DE1912382A1

DE1912382A1 - Metall-Luft-Element

Info

Publication number: DE1912382A1
Application number: DE19691912382
Authority: DE
Inventors: Jerabek Elihu Calvin; Hamlen Robert Paul
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-04-01
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1969-10-30
Also published as: GB1233661A; FR2005235A1; NL6903176A; US3598655A

Description

METALL-LUPT-ELEMENT

Die vorliegende Erfindung betrifft Metall-Luft-Elemente und im besonderen Metall-Luft-Elemente, bei denen sich e,ine saugfähige Elektrolyt-Matrix zwischen und in Berührung mit den Elektroden befindet und über eine der Kanten der betreffenden Elektrode hinausreicht, so daß sie mit einer getrennten Elektrolytquelle in Verbindung steht.

Metall-Luft-Elemente sind galvanische Zellen, die einen Oxidator aus Sauerstoff oder Luftsauerstoff als reaktives Material verwenden, das an der positiven Elektrode der Zelle verbraucht wird. Der Sauerstoff wirkt hierbei als Kathodendepolarisator. Derartige Zellen arbeiten mit einem salzartigen oder alkalischen Elektrolyten in der Zelle. Als Anodenmaterialien eignen sich Magnesium, Zink und Aluminium, da sie im allgemeinen billig und von leichtem Gewicht sind. Während des Betriebes einer derartigen Zelle bilden die obengenannten Anodenmaterialien jedoch einen Niederschlag oder Schlamm aus, der volumenmäßig einen großen Teil des Elektrolyten einnimmt»- Sobald sich Schlamm bildet, fällt die Energieleistung rasch ab und die Ausnutzung der

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Anode wird vermindert.J_n diesem Fall muß der Schlamm aus der Zelle entfernt und der darin befindliche Elektrolyt ausgewechselt" werden, um das Element wieder auf seinen effektiven Betriebszustand zu bringen.

Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe ein verbessertes Metall-Luft-Element zugrunde, bei dem die Schlammbildung während des Betriebes wesentlich vermindert oder ausgeschlossen ist, wodurch eine selbstreinigende Anodenelektrode erhalten wird.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Metall- ^ Luft-Element mindestens eine Elektrode als Kathode, eine dazu im Abstand angebrachte niederschlagbildende Anode und eine saugfähige Elektrolyt-Matrix aufweist, die zwischen den Elektroden und mit ihnen in Berührung gebracht ist und die über eine der Kanten der betreffenden Elektroden hinausreicht und so ausgebildet ist, daß sie mit einer getrennten Elektrolytquelle in Verbindung steht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Metall-Luft-Elementes und

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten

Metall-Luft-Elements darstellt.

In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung wird, allgemein mit 10 bezeichnet, ein verbessertes erfindungsgemäßes Metall-Luft-Element gezeigt. Die Zelle 10 weist ein Gehäuse 11 in Form eines umgekehrten U-förmigen Rahmens auf. Auf den gegenüber-' liegenden äußeren Oberflächen des Gehäuses 11 ist ein daran dicht abschließend angebrachtes Metallgitter 12 gezeigt. An jeder der gegenüberliegenden Außenflächen des Gehäuses 11 ist ein Frontstück 13 dicht abschließend angebracht, das Über, die

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Ränder des Schirmes 12 hinausragt. Jedes der Prontstücke 13 weist eine große Öffnung 14 auf, wodurch der Teil des Gitters 12, der innerhalb des offenen Teils Ik liegt, einen Teil einer gasdurchlässigen, flüssigkeitsundurchlässigen Kathodenelektrode 15 bildet, die das gleiche Ausmaß wie die Öffnung 14 aufweist. An dem Gitter 12 ist ein Anschlußstreifen befestigt, der einen elektrischen Anschluß für die Kathode darstellt.

Obwohl die Kathodenelektrode 15 in der oben beschriebenen Form abgebildet ist, sind in der Technik verschiedene Kathodentypen bekannt, die in einem Metall-Luft-Element verwendet werden können. Der Typus der in Fig. 1 gezeigten Kathode weist ein Gitter 12 und einen darauf ohne oder mit Abstützung angebrachten Überzug aus einem Katalytisch aktiven Material und'geeignetes Bindemittel, wie beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen auf, das die Katalysatorteilchen miteinander und mit dem Gitter 12 verbindet, wodurch die Kathodenelektrode 15 entsteht. Bei dieser Kathodenbauweise können die Außenflächen zum Zweck der Wasserabdichtung dieses Aufbaus mit einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen überzogen werden.

Eine andere, verbesserte und erfindungsgemäß verwendbare Kathode weist ein elektronisch leitendes Gitter, ein hydrophobes Bindemittel und elektronisch leitende katalytisch wirksame Kohlenstoffteilchen auf, die durch das Bindemittel aneinander und an das Gitter befestigt sind. Als Kathode eignet sich ebenfalls eine handelsübliche feuchtigkeitsbeständige Kohlenstoffelektrode.

Eine andere, erfindungegemäß verwendbare, verbesserte Kathode weist ein elektronenleitendes Gitter, ein hydrophobes Bindemittel und elektronenleitende, katalytisch aktive Kohlenstoffteilchen auf, die durch das Bindemittel untereinander und mit dem Gitter verbunden sind. Als Kathode eignet sich auch eine handelsübliche feuchtigkeitsfeste Kohlenelektrode.

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Zwischen den beiden Kathodenelektroden 15 und im Abstand davon· ist eine Anodenelektrode 17 angebracht. Diese Anode wird aus einem niederschlagbildenden Material, wie beispielsweise Magnesium, Zink, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle hergestellt. Ein Streifen eines den Elektrolyten aufsaugenden Materials 18, wird so angebracht, daß es an Jeder der gegenüberliegenden Oberflächen der Anodenelektrpde 17 anliegt und mit ihnen und der jeweiligen Kathodenelektroden 15 in Verbindung steht. Dieses Material kann beispielsweise 'Pilzform aufweisen und erstreckt sich über die Ränder der Elektroden hinaus, so daß es mit einem Elektrolyten in einer getrennten Kammer in Berührung ist. Dieses Material, das den Elektrolyten aufsaugen muß, kann selbstverständlich verschiedene Gestalt besitzen und als Wicklung oder auf andere Art mit der Anodenelektrode 17 und den Kathoden 15 in Verbindung stehen.

Obwohl ein Paar paralleler Kathodenelektroden gezeigt ist, die von der Anodenelektrode im Abstand und auf gegenüberliegenden Seiten angebracht sind, kann auch eine einzelne Kathodenelektrode verwendet werden, die von der Anodenelektrode im Abstand angebracht ist und eine saugfähige, zwischen den Elektroden und mit ihnen in Verbindung stehende Elektrolyt-Matrix aufweist, wobei der verlängerte Teil dieser Elektrolyt-Matrix so ausgebildet ist, daß er mit einer vom Metall-Luft-Element getrennten EJfektrolytquelle in Berührung steht· Weiterhin kann auch ein Paar von Anodenelektroden mit einer einzelnen Kathodenelektrode oder mehrere Anoden- und Kathodenelektroden vorgesehen sein.

Es können verschiedene Elektrolyte Verwendung finden. Geeignete Elektrolyte sind beispielsweise wässrige Lösungen von Natriumchlorid und Kaliumchlorid für Magnesium und Magnesiumlegierungen; wässrige Lösungen von Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Kaliumhydroxid für Aluminium und Aluminiumlegierungen:, und wässrige Lösungen von Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid für Zink und Zinklegierungen. Aluminiumlegierungen, die wenige Gew.% Zinn enthalten, haben offenbar zusammen mit einem Elektrolyten aus einer wässrigen Kochsalzlösung gute Wirksamkeit. Eine derartige

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Legierung wird beispielsweise in der US-Patentschrift 3 189 486, erteilt ain 15. Juni 1965, beschrieben.

Es wurde gefunden, daß ein verbessertes Metall-Luft-Element dadurch hergestellt werden kann, daß mindestens eine Kathodenelektrode, mindestens eine davon im Abstand angebrachte niederschlagbildende Anodenelektröde und zwischen den Elektroden und mit ihnen in Verbindung stehend eine saugfähige Elektrolyt-Matrix verwendet wird, die über die Kante der betreffenden Elektroden hinaus verlängert und so ausgebildet ist, daß sie eine getrennte Elektrolytquelle berührt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Metall-Luft-Element ein Paar paralleler Kathodenelektroden vorgesehen, die von der Anode im Abstand und an gegenüberliegenden Seiten der Anodenelektrode angebracht sind. Es wurde gefunden, daß eine derartige Zelle auf die oben beschriebene Weise gebaut werden und die Verlängerung der Matrix in eine getrennte Elektrolytquelle wie beispielsweise_v5alzwasser, eingebracht werden kann.

Wird an die Elektroden der Zelle eine Belastung angelegt, dann wird elektrische Energie erzeugt und während dieser Zeit aus der Anodenelektrode ein Niederschlag abgeschieden. Während dieser Niederschlag normalerweise am Boden der Zelle Sehlamm bilden und anschließend die Zellen füllen würde, sind diese Probleme in dem vorliegenden Element beseitigt. Der gebildete Niederschlag wird durch Verwendung der saugfähigen Elektrolyt-Matrix und der getrennten Elektrolytquelle von der Anode entfernt bzw. diese gereinfet. Da sich die Verlängerung der Elektrolyt-Matrix in einer getrennten Elektrolytquelle befindet, sammelt sieh am Boden oder in der Zelle kein Schlamm ah, da dieser in die getrennte Elektrolytquelle abgeführt wird. Auf diese Weise ist die Zelle länger arbeitsfähig und verlangt nur ein Mindestmaß an Unterhaltung. Weiterhin wird das Volumen des Elektrolyten in der Zelle nicht vermindert, da der Elektrolyt in einer von der Zelle getrennten Quelle enthalten ist* Auf diese Weise wird ein verbessertes Metall-Luft-Element erhalten, das leichte und billige Anoden enthält und nicht dem Nachteil dieser Art AnodeniGäteriaiien unter-

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liegt. " . '

Im folgenden wird eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Metall-Luft-Elementes näher beschrieben.

Beisp.ifl 1 - · ■

Entsprechend den Figuren 1 und 2 der Zeichnung wurde ein Metall-Luft-Element hergestellt. Jede Kathode bestand aus einem Gitter aus Silber, auf das mit Hilfe eines Bindemittels aus Polytetrafluoräthylen katalytisch wirksame Stoffe aus Nickel, Platin und ISlladium im Verhältnis 5*1 Jl aufgetragen wurden.

Die metallische Anode bestand aus einer Aluminiumlegierung, die wenige Gew.% Zinn enthielt. Als Elektrolyt-Matrix diente Kunstseidefilz, dessen Verlängerungen in eine 3 Gew.^ige Lösung aus Natriumchlorid in einem getrennten Behälter eintauchten, der unterhalb der Zelle angebraeht war. Die Elektroden wurden belastet und das Polarisationsverhalten der Zelle gemessen, wie es in Tab. I angegeben ist.

Gesamte Zellspannung

0.37 0.75 0.86

0.99 1.03 .08 .14 .19. .23 .30 .34

1.47

3.ABELtE_-I	Spannung; Aluminium
Strom(mA)	gegen AgCl-Bezugselektrode
	1.40
600	1.41
500	1.44 ;;
400	1.45
300	1,45
240	1.45
180	1.45
120	1.45
90	1.46 £
60	1.46 '" [.
30	1.46. , :
15	;- .-..., 1.46 ■. , .: \ -,-■"- ■ -
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ORIGINAL !WSPECTED

Da die Elektrolytquelle von der Zelle getrennt war, sammelte sich innerhalb der Zelle kein Schlamm an. Der pH-Wert blieb etwa konstant. Eine anschließende Betrachtung der Kathodenelektrode zeigte, daß diese keinen Niederschlag an sich aufwies.

Im folgenden Beispiel wurde ein Metall-Luft-Element, das nicht nach der Erfindung hergestellt wurde, zusammengebaut und in Betrieb genommen.

Beispiel 2

Unter Anwendung der oben in Beispiel 1 beschriebenen Kathoden- und Anodenelektrode, wurde ein Metall-Luft-Element verwendet. Die Kathode und Anode wurde im Inneren eines Behälters angebracht, der einen Elektrolyten aus 7 gew.Jiigem Natriumchlorid enthielt. Zur Erzeugung elektrischer Energie wurden die Elektroden belastet. Nach einer Betriebsdauer von 3.5 Stunden, wurde festgestellt, daß der Wirkungsgrad auf etwa 81 % gesunken war. Dies war offenbar das Ergebnis einer pH-Zunahme während der Betriebsdauer. Das Volumen des Schlammes in dem Elektrolyten innerhalb der Zelle war beträchtlich und betrug etwa 9 ccm/Ah (9cc / amp-hour).

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Claims

ANSPRÜCHE:

Metall-Luft-Element, das mindestens eine Kathodenelektrode und mindestens eine dazu im Abstand angebrächte, niederschlagbildende Anodenelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen den Elektroden angebrachte und damit in Verbindung stehende saugfähige Elektrolyt-Matrix sich über den Rand der betreffenden Elektroden hinaus erstreckt_tund so ausgebildet ist, daß sie mit einer getrennten Elektrolytquelle in Verbindung steht. ,
2.) Metall-Luft-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Paar paralleler Kathodenelektroden im Abstand zu der Anode und auf gegenüberliegenden Seiten der Anodenelektrode angebracht sind.
3.) Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung des Metall-Luft-Elementes nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kathodenelektrode vorgesehen ist, daß der Kathodenelektrode ein Sauerstoff als Oxidator zugeführt wird, daß mindestens eine niederschlagbildende Anodenelektrode im Abstand zu der Kathodenelektrode angebracht ist, daß zwischen den Elektroden und damit in Verbindung stehend eine saugfähige Elektrolyt-Matrix vorgesehen ist, die sich über einen der Ränder der betreffenden Elektroden hinaus erstreckt, daß eine getrennte Elektrolytquelle vorgesehen ist, daß die Verlängerung der Matrix in die Elektrolytquels eingebracht wird, wodurch die Matrix und die damit verbundenen Elektroden mit Elektrolyt versorgt werden und' daß an die Elektroden eine elektrische Belastung angelegt wird, wodurch elektrische Energie entsteht.

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4.) Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die getrennte Elektrolytquelle und die Verlängerung der Matrix die Anodenelektrode reinigen.

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