DE1945697A1 - Stromerzeugendes Primaerelement - Google Patents
Stromerzeugendes PrimaerelementInfo
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Description
Irankfurt/M 9.Sept.69
H 31 P 16*
HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn.
Stromerzeugendes Primärelement
Die Verwendung von Primärelementen, vielfach auch Batterie genannt, zur Versorgung von beliebigen Verbrauchern wie Taschenlampen,
Spielzeugen, Blitzgeräten, Rundfunkgeräten und dgl. ist bekannt. Wenn ein solches Primärelement entladen ist
und keinen Strom mehr zu liefern vermag, wurde es bisher weggeworfen und durch ein neues ersetzt. Obwohl eigentlich nur
Teile davon wirklich verbraucht sind, nämlich die eine Elektrode und der Elektrolyt. Es sind eine Vielzahl von Spielzeugen
auf dem Markt, die von solchen Batterien angetrieben werden und oftmals einen relativ hohen Stromverbrauch haben,
so daß die Batterien relativ schnell verbraucht sind und schnell ersetzt werden, wodurch der Betrieb des Spielzeuges
relativ teuer wird.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein insbesondere für die Verwendung in Spielzeugen geeignetes möglichst billiges
und.leicht zu handhabendes Primärelement vorzuschlagen. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das Primärelement
aus einem bleibenden Teil besteht, welcher das Gehäuse und eine erste Elektrode.umfaßt sowie aus einem austauschbaren
Teil, welcher die zweite Elektrode und den Separator umfaßt. Es erfolgt also eine Unterteilung des Primärelements in sich
während des ßetriebes verzehrende bzw. unbrauchbar werdende Teile und in bleibende Teile, welche auch nach völliger Entladung
des Primärelements unbeschädigt zurückbleiben. Ersetzt
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werden gemäß der Erfindung nur die tatsächlich bei der Entladung der Batterie verbrauchten Teile. Hierdurch wird eine
wesentliche Verbilligung der Austauschteile erreicht, weil nur die verbrauchten Teile ausgetauscht werden, während man
bisher stets die gesamte Batterie weggeworfen hat.. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich dieses neue Primärelement
nicht nur für Spielzeug, sondern auch für beliebige andere Anwendungsfälle eignet, insbesondere dann, wenn aus Platzoder
Gewichtsgründen nur Batterien von relativ geringer Kapazität
und Lebensdauer eingesetzt werden können, welche demzufolge schnell entladen sind und oft ausgetauscht werden
müssen. Hier macht sich der Vorteil der billigen Austauschteile für das erfindungsgemäße Primärelement besonders bemerkbar.
Aber auch für viele andere Anwendungsfälle erweist sich das neue Primärelement als vorteilhaft.
Eine besonders günstige Ausführungsform ergibt sich für ein
Primärelement, welches durch Zugabe eines Elektrolyt-Lösungsmittels aktivierbar ist, dann, wenn der zweite Teil, das sogenannte
Austauschteil, außer der zweiten Elektrode und dem Separator ein zusammen mit dem Lösungsmittel eine Elektrolytflüssigkeit
bildendes Salz enthält und bei Erschöpfung des Elements austauschbar ist. Vorzugsweise ist die im bleibenden
Teil befindliche erste Elektrode die Anode und die im austauschbaren
Teil befindliche zweite Elektrode die Kathode. Die Erfindung kann derart weitergebildet sein, daß der bleibende
Teil fest in ein mit Strom aus dem Primärelement zu versorgendes Gerät eingebaut ist. * ,
Die bisher üblichen Batterien hatten ferner den Nachteil, daß sie während längerer Aufbewahrung auch ohne Anschluß eines
äußeren Verbrauchers sich in Folge von Leckströmen allmählich selbst entladen und dann beim Einsatz nur noch eine verringerte
Leistungsfähigkeit haben. Dieser Nachteil ist beim Primärele-
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ment gemäß der Erfindung dadurch ausgeschaltet, daß die in
Reserve gehaltenen Ersatzteile überhaupt nicht aufgeladen sind, sondern die Batterie erst beim Einsetzen des Austauschteils
in das bleibende Teil aktiviert wird. Durch späteres Einfüllen eines Elektrolyten in den Elektrodenraum zu beliebiger
Zeit aktivierbare Batterien sind an sich bekannt; jedoch nicht in der erfindungsgemäßen Unterteilung in ein
bleibendes Teil und ein Austauschteil.
Die chemische Zusammensetzung der Bestandteile der heute
üblichen Batterien ist in vielen Fällen giftig und deshalb für die Verwendung durch Laien nicht ungefährlich. Es wird
deshalb bei den heute üblichen Batterien meistens empfohlen,
diese, wenn sie verbraucht sind, möglichst unverzüglich aus den Geräten herauszunehmen, weil sie sich sonst gänzlich zersetzen
und sowohl das Gerät als auch gegebenenfalls denjenigen gefährden, welcher sie später aus dem Gerät herausnimmt. Dieser
Nachteil fällt natürlich besonders bei der Verwendung von Batterien in Spielzeugen ins Gewicht, weil damit gerechnet
werden muß, daß Kinder die Batterie herausnehmen und anschließend
mit der Hand Mund oder Augen berühren, was im Falle giftiger Substanzen zu beträchtlichen Schädigungen führen kann.
Für Batterien jeder Art, insbesondere aber für Batterien, welche
erfindungsgemäß in einen bleibenden Teil und ein Austauschteil
unterteilt sind,sowie für jede Art von Batterien für Spielzeuge schlägt deshalb die Erfindung weiterhin vor, die Batterie aus
ungiftigen Substanzen aufzubauen, indem die Anode aus Magnesium und die Kathode aus einem Stoff der Gruppe Ferrizitrat, Ferriazetat,
Kobaltzitrat, Kobaltazetat besteht und der Elektrolyt eine wässerige Lösung eines Salzes enthält aus der Gruppe
Chlorkalium, Magnesiumsulfat und Mischungen dieser beiden Salze. Diese Substanzen sind weder für sich giftig noch erzeugen sie
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bei der Reaktion mit den anderen Substanzen der Batterie giftige Stoffe. Der Ausdruck "ungiftig" soll hierbei Stoffe bezeichnen,
welche keinen größeren Grad der Giftigkeit haben, als er in der zweiten Ausgabe des Buches "Dangerous Properties
of Industrial Materials" von N. Irving Sax, Reinhold Publishing Corporation, unter dem Begriff "Moderate Toxicity" definiert
ist.
Wie erwähnt besteht die Anode aus einem stark elektropositivem
Metall, vorzugsweise Magnesium. Die für die Kathode vor- geschlagenen
oben erwähnten Stoffe sind ebenfalls nicht giftig. Der Elektrolyt enthält ein Salz eines Leichtmetalls, beispielsweise
Chlorkalium und Magnesiumsulfat oder eine Mischung der beiden Salze in einem ungiftigen Lösungsmittel, vorzugsweise
Wasser. Eine bevorzugts Konzentration für den Elektrolyten sieht vor, daß etwa 10g Chlorkalium und 20g Magnesiumsulfat
auf 100ml V/asser kommen. Ein poröser Separator trennt die Anode von der Kathode.
Die Erfindung umfaßt ferner Austauschteile für ein durch Zugabe
eines Elektrolyt-Lösungsmittels aktivierbares Primärelement,
welches außer der zweiten Elektrode und dem Separator ein zusammen mit dem Lösungsmittel eine Elektrolytflüssigkeit bildendes
Salz enthält. Vorzugsweise weist das Austauschteil eine im wesentlichen tcpfförmige als Separator dienende zumindest
teilweise poröse Umhüllung auf.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf die Anwendung der zuvor beschriebenen Primärelemente,in mit Strom zu versorgenden Geräten,
insbesondere Spielzeugen. Eine besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn das Gerät zwei abgeteilte Räume aufweist, in dem
ersten Raum ein Stromverbraucher angeordnet und mit Leitungen
zum Anschluß an eine Stromquelle versehen ist, der zweite Raum eine dichte, schließbare zur Aufnahme einer Ele^trolytflüssig-
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keit geeignete Kammer ist, in v/elcher eine erste Elektrode fest angebracht ist, in die Kammer ein Austauschteil einsetzbar
ist, welches einen als Separator dienenden topfförmigen
porösen Mantel hat, auf und in der Wand des Mantels ein elektrolytbildendes Salz und vom Mantel umschlossen
eine zweite Elektrode aufweist, und elektrische Kontakte die beiden Elektroden mit den Anschlußleitungen des Verbrauchers
verbinden. Der Verbraucher kann beispielsweise ein Elektromotor, eine Lampe oder dgl. sein. Die erfindungsgemäßen
Primärelemente können, wie bereits erwähnt, jedoch keineswegs nur in Spielzeug, sondern auch in anderen batteriebetriebenen
Geräte* wie Taschenlampen, Rasierapparaten, Werkzeugen, Rundfunkempfängern, Warn- und Notleuchten sowie für
viele andere Zwecke eingesetzt werden. Die Verwendung nicht giftiger Substanzen in Batterien ist darüberhinaus nicht nur
bei aus einem bleibenden Teil und einem austauschbaren Teil bestehenden Primärelementen, sondern auch bei allen Batterien
von Vorteil, die, wie bisher üblich, als Einheit ausgetauscht werden, insbesondere dann, wenn damit zu rechnen ist, daß
Kinder mit den Batterien bzw. deren Bestandteilen in Berührung kommen, sei es, daß die Batterie bei-unsachgemäßer Behandlung
des von der Batterie angetriebenen Gerätes zerstört wird, sei es, daß ein Kind versucht, sich Einblick in das Innere einer
solchen Batterie zu verschaffen.
Die Erfindung soll im folgenden anhand einiger in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert
werden. Hierin zeigt
Figur 1 das erfindungsgemäße Primärelement,
Figur 2 den Austauschteil eines solchen Primärelements im Schnitt und
. Figur 3 ein mit einem solchen Primärelement ausgestattetes
Spielzeug.
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Zunächst wird anhand der Figuren 1 und 2 der Aufbau des Primärelements
erläutert. Es sei vorausgeschickt, daß mehrere solcher Primärelemente zu einer Batterie zusammengefaßt werden können,
indem beispielsweise die bleibenden Teile all dieser Primärelemente zusammen eine Einheit bilden, in welche die Austauschteile
einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil solcher in zwei Teile unterteilter Primärelemente' besteht übrigens darin, daß sich
der Benutzer gleich mehrere Austauschelemente auf Vorrat beschaffen und aufbewahren kann und im Bedarfsfall zur Hand hat,
ohne daß er Gefahr läuft, daß sich diese Austauschteile während einer längeren Lagerzeit verbrauchen oder unwirksam v/erden. Wie
Figur 1 zeigt, hat das Primärelement ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 35, welches, wie Figur 3 erkennen läßt, Teil
des Spielzeugs selbst sein kann. Innerhalb des Gehäuses 35 und an diesem befestigt, ist die zylindrische Anode 36 und zwar
konzentrisch und gleichachsig in dem Gehäuse 35· Das Austauschteil 37 befindet sich in der zentralen zylindrischen öffnung
der Anode 36· Es hat einen Anschluß 38 für die elektrischen Zuleitungen.
Die andere Anschlußleitung liegt an der Anode 36 bzw. am Gehäuse 35· öffnungen 39 in der Anode 36 erlauben den
Durchtritt des Elektrolyt-Lösungsmittels zum Austauschteil 37· Dieses besteht aus einem porösen topfförmigen Mantel 40, der
zugleich als Behälter für das,Kathodenmaterial 43 dient. Ein
Kathodenanschluß 42 aus stromleitendem Material, beispielsweise
rostfreiem Stahl, liegt zentrisch innerhalb des Topfes 40 und erstreckt sich durch einen den Topf am Ende abschließenden
Deckel 4l hindurch und bildet mit seinem herausragenden Teil den Anschlußkontakt 38.
Der Topf 40 dient nicht nur als Behälter für das Kathodenmaterial,
sondern gleichzeitig auch als Separator. In der bevorzugten Ausführungsform ist das elektrolytbildende Salz an der Wand des
Topfes'in den porösen Zwischenräumen niedergeschlagen. Solches Salz kann sich auch innerhalb des Topfes 40 mit dem Kathoden-
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material befinden. Wird V/asser oder ein anderes Lösungsmittel
in die Zelle eingeführt, so geht das Elektrolytsalz in Lösung
und erzeugt einen-Elektrolyten. In dem Maße, wie das Salz gelöst
wird, öffnen sich die Zwischenräume in der Topfwand und der Durchtritt des Elektrolyten zwischen Anode.und Kathode
wird ermöglicht. Der Topf 1JO kann aus Kunststoff, Papier oder
anderem geeigneten Material bestehen. Es ist ein neues Merkmal der Erfindung, daß diejenigen Teilej welche bei der Benutzung
des Primärelements, d.h. während der Stromentnahme, am ehesten verbraucht werden, zu einer einzigen entfernbaren Einheit,dem
sogenannten Austauschteil, zusammengebaut sind, dessen Austausch und Ersatz durch ein neues Austauschteil praktisch eine völlige
Erneuerung des Primärelements zur Folge hat.
Im folgenden werden Beispiele für die Herstellung und dem Betrieb ungiftiger Primärelemente gemäß der Erfindung erläutert,
ohne daß hierdurch der Umfang der Erfindung beschränkt werden soll:
Der Aufbau des Primärelements entspricht etwa dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten. Die Anode besteht aus Magnesium, der Separator
ist ein topfförmiges Kunststoffziehteil, welches gleichzeitig
als Behälter für das Kathodenmaterial dient. Letzteres besteht aus Ferrizitrat. Als Elektrolyt wird eine Lösung von Chlorkalium
(KCl) in Wasser verwendet. Der Kathodenanschluß besteht aus rostfreiem Stahl und liegt zentrisch im Separatortopf in engem und
guten Kontakt mit dem Kathodenmaterial, wie dies aus Figur 2 ersichtlich
ist. Beim Aktivieren des Elements durch Eingießen von Wasser r.eigte sich bei Raumtemperatur und einer konstanten Stromentnahme
von 50 nA folgender Spannungsverlauf in Abhängigkeit
von der Zeit:
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in O 10 20 30 40 50
Minuten
Volt 1,9 1,9 1,7 1,6 1,5 1,2 1,0
Der Aufbau der Zelle ist ähnlich wie der beim Beispiel I entsprechend
den Figuren 1 und 2, mit der Ausnahme, daß anstelle von Kaliumchlorid nunmehr Magnesiumsulfat (MgSOj.) als Elektrolytsalz
verwendet wird. Wiederum bei einer konstanten Stromentnahme von 50 mA ergibt siqh folgender Spannungs-Zeitverlauf:
in 0 8 16 24 32 40
Minuten
Volt 1,5 1,5 1,5 1,4 1,3 1,1 0,6
Wie beim Beispiel I dient Magnesium als Anode und V/asser als'
Lösungsmittel. Als Elektrolytsalz wird eine Mischung von Chlorkalium
und Magnesiumsulfat im Verhältnis von 20g Magnesiumsulfat und 10g Chlorkalium pro 100 ml V/asser verwendet. Als Kathode
dient Perriazetat. Mit einer Belastung von 47 0hm wurde
folgende Spannungs-Zeitkurve beobachtet:
in'.-· 0 10 20 30 38 45
Minuten
Volt 1,7 1,6 . 1,5 1,4 1,2 0,0
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BAD
Der·Aufbau des Primärelements ist ähnlich dem beim Beispiel
III mit Ausnahme, daß Kobaltazetat anstelle von Perriazetat als Kathodenmaterial verwendet wird. Bei einer Belastung von
47 Ohm ergibt sich folgende Spannungskurve:
in 0 10 20 40 60 80 100
Minuten
Volt 1,7 1,0 0,9 0,8 0,8 0,75 0,75
Abgesehen von der Verwendung von Kobaltzitrat anstelle von Kobaltazetat als Kathodenmaterial ist das Primärelement
gleich aufgebaut wie beim Beispiel IV. Es ergibt sich eine Leerlaufspannung von 1,95 V. Bei einem konstanten Entnahmestrom
von 60 mA wurde folgender Spannungs-Zeitverlauf gemessen:
in 0 10 20 30 40 50 . . 60 70
Minuten
Volt 1,6 1,45 1,41 1,35 1,21 1,15 1,05 0,75
Zur Erläuterung der Anwendung des erfindungsgemäßen Primärelements
in einem Spielzeug ist in Figur 3 ein Spielzeug-ü-Boot 10 dargestellt, dessen Außenmantel aus einem dauerhaften Material,
beispielsweise Kunststoff, besteht. Der Bootskörper enthält wenigstens zwei Kammern. Die eine Kammer 11 liegt etwa in der
Mitte und umschließt einen als Antrieb' für das Boot dienenden Elektromotor 12. Die Kammer 11 ist nach außen hin abgedichtet,
über eine Welle 15 treibt der Motor die Schiffsschraube 16 an.
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- ίο - ■
Am Bug des Bootes ist eine zweite Kammer 18 vorgesehen, welche ein Primärelement 20 aufnimmt. Dieses besteht aus einer Anode
21, einem Austauschteil 22 und einem Hohlraum 23 für das Elektrolyt-Lösungsmittel.
Ein abnehmbarer Deckel 24 schließt die Kammer 18 nach vorn ab. Er gestattet das leichte Herausnehmen
und ersetzen des Austauschteils 22, sobald das Primärelement entladen ist. Eine Einfüllöffnung 25 für das Elektroly-Lösungsmittel
ist durch eine Kappe 26 verschlossen. Durch die Einfüllöffnung 25 kann der Hohlraum 23 mit Wasser oder einem anderen
Lösungsmittel gefüllt werden. Das Austauschteil 22 wird durch eine Feder 28 in der richtigen Lage gehalten, die sich am
Deckel 24 abstützt. Elektrische Anschlußleitungen 30 und 31 verbinden die Anode und die Kathode des Primärelements durch
die Trennvrand zwischen den beiden Kammern 18 und 11 hindurch
mit dem Motor.
Wie ohne weiteres ersichtlich ist, stellt Figur 3 nur eine besondere
Ausführungsform eines allgemeineren Prinzips dar, nämlich
des Zusammenbaus der bleibenden Teile einer in zwei Gruppen von Teilen, nämlich bleibende und austauschbare Teile, unterteilten Batterie,mit dem durch die Batterie'anzutreibenden Gerät,
Werkzeug, Spielzeug oder dgl. Diese mit dem Gerät verbundenen bleibenden Teile können beispielsweise zur Aufnahme mehrerer
Austauschteile ausgebildet sein, so daß für den Betrieb des Gerätes die Kapazität mehrerer in geeigneter V/eise elektrisch
zusammengeschalteter Primärelemente zur Verfugung steht. Diese Primärelemente können außer einem Motor auch beliebige andere
Verbraucher wie Lampen oder dgl. gemeinschaftlich oder wahlweise antreiben. Zwischen Stromquelle und Verbraucher können Schalter
oder Anzeigevorrichtungen eingefügt sein. Es ist auch nicht erforderlich,
daß,wie im gezeigten Ausfülirungsbeispiel, die Kammer 11 nach außen hin völlig abgedichtet ist. Bei Spielzeugen, die
nicht zum Gebrauch im Wasser bestimmt sind, kann der Verbraucher auch im Freien oder in einem offenen Raum untergebracht sein.
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Claims (1)
- - li -Patentansprüche1. Primärelement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem bleibenden Teil besteht, welcher das Gehäuse (35) und eine erste Elektrode (36) umfaßt sowie aus einem austauschbaren Teil (37)» welcher die zweite Elektrode (43) und den Separator (1IO) umfaßt.2. Primärelement nach Anspruch 1, welches durch Zugabe eines Elektrolyt-Lösungsmittel aktivierbar ist, dadurch gekenn ze ichnet, daß der zweite Teil (37) in das Gehäuse (35) einsetzbar ist, außer der zweiten Elek-. trode (1O) und dem Separator (1IO) ein zusammen mit dem Lösungsmittel eine Elektrolytflüssigkeit bildendes Salz enthält und bei Erschöpfung des Elements austauschbar ist.3. Primärelement nach Anspruch 1 oder 2,dadurch' gekennzeichnet, daß die im bleibenden Teil befindliche erste Elektrode (36) die Anode und die im austauschbaren Teil (37) befindliche zweite Elektrode (1O) die Kathode ist.h. Primärelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3» d a durch gekennzeichnet, daß der bleibende Teil (35»36) fest in ein mit Strom aus dem Primärelement, zu versorgendes Gerät (10) eingebaut ist.5. Primärelement, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (36) aus Magnesium und die Kathode (43) aus einem Stoff der Gruppe Ferrizitrat, Perriazetat, Kobaltaitrat, Kobaltazetat besteht, wobei zwischen Anode und Kathode ein Separator (1IO)009812/1271Ί945697, ·angeordnet ist, und daß der Elektrolyt eine wässerige Lösung eines Salzes enthält aus der Gruppe Chlorkalium, Magnesiumsulfat und Mischungen der.beiden Salze.6. Primärelement nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß der Separator die FormJh afc
eines porösen Topfes (4oy, in dessen Innenraum sich die Kathode (43) befindet.7· Primärelement nach Anspruch β, d a d u r cn gekennzeichnet, daß innerhalb des Topfes (kO) ein Kathodenanschluß (42) 'in engem Kontakt mit der Kathode (43) angeordnet ist.8. Primärelement nach Anspruch 5> dadurch gezeichnet, daß die Konzentration der Elektrolytsalze etwa 10g Chlorkalium und 20g Magnesiumsulfat auf .100 ml Wasser beträgt.9. Austauschteil für ein durch Zugabe eines Elektrolyt-Lösungsmittels aktivierbares Primärelement nach Anspruch 1 oder 3S dadurch g e k e η η ζ e i c h η & fcsdaß es außer der zweiten Elektrode C^3) und dem Separator (HO) ein zusammen mit dem Lösungsmittel eine Elektrolytflüssigkeit bildendes Salz enthält.10. Austauschteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es eine im weiisentlichen topfförmige, als Separator dienende, zumindest teilweise poröse Umhüllung (ΊΟ) aufweist.11. Austauschteil nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kathode (43) aus einem Stoff der Gruppe Ferrizitrat, Ferriazetat, Kobaltzitrat, Kobaltazetat0 09812/127 1 .BAD ORIGINALbesteht, daß ein Kathodenanschluß (42) in engem Kontakt mit der Kathode (43) angeordnet ist und daß das zur BiI-.. " dung des Elektrolyten dienende Salz Chlorkalium, Magnesiumsulfat oder eine Mischung dieser beiden Salze ist und auf bzw. in dem porösen Wandteil angebracht ist..12. Mit elektrischem Strom aus einem oder mehreren Primärelementen nach den Ansprüchen 1 bis 3 betreibbares Gerät, insbesondere Spielzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei abgeteilte Räume (11,18) aufweist,daß in dem ersten Raum (11) ein Stromverbraucher (12) angeordnet und mit Leitungen (30,31) zum Anschluß an eine Stromquelle versehen ist,daß der zweite Raum eine dichte, schließbare zur Aufnahme einer Elektrolytflüssigkeit geeignete Kammer (18) ist, in welcher eine erste Elektrode (21) fest angebracht ist,daß in die Kammer ein Austauschteil (22) einsetzbar ist, welches einen als Separator dienenden topfförraigen porösen Mantel, auf und in der Wand des Mantels ein elektrolytbildendes Salz und vom Mantel umschlossen eine zweite Elektrode aufweistund daß elektrische Kontakte die beiden Elektroden mit den Anschlußleitungen des Verbrauchers verbinden.13. Gerät nach Anspruch 12 mit einem oder mehreren Primär- . elementen gemäß den Merkmalen eine» oder mehrererder Ansprüche 5 bis 8, ., ;, , ;. ;00981 2/ 1271 B*0... Ä . Leerseite
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