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Ständig gasdicht verschlossene, vorzugsweise alkalische Glättungs- oder Stabilisationszelle
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wickelte Sauerstoff wird an den freiliegenden Teilen der auf negativem Potential befindlichen Elektrode elektrochemisch umgesetzt, so dass in der gasdicht verschlossenen Zelle nur ein geringer Gasdruck besteht.
Da eine Elektrode das Potential der normalen negativen Elektrode gasdicht verschlossener Akkumulatoren und die andere das normale Potential der positiven Elektrode gasdicht verschlossener Akkumulatoren besitzt, entspricht die Klemmenspannung der erfindungsgemässen galvanischen Zelle der Klemmenspannung gasdicht verschlossener Akkumulatoren mit den üblichen aktiven Massen bei der Ladung.
Unterschiedlich jedoch verhält sich die sogenannte Kapazität. Da die auf positivem Potential befindliche Elektrode aus dem gleichen Material gefertigt wird wie die auf negativem Potential befindliche Elektrode, ist die Kapazität der Zelle im Vergleich zu dem Speichervermögen der negativen Elektrode nur gering. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Zellen trotz der gleichartigen Masse in beiden Elektroden immerhin noch eine Kapazität, die 1/10 - 1/30 des Speichervermögens der auf negativem Potential befindlichen Elektrode entspricht.
Die Stromstärke, mit der diese galvanischen Zellen belastet werden, kann derart gewählt werden, dass die auf negativem Potential befindliche Elektrode in etwa S - in Stunden aufgeladen wäre.
Die erfindungsgemässen galvanischen Zellen, die infolge ihres Aufbaues auch als symmetrische Zellen bezeichnet werden können, zeichnen sich durch besondere Verwendungsmöglichkeiten und besondere Vorteile gegenüber den bisher bekannten gasdicht verschlossenen Zellen aus. Sie können unter der Bezeichnung Stabilisations- oder Glänungszellen in elektrolytischen Kreisen, z. B. in Rundfunkschaltungen, als feste Bauelemente verwendet werden. Aufgabe dieser Stabilisations- oder Glättungszellen ist es, als Bauelemente mit niederohmigen Wechselstrom-Widerständen von Wechselstrom überlagertem Gleichstrom zu glätten. Diese Wirkung ist derart erheblich, dass durch galvanische Zellen Kondensatoren grö- sserer Kapazität ersetzt werden können.
Beispielsweise vermag eine Zelle nach der Erfindung mit einer Speicherfähigkeit von 5 mAh an die Stelle von Kondensatoren in der Grösse von zirka 10000 pF zu treten.
Infolge der geringen Speicherfähigkeit erreichen die galvanischen Zellen nach der Erfindung ihre volle Wirksamkeit in wesentlich kürzerer Zeit nach dem Einschalten des Stromes als die üblichen gasdicht verschlossenen Zellen, insbesondere dann, wenn die Zellen beim Einschalten des Stromes in entladenem Zustand vorliegen.
Gegenüber den normalen gasdichten Zellen bieten sie weiterhin den Vorteil, dass sie mit einer grö- sseren Stromstärke auch im Dauerbetrieb belastet werden können, z. B. der doppelten Stromstärke. Bei kurzzeitiger Belastung ist sogar die vierfache und eine noch höhere Stromstärke möglich.
Dieser erfindungsgemässe Aufbau galvanischer Zellen lässt sich auf alle bis jetzt entwickelten Typen gasdichter Zellen anwenden, z. B. auf die Kleinstzellen, die wegen ihrer Form und geringen Grösse Knopfzellen genannt werden, ebenso aber auch auf grössere Zellen. Nach dem gleichen Prinzip lassen sich auch Zellen aufbauen, die als sogenannte Gegenzellen Verwendung finden sollen und die infolge der grösseren Stromstärke grössere Ausmasse besitzen müssen. Gegenüber den bisher bekannten Gegenzellen besteht hier der Vorteil, dass eine Wartung nicht mehr nötig ist.
Der erfindungsgemässe Aufbau der Glättungs- oder Stabilisationszellen macht es ohne weiteres möglich, die Polarität der Anschlüsse zu vertauschen, da die Elektroden sich vor der elektrischen Behandlung im gleichen Zustand, d. h. im gleichen Oxydationszustand der aktiven Masse befinden. Kehrt sich also zufällig oder bewusst in einem Stromkreis, in dem sich eine Zelle nach der Erfindung befindet, der Strom um, so vertauschen die Elektroden lediglich ihre Funktion, ohne dass die inneren Vorgänge in der Zelle im Prinzip geändert werden. Derartige Zellen sind also gegen eine Umkehr der Stromrichtung gesichert. Diese besondere Eigenschaft macht es möglich" die Zellen nach der Erfindung auch in reinen Wechselstromkreisen als Bauelemente zu verwenden.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Zelle besteht darin. dass bei ihr die von den Separatoren nicht bedeckten und den elektrochemisch arbeitenden, d. h. an den Umsetzungen der aktiven Masse beteiligten Elektrodenflächen abgewandten Flächenteile der Elektroden als der Gasaufzehrung dienende freiliegende Elektrodenteile vorgesehen sind. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass, z. B. bei alkalischen Zellen, die als aktive Masse der Elektroden vorgesehene Cadmium-Masse völlig oder zum grössen Teil aus Cadmium-Oxyd oder Cadmium-Hydroxyd besteht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Zellen nach der Erfindung besteht darin, dass die Elektroden dünn ausgeführt werden, da dann die wirksame Elektrodenoberfläche sehr gross ist. Im extremen Fall werden blatt- oder foliendünne Elektroden, die nach bekannten Herstellungsverfahren hergestellt
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sind, verwendet, da dann die hiemit erzielte Glättungs- und Stabilisationswirkung infolge extrem niedrige'1 inneren Widerstandes besonders hoch ist. Gleichzeitig lassen derartige Zellen einen entsprechend hohen Quersuom zu. Beispielswelse können Elektroden in Stärken von etwa 0, 2 bis 0,3 mm verwendet werden.
Die Separatoren sind dann entsprechend dünn zu halten.
Es ist jedoch auch möglich, normale Elektroden in den üblichen Stärken bis herauf zu 3 - 4 mm zu verwenden.
Ausführungsbeispiele von Zellen nach der Erfindung werden in den Fig. 1 - 13 beschrieben.
Die Fig. 1, 2,3, 4, 10 und 11 stellen Ausführungsbeispiele dar, in denen beiden Elektroden, d. h. den auf positiver und den auf negativer Polarität befindlichen Elektroden Kontaktflächen mit dem im Akku- mulator vorhandenen Gasraum zugeordnet sind.
Die Fig. 5,6, 7,8, 9 sowie 12 und 13 geben Ausführungsbeispiele wieder, bei denen nur den Elektro- den einer Polarität Kontaktflächen mit dem in der Zelle vorhandenen Gasraum zugeordnet sind.
1m einzelnen stellen die Figuren dar :
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine knopfförmige Zelle nach der Erfindung. Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Zelle mit viereckigem Querschnitt. Fig. 3 einen Grundriss der Zelle gemäss Fig. 2. Fig. 4 den
Aufbau eines Elektrodensatzes aus biegsamen Elektroden, die zu einem spiralförmigen Wickel aufge- wickelt werden können. Fig. 5 einen Elektrodensatz aus biegsamen Elektroden mit geändertem Aufbau. Fig. 6 einen Querschnitt durch eine knopfförmige Zelle gemäss der Erfindung. Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Zelle mit einem viereckigen Grundriss. Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Zelle nach Fig. 7. Fig. 9 einen Elektrodensatz aus biegsamen und zu einem Wickel aufwickelbaren Elektroden.
Fig. 10 einen Elek- trodensatz aus biegsamen und zu einem Wickel aufwickelbaren Elektroden in geändertem Aufbau. Fig. 11 einen Querschnitt durch eine knopfförmige Zelle mit Mehrfachelektroden geringer Dicke. Fig. 12 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Zelle mit zylindrischem Querschnitt in Höhe der Achse des Zylinders.
Fig. 13 einen Querschnitt durch eine Zelle nach Fig. 12, wobei nur ein Teil der spiralförmig gewickelten
Elektroden gezeigt ist.
Bezogen auf Fig. l ist 1 der Oberteil und 2 der Unterteil des knopfförmigen Gehäuses der Zelle, welches zweckmässig aus Metall ausgebildet ist. An der Verbindungsstelle beider Teile ist die Isolierzwischenlage 3 vorgesehen. Diese kann aus Gummi, einem geeigneten Kunststoff, z. B. einem Polyamid, aus Polyvinylchlorid od. dgl. hergestellt sein.
In dem Gehäuse befinden sich die Elektroden 6 und 7, zwischen denen ein Scheider 8 angeordnet ist.
Zweckmässig sind sowohl der Scheider 8 als auch die Elektroden 6 und 7 feinporig ausgebildet, d. h. der Scheider 8 kann in beliebiger Weise aus einem dichten Gewebe oder aus einem aus Zellulose- oder Kunststoffaser bestehenden Filterpapier, aus einer semipermeablen Folie aus Zellulose oder Kunststoff, einer mikroporösen Membran aus Kunststoff oder einer Kombination mehrerer verschiedener Schichten bestehen.
Wesentlich ist dabei, dass der Scheider für den Elektrolyten durchlässig ist. Eine zweckmässige Ausbildung besteht weiterhin darin, dass er für die in der Zelle bei der elektrischen Behandlung auftretenden Gasblasen nicht durchlässig ist.
Die Elektroden 6 und 7, die zweckmässig feinporig ausgebildet sind, können in vorteilhafter Weise als Sinterelektroden ausgeführt sein, damit sie eine grosse wirksame Oberfläche haben. Diese wirksamen Oberflächen sind insbesondere die Rückseiten 9 und 10 der Elektroden, die der elektrochemischen Gasumsetzung dienen. Diese Rückseiten müssen also mit den Gasräumen in Verbindung stehen und gleichzeitig von einem dünnen Elektrolytfilm überzogen sein.
Um dies zu erreichen, sind die Abstandshalter 4 und 5 vorgesehen, die ein Stützgelüst mit groben Zwischenräumen darstellen. Diese Abstandshalter können aus Metall sein oder auch aus Kunststoff od. dgl. bestehen. Sind sie aus Metall, z. B. aus Nickel oder vernickeltem Eisen, so wirkt ihre Oberfläche bei der Gasaufzehrung mit. Ausserdem dienen sie in diesem Fall zur Kontaktgabe zwischen den Elektroden 6 und 7 und den Gehäuseteilen 1 und 2, so dass die Gehäuseteile 1 und 2 auf diese Weise ohne besondere zusätzliche Massnahmen als Polanschlüsse der Zelle wirksam sein können.
Natürlich können Abstandshalter aus Metall nur dann Verwendung finden, wenn durch sonstige Isolierungen ein Kurzschluss vermieden ist. Im vorliegenden Fall besteht diese sonstige Isolierung in den Isolierzwischenlagen 3.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens einer der beiden Abstandshalter 4 oder 5 federnd ausgebildet ist, so dass auf diese Weise einerseits ein zuverlässiger Kontakt der elektrisch miteinander verbundenen Teile gewährleistet ist, anderseits aber auch die beiden Elektroden 6 und 7 mit einem mä- ssigen Druck auf den Flächen des Scheiders 8 anliegen, so dass Gasblasen leichter seitwärts zwischen
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Elektrode und Scheider in den Gasraum entweichen können, als dass sie die durchfeuchteten Poren des
Scheiders 8 durchdringen.
Zu den Gasräumen sind auch noch die Räume 11 und 12 zu rechnen, die aber geringere Grösse be- sitzen als die Räume, die durch die Hohlräume der Abstandshalter 4 und 5 dargestellt sind.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Zelle mit viereckigem Grundriss ist grundsätzlich nach ähnlichen
Erwägungen aufgebaut wie die Knopfzelle nach Fig. 1. Das Gehäuse 13 besitzt eine Bodenplatte 14 und den Verschlussdeckel 15. Zweckmässig sind die Teile 13, 14,15 aus Metall gebildet. Durch den Deckel
15 sind die Polklemmen 16 und 17 der beiden verschiedenen Polaritäten isoliert hindurchgeführt. Diese
Polklemmen stehen über die elektrischen Verbindungen 18 und 19 im Innern der Zelle mit den zugehö- rigen Elektroden in Verbindung, u. zw. die Polklemme 16 mit den Elektroden 20 und 22, die Polklemme
17 mit den Elektroden 21, 23 und 24. Die genannten Elektroden sind zweckmässig feinporig ausgebildet und werden vorteilhafterweise als Sinterelektroden ausgeführt.
Zwischen der Wandung des Gehäuses 13 und den beiden äusseren Elektroden 21 sind Abstandshalter 25 vorgesehen, Abstandshalter 26 befinden sich zwischen den Elektroden 20 und 22 sowie zwischen den Elektroden 23 und 24. Für die Abstandshal- ter 25 und 26 gilt grundsätzlich das gleiche, was hinsichtlich der Zelle nach Fig. l für die Abstandshal-
4 und 5 gesagt ist.
Die Abstandshalter 25 sind zweckmässig aus Metall gebildet. Sie dienen der Kontaktgabe mit dem
Gehäuse und die Abstandshalter 26 der Kontaktgabe mit der benachbarten Elektrode gleicher Polarität.
Die Elektroden 20,22 und 23,24 sind also als Doppelelektroden mit einem dazwischen liegenden Kamin angeordnet, wobei der Abstand durch die Abstandshalter 26 aufrechterhalten wird.
Die Abstandshalter 25 und 26 haben auch noch die Aufgabe, die von den Elektroden entgegenge- setzter Polarität abgekehrten Rückseiten der Elektroden freizuhalten und dem in der Zelle vorhande - nen Gas zugänglich zu machen. Diese freiliegenden Rückseiten dienen der elektrochemischen Gasum- setzung und sind damit bezüglich der Gasaufzehrung die eigentlich wirksamen Oberflächen der Elektro- den. Diese freien, mit den Gasräumen in Verbindung stehenden Rückseiten der einzelnen Elektroden müssen natürlich mit einem dünnen Elektrolytfilm überzogen sein, weil sonst eine elektrochemische Gas- umsetzung nicht möglich ist.
Zwischen den Elektroden ungleicher Polarität, beispielsweise zwischen den Elektroden 21 und 20,
22 und 23,24 und 20 sowie 22 und 20 befinden sich die Separatoren 27. Für diese Separatoren 27 gilt das gleiche, was für die Separatoren 8 gemäss Fig. 1 ausgeführt worden ist.
Die für die Gasaufzehrung wirksamen Rückseiten der Elektroden sind die Flächen 28, 29, 30,31, 32,
33, 34 und 35. Zweckmässig sind diese Flächen oberflächenvergrössert ausgebildet, u. zw. durch Verwen- dung von porösen Sinterkörpern.
Die Fig. 4 stellt eine andere Elektrodenausführung dar. Diese Elektroden sind sehr dünn ausgeführt und sind dadurch biegsam und zu einem spiraligen Wickel aufwickelbar.
Der Elektrodensatz besteht in diesem Fall aus je 2 Elektroden 40 der einen Polarität und 41 der andern Polarität. Zwischen dem Elektrodenpaar 40 bzw. 41 befinden sich die Abstandshalter 42, die ein Stützgerüst mit grossen Zwischenräumen darstellen. Diese Abstandshalter können aus Metall oder auch aus Kunststoff od. dgl. sein. Zweckmässig werden sie jedoch aus Metall ausgeführt, so dass ihre Oberfläche bei der Gasaufzehrung mitwirkt. Ausserdem dienen sie in diesem Fall noch zur Kontaktgabe zwischen den Elektrodenpaaren.
Zwischen einer Elektrode 40 und der ihr benachbarten Elektrode 41 befindet sich der feinporige Separator 43. Für diesen Scheider 43 gilt das gleiche, was über den Scheider 8 der Zelle nach Fig. l gesagt wurde. Die in der Zeichnung oben liegende Elektrode 41 ist schliesslich noch durch einen Scheider 44 abgedeckt.
In der Fig. 4 ist angedeutet, dass dieser Elektrodensatz, welcher zweckmässig aus dünnen, feinporigen und grossoberflächigen Elektroden hergestellt wird, aufwickelbar ist.
Der Gasaufzehrung dienen die oberflächenvergrösserten Flächen der Elektroden, die den Elektroden der entgegengesetzten Polarität abgewandt sind, d. h. die Flächen 45, 46, 47 und 48, welche sich in dem durch die Abstandshalter 42 geschaffenen Spalt zwischen den Elektrodenpaaren 40 und 41 befinden.
Eine abgeänderte Ausführungsart zeigt die Fig. 5. Die Abänderung besteht darin, dass die Elektrode der einen Polarität nicht als Doppelelektrode, sondern als Einfachelektrode 49 ausgeführt ist. Diese Elektrode 49 erhält zweckmässig die positive Polarität. Die Aufzehrung des beim Stromfluss durch diese Zelle entstehenden Sauerstoffes vollzieht sich dann an den freiliegenden Flächen 45 und 46 der Elektrode der negativen Polarität.
Die Zelle gemäss Fig. 6 besitzt praktisch den gleichen Aufbau wie die Zelle gemäss Fig. 1. Lediglich
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wickelten Elektrode 50.
Die Elektrode der negativen Polarität 50 ist durch die Stromfahnen 60 mit dem Gehäuse leitend ver- bunden, während die Elektroden der positiven Polarität 51 über die Stromfahnen 61 mit dem Kontaktknopf 62 leitend verbunden sind. Dieser Kontaktknopf 62 ist isoliert durch den aus Kunststoff bestehenden Deckel 63 der Zelle hindurchgeführt. Dieser Deckel 63 wird durch die nach innen umgebogenen Ränder des Gehäuses 58 gehalten, wie es in der Zeichnung dargestellt ist.
Natürlich ist es auch möglich, Elektrodensätze nach den Fig. 4,5 und 10 in die druckfeste Zelle nach Fig. 12 und 13 einzubauen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ständig gasdicht verschlossene, vorzugsweise alkalische Gl ttungs- oder Stabilisationszelle mit porösen Elektroden, feinporiger, zwischen den Elektrodenplatten befindlicher Separation, durch Kapillarkraft festgelegtem Elektrolyten, sowie zwecks Gasaufzehrung mit freiliegenden Elektrodenteilen, die mit dem in der Zelle vorhandenen Gasraum in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden beider Polaritäten die gleiche, üblicherweise für negative Elektroden verwendete aktive Masse enthalten.