Luft erfolgt, wie bereits beschrieben, welches Band an ein dünnes Metallblech angelegt und mit diesem zusammengerollt wird, so dass der inder Fig.3 dargestellte Batteriekörper erzeugt wird.

Die Fig.3 zeigt eine dritte Ausführungsform 100 einer erfindungsgemäßen .batterie. In diesem Falle besteht die Zelle 100 aus einer in der Mitte angeordneten zylindrishen massiven

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Ά atriumme tall anode 102, die von einem ringförmigen Raum 103 zwischen der Anode und einer zylindrischen Katodenwandung 106 umgeben ist, die einen Behälter bildet. Dieser Raum ist anfangs mit einem wasserfreien Elektrolyten 104 ausgefüllt, der aus einem massiven üatriumhydroxidmonohydrat besteht. Wenn erforderlich, kann eine Wärmeisolation 108 vorgesehen werden, und ferner ist eine Bodenabdichtung 110 vorgesehen. Die Katode steht mit dem positiven Kontaktglied 112 in Verbindung, während die Anode 102 ein negatives Kontaktglied 114 eingebettet enthält. Die Zuführung des Wassers erfolgt aus einem Behälter 116 aufgrund der Eigenschwere unter der Kontrolle eines Ventils 118 durch ein Rohr, das sich nach unten in den Elektrolyten hinein bis nahe an den Boden der Zelle erstreckt. Die Anode 102 ist ψ wesentlich langer als die Tiefe des Behälters 106 beträgt, so dass aufgrund der Eigenschwere beständig Anodenmaterial in die Zelle befördert wird, wenn das Anodenmetall bei den Reaktionen in der Zelle verbraucht wird. Zum Halten und Führen des Anodenmetalls nach unten in die Mitte der Zelle ist daher ein isolierender Kragen 120 und eine Haltevorrichtung für diesen vorgesehen.

Der Hauptvorzug dieser Ausführungsform der Zelle 100 isi; in der Vielseitigkeit zu sehen, die mit der Verwendung von Anoden mit einem großen Durchmesser verbunden ist, wobei der Anodenvorschub verändert werden kann, während andererseits ein verhältnismäßig großer Abstand zwischen dem Anodenmetall und den fc Wandungen der Katodenabteilung besteht· Bildet sich während des Betriebs überschüssiger Elektrolyt, so kann dieser über die obere Kante der Katodenwandung 106 hinwegströmen oder die durch einen Auslass verlassen, der an der Seitenwandung des Behälters vorgesehen wird, oder der überschüssige Elektrolyt kann entfernt und in für diesen Zweck vorgesehenen Behältern gespeichert werden. Der Vorschub des Anodenmetalls erfolgt langsam, und die Zelle arbeitet allgemein in der gleichen Weise wie die anderen beschriebenen statischen Zellen.

Pur einen Versuch mit der Zelle 100 wurde als Anode 102 ein normaler zylindrischer JJatriumblock (0,45 kg, mit einem Durchmesser von 5,8 cm) verwendet, der direkt der Versandbüchse

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entnommen wurde. Als Katodenbehälter 106 wurde ein H cm tiefer Becher aus nichtrostendem Stahl (Legierung 321) mit einem Innendurchmedder von 6,0 cm zum Abstützen und Führen des ttatriumblockes verwendet, und ferner wurde in den Raum 103 an der Seitenwanäung ein Wasserspeiserohr aus Kunststoff mit einem Innendurchmesser von 1 mm bis ungefähr auf den Boden des Stahlbechers eingesetzt. Bei der Zusammensetzung des Elektrolyten wurde eine Konzentration von ungefähr 70 Gew.# .Natriumhydroxid aufrechterhalten, zu welchem Zweck pro Minute 0,5 Milliliter Wasser in die Zelle eingelassen wurde. Mittels eines Wasserkühlrohres, das am unteren Teil der Außenseite des Bechers angelötet wurde, wurde für diesen Versuch die Temperatur des Elektrolyten auf ungefähr 75⁰C gehalten. Bei dieser einfachen Zelle wurden 130 Gramm der Natriumanode verbraucht bei einer Leistungsentnahme von durchschnittlich 3,0 Watt bei 0,6 Volt während einer Betriebsdauer von 400 Minuten, wobei die Anode beständig nur 1,0 cm in den Elektrolyten eingetaucht war, welcher Pegel durch zwei Überströmlöcher an der Seitenwandung des Stahlbechers einen Zentimeter über dem Boden aufrechterhalten wurde.

in einer gleichen Prüfeinrichtung wurde als Anodenmaterial Lithium verwendet, wobei die Anode in ein Bad mit einer konstanten Temperatur eingetaucht wurde, um bei dem Elektrolyten eine gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten. Eine zylindrische Lithiumanode mit einem Durchmesser von 1 cm wurde in den Elektrolyten beständig bis zu einer Tiefe von 2 cm eingetaucht, welche Tauchtiefe durch Überströmen des Elektrolytenüberschusses aufrechterhalten wurde, wenn in der Zelle ein Überschuss erzeugt wurde« Die Zelle wurde betrieben bei einer Spannung von 1 Volt und bei einer Wassernachfüllung von 1 Milliliter pro Minute für die folgenden Dauerbetriebswerte. Bei einer Temperatur des Elektrolyten von 15⁰C und bei einer Ausgangsleistung von 1 Watt wurden pro Minute 5,3 Milligramm .Lithium verbraucht. Der Elektrolyt bestand aus 0,75 Mol Lithiumhydroxid, wobei die Temperatur des Elektrolyten auf 60⁰C gehalten und bei einer Ausgangsleistung von 1,2 Watt pro Minute 10 Milligramm Lithium verbraucht wurde bei einer durchschnittlichen Konzentration von ungefähr 1,5 Mol Lithiumhydroxid im Elektrolyten.

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Wie ersichtlich, ist das Ausmaß der Reaktion zwischen dem Lithium und den verdünnten wässerigen Lösungen viel kleiner als mit natrium. Der sich auf der Lithiumanode bildende und fest haftende Oberflöchenfilm des Lithiumhydroxids reduziert vermutlich den Fluss der Wassermoleküle zur Anode viel stärker als bei Natrium. Im Gegensatz zum Natrium können mit Lithium verhältnismäßig hohe Wirkungsgrade ( in Wattstunden pro Gewichtseinheit des verbrauchten Anodenmetalls) durch Eintauchen in verhältnismäßig stärker verdünnte wässerige Lösungen als Natrium ohne zu Schmelzen erreicht werden, da das Lithium einen höheren Schmelzpunkt aufweist und einen weniger löslichen Oberflächenfilm. Infolgedessen ist bei dieser Arbeitsweise das Volumen des pro Volumeneinheit des verbrauchten Lithiums erzeugten Elektro-Iyten viel größer als die 50 #-ige Vergrößerung des Volumens des Elektrolyten bei der Umwandlung von Natrium in den aus Äatriumhydroxidmonohydrat bestehenden Elektrolyten, wie bereits beschrieben. Aus den vorstehend für Lithium angegebenen Werten ist zu ersehen, dass bei 15⁰C verbrauchter Kubikzentimeter Lithium zu einer Lösung von 0,75 molar Lithiumhydroxid führt, dessen Volumen ungefähr 0,1 Liter beträgt, oder eine hundertfache Volumenvergrößerung, um die gleiche Lösung zu erhalten· Der Elektrolyt kann etwas verdünnter sein als 0,75 molar in Lithiumhydroxid, jedoch nicht so stark verdünnt, dass der ohmsche Widerstand des Elektrolyten die Leistung der Zelle wesentlich beeinträchtigt. Eine absolute obere Grenze bei der Konzentration des Elektrolyten stellt die Sättigungsgrenze der Löslichkeit in Wasser dar, die, wie aus der Literatur bekannt, für Lithiumhydroxid weit unter der des Natriumhydroxids liegt. In der Praxis ist bei dem Elektrolyten eine Konzentration erwünscht, die gut unterhalb der Löslichkeitsgrenze des Hydroxids liegt, damit die Wassermoleküle mit Sicherheit in ausreichenden Mengen zur Katode wandern. Bei Lithium werden vorzugsweise mittel vorgesehen, die aus der Zelle im Betrieb Hydroxidlösung entfernen, wie bereits ausgeführt. Es ist ferner einzusehen, dass bei fortgesetzter Einwirkung des verdünnten Elektrolyten auf das Lithium in einer Zelle, das Lithium weiter verbraucht wird, selbet wenn die Zuführung des Wassers unterbrochen wird, da das.Wasser einem erheblichen stöchiometrischen Überschuss aufweist im Gegensatz

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zu jaatriumzellen, deren Elektrolyten eine hohe Molarität aufweisen« Wird die elektrische Leistung nicht mehr benötigt, so soll bei Verwendung von Lithium der Elektrolyt oder die Anode aus der Zelle entfernt werden, wenn das übrige Lithium für späteren Gebrauch aufgespart werden sollo

Wasser kann aus dem wässerigen Lithiumhydroxidprodukt des Elektrolyten dadurch entfernt werden, dass durch den Elektrolyten Kohlendioxid hindurchgeblasen wird, wobei durch Ausfällung das resultierende unlösliche Lithiumkarbonat entfernt wird. Diese an sich bekannte Eigenschaft des Lithiums, Kohlendioxid aufzunehmen und ein unlösliches Karbonat zu bilden, kann auf verschiedene Weise ausgenutzt werden.

Pur andere aktive .Alkalimetalle für Anoden unter Einschluss der Legierungen können Sachkundige unter Anwendung der gegebenen Lehren mit Hilfe sorgfältig durchgeführter Versuche die geeigneten Konzentrationen des Elektrolyten, die Menge des zuzuführenden Wassers und die Betriebstemperatur bestimmen.

Außer der beschriebenen Luftkühlung und der Wasserimmersionskühlung können auch verschiedene andere Mittel zum Kühlen der Zellen vorgesehen werden. Beispielsweise hält ein Behälter mit Äthylalkohol die Temperatur im wesentlichen auf 78⁰C, da dies der Siedepunkt des Alkohols ist. Als ein weiteres Mittel zum Kühlen der Zelle und zum Stabilisieren deren Betriebstemperatur kann auch ein Alkohol-Heizrohr verwendet werden, das mit der Anode im Wärmeaustausch steht.

Zum Sammeln und Ausnutzen des bei den Reaktionen in der Zelle freigesetzten Wasserstoffes kann um die Zelle herum eine geeignete Gasfalle mit einer Gleitdichtung, einer doppelwandigen Umhüllung oder mit anderen geeigneten Anordnungen benutzt werden. Der entwickelte Wasserstoff ist ein wertvolles Produkt, das z.B. direkt in Brennstoffzellen oder Maschinen zum Erzeugen wesentlicher zusätzlicher Leistung und, wenn gewünscht, verwendbaren Wassers verwendet werden kann. Der Wasserstoff kann auch direkt und sofort in einem einfachen und herkömmlichen katalytischen Platinbrenner beseitigt werden. Die hierbei erzeugte Hitze kann für eine Dampfmaschine oder für andere Zwecke

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verwendet werden. Wenn gewünscht, kann der erzeugte Wasserstoff auch elektrochemisch in der Zelle von einem geeigneten Oxidierungsmittel verbraucht werden.

Einzelne Elektrodenpolarisationsmessungen, die in der herkömmlichen Weise mittels einer in den Elektrolyten zwischen der' Anode und der Katode eingeführten geeigneten Bezugselektrode durchgeführt wurden, haben ergeben, dass im wesentlichen die gesamte Zellenpolarisation an der Anode erfolgt. Die Tiefe, bis zu der die Anode in den Elektrolyten eingetaucht wird, kann daher als ein Regulierungsmittel für die Zellenaktivität und die Ausgangsleistung dienen. Der entwickelte Wasserstoff kann zum Regulieren der Eintauchtiefe der Anode oder des Pegels des Elektrolyten benutzt werden, so dass eine selbstregelnde Einrichtung geschaffen wird. Z.B· kann mit der Anode eine von dem entwickelten Wasserstoff unter Druck gesetzte Balgenanordnung verbunden werden, die mit einem Ablassventil versehen ist, wobei die Menge des entwickelten Wasserstoffes die Ausdehnung des Balgens und damit die Eintauchtiefe der Anode bestimmt, wodurch auch die Ausgangsleistung der Zelle beeinflusst wird. Ferner kann zum Regulieren der Zuführung des Wassers dieselbe oder eine ähnliche Anordnung verwendet werden, d.h« die Ausdehnung des Balgens bestimmt den Grad der öffnung des Wasserventils.

In der Fig«6 ist eine vierte Ausführungsform 150 der Erfindung dargestellt· Die Zelle 150 besteht aus einer .Natriumanode 152, einer Schicht eines löslichen Materials 154, wie Alkalimetallhydroxid, das sich in der beschriebenen Weise an der Luft bildet, ein Metallsieb 156 mit offenen Maschen, das mit dem löslichen Material 154 in Berührung steht, mit der Anode 152 Jedoch keinen metallischen Kontakt hat, aus einer Wasserversorgungseinrichtung 158 mit einem Regulierungsventil 160, aus einem porösen oder schwammartigen Material 162, das mit dem Metallsieb 156 in Berührung steht, aus einem am Metallsieb angebrachten positiven Katodenkontakt glied 164 und aus einem den negativen Pol der Zelle bildenden Anodenkontaktglied 166.

Das schwammartige Material 162 ist zum gleichmäßigen Verteilen des Wassers über das Metallsieb 156 nicht erforderlich, wenn ein dochtartig wirkendes Sieb benutzt wird, das eine

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Kapillarwirkung ausübt. In diesem Falle genügt es, wenn auf das Sieb an irgendeiner Stelle Wasser aufgetropft wird, es es wird die Dochtwirkung ausgenutzt.

Die Siebzelle 150 weist den Vorzug auf, dass der Wasserstoff entweichen kann, und dass die Wasserversorgung in Form von Dampf oder nebel erfolgen kann, der mit der großen Arbeitsfläche der siebförmigen Katode in Berührung gebracht wird© Die Zelle 150 kann mit niedrigen Leistungen allein mit feuchter Luft betrieben werden, ζ·Β. in bestimmten tropischen Gebieten. In solchen Fällen braucht eine gesonderte Wasserversorgung nicht vorgesehen zu werden.

Die Fig.7 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 200, bestehend aus einer Alkalimetall- (ivatrium) Anode 202, die anfangs von einem dünnen Film aus einem löslichen Material 204 (bereits beschrieben) umgeben ist, aus einem als Katode dienenden porösen metallmantel 206, aus einem porösen Wärmeisolierungsmantel 208, aus einer isolierenden Bodenkappe 210 auf geformtem Kunststoff oder aus einem Dichtungsmaterial, aus einem eingebetteten Anodenkontaktglied 214, aus einer positiven Katodenanschlussverbindung 216, aus einem Elektrolyten 218, der sich bildet, wenn die Zelle in Betrieb gesetzt wird, aus einem Grasraum 220, der eine Expansion des erzeugten Produktes ermöglicht, und aus einer oberen Kappe 212 aus einem Kunststoff oder aus einem anderen geeigneten Material.

Der Hauptunterschied zwischen dieser Zelle 200 nach der Fig.7 und der Zelle 50 nach der Fig,1 besteht darin, dass bei der Zelle 200 Wandungen aus einem porösen Material vorgesehen sind, das ein selbsttätig kontrolliertes Einsickern von Wasser aus einer Unterwasser gelegenen Quelle in die Zelle ermöglicht sowie ein Ausströmen von Grasen. Die Zelle 200 ist in erster Linie für eine Benutzung Unterwasser in Meeren, Seen und Flüssen eingerichtet.

Es hat sich gezeigt, dass die Porosität der Wandung und der Mantelmaterialien und die Dicke des Wärmeisolierungsmantels so bestimmt und bemessen werden kann, dass ein Betrieb der Zelle in vollständig untergetauchten Zustand möglich ist, wobei

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das "bei den Beaktionen erzeugte Wasserstoffgas die Zelle durch, die porösen Wandungen verlässt. Die Arbeitsweise der Zelle 200 Unterwasser weist den Vorzug auf, dass die Zelle für die Orientierung verhältnismäßig unempfindlich ist. An der Kappe 212 kann ferner noch eine Entlüftungsöffnung vorgesehen werden, durch die der Wasserstoff im Betrieb der Zelle entweichen kann. Durch eine geeignete WalL 1 der lichten Weite dieser Öffnung kann das Eindringen von Wasser verhindert werden, da die Kapillarkräfte der porösen Wandungen größer sind als in der Entlüftungsöffnung. Das Wasser dringt daher in die Zelle vorzugsweise durch die porösen Wandungen ein, während das erzeugte Wasserstoffgas die Zelle durch die Entlüftungsöffnung verlässt.

Die porösen Metallwandungen 206 weisen ferner noch den Vorzug auf, dass im vorliegenden i'alle der i'ilm 204 anfang nicht erzeugt zu werden braucht, da das die Seitenwandungen durchdringende Wasser das Alkalimetall an der Zwischenfläche angreift und die Anode 202 von der Katode elektronisch isoliert, selbst wenn anfangs ein innerer Kurzschluss besteht.

Eine lange Lagerfähigkeit wird erreicht durch Auftragen eines äußeren und in Wasser löslichen Jjelags, durch Einpacken der Zelle oder durch Aufbewahrung in einem hermetisch verschlossenen KunstStoffbeutel.

An der offenbarten elektrochemischen Zelle können von Sachkundigen im Rahmen des E-rfindungsgedankens natürlich Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden« Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

Patentansprüche

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Claims

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Patent ans prüche

Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität in einer elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Wasser stark reagierende massive Alkalimetallanode und eine nicht reagierende Katode direkt in einen Elektrolyten eingetaucht wird, der im wesentlichen aus einer flüssigen Lösung der Hoydroxide des Alkalimetails der Anode in Wasser besteht, dass bei dem Elektrolyten eine Betriebstemperatur aufrechterhalten wird, die über der Verflüssigungstemperatur und unter dem Schmelzpunkt des Alkalimetalls der Anode liegt und die Siedetemperatur des Elektrolyten nicht übersteigt, dass bei der Hydroxidlösung des Elektrolyten eine genügend hohe Konzentration aufrechterhalten wird, bei der ein Schmelzen der Anode bei der direkten chemischen Reaktion zwischen der Anode und dem Wasser im Elektrolyten vermieden wird, und dass dem Elektrolyten beständig Wasser in begrenzten Mengen zugesetzt wird, wobei die Hydroxidlösung des Elektrolyten aufrechterhalten bleibt und das in der Zelle bei den chemischen und elektrochemischen Reaktionen verbrauchte Wasser ersetzt wird, während zugleich an der Anode und an der Katode eine elektrische Leistung abgeleitet werden kann.

2» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus natrium besteht, dass der Elektrolyt aus jxatriumhydroxid besteht, dass eine Betriebstemperatur von mehr als 12,3⁰G und weniger als 97,5⁰O aufrechterhalten wird, und dass bei der Natriumhydroxidlösung des Elektrolyten ein Wert von mehr als 52 Gew„$ und weniger als 75 Gew.$> aufrechterhalten wird.

3β Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der aus Natriumhydroxid bestehenden Lösung des Elektrolyten eine Betriebstemperatur von mehr als 65⁰O aufrechterhalten wird, und dass bei dem aus Natriumhydroxid b_estehenden

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Elektrolyten, ein Wert von ungefähr 70 Gew./» aufrechterhalten wird.

4. Elektrochemische Zelle, gekennzeichnet durch eine aus massiven Alkalimetall bestehende und zu verbrauchende Anode, die mit Wasser stark reagiert, durch eine mit Abstand von der Anode angeordnete nicht reagierende und elektrisch leitende Katode, durch einen Elektrolyten, in den die Alkalimetall-anode und die Katode gemeinsam direkt eingetaucht sind und eine statische Zelle bilden, dass die Katode und die Anode mit elektrischen Verbindungsmittels versehen sind, mit deren Hilfe der Zelle eine elektrische Leistung entnommen werden kann, dass im Betrieb der Zelle der Elektrolyt im wesentlichen aus einer flüssigen Lösung der Hydroxide der Alkalimetallanode in Wasser besteht, dass die Verflüssigungstemperatur des Elektrolyten im wesentlichen Unter dem Schmelzpunkt der Alkalimetallanode li_egt, dass die Hydroxidlösung des Elektrolyten eine so hohe Konzentration aufweist, bei der die direkte chemische Reaktion zwischen der Alkalimetallanode und dem Wasser im Elektrolyten an der Alkalimetallanode eingeschränkt wird, um ein Schmelzen der Anode oder ein Sieden des Elektrolyten zu verhindern, und dass Regulierungsmittel vorgesehen sind, die im .Betrieb der Zelle die Hydroxidlösung des Elektrolyten beständig so regulieren, dass bei dem Elektrolyten eine Temperatur aufrechterhalten wird, die unterhalb des Schmelzpunktes der Alkalimetallanode liegt und den Siedepunkt des Elektrolyten nicht übersteigt.

5* Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eegulierungsmittel aus einer Wasserzuführungseinrichtung besteht, die beständig dem Elektrolyten Ergänzungswasser in begrenzten Mengen zusetzt, wobei ein Teil des Wassers durch den Elektrolyten zur Katode diffundiert und an der Katode elektrochemisch reduziert wird, wenn über die genannten Verbindungsmittel der Zelle eine elektrische Leistung entnommen wird.

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6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuführungseinrichtung aus einer WaaServersorgungseinrichtung und aus einem die Wasserströmung einschränkenden Mittel zwischen der Wasserversorgungseinrichtung lind dem Elektrolyten besteht.

7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode und der Elektrolyt in einem Behälter mit einer porösen Wandung angeordnet sind, die den Zutritt des Wassers und den Austritt des Wasserstoffgases drosselt.

8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4» 5i 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus natrium besteht, und das s das Alkalimetallhxdroxid aus Natriumhydroxid besteht, und dass deren Lösung ungefähr der Zusammensetzung des «atriumhydroxidmonohydrates entspricht.

9· Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Lösung gewichtsmäßig ungefähr 70$ watriemhydrxod enthält.

10. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus Lithium besteht, und das s das Alkalimetallhydroxid aus Lithiumhydroxid besteht.

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