DE2139227C3 - Auslaufsicheres lagerfähiges Luft Sauerstoffelement - Google Patents

Description

bzw. Sauerstoff der Luft auf diesem Wege nicht in Gegenrichtung zur negativen Elektrode gelangen kann.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich bei einem Luftsauerstoffelement der zuvor beschriebenen Art längs der negativen Elektrode freie Räume mit gasdurchlässigen porigen Wänden als Gasauffangräume erstrecken und durch mindestens ein Venti! oder durch eine als solches wirkende Schicht über der negativen Elektrode mit einem Gassammeiraum in Verbindung stehen, aus dem die im Element entstandenen Gase durch mindestens einen Kanal und durch den oberen Teil des porösen, elektrolytabweisenden positiv jn Elektrodenkörpers hindurch nach außen austrei.-n. Die Erfindung stellt sicher, daß im Element stehende Gase trocken nach außen geleitet werden, und die Ventilwirkuns gewährleistet, daß nicht ständig schon während der Lagerung vor Inbetriebnahme oder in den Betriebspausen umgekehrt Sauerstoff auf diesem Wege zur »o negativen Elektrode gelangen kann Während das Entweichen im Element gebildeter Gase über die Kanäle erleichtert wird, kann der andere Weg durch den imprägnierten Separator und den porösen Kohlekörper hindurch als blockiert gelten.

Die Ventilvorrichtung kann zwischen den Gasauffangräumen und dem Gassammeiraum angeordnet werden und z. B. eine elastische Membran mit einem normalerweise geschlossenen Schlitz oder mit Durchstichen sein. Als Schicht ausgeführt, hat sich grober Schaumgummi, gleichmäßig mit Paraffin getränkt, bewährt.

■ Die Ventile oder als Ventil wirkenden Schichten bedeuten hier keineswegs die bei anderen Elementen notwendige Sicherung gegen inneren Überdruck. Ein solcher ist angesichts der porösen und luftzugänglichen Ausführungen der Kohlelektrode nicht zu erwarten. Zu betonen ist aber die zweifache Funktion der Ventilvorrichtung: bei einem kleinen Strömungsdruck die Strömung von innen nach außen für ent- standene Gase zu ermöglichen, aber einen drucklosen Austausch von Luft von außen nach innen durch Diffusion zum Schaden der negativen Elektrode zu verhindern.

Um dem auch gegen den elektrolytgetränkten Separator anstehenden Gas den Übertritt in den porösen Kohlekörper noch mehr zu erschweren, kann der Separator aus elektrolytbindenden, vom Elektiolyten leicht benetzbaren oder quellbaren Stoffen bestehen. Anzustreben ist dabei aber auch, daß die Oberfläche der Kohleelektrode feucht gehalten wird. Die Korde behält so ihre Aktivität besonders lange. Falls das erwähnte feine Metallnetz durch entsprechende Oberflächenbehandlung nicht ausreichend benetzbar gemacht werden kann, sollte das Netz aus mindestens zweierlei Fäden bestehen, deren eine Sorte nichtleitend, aber elektrolytbindend, derer, andere Sorte leitend ist.

Eine weitere Vereinfachung tritt ein, wenn eine Hülse oder ein Becher als Separator ausreichender Formbeständigkeit als Behälter für das Kohlepulver verwendet wird. Dabei kann auch ein stabil gestaltetes Kopftei! der Kohleelektrode als positive Elektrode des Elements dienen.

V/eitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein LuftsauerstorT-elesnent,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Element nach Fig. T mit zwei Beispielen für Querschnittsformen von Gassammeikanälen:

F i g. 3 und 4 zeigen in vergrößertem Maßstab zwei Beispiele für Ventilausbildungen.

In Fig. 1 ist ein Luftsauerstoffelement gemäß uer Erfindung dargestellt. Das Gehäuse kann kreisföimigen. quadratischen oder rechteckigen oder sonstwie geeignete-, Querschnitt haben. Die Kohleelektrode ist mit 1, die Zinkelektrode mit 2 bezeichnet. Durch Löcher 24 im Deckel 4 und 21 im Boden 5 steht der innere, hohle Zylinderraum 3 mit der Atmosphäre in Verbindung. Durch ein oder zwei gasdurchlässige zylindrische Hüllen 9 und 10, z. B. aus einem Vlies, hat die Luft Zutritt zum porösen Getüge der Plus-Elektrode 1 aus Aktivkohlepulver und kann bis zur aktiven Oberfläche der Elektrode vordringen.

Im Beispiel ist die Zone zwischen der Kohle- und der Zinkelektrode dreischichtig aus einem feinmaschigen Metallnetz 6, einem formbeständigen Metallnetz 7 und dem elektrolytgetränkten Separator 8 ausgeführt.

An das Netz 6 oder 7 kann über eine Leitung 23 der metallene Deckel 4 als Pluspol angeschlossen sein. Statt dessen kann aucii ein stabil ausgeführtes Kopfteil des Kohlekörpers den Pluspol bilden.

Die erfindungsgemäßen Gasauffangräume sind mit 12 bezeichnet. Ihre Wändeil müssen gasdurchlässig, ihr Querschnitt kann in Entsprechung zur Form des Gehäuses beliebig sein; in der linken Hälfte der F i g. 2 ist er kreisrund, in der rechten Hälfte kreissegmentförmig. Der erfindungsgemäße Gassammelraum 14 wird zwischen dem Deckel 4 und einer profilierten Abdeckscheibe 13 gebildet.

Im Aufbau des Elements ist seine Bodenpartie für dichten Abschluß und Sicherung der Lage seiner Teile auszubilden. Zur Zentrierung der Teile 9 und 10. des Kohlekörpers 1 und der Netze 6. 7 dient in Entsprechung zur Abdeckscheibe 13 die Bodenscheibe 16, in weiche der Rand des metallischen Bodens 5 unter Zwischenschaltung einer Abdichtung 26 eingelassen ist. Die Bodenscheibe 16 taucht mit einem Ringwulst 17 mit scharfem Rand in die Kohlemasse hinein, nicht nur der Zentrierung wegen, sondern um' hier die poröse Kohlemasse zu verdichten und den Kriechweg der Länge nach außen zu erschweren. Der Boden 5 dient im dargestellter Beispiel als negativer Pol, der über mindestens eine Kontaktstelle 19 mit der Metaühülse 18 verbunder ist. Die Hülse, gegen deren Innenwandung im dargestellten Beispiel die negative Elektrodenmasse anliegt, ist von einem nichtmetallischen Schlauch Ii umgeben und bildet mit Deckel und Bodenscheibt das Gehäuse.

Als Werkstoff für die Hülse 18, an deren Wandung die negative Elektrodenmasse anliegt, kommt Zinl wegen seiner Eigenschaften nicht sonderlich ir Frage. Anderes Metall, z. B. Stahl, veranlaßt mit de negativen Masse unerwünschte Abläufe, die mi Gasbildung verbunden sein können. Gemäß de weiteren Erfindung wird die von der negativen Massi berührte Wandung der Hülse, die z. B. aus Stahl be stehen kann, verzinkt und diese Zinkschicht nacl einem Verfahren passiviert, das ihre elektrische Leit fähigkeit nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigt

Solche passivierten Zinküberzüge bieten neben win- negativen Elektrodenmasse durch Formänderung schaftlichen Vorzügen nur geringe Korrosions- aufzufangen, läßt sich vorteilhaft die andere verspannung in bezug auf Zink und geringe Wasserstoff- binden, eine Elektrolytreserve in diesem Werkstoff entwicklung. ^zu speichern und mit dem Ablauf der Entladung

Der metallische Boden 5 ist im Bereich des Hohl- 5 zum Einsatz zu bringen.

raumes3 mit Luftlöchern 21 versehen. Der Luft- In den Vorgang des Ausweichens bei der Auszutritt durch diese Löcher sollte bei Entladung auch dehnung der negativen Elektrodenmasse können mit dann, z. B. durch unebene Gestaltung des Bodens, Vorteil auch die Gasauffangräume 12 einbezogen gewährleistet sein, wenn im Deckel Luftlöcher vor- werden, die von dieser Masse weitgehend umgeben gesehen sind. ^{l0 s}'^nc* (F'g· 2), wenn ihre Wandungen nachgeben

Auf der oberen Seite des Elements übernimmt die können, ohne daß die Funktion des Gasauffangs be-Abdeckscheibe 13 mit ihrem in die Kohlenasse ein- einträchtigt wird. Insbesondere gilt dies, wenn sie tauchenden Ringwulst 22 mit scharfem km.d die den kreissegmentförmigen Querschnitt haben, wie in Funktion der Bodenscheibe 16: die Zentierung der Fig. 2 rechts dargestellt ist. Durch Abstufung der Teile des Elements und Verdichtung der porösen 15 Nachgiebigkeit der Ringe 27 und 30 gegen die Kohlemasse, um auch hier den Kriechweg der Länge Steifigkeit der in etwa radial gerichteten Wände der nach außen zu verlängern. Der Werkstoff der Ab- Auffangräume 12 läßt sich erreichen, daß letztere deckscheibe 13 ist gasundurchlässig und wasser- erst gegen Schluß der Entladung dem Druck der abweisend. Dafür sind in ihr ein oder mehrere negativen Masse nachgeben.

Kanäle 15 für den Abzug der Gase aus dem Gas- ao Im Sinne der Erfindung kann die Funktion des sammelraum 14 vorgesehen. Ebenso sind auch für Nachgebens und Speicherns auch nur dem unteren den Abzug der Gase aus den Gasauffangräumen 12 Ring 30 übertragen werden, während der obere Ring in der Abdeckscheibe Kanäle 31 vorgesehen, die 27 eine Ventilfunktion ausübt Bei durch Gasbildung zweckmäßig gegenüber den Kanälen 15 im Winkel entstehendem Innendruck soll sich in ihm unter z. B. versetzt sind. Für die Verteilung der Kanäle 15 und »5 elastischer Verformung ein Schlitz, ein Durchstich 31 ergibt sich die Regel, für möglichst große Ab- oder ein Porengefüge in Richtung der erforderlichen stände voneinander zu sorgen. Ringe 25 sind in die Gasströmung öffnen. Um einen Luftzutritt in ent-Hülsel8 eingesetzt; sie dienen zur Abstützung der gegengesetzter Pichtung zu unterbinden, der auch Scheiben 16 und 13, wenn beim Verschließen des ohne Druckdifferenz durch Diffusion erfolgt, muß Elements die Hülsenränder 181 eingerollt werden. 30 der Ring bei ausgeglichenem Druck dicht sein.

Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaues In den Fi g. 3 und 4 ist die Ventilvorrichtung mit

des Elements, daß auch bei Kopfstand sein Gas- dem Kanal 31 kombiniert. Fig. 3 zeigt eine poröse sammelraum 14 durch gasdurchlässige Schichten hin- Schicht 32 a. z. B. aus Schaumgummi, der gleichdurch von den Gasauffangräumen 12 aus erreicht mäßig mit Paraffin versetzt und mit der Abdeckwird. Die Erfahrung zeigt nämlich, daß sich eine 35 scheibe 13 fest verbunden ist. In Fig. 4 ist die zuverlässige kapillare Bindung des Elektrolyten in Ventilwirkung durch eine geschlitzte Gummiauflage zerkleinertem Zink erzielen läßt. Es kann aber 32 b erzielt.

auch eine elektrolytabweisende Struktur der Wände Erfindungsgemäß ist also von den Gasauffang-

11 den Austritt des Elektrolyten unterbinden helfen. räumen 12 zum Gassammeiraum 14 für Gasdurch-Gleichmäßige Vernetzung der Wände mit oder deren *o lässigkeit der eingebrachten Schichten vom Werkstoff Herstellung aus z. B. Polypropylen oder Polyäthylen her oder durch Kanäle zu sorgen. Mindestens eine ist hierzu geeignet. der Schichten aus porösem Gewebe od. dgl. sollte

Für das Verhalten der Elektrolyten ist zusätzlich auch zuverlässig elektrolytabweisend sein. In diesem die beträchtliche Volumenzunahme der negativen Fall der Elektrolytabweisung ist aber das Poren-Masse im Verlauf der Entladung zu berücksichtigen. 45 gefüge hinsichtlich seiner Porenweite nicht gleich-Temperaturschwankungen bei Lagerung und Ent- gültig. Je enger die Poren sind, um so mehr kann ladung wurden sich durch Unterbenetzung der die damit gesteigerte Kapillarwirkung die Jektrolytnegativen Elektrode mit Elektrolyt ausgleichen abweisende Wirkung des Werkstoffs kompensieren. lassen, indem also weniger Elektrolyt eingegeben Im Sinne der Erfindung ist also die Elektrolytwird, als sich in Zink binden lassen würde; selbst- 5» abweisung mit Grobporigkeit zu verbinden, verständlich muß aber jede Stelle der negativen Um einen trotz aller Maßnahmen ζ Β. durct

Masse für die elektrochemischen Vorgänge zugang- Volumenzunahme dennoch erfolgten Austritt vor Hch sein. Die temperaturbedingten Volumenänderun- Elektrolyt noch aufzufangen, ist gemäß der weiterer gen sind abw nur gering gegen die chemisch be- Erfindung als zusätzliche Sicherung die Verwendunj dingte Volumenzunahme dev negativen Substanz. 55 von elektrolytbindenden Stoffen vorgesehen. In Diese ist durch Unterbenetzuug nicht aufzu- zentralen Hohlraum 3 des Beispiels nach Fig. fangen. können zerkleinerte und vorzugsweise porös

Im Hinblick auf die erhebliche Volumenzunahme elektrolytbindende Stoffe vorliegen, die für ein der Masse der negativen Elektrode 2 im Laufe der Bindung von Tropfen sorgen. Versieht man dies Entladung sind Ober und unter dieser Elektrode 60 Stoffe im Hohlraum mindestens an seinen Enden m Ringe 27 und 30 aus nachgiebigem Material ange- einer Substanz, die bei Elektrolyteinwirkung ihr ordnet, die sich von ihr zusammendrücken lassen, Farbe ändert, und deckt man diese Enden oder ei wenn sie sich ausdehnt Der Ring 27 muß gas- zugängliches Ende dee Hohlraumes durchsichtig al durchlässig porös sein; auch an eine Ausfunrung mit so ist aus dem Farbwechsel die Anwesenheit ve ausgerichteten Kapillaren kann gedacht werden. Für 65 Elektrolyt erkennbar.

eine poröse Struktur hat sich Neopren, eingefaßt mit Die Ausführung der Erfindung is>t nicht auf dies

Separatnrronden 28 und 29, als geeignet erwiesen. beschriebene Ausführangsbeispiel beschränkt S Mh der Funktion, eine Voiumenänderung der kann sich je nach des Betriebsbedingungen «

einzelnes Element oder in einer Batterie der umgekehrte Aufbau wie in Fig. 1, d.h. mit äußerer Kohleelektrode, empfehlen. Auch ein unsymmetrischer Aufbau in Schichten kann vorteilhaft sein. Die Semratorschicht 8 und die Netze 6, 7 können

durch Verwendung und Vernetzung ihrer verschiedenen Werkstoffe durch eine einzige Schicht ersetzt werden, die alle Funktionen übernimmt und insbesondere durch Elektrolytbindung die aktive Oberfläche der Kohleelektrode feucht hält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309643/384

Claims (10)

1 2 oder die ihr am Boden entsprechende undurchlässige Bodenscheibe (16) in die aktive Kohle-Pateiuausprüche: masse hineinragende Ränder (22, 17) aufweisen.

1. Auslaufsicheres, lagerfähiges Luftsauerstofi-

element mit porösem, elektrolytabweisendem

positiv, em Elektrodenkorper. z. B. aus Aktiv-

kohlepuher. mit Separatorschicht und mit Die Erfindung betrifft ein auslaufsicheres, lagernegativer Elektrode aus Zinkraspeln oder Zink- io fähiges Luftsauerstoffelement mit porösem, elektroschwamm mit darin festgelegtem Elektrolyten !ytabweisendem positivem Elektrodenkörper, z. B. und Gasauffangräumen an der negativen Elek- aus Aktivkohlepulver, mit Separatorschicht und mit trode. dadurch gekennzeichnet, daß negativer Elektrode aus Zinkraspeln oder Zinksich längs der negativ.en Elektrode (2) freie .clnvamm mit darin festgelegtem Elektrolyten und Räume mit gasdurchlässigen Wänden (11) als 15 Gasauffangräumen an der negativen Elektrode Gasauffangräume (12) erstrecken und durch min- (LSA.-Patent 3 415 685). Bei Elementen dieser Art dcstens ein Ventil oder durch eine als solches muß bei Stromentnahme an der elektrochemisch wirkende Schicht (32) mit einem Gassammeiraam aktiven Zone Luftsauerstoff verfügbar sein. Gemäß (14) in Verbindung stehen, aus dem die im dem Verbrauch muß sich der Sauerstoff durch das Element entstandenen Gase durch mindestens 20 poröse Gefüge der einen Elektrode hindurch aus der einen Kanal (15) und durch den oberen Teil des freien Atmosphäre ständig erneuern. Hier liegt dann porösen, elektrolytabweisenden positiven Elek- das Problem vor. daß auf dem Wege der Sauerstofftrodenkörpers (1) hindurch nach außen austreten. erneuerung in umgekehrter Richtung gasförmige und

2. Element nach Anspruch I, dadurch gekenn- flüssige Substanzen nach außen gelangen können. zeichnet, daß die gasdurchlässigen Wände (11) 25 Der Abgang gasförmiger Umsatzprodukte allein ist der Gasauffangräume (12) aus elektrolytabvveisen- zulässig, der Verlust flüssiger Bestandteile hingegen dem Werkstoff, z. B. Polypropylen, Polyäthylen. ist schädlich und unzulässig.

bestehen. Durch die poröse Elektrode, weiche der Luft bzw.

3. Element : ach Anspruch I, dadurch gekenn- dem Sauerstoff der Luft zugänglich sein muß, darf zeichnet, daß über und oder -nter der negativen 30 aus einem porösen Kohlekörper Elektrolytflüssigkeit Elektrode (2) eine gasdurchlässige Polsterschicht nicht nach außen gelangen. Eine bekannte Maß-(27. 30). z. B. aus Neopren, a geordnet ist, die nähme besteht darin, das Ausgangsmaterial für die sich bei Volumenzunahme der Elektrodenmasse Elektrode elektrolytabweisend zu machen. Es ist also im Laufe der Entladung durch diese zusammen- ein hoher Grad von Porosität für die Wechseldrücken läßt. 35 wirkung von Luftsauerstofi mit der aktiven Kohle-

4. Element nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- substanz mit aus-eichender Festigkeit des Elektrodendurch gekennzeichnet, daß bei den Gasauffang- körpers anzustreben. Auf dem Wege der Luft durch räumen (12) die Steifigkeit der Wände (11) so das porige Gefüge sollen außerdem vorhandenes bemessen ist, daß diese bei Volumenzunahme der Kohlendioxid und Feuchtigkeit ausgefiltert werden, negativen Masse dem Ausdehnungsdruck nach- 4° Hinsichtlich dieser Forderungen bewähren sich z. B. geben. als Schüttelelektroden bezeichnete Körper aus Aktiv-

5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn- kohlepulver mit einem Korndurchmesser von etwa zeichnet, daß der Gassammeiraum (14) zwischen 5 μ (deutsche Offenlegungsschrift 1 471 638). Das einer mit einer oberen Ringnut versehenen Ab- Pulver wird in an sich bekannter Weise, z. B. mit deckseneibe (13) und dem dicht mit ihrem Rande 45 Paraffinen, elektrolytabstoßend gemacht und unter verbundenen Gehäusedeckel (4) gebildet ist. leuhtem Druck in eine Umhüllung gebracht, die aus

6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn- einem feinen Metallnetz bestehen kann. Die Maschenzeichnet, daß die gasdurchlässige Schicht zwi- weite dieses Netzes wird wesentlich vom Kornschen der negativen Elektrode (2) und dem Gas- durchmesser des Aktivkohlepulvers bestimmt. Es sammelraum (14) grobporig und elektrolyt- 50 kann zur anderen Elektrode hin noch durch ein abweisend ist. gröberes, Festigkeit gebendes Netz verstärkt sein.

7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Die nächste Schicht ist eine elektrolytgetränkte zeichnet, daß die als Ventil wirkende Schicht (32) Separatorschicht, die für die erforderlichen elektroaus grobem Schaumgummi besteht, die gleich- chemischen Abläufe ausgebildet ist. Auf die mäßig mit Paraffin versetzt ist. 55 Separatorschicht folgt die negative Elektrode, die

8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn- vorzugsweise aus amalgamierten Zinkfüttern odei zeichnet, daß bei Elementen mit innenliegender -raspeln oder aus Zinkschwamm besteht, d. i. Zink Kohleelektrode deren Hohlraum (3) mit grob zer- in einem · Zustand, bei welchem der Elektrolyi kleinerten porösen, elektrolytbindenden Stoffen kapillar festgelegt ist.

versehen ist. , 60 Die Erfindung geht von dem geschilderten odei

9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekenn- einem ähnlichen Aufbau der aktiven Teile de; zeichnet, daß eine oder beide Stirnseiten des Elements aus (vgl. Silier, »Luftsauerstoffelemente« Hohlraumes (3) durchsichtig abgedeckt sind und 1968. VDI-Verlag, S. 106) und stellt sich die Aufdaß die elektrolytbindenden Stoffe mit einem bei gäbe, im Bereich des festgelegten Elektrolyten ent· Elektrolytbenetzung sich verfärbenden Stoff ver- 65 stehende Gase so nach außen an die Atmosphän setzt sind. abzuführen, daß zum einen die aktive Zone dei

10. Element nach Anspruch 5, dadurch ge- Kohleelektrode umgangen und keine Elektrolyt kennzeichnet, daß die Abdeckscheibe (13) und/ flüssigkeit mitgeführt wird und zum anderen Luf