DE1247430B - Galvanische Zelle - Google Patents

Galvanische Zelle

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DE1247430B
DE1247430B DEU7824A DEU0007824A DE1247430B DE 1247430 B DE1247430 B DE 1247430B DE U7824 A DEU7824 A DE U7824A DE U0007824 A DEU0007824 A DE U0007824A DE 1247430 B DE1247430 B DE 1247430B
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DE
Germany
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cell
membrane
sealing ring
pressure
cells
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Withdrawn
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DEU7824A
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English (en)
Inventor
Robert Carmichael
William Anthony Vulpio
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Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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Publication date
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    • H01M50/56Cup shaped terminals
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES VMWWt PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIm
Deutsche Kl.: 21b-1/03
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
1247 430
U 7824 VI b/21 b 24. Februar 1961 17. August 1967
21 K 9 1-06
Es ist bekannt, daß in Primärzellen bei der Lagerung und beim Gebrauch Wasserstoff entstehen kann. Diese Wasserstoffbildung ist insbesondere beim Überladen von Akkumulatoren kritisch. Hat die Zelle gasundurchlässige Wandungen, so kann in ihrem Inneren ein Überdruck entstehen, der zu einer Zerstörung der Zelle führt und unter Umständen auch das Bedienungspersonal gefährden kann. Um dieser Gefahr vorzubeugen, sind schon Zellen gefertigt worden, deren Wandungen teilweise aus einer, Flüssigkeiten nicht durchlassenden, aber gasdurchlässigen Membran bestehen, die bei Erreichung eines bestimmten Überdruckes im Inneren der Zelle birst.
Es ist ferner bekannt, daß die als Elektrolyt verwendeten wäßrigen Lösungen von Alkalihydroxyden zum Hindurchkriechen durch die üblichen Dichtungen neigen. Zur Verhütung dieses Leckens müssen galvanische Zellen ganz besonders gut abgedichtet sein.
Schließlich sind Akkumulatorzellen bekannt, -bei denen mindestens ein Teil der Behälterwand durch einen Kunststoff, insbesondere Polyvinylchlorid oder Polyäthylen, gebildet wird, der Wasserstoff und in geringerer Menge Sauerstoff hindurchdiffundieren läßt, zumal wenn diese Gase unter einem den Atmosphärendruck übersteigenden Druck stehen, dagegen für Flüssigkeiten, ζ. B.. Wasser, dicht ist. Der Boden dieser Zellen besteht zufolge einer Ausführungsform aus einer Platte mit einer Öffnung, auf welcher eine aus einem für Gase durchlässigen, für Flüssigkeiten indessen undurchlässigen Kunststoff gefertigte Membran aufliegt, die bei einem bestimmten Zelleninnendruck birst. Der Boden ist umgebördelt und preßt dadurch Membran, Platte und einen besonderen Dichtungsring gegen die Stirnseite des Zellenmantels, wodurch eine Zellen abdichtung erzielt werden soll.
Zellen dieser Art sind jedoch schwierig herzustellen, da sie aus vielen Einzelteilen (Membran, Auflageplatte für die Membran, verschiedene Dichtungselemente usw.) bestehen, die sehr sorgfältig zusammengebaut werden müssen, um zu gewährleisten, daß der Elektrolyt nicht aus den Zellen austritt. Die gleichmäßige Dicke bei der bekannten Membran erlaubt es auch nicht, die Durchlässigkeit für Wasserstoff und die Eigenschaft, bei einem bestimmten Innendruck zu bersten, aufeinander abzustimmen.
Die erfindungsgemäße Zelle mit einer einen Teil des stirnseitigen Zellenverschlusses bildenden, Flüssigkeiten nicht durchlassenden, aber gasdurchlässigen, bei einem bestimmten Druck innerhalb der Zelle berstenden Membran, die zusammen mit dem Galvanische Zelle
Anmelder:
Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt, Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27
Als Erfinder benannt:
Robert Carmichael, Lakewood, Ohio; William Anthony Vulpio,
Cleveland, Ohio (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Februar 1960 (11082)
Dichtungsring die Zelle verschließt, ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die den Bodenverschluß der Zelle bildende Membran -ih einen Dichtungsring größerer Dicke fortsetzt, die Membran Querschnittsbereiche unterschiedlicher Dicke hat, und daß die Außenfläche des zylinderischen Dichtungsringes mit der Innenwand des Zellenbehälters die Abdichtung bildet.
Vorzugsweise ist die Membran vor dem Übergang in den zylindrischen Dichtungsring als Ringnut ausgebildet.
Zellen mit den erfindungsgemäßen Dichtungen verhindern mit Sicherheit das Hindurchtreten von alkalischen Elektrolyten. Sie lassen im Inneren der Zelle entwickelte Gase hindurchdiffundieren, bis ein bestimmter Innendruck erreicht ist. Bei Überschreitung dieses Druckes bersten sie, wobei der Berstdruck unabhängig ist von der Gasdurchlässigkeit der Membran.
Die Zeichnungen zeigen beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung.
Die F i g. 1 zeigt eine Mangandioxyd-Zink-Zelle mit einer wäßrigen Lösung eines Alkalihydroxyds als Elektrolyten, mit einem becherförmigen Behälter 10. und einem Isoliermantel 11. Die positive Elektrode
709 637/224
12 und die negative Elektrode 14 sind durch den Scheider 16 und den Elektrolyten 18 getrennt. An seinem offenen Ende ist der Behälter 10 mittels einer ringförmigen Dichtung 20, die mit der Membran eine Einheit von U-förmigem Querschnitt bildet, verschlossen. Der nicht mit einem Pol verbundene Deckel 22 hat eine Entlüftungsöffnung 23 und einen entgegengesetzten Pol 24, der in Kontakt steht mit dem anodischen Stromableiter 25. Die Dichtung 20 wird zwischen dem Anschluß 24 und dem Deckel 22 sowie zwischen dem Deckel 22 und dem. Behälter 10 radial zusammengedrückt.
Vorzugsweise hat die Zelle zusätzlich noch eine äußere Isolierung 28 und einen Metalldeckel 30 in Kontakt mit dem Anschluß 24, um die Membran 26 beim Bersten festzuhalten.
Die Dichtung kann auch mehrere Membranen mit kreisförmiger Oberfläche enthalten. Da jede dieser Membranen bei demselben Druck birst, kann durch eine solche Anordnung die Entlüftungsfläche ohne Änderung des Berstdruckes vergrößert werden.
Die F i g. 2 zeigt eine Membran 26, die sich besonders dort eignet, wo eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit für eine gegebene Membranfläche gewünscht wird. Die Membran hat eine Berstfläche/l, aber nur eine Fläche A-B=C für das Hindurchdiffundieren von Gasen. Die Dicke T der Membran an ihrem äußeren Umfange regelt den Berstdruck. Eine Membran nach der F i g. 2 birst bei demselben Innendruck wie eine solche, die überall gleichmäßig stark ist; sie läßt aber vor dem Bersten viel weniger Gas hindurchtreten. Die Geschwindigkeit der Diffusion kann bei dieser Ausführungsform durch Änderung der Membranfläche mit geringerer Dicke (T) geregelt werden, ohne daß dadurch der Berstdruck ein anderer wird.
Die mit den Dichtungen verbundenen Membranen, die ein einheitliches Konstruktionselement bilden, brauchen nicht kreisringförmig zu sein. So haben sich nierenförmige Membranen für hohe Diffusionsgeschwindigkeiten und niedrige Berstdrücke gut bewährt. In kleinen Zellen kann die in ihrer Dicke unterschiedliche Membran auch die Form eines Ringes haben, der die negative Polöffnung umgibt.
Die Eigenschaften der mit der Dichtung eine Einheit bildenden Membran, d. h. ihre Durchlässigkeit für Gase, wie Wasserstoff, und ihre Fähigkeit beim Erreichen eines bestimmten Innendruckes zu beraten, hängen von den Abmessungen der Membranfläche und von dem verwendeten Werkstoff ab. Diese Eigenschaften lassen sich nicht errechnen, sondern müssen von Fall zu Fall durch Versuche ermittelt werden.
Die Fähigkeit, bei einem bestimmten Druck zu bersten, ist außer von der Festigkeit des Werkstoffes für die Membran von der Form der Membranfläche sowie von der Dicke ihres schwächsten Bereichs abhängig. In Versuchen wurde die Abhängigkeit des Berstdruckes von der Membrandicke T (F i g. 2) festgestellt. Hierbei wurden Zellen der in der Fig.! abgebildeten Art verwendet. Die Membranen bestanden aus Superpolyamid und hatten Kreisringform. Bei diesen Versuchen enthielten die Zellen keinen Elektrolyten, was aber für die Bestimmung des Berstdruckes ohne Bedeutung ist. Die nachstehende Tabelle enthält die gefundenen Werte für die in der Tabelle angegebene Dicke im Bereich des Kreisringes.
Dicke der Membranen
(mm)
Berstdruck
(kg/cm2)
0,076 bis 0,102
5 0,102 bis 0,127
0,127 bis 0,152
14,0 bis 17,5
19,3 bis 21,0
21,0 bis 26,3
Die Tabelle zeigt, daß der Berstdruck etwa linear mit der Dicke der Membran ansteigt.
ίο Die durchdiffundierte Menge hängt außer von der Größe und Dicke der Membranfläche auch von der Art des Werkstoffes ab.
Durch Versuche wurde die Durchlässigkeit von Membranen aus verschiedenen Stoffen mit einer Fläche von 0,2 cm2 und einer Dicke von 0,085 mm für Wasserstoff bestimmt. Hieraus wurde die Permeabilitätskonstante errechnet, die angibt, wieviel Kubikzentimeter Wasserstoff von Normaltemperatur und Normaldruck durch einen Würfel aus dem unter-
ao suchten Werkstoff mit einer Kantenlänge von 1 cm bei einer Druckdifferenz von l-109cm Quecksilbersäule je Sekunde hindurchtreten. Schließlich wurde noch berechnet, wieviel Kubikzentimeter Wasserstoff wöchentlich aus einer Zelle mit einem Durchmesser
*5 von 3,2 cm, einer Höhe von 5,7 cm, einem Nennvolumen von 45 cm3 und einem Gewicht von etwa 96 g durch Diffusion austreten können, wenn die Zelle eine Dichtung mit Membranen nach den Fig. 1 und 2 hat, und wenn in ihrem Inneren ein Überdruck von 6 at herrscht. Die nachstehende Tabelle enthält die gefundenen Werte.
35 Superpolyamid .... Permeabilitäts
konstante
Wasserstoff
Werkstoff Copolymer aus austritt durch
Diffusion
Vinylchlorid und 0,10 cmVWoche
40 Vinylacetat . 0,70
Polyäthylen
0,99
0,80 7,33
5,92
Die Tabelle zeigt, daß die Durchlässigkeit von Superpolyamid für Wasserstoff, etwa zehnmal geringer ist als die der anderen Werkstoffe. Diese Eigenschaft muß beim Entwurf.von Dichtungen und Membranen berücksichtigt werden.
Bei weiteren Versuchen wurden Akkumulatorzellen der oben beschriebenen Größe in der Ausführung nach der F i g. 1 absichtlich überladen, um in ihrem Inneren hohe Gasdrücke zu erzeugen. 50 dieser Zellen enthielten eine Membran nach der F i g. 2, und 50 Zellen keine Membran. Bei allen mit einer Membran nach der F i g. 2 versehenen Zellen blies der unter Überdruck stehende Wasserstoff sicher ab.
Alle Zellen Ohne die erfindungsgemäße Membran zersprangen heftig.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Galvanische Zelle mit einer einen Teil des stirnseitigen Zellenverschlusses bildenden, Flüssigkeiten nicht durchlassenden, aber gasdurchlässigen, bei einem bestimmten Druck innerhalb der Zelle berstenden Membran, die. zusammen mit einem Dichtungsring die Zelle verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die den Bodenverschluß der Zelle bildende Membran in einen zylindrischen Dichtungsring größerer Dicke fortsetzt, die Membran Querschnitts-
bereiche unterschiedlicher Dicke hat und daß die Außenfläche des zylindrischen Dichtungsringes mit der Innenwand des Zellenbehälters die Abdichtung bildet.
2. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran vor dem Übergang in den zylindrischen Dichtungsring als Ringnut ausgebildet ist.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift N 5120 VIb/21b kanntgemacht am 12. 4.1956).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 637/224 8.67 © Bundesdruckerei Berlin
DEU7824A 1960-02-25 1961-02-24 Galvanische Zelle Withdrawn DE1247430B (de)

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US1108260A 1960-02-25 1960-02-25

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