-
Die Erfindung betrifft Bine galvanische Zelle, welche bei Erhitzung
auf Bine bestimmte Temperatur elektrische Energie abgibt, wobei die Zelle ans ëinem
die Bine Elektrode bildenden Kern, einem diesen Kern umgebenden, die andere Elektrode
bildenden Mantel und einem bei Normaltemperatur festen Elektrolyten zwischen diesen
Elektroden besteht, welcher in engem Kontakt mit den Elektroden steht und bei der
vorgenannten Temperatur schmilzt und seine elektrolytischen Eigenschaften annimmt.
-
Es sind Knopfzellen bekannt, bei denen der scheibenfdrmige Elektrolyt
aus einem Eutektikum aus LiCI und KCl besteht. Dieses Eutektikum wird bei hôheren
Temperaturen aktiviert, so daB die Zelle Strom abzugeben vermag. Der bei Normaltemperatur
feste Elektrolyt wird jedoch bei der hôheren Temperatur flüssig, weshalb die Knopfzelle
allseitig von einem Metallmantel umgeben ist. Nachteilig ist auch, daB ein enger
Kontakt zwischen dem Elektrolyt und den Elektroden nur schwer zu erreichen ist (USA.-Patentschrift
3 079 454).
-
In Biner anderen Ausführungsform ist der Elektrolyt mit würmebestfindigem
Kaolin vermischt, so daB der Elektrolyt bei hôheren Temperaturen nicht flüssig wird,
sondern in einen pastenfôrmigen Zustand übergeht. Schwierigkeiten bereitet jedoch
auch hier der enge Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektroden. Diese Knopfzelle
benôtigt zudem zur Stromerzeugung Uranoxid (USA: Patentschrift 3189 485).
-
Die charakteristischen Eigenschaften dieser Knopfzellen sind durch
ihre GrôBe und ihren Aufbau bestimmt. Sie sind wohl lange Zeit bei Normaltemperatur
ohne Kapazitütsverlust lagerfâhig, jedoch kônnen die vorhandenen Zellen nicht oder
nur schwer nachtrüglich den betrieblichen Erfordernissen, wie beispielsweise nach
hoher Kapazitüt, hoher Spannung, hoher Strombelastbarkeit Oder Biner besonderen
Form, angepa8t werden.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bine jahrelang
lagerfâhige Zelle zu schaffen, von der im Bedarfsfall ein den betrieblichen Erfordernissen
entsprechender Teil abgenommen wird. Die Zelle soli sich durch einen hohlraumfreien
Aufbau auszeichnen, und der Elektrolyt soll bei Erwfirmung nicht zwischen den Elektroden
austreten. Daneben soll die Zelle in geeigneter Form lagerfâhig und verwendbar sein.
-
ErfindungsgemdB wird dies bei Biner Zelle der eingangs genannten Art
dadurch erreicht, daB die drahtfdrmige Zelle mit ihrem Kern und dem rohrfdrmigen
Mantel biegsam und der Mantel an beiden Enden offen ist, daJ3 der Elektrolyt von
bei der vorgenanuten Temperatur wârmebestândigen Teilchen durchmischt ist und bei
dieser Temperatur Bine zwischen den Elektroden. verbleibende Paste bildet.
-
Zellen mit Biner konzentrischen Anordnung von Kern, Elektrolyt und
Mantel, wobei Kern und Mantel die Elektroden bilden, sied bekannt und entsprechen
dem üblichen Zellenaufbau. Jedoch handelt es sich hierbei stets um nicht verformbare,
nur kurzzeitig lagerriihige und bei Normaltemperatur Strom abgebende Primürzellen.
-
1 i g . 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein Ausgangsmaterial;
F i g. 2 zeigt Bine Seitenansicht zur Darstellung des Herstellverfahrens; F i g.
3 zeigt Bine Teilansicht Bines Zwischenprodukts; F i g. 4 zeigt einen Querschnitt
nach Linie 4-4 der F i g. 3, jedoch in grôBerem MaBstab als diese; F i g. 5 zeigt
Bine Ansicht Biner vorteilhaften Anwendung der Erfindung; F i g. 6 zeigt Bine vergfflerte
schaubildliche Ansicht Biner weiteren Ausführungsform der Erfindung.
-
Die Zeichnungen stellen nicht maBstübliche VergrôBerungen verhültnismâBig
kleiner Vorrichtungen dar.
-
Die folgende Beschreibung bezieht sich ausführlich auf galvanische
Zellen zur Darstellung der Erfindung. Der Ausdruck »drahtartig« bedeutet Bine lângliche
zylindrische Form, die gebogen bzw. wie ein Draht deformiert werden kann. Der Ausdruck
»zylindrisch« umfaBt dabei Formen, die kreiszylindrisch sind Oder deren Querschnitt
von Biner Kreisform abweicht. Der Ausdruck »gezogen«, wie er auf diese zylindrischen
Formen angewandt wird, umfaBt Bine mechanische Verformung, die beispielsweise durch
Ziehen od. dgl. durchgeführt wird, wobei das Ausgangsmaterial im Querschnitt verringert
wird.
-
In F i g. 1 ist mit 1 ein Rohr aus Silber mit einem verhiâltnismül3ig
groBen Durchmesser, beispielsweise 12,7 mm, gezeigt. Die Dicke des Rohres kann beispielsweise
0,5 mm betragen. Innerhalb des Silberrohres 1 ist ein Film oder Bine Schicht 3 aus
Silberchlorid (AgCl) aufgebracht. Diese Schicht 3 kann beispielsweise 2,5 mm stark
sein und wird von der Innenflüche des Silberrohres 1 getragen. Innerhalb der rohrfôrmigen
Teile 1, 3 ist Bine Stange 5 aus Magnesium (Mg) zentrisch angeordnet, die einen
Durchmesser von 2 mm haben kann. Zwischen der Stange 5 und der Schicht 3 aus AgCl
ist Bine massive eutektische Mischung 7 eingefügt, die beispielsweise ans Lithiumchlorid
und Kaliumchlorid (LiCI und KCl) besteht. Diese Mischung wird in gesçhmolzenem Zustand
zuerst bis zu 50 Gewichtsprozent mit sehr feinem Pulver aus feuerfestem Magnesiumoxid
(MgO) gemischt. Die Mischung wird abgekühlt und verfestigt sich dabei. Sie wird
dann pulverisiert und zwischen die Teile 3 und 5 eingefügt. Die sich so ergebende
Schichtdicke betrügt ungefâhr 2,5 mm. Die angegebenen Dimensionen sind nicht mal3geblich
und dienen zur Illustration und zur Erklii.rung. Mindestens anfangs ist ein satter
zwischenflüchiger Kontakt zwischen den Teilen 1, 3, 5 und 7 vorhanden.
-
Die Baugruppe 1, 3, 5, 7 wird dann einem Druck-oder Reduziervorgang
durch mechanisches Ziehen, Schmieden od. dgl. unterworfen, wie dies in F i g. 2
schematisch dargestellt ist. Dieser Arbeitsvorgang wird progressiv entlang der Lüngsrichtung
des Ausgangsmaterials durchgeführt, wie dies durch die Pfeile P angedeutet ist.
Hierbei werden die Teile 1, 3, 5, 7 krüftig zusammengedrückt und gleichzeitig das
Ausgangsmaterial verlângert. Durch das Zusammendrücken werden die Teile 1, 3, 5
und 7 in dichte satte Berührung miteinander gebracht, so daB Hohlrâume auf ein Minimum
reduziert werden und Bine krfiftig verbundene, hermetisch abgedichtete Zelle entsteht.
Der Reduziervorgang wird von einem Ende bis zum anderen Ende durchgeführt und so
lange wiederholt, bis der gewünschte Durchmesser des Drahtes 9 erreicht ist, der
beispielsweise 0,25 mm betrügt (F i g. 3 und 4).
-
In Fi g.4 sind die einzelnen Teile mit 1A, 3A, 5A
und 7A entsprechend
den Teilen 1, 3, 5 und 7 der F i g. 1 bezeichnet. Der Kern 5 A und das Rohr
1 A
ergeben die AnschluBstücke der fertigen Zellen, wie dies
weiter unten ndher erlâutert wird.
-
Der sich so ergebende, dünne, leicht biegbare, jedoch krdftig verbundene
Draht enthdlt normalerweise lestes inertes Material. Diese Zelle hat Bine beliebige
Lânge und kann aufgespult werden. Vor oder nach der Trennung in Einzelstücke kann
sie durch Erwdrmen aktiviert werden. Stücke entsprechender Lânge kennen nun als
Einzelzelle Oder als Vielfachzelle zu einem galvanischen Element angeordnet werden.
Stücke Bines derartigen Materials k®nnen auch beispielsweise in einen Strang oder
Bine Bündelform gebracht werden.
-
In F i g. 5 ist Bine Bündelform schematisch dargestellt, bei der kurze
Stück-e des Mantelmaterials abgenommen sind, um so kleine Verlângerungen 10 der
Kerne freizulegen. Diese Kernansâtze 10 werden in vorteilhafter Weise mit Biner
Anschlu8platte 12 verldtet. Ferner kann ein leitendes Band 14 verwendet werden,
um die Zellen 9 mit ihren üuBeren Rohren in Berührung miteinander und in Bündelform
zu bringen. Das Ergebnis ist Bine Parallelanordnung Biner Anzahl von Zellen 9, die
dann zusammen Bine Batterie im Stromkreis C bilden. Befindet sich ein Bündel oder
ein Strang in dem auf Arbeitstemperatur zu erwdrmenden Raum, so werden die Zellen
9 bei Aktivierung in Parallelschaltung wirken. Wenn das Bündel durch Verdrillen
hergestellt ist, so ist ein Band 14 nicht erforderlich. Eine Reihenschaltung
zwischen vielen kleinen Zellen 9 wird einfach dadurch erzielt, daB der Kern
5A Biner Zelle mit dem Rohr 1A Biner anderen Zelle verbunden wird. Aus den
vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daB kombinierte Reihen- und Parallelschaltungen
ohne weiteres m8glich sind.
-
Wie bereits erwlihnt, ergeben sich biegbare, drahtartige Zellen, bei
denen auf kleinem Raum groBe negative und positive Elektrodenflâchen entsprechend
der verwendeten Drahtldnge vorliegen. Jede einzelne Zelle ishermetisch mit Ausnahme
der sehr kleincn, frci liegenden Enden abgedichtet. Die !Vahl der Drahtldnge und
der Durchmesser der Einzelteile bestimmen bei der Aktivierung die GrÔBe des Ausgangsstromes.
Beliebige unterschiedliche Ldngen k®nnen abgeschnitten, deformiert, zusammengebaut
und auf kleinem Raum so miteinander verbunden werden, daB sich bei Erwdrmung Bine
kompakte Batterie hoher Spannung und/oder hoher Belastbarkeit ergibt. .
-
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daB der eutektische Elektrolyt
(LiCI-KCI) mit dem oben angegebenen, sehr feinen Magnesiumoxyd-(MgO-) Pulver beim
Schmelzen bei der Aktivierungstemperatur Bine zdhe Paste bildet, die elektrolytisch
gut leitend, jedoch so dick ist, da13 der Magnesium-(Mg-)AnschluBkern
5A die positive Silberchlorid-(AgCl-)Elektrode 3 des Silberrohres 1A nicht
berührt und damit ein KurzschluB der Zelle vermieden wird. Ein weiteres Merkmal
besteht in der innigen Berührung zwischen den Teilen l A, 3A, 7A und 5A,
die durch@den Ziehvorgang erzielt wurde.
-
Eine gemdB der obigen Ausführungsfflrm gebildete Zelle ergibt folgende
typische Resultate.
-
Die Zelle bleibt in festem Zustand der eutektischen elektrolytischen
Schicht 7A für Jahre bei Biner Temperatur unterhalb 350°C inert. Bei Erwârmung oberhalb
350°C schmilzt das Lithiumchlorid-Kaliumchlorid-(LiCI-KCI-)Eutektikum und bildet
einen Elektrolyt, so daB folgende elektrochemische Reaktionen vor sich gehen:
| 2 AgCI + 2 e 2 Ag -I- 2 CI' (positive |
| Elektrode) |
| Mg Mg++ + 2 e (negative |
| Elektrode) |
| Mg + 2 AgCI --@ MgCl2 + 2 Ag (insgesamt) |
Die Magnesiumoxid-(MgO-)Partikeln des Eutektikums bleibën fest, so daB der Elektrolyt
Bine zdhe Paste ist und die Elemente 3A und
5A bzw. 3A und
5 B getrennt
bleiben und elektrisch nicht kurzgeschlossen werden.
-
Eine Stange oder ein Draht entsprechend dem beschriebenen Beispiel
entwickelt Bine Leerlaufspannung von ungefâhr 2 V oberhalb 350°C. Die Stromstdrke
ist Bine Funktion der Dicke und Lânge des Drahtes. Bei Serien-Parallelschaltungen
hdngt der Strom und die Spannung von den Anschlüssen ab.
-
F i g. 6 zeigt Bine weitere Ausfdhrungsform der Erfindung, die bei
Verwendung als Brennstoffzellen vorteilhaft ist. Bei dieser Ausführungsform entfdllt
die Kathodenschicht 3A. Die übrigen Schichten 1B und 7A werden auf einen
hohlen Kern 5B aufgeprel3t, wobei ein axial sich erstreckender Durchgang
8 gebildet wird. Die Schichten 1B und der Kern 5B sind aus einem geeigneten, elektrisch
leitenden, korrosionsbestd.ndigen Material hergestellt, das für Wasserstoff und/oder
Sauerstoff bei Arbeitstemperaturen durchlâssig ist, beispielsweise aus Silber oder
Palladium.
-
Wenn die Zelle zur Inbetriebnahme erwârmt wird, ist Bine Einrichtung
vorgesehen, um Wasserstoff entweder dem Kern 5 B durch den Durchgang 8 oder der
Schicht
1B zuzufdhren. Der andere Kern
5B
Oder die Schicht
1 B wird der Einwirkung von Sauerstoff ausgesetzt. Dabei geht die folgende
elektrochemische Reaktion vor sich:
| H2 2H' +2e (negative |
| Elektrode) |
| 1/2 ®2 + e 2 O" (positive |
| Elektrode) |
| H2 + 1/2 OZ H20 (insgesamt) |
Es sei darauf hingewiesen, daB die oben beschriebenen Vorteile, die in Verbindung
mit Biner galvanischen Zelle beschrieben wurden, gemdl3 der Erfindung auch bei Brennstoffzellen
vorhanden sind.
-
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daB der gezogene Draht
Bine beliebige, unbegrenzte, fortlaufende Lânge hat und durch Abtrennen und Biegen
der Draht -den verschiedenen kompakten Konstruktionen von Brennstoff- oder galvanischen
Zellen in Signalsystemen, Steuersystemen u. dgl. angepaBt werden kann. Ein zweiter
Vorteil besteht darin, daB die zylindrischen Teile solche Dickenabmessungen haben,
da13 die Zelle bei Deformationen wâhrend des Aufbaus der betrelfenden Vorrichtung
nicht beschüdigt wird. Ein dritter Vorteil besteht darin, dai3 der pastenfôrmige
Elektrolyt zwischen den dul3eren und inneren Elektroden eingeprel3t ist und sie
vor Biner gegenseitigen Berührung schützt, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob die
Zelle bei Biner bestimmten Anwendung deformiert wird oder nicht.
Die
Schicht 7 wurde als eine eutektische Schicht beschrieben, die beim Erwürmen schmilzt,
doch ist es auch mdglich, eine Schicht ans anderem Material zu verwenden, die ionenleitend
wird, ohne dabei in flüssige Phase überzugehen, wie beispielsweise Mischungen ans
Zirkonium-Kalzium-Oxiden. Auf jeden Fall wird jedoch das Herstëllungsverfahren,
wie oben beschrieben, durchgeführt.