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Verfahren zur Herstellung galvanischer Primärelemente und
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung galvanischer Primärelemente, bei denen die positive und die negative Elektrode koaxial mit dem Stromableiter im Gehäuse angeordnet und durch ein ionenleitendes, aus einem Elektrolyten bestehendes Diaphragma von einander getrennt sind.
Allgemein bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von galvanischen Elementen, nach dem man den Raum der negativen Elektrode, beispielsweise der Zinkelektrode, zunächst mit einer Suspension aus Elektrolyt und Stärkemehl füllt und darauf den Werkstoff der positiven Elektrode einbringt. Beim Einbringen des Stoffes der positiven Elektrode wird die Suspension verdrängt und füllt den Raum zwischen den Elektroden aus. Die Verdickung der Suspension, die zur Bildung der ionenleitenden Diaphragmen erforderlich ist, erfolgt bei selbstverdickenden Lösungen mit der Zeit und bei übrigen Lösungen durch Wärmezuführung.
Die Anwendung dieses Verfahrens, beispielsweise zur Herstellung von galvanischen Becherelementen mit alkalischem Elektrolyt und mit negativer Elektrode aus pastenartigem Zink, ist insofern unvorteilhaft, als die Kenndaten solcher Elemente trotz gleicher Arbeitsweise oft unterschiedlich sind. Diesem Nachteil liegen hauptsächlich zwei Ursachen zugrunde.
Zum ersten schwellt das Mehl in den Alkalilösungen sehr schnell an. Um die Montage der Elemente zu ermöglichen, kühlt man die Alkalilösung bei der Ausbildung des ionenleitenden Diaphragmas aus fertigungstechnischen Gründen bis auf 0 bis 50 C ab. Diese Abkühlung verbessert die Beständigkeit der aufbereiteten Mehlsuspension, die zulässige Aufbewahrungszeit bleibt trotzdem auf 15 min beschränkt. Nach Ablauf dieser Zeit wird die Lösung trotz niedriger Temperatur dick. Dagegen beträgt die Eindickungszeit der in das Element eingefüllten Suspension mindestens 2 min. Diese Zeit reicht aus, um die Oberflächenschicht der in der Suspension verbleibenden pastenartigen negativen Elektrode zu zerstören. Die bei dieser Zerstörung entstehenden Teilchen dieser Elektrode rutschen nach unten und können eine innere Selbstentladung des Elementes während der Lagerung verursachen.
Zum andern wird die Suspension während der Einfüllung mit den Teilchen der positiven
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Elektrode vermischt, die sich im unteren Teil des Elementes sammeln. Dies kann auch eine
Selbstentladung des Elementes während der Lagerung hervorrufen.
Bekannt ist weiter ein Verfahren zur Herstellung von galvanischen Elementen mit einem alkalischen Elektrolyt, bei dem der Werkstoff der negativen Elektrode, beispielsweise das pastenartige
Zink, zunächst in eine aus Mehl und Wasser aufbereitete Suspension eintaucht. Die derart vorbereitete
Elektrode lässt man in Luft eine gewisse Zeit trocknen, die zur Bildung eines Filmes aus anschwellendem Mehl auf der Oberfläche der Elektrode ausreicht. Dies geht binnen etwa 15 bis 20 sec vor sich. Anschliessend füllt man den Raum der positiven Elektrode mit einer Alkalilösung aus und bringt den Werkstoff der negativen Elektrode ein. Hiebei bildet sich das ionenleitende Diaphragma etwa in 3 bis 4 sec aus (s. beispielsweise das sowjetische Patent Nr. 133082).
Dieses Verfahren ermöglicht zwar die Herstellung von galvanischen Elementen etwas besserer
Qualität, besitzt aber auch eine Reihe von Mängeln.
Der wichtigste davon liegt darin, dass die Gefahr der inneren Entladung der Elemente durch
Teilchen der positiven Elektrode, die nach Einfüllung der Alkalilösung im Schwebezustand auftreten, nach wie vor bestehen bleibt.
Ein weiterer Nachteil liegt in der schwankenden Zusammensetzung des Werkstoffs des verdickten
Elektrolyts (des ionenleitenden Diaphragmas), die darauf zurückzuführen ist, dass einerseits die die negative Elektrode umgebende Suspension bei Trocknung zu den Stirnteilen der Elektrode fliesst, so dass die Mehlschicht eine ungleichmässige Stärke über die Elektrodenhöhe aufweist, anderseits aber auch die bei Vorbereitung von Elektroden an diesen zurückbleibende Mehlmenge nicht konstant ist. Dazu kommt noch, dass der Gehalt an Mehl in der Suspension ständig abnimmt.
Was nun die allgemein bekannten Vorrichtungen zur Fertigung von galvanischen Primärelementen anbetrifft, ist zu bemerken, dass obwohl sie eine weitgehende Mechanisierung einzelner Operationen der obenbeschriebenen Verfahren ermöglichen, die Zahl der Arbeitsgänge bei ihnen gross bleibt.
In Übereinstimmung mit obigen Darlegungen bezweckt die Erfindung, die Nachteile der erwähnten bekannten Verfahren zur Herstellung von galvanischen Elementen zu beheben und eine hochleistungsfähige und zuverlässige Anlage zur Herstellung von galvanischen Primärelementen zu entwickeln, bei der die Zahl von Arbeitsgängen geringer und die Güte der gefertigten Elemente gegenüber bekannten Einrichtungen dieser Art höher sind.
Zum Erreichen dieser Ziele wurde erfindungsgemäss die Aufgabe gestellt, das ionenleitende Diaphragma und die die Elektroden bildenden Werkstoffe in das Gehäuse des galvanischen Primärelementes so einzubringen, dass die Gefahr von Kurzschlüssen und einer Selbstentladung des Elementes während der Lagerung desselben vermieden wird und ferner eine automatisch arbeitende Vorrichtung hoher Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu entwickeln, wodurch sich die Zahl der Arbeitsgänge vermindern lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Elektrolyt vorverdickt und der verdickte Elektrolyt gleichzeitig mit dem Werkstoff zumindest einer der Elektroden in den Gehäusebecher des galvanischen Primärelementes eingepresst und dabei gleichzeitig geformt wird.
Es ist vorteilhaft, zunächst die positive Elektrode in den Gehäusebecher einzubringen und anschliessend den Werkstoff der negativen Elektrode gemeinsam mit dem verdickten Elektrolyt in den Gehäusebecher einzupressen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass der verdickte Elektrolyt und der Werkstoff beider Elektroden in den Gehäusebecher eingepresst werden.
Es ist ferner vorteilhaft, gleichzeitig mit dem Einpressen des verdickten Elektrolyten und der negativen Elektrode in deren Hohlraum einen Stromleiter einzuführen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine zumindest zwei koaxial angeordnete Hohldorne aufweisende Düse zur Einpressung der Werkstoffe bei gleichzeitiger Formung der durch diese austretenden Materialstränge.
Vorteilhafterweise ist einer der Hohlräume der Düse mit einem für die Zuteilung der verdickten Elektrolyten und der andere Hohlraum mit einem für die Zuteilung des Werkstoffes der negativen Elektrode vorgesehenen Zuteilungsorgan verbunden, wobei die beiden Zuteilungsorgane an Druckleitungen von Einrichtungen zur Materialzufuhr angeschlossen sind.
Erfindungsgemäss sind die Zuteilungsorgane als je ein Zylinder mit einem beweglichen Stempel und mit einem Ventil ausgebildet, wobei dieses den zugeordneten Zylinderraum abwechselnd mit der Druckleitung und einem der Düsenräume verbindet.
Der Vorzug des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass das ionenleitende Diaphragma aus vorverdickter Elektrolytlösung hergestellt wird, die in diesem Zustand auf lange Zeit aufbewahrt werden
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kann, ohne dass ihre Eigenschaften und damit die des hergestellten galvanischen Elementes beeinträchtigt werden.
Als weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist der Wegfall der Gefahr der inneren
Entladung zwischen den Elektroden zu nennen.
Darüber hinaus verringert sich beim erfindungsgemässen Verfahren die Anzahl der Arbeitsgänge, da sowohl die Werkstoffe der Elektroden als auch die der ionenleitenden Diaphragmen in das Gehäuse des
Primärelementes gleichzeitig eingebracht werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung bei der die Räume der formgebenden Düse mit
Zuteilzylindern, welche einen beweglichen Stempel und ein Ventil besitzen, verbunden werden, ermöglicht eine weitgehende Mechanisierung des Fertigungsvorganges.
Die Erfindung wird nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt : Fig. l den Längsschnitt der erfindungsgemässen Düse für die
Einpressung des Werkstoffs der negativen Elektrode, der vorverdickten Elektrolytlösung und dem
Stromableiter in das Gehäuse des galvanischen Elementes, in dem die positive Elektrode vorher angeordnet wird, Fig. 2 den Längeschnitt einer weiteren erfindungsgemässen Düse, die die Einbringung der Werkstoffe für die negative und die positive Elektrode, der verdickten Elektrolytlösung und der
Stromableitung ermöglicht, Fig. 3 die Zuteilungsorgane zur dosierten Förderung der Werkstoffe in die Räume der Düsen nach Fig. l in schematischer Darstellung.
Der dem erfindungsgemässen Verfahren zugrunde liegende Gedanke wird aus der nachstehenden Beschreibung des Aufbaus und der Wirkungsweise einiger Ausführungsvarianten für die erfindungsgemässe Vorrichtung verständlich.
Die Vorrichtung zur Herstellung der galvanischen Primärelemente mit einem alkalischen Elektrolyt enthält zunächst eine Düse (Fig. l) mit dem Mantel-l-und zwei konzentrisch zueinanderliegenden Hohldomen--2, 2-- ; die alle zusammen die Räume --3, 4-- bilden, Die Form und Bemessung des Mantels--l--sollen der Form und den Abmessungen des Raumes der positiven Elektrode entsprechen, die im Gehäuse des herzustellenden Elementes (in der Zeichnung nicht gezeigt) vorher angeordnet wird.
Die Räume--3, 4-- werden entsprechend mit vorverdickter Elektrolytlösung und dem Werkstoff der negativen Elektrode gefüllt. In den Raum--5--setzt man den Stromableiter der negativen Elektrode ein.
Werden die in den Räumen --3, 4-- befindlichen Stoffe einem Druck ausgesetzt, so fliessen sie gleichzeitig in Form eines Stranges in den Raum der positiven Elektrode ein, wobei das ionenleitende Diaphragma und die negative Elektrode gebildet werden. Gleichzeitig führt man auch den Stromableiter durch die Öffnung --5-- ein, die hiebei durch die negative Elektrode dicht umgeben (bzw. in die negative Elektrode eingepresst) wird.
Eine andere erfindungsgemässe Form der Düse (Fig. 2) ist für diejenigen Fälle gedacht, bei welchen die negative und die positive Elektrode sowie das ionenleitende Diaphragma (in den Zeichnungen nicht gezeigt) gleichzeitig eingepresst und geformt werden sollen. Die Düse weist hier einen Mantel-l-- und drei Hohldorne-2, 2', 2"--, die wieder koaxial zueinander liegen und die Raume--3', 4' und 6-bilden. Diese Düsenräume nehmen entsprechend sowohl die vorverdickte Elektrolytlösung, als auch den Werkstoff der positiven und der negativen Elektrode auf.
Der Raum--5--dient analog wie zu Fig. l beschrieben zur Einbringung des Stromableiters für die negative Elektrode, welche gleichzeitig mit dem Einpressen der Stoffe aus den Räumen --2', 2" und 6-- in das Gehäuse des galvanischen Elementes eingeschoben wird. Die Gestaltung und die Abmessungen des Mantels--l--sollen der Form und den Abmessungen des Gehäuses des herzustellenden galvanischen Elementes (in den Zeichnungen nicht gezeigt) entsprechen.
Die Herstellung von galvanischen Primärelementen, d. h. die Einbringung und Formung der Elektroden und des ionenleitenden Diaphragmas erfolgen wie vorstehend beschrieben.
Fig. 3 zeigt noch eine Ausführungsvariante für die erfindungsgemässe Vorrichtung. Diese ermöglicht es, den Herstellungsvorgang des Primärelementes durch Steuerung der Stoffströme zu mechanisieren.
Diese Vorrichtung enthält eine Düse mit dem Mantel-l--und den Hohldornen--2, 2'-, die zusammen die Räume-3, 4, 5-- bilden, ferner die Zylinder--7, 8- mit verschiebbaren Stempeln--9, 10-- und den Drehventilen-11, 12--. Die Zylinder mit den Kolben und Ventilen wirken als diskontinuierlich arbeitende Zuteilungsorgane für die vorverdickte Elektrolytlösung und die Elektrodenwerkstoffe.
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auch der Zylinderraum-16-mit dem Düsenraum-4-über den Kanal--17-und mit der Druckleitung--18--verbunden.
Die Vorrichtung nach Fig. 3 hat folgende Wirkungsweise :
Das galvanische Element mit darin eingepresster positiver Elektrode --19-- setzt man durch Vorschieben des Stössels-20-auf dem Düsenkörper auf. Den Ring--21--, der auch zur Vorbeugung der Zerstörung der positiven Elektrode--19--dient, verschiebt man dabei antlang des Düsenmantels-l-.
Während derjenigen Zeit, in welcher die Räume--13, 16-- der Zylinder--7, 8-- über Ventile --11, 12-- mit entsprechenden Druckleitungen--15, 18-- in Verbindung stehen, treten die Werkstoffe des ionenleitenden Diaphragmas und der negativen Elektrode darin ein. Die Stempel --9, 10-- bewegen sich unter der Druckwirkung der eintretenden Stoffe nach oben und geben einen bestimmten Raum frei
Nachdem die Zylinder--7, 8-- gefüllt sind, werden die Ventile--11, 12-- gedreht (nach der Zeichnung um 1800), wobei die Zylinderräume --13,16-- über Kanäle-14, 17- mit entsprechenden Düsenräumen --3,4-- verbunden werden.
Man setzt jetzt in den Raum-5-die Stromableiter --22-- ein und drückt sie mit dem Stössel --23-- an den Boden des Elementes.
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das Gehäuse des Elementes hinein, worin sich schon die positive Elektrode-19-befindet. Dabei werden das ionenleitende Diaphragma und die negative Elektrode geformt.
Gleichzeitig mit der Einbringung der Werkstoffe und dem Einsetzen der Stromableiter wird der Stössel--20--entsprechend zurückgezogen.
So wie die oben beschriebene Vorrichtung kann diese auch zur gleichzeitigen Einbringung der Stoffe für die positive und die negative Elektrode und für das ionenleitende Diaphragma aufgebaut sein, nur mit dem Unterschied, dass die Düse hier --3-- koaxial zueinander liegende Hohldorne besitzt und die damit gebildeten Düsenräume mit --3-- Presszylindern verbunden werden.
Durch Anwendung der Erfindung lässt sich die Fertigung der galvanischen Elemente beträchtlich vereinfachen, die Güte der hergestellten Primärelemente erhöhen und die Streuung ihrer Kenndaten verringern. Darüber hinaus wird die Selbstentladung dieser Elemente während der Aufbewahmg, welche Entladung bei üblichen Elementen durch Leckströme zustande kommt, vermieden. Auf Basis der Erfindung können hochleistungsfähige Automaten entwickelt werden, die den Arbeitsaufwand bei Fertigung der galvanischen Elemente weitgehend vermindern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung galvanischer Primärelemente, bei denen die positive und die negative Elektrode koaxial mit dem Stromableiter im Gehäuse angeordnet und durch ein ionenleitendes, aus einem Elektrolyten bestehendes Diaphragma voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt vorverdickt und der verdickte Elektrolyt gleichzeitig mit dem Werkstoff zumindest einer der Elektroden in den Gehäusebecher des galvanischen Primärelementes eingepresst und dabei gleichzeitig geformt wird.
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