DE2243311A1 - Galvanische zelle - Google Patents

Galvanische zelle

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Description

DIFL-ING.
HELMUT OORTZ
Frankfurt «m M«in 7P
3i. August 1972 * Gzy/lta.
Union Carbide Corporation, New York, N.Y. 10017 / USA
Galvanische Zelle
Die Erfindung betrifft alkalische galvanische Zellen, insbesondere die Verwendung eines Fettsäurepolyamids als Dichtungsmittel oder schützenden Überzug, ue ein Benetzen der Oberflächen innerhalb der Zelle durch den alkalischen Elektrolyten zu verhindern.
Die Benetzbarkeit von metallischen Oberflächen durch einen alkalischen Elektrolyten ist einer der Hauptgründe des Leckens von alkalischen galvanischen Zellen. Der alkalische Elektrolyt kann bei« Benetzen der Oberfläche eines Metalles auch zwischen einer Dichtung und der metallischen Oberfläche hindurchkriechen. Infolgedessen muß sehr sorgfältig darauf geachtet werden, daß der Elektrolyt in einer alkalischen Zelle die Zwischenfläche zwischen einer Dichtung und bestimmten Metallteilen der Zelle nicht berührt, z.B. den Metallbecher, den negativen Stromabnehmer und dergleichen.
Außer dem Lecken kann die Netzfähigkeit des alkalischen Elektrolyten noch weitere Schwierigkeiten mitsichbringen. Beispielsweise kann in durch Luft depolarisierten alkalischen Zellen der Elektrolyt bei der Berührung mit der Zinkelektrode in dem Gebiet, in welchem die Zinkelektrode und ein metallische1- Stromabnehmer verbunden sind, das Zinlv innerhalb dieses Gebietes wäh-
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rend des Entladens der Zelle verbrauchen. Im Ergebnis kann das Zink um den Stromabnehmer vollständig verbraucht werden, so daß der Stromabnehmer seinen Kontakt mit dem Zink verliert. Bisher war kein schützender Stoff bekannt, der so fest am Zink haftet, daß er es auch in einem kaustischen Medium schützt.
Die Erfindung betrifft ein Mittel zur Verhinderung des Benetzcns von Oberflächen in alkalischen Zellen durch den alkalischen Elektrolyten, wo ein solches Benetzen nicht erwünscht ist. Im Ergebnis verbessert die Erfindung die Beständigkeit gegen Lecken in alkalischen galvanischen Zellen. Ferner schützt die Erfindung bestimmte Oberflächen in alkalischen galvanischen Zellen gegen das Benetzen und den Angriff durch den alkalischen Elektrolyten. Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle mit einem Behälter, welcher einen alkalischen Elektrolyten enthält, wobei die galvanische Zelle wenigstens eine Oberfläche aufweist, die durch den alkalischen Elektrolyten benetzt werden kann, und wobei diese Oberfläche aus einem Fettsäurepolyamid besteht oder mit einem solchen überzogen ist. Hierdurch wird.ein Benetzen der Oberfläche durch den alkalischen Elektrolyten verhindert.
Die Erfindung ist beispielsweise in den Zeichnungen dargestellt.
Figur i ist eine perspektivische Ansicht einer gegossenen Zinkelektrode, die in einer durch Luft depolarisierten alkalischen Zelle verwendet werden kann. Bestimmte wichtige Teile der Obex'fläche der Elektrode sind mit einem Fettsäurepolyamid überzogen, um diese Gebiete, gegen den Angriff durch den alkalischen Elektrolyten zu schützen.
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Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine abgedichtete alkalische Zelle, bei welcher die Erfindung angewendet wird,
Figur 3 zeigt in vergrößertem Maßstabe die Entlüftungsvorrichtung für gasförmigen Wasserstoff in einer alkalischen Zelle nach Fig. 2. Hierbei ist die kapillare Entlüftungsvorrichtung schematisch dargestellt.
Figur h ist ein Schnitt entlang der Linie h-k nach Fig. 3.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Fettsäurepolyamide sind an sich bekannte Verbindungen. Sie sind beispielsweise beschrieben auf den Seiten 597 bis 6l5 des Bandes 10 der "The Encyclopedia of Polymer Science and Technology", Interscience Ppblishers (John Wiley and Sons, Inc.), New York. Fettsäurepolyamide werden hergestellt durch Umsetzen einer mehrbasischen Säure mit einem mehrwertigen Amin. Die mehrbasischen Säuren sind in der Regel zweibasische Säuren, die durch Dimerisieren von beispielsweise einer ungesättigten Fettsäure mit 18 Kohlenstoffatomen, die aus einem ungesättigten Pflanzenöl gewonnen wurde, hergestellt werden. Solche Dimere setzt man dann um mit einem Diamin wie beispielsweise Äthylendiamin, Propylendiamin und dergleichen.
Fettsäurepolyamide sind im Handel erhältlich, beispielsweise von der Firma General Mills, Inc., unter dem Handelsnamen "VERSALON" und "GENBOND".
Das Fcttsäurepolyaraid kann in beliebiger Form verwendet werden, die für die schützende Anwendung geeignet ist. Man kann bei-
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spielsweise das Fettsäurepolyamid als einen Überzug auf die zu schützende Oberfläche aufbringen. Die Fettsäurepolyamide können auch als Dichtungen, Dichtungsringe oder dergleichen verwendet werden.
In der Hegel sind solche Fettsäurepolyaiaide vorzuziehen, die eine Aminzahl von mehr als etwa 90 haben. Die Aminzahl bedeutet die Anzahl von Milligramm KOH, die äquivalent ist einem Gramm des Fettsäurepolyamids. Die Aminzahl wird nach bekannten Verfahren entsprechend z.B. ASTM D 2074-62T bestimmt.
Die Fettsäurepolyamide können gemischt werden mit Verdünnungsmitteln, Modifizierungsmitteln und Hartem wie Epoxyharzen, um ihre physikalischen Eigenschaften entsprechend zu modifizieren.
Die Fettsäurepolyamide können nach bekannten Verfahren aufgebracht werden, z.B. in Form einer heißen Schmelze oder als Lösung in einem Lösungsmittel, wie in einem Gemisch aus einem Alkohol und einem aromatischen Kohlenwasserstoff. Verfahren zum Aufbringen der Fettsäurepolyamide sind an sich bekannt.
Unter den im Handel erhältlichen Fettsäurepolyamiden sind besonders wirksam der unter dem Ilandelsnamen Z-610 in heißer
Heißscluaelzklebsiof 1
Schmelze erhältliche/,der von der Firma. Swift & Company, Adhesive Products Department, Chicago, Illinois, vertrieben wird. Dieses I'ettsäurepolyamid hat eine Aminzahl von etwa 900. Andere brauchbare und im Handel erhältliche Fettsäurepolyamide sind die sogenannten GENBOND 202, 205 und 209. Diese
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Stoffe haben Aminzahlen von etwa 100, 150 bzw. 200.
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, Verwendet wird eine gegossene Zinkelektrode Ii der Art, wie.sie in durch Luft depolarisierten alkalischen Zellen gebraucht werden. Die Elektrode 11 ruht auf nicht abgebildeten Trägern in der Zelle und erstreckt sich hinab bis in den alkalischen Elektrolyten. Die Schulterteile 13 der Elektrode /berühren die Träger in der Zelle so, daß die Elektrode 11 von den Schultern 13 hinabhängt.
die
Um einen Angriff auf Schultern 13 während des Entladens der-Zelle zu verhindern, sind sie mit dem Fettsäurepolyamid 15 überzogen. Dieser Überzug 15 hindert die Berührung des alkalischen Elektrolyten mit dem Zink in den Schultern 13»
Der Stromabnehmer 17 in dieser Art von Zellen kann aus einem Kupferdraht bestehen, wie die Fig. 1 es zeigt. Um einen Angriff auf diejenigen Zinkteile, die den Stromabnehmer 17 aus Kupfer umgeben, zu verhindern während des Entladens der Zelle,, ist die Oberfläche des Zinks um den Kupferdraht 17 herum mit einem Fettsäurepolyamid 19 überzogen. Dieser Überzug 19 verhindert die Berührung des Elektrolyten mit dem Zink in dem Gebiet um den Draht 17 herum. Der Überzug 19 verhindert also, daß das Zink in dem Gebiet um den Stromabnehmer 17 herum verbraucht wird, was, wie schon oben bemerkt, dazu führen kann, daß der Stromabnehmer 17 den elektrischen Kontakt mit der Zinkelektroae 11 verliert.
Die Fig. 2 zeigt eine alkalische Zelle 21 mit verschiedenen Ausfuhrungsforinen der Erfindung. Die Zelle enthält einen Mctall-
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becher 23, der aus Stahl oder einem anderen starren Metall bestehen kann. Der Metallbecher ist umgeben von einem isolierenden Mantel 25. Die Kanten des Mantels 25 sind um die Außenkanten des metallischen Deckels 27, welcher das negative Ende der Batterie ist, herumgewunden, und ebenso um die Außenkanten des metallischen Bodens 29, welcher das positive Ende der Batterie bildet. Eine Isolierung 31 isoliert den Becher 23 gegen den Metalldeckel 27. Genau einpassend innerhalb des Bechers 23 befindet sich eine rohrförinige Kathode 33, die üblicherweise aus Kohlenstoff und Mangandioxyd besteht. Die innere Oberfläche ist mit einem Scheider 35 ausgekleidet.
Innerhalb des Seheiders 35 befindet sich eine halbstarre rohrförmige Anode 37, die hergestellt ist durch Extrudieren eines Gemisches aus Anodenmetall, einem Elektrolyten und einem im Elektrolyten quellbaren Bindemittel. Das Anodenmetall ist zweckrcäßigerweise gepulvertes Zink, der Elektrolyt besteht in der Regel aus einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxyd, und als im Elektrolyten quellbares Bindemittel wird in der Regel Hydroxymethylzellulose verwendet. Die Anode 37 wird dadurch festgehalten, da sie sich beim Absorbieren des alkalischen Elektrolyten ausdehnt, so daß sie im Gleichgewichtszustande gegen den Scheider 35 angedrückt wird. In der Fig. 2 ist das Gel 37 nach dem Quellen dargestellt. Ein hohler rohrförmiger Stromabnehmer 39 erstreckt sich ganz durch das Gel 37 und ist elektrisch verbunden mit dem Metalldeckel 27 des Bechers 23 mittels einer metallischen Kappe kl. Der Scheider 35 ist elektrisch isoliert gegen den Metallboden 29 mittels einer Isolierung kj>,
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Der Verschluß der Zelle besteht aus einer inneren tragenden Dichtungsscheibe 45, die mit einer Schicht des Fettsäurepolyamids 47 überzogen ist. Das Fettsäurepolyamid 47 dichtet den gesamten oberen Querschnitt der Zelle ab, und steht.in Berührung mit dem Metallbecher 23 und dem Stromabnehmer 39. Dort, wo das Fettsäurepolyamid in Berührung steht mit dem Metall— becher 23 und dem Stromabnehmer 39s hindert es den alkalischen Elektrolyten am Kriechen um die innere Trägerseheibe 45 und hinauf bis zu der Entlüftungsvorrichtung 49 für Wasserstoff.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung uird das Fett— säurepolyaruid verwendet, um ein Austreten des alkalischen Elektrolyten durch die Entlüftung für Wasserstoff zu verhindern. Nach Fig. 2, und in vergrößertem Maßstabe nach den Fig. 3 und 4, besteht das Entlüftungssystem für Wasserstoff aus einem Rohr 50 aus Faserstoff, der mit einem Fettsäurepolyamid überzogen ist. Das Rohr 50 enthält gedrallte Fasergarne 51 j die einen schützenden Überzug 53 aus einem Fett— säurepolyainid aufweisen. Die Fasergarne 5i bilden einen kapillaren Gaspfad 54 für Wasserstoff, der aus dem Raum 55 innerhalb des Stromabnehmers 39 zu dem größeren Raum 49 zwischen der Dichtung 45 und 47 und dem De ekel 27 gelangt. Das Rohr 50 ist innerhalb des Raumes 55 mittels zusätzlichen Fettsäurepolyamids 56 abgedichtet. Gasförmiger Wasserstoff entweicht aus dem Inneren der Batterie durch eines oder mehrere der kleinen Löcher 57 in den Raum 55 innerhalb des Stromabnehmers 39» Von dort strömt das Gas durch den kapillaren Gaspfad 54 zwischen (.lon Garnen 51 in den Raum innerhalb der Kontaktkappe 41, und von dort durch das Loch 59 in den größeren Raum 49 am Deckel des Bechers. Auf diese Art wird eine übliche Ent-
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lüftung in die Atmosphäre gesichert. Die Fettsäurepolyamide 53 und 56, welche die Garne 51 umgeben, verhindern ein Austreten des Elektrolyten aus der Entlüftungsvorrichtung.
Vorstehend sind einige Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Erfindung betrifft aber ganz allgemein die Verwendung eines Fettsäurepolyamids, um ein Benetzen durch einen alkalischen Elektrolyten in einer galvanischen Zelle zu verhindern. Das Fettsäurepolyaniid wird auf derjenigen Oberfläche verwendet, die gegen das Benetzen durch den alkalischen Elektrolyten geschützt werden soll. Bei einer Ausführungsform wird ein Überzug aus einem Fettsäurepolyamid verwendet, um bestimmte Teile einer Zinkelektrode in einer alkalischen durch Luft depolarisierten Zelle gegen den korrodierenden Angriff durch den Elektrolyten an diesen Stellen zu verhindern. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Fettsäurepolyamid als Dichtungsmittel in abgedichteten alkalischen galvanischen Zellen verwendet, um ein Lecken des Elektrolyten aus der Zelle zu verringern. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Fettsäurepolyamid in der Entlüftungsvorrichtung verwendet, um ein Austreten des Elektrolyten dort zu verhindern.
Wie schon oben bemerkt, kann das Fettsäurepolyaraid auf verschiedenen Unterlagen verwendet werden, um eine Berührung des alkalischen Elektrolyten mit diesen Unterlagen zu verhindern. Die Unterlagen können aus Metall, Faserstoffen, Kunststoffen und dergleichen bestehen. Bei Verwendung einer Unterlage aus Metall kann der durch das Fettsäurepolyamid bewirkte Schutz wenigstens teilweise von der Art des Metalles abhängig sein, \icnn beispio]s~
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weise der positive Stromabnehmer durch ein Fettsäurepolyamid gegen Lecken geschützt werden soll, so nimmt die Wirksamkeit des Schutzes in der Richtung Stahl, rostfreier Stahl, Nickel und nickelplattierter Stahl, Gold zu. Bei negativen Stromabnehmern nimmt die Schutzwirkung in der Richtung Zink, Messing, Kupfer, goldplattiertes Kupfer, Gold zu.
Das Fettsäurepolyamid kann auch in Verbindung mit anderen Abdichtungen verwendet werden. Verwendet man beispielsweise eine Abdichtung aus Nylon nach der USA-Patentschrift 3 068 3i2, so kann die Wirksamkeit dieser Dichtung verbessert werden durch Aufbringen des Fettsäurepolyamids auf das Nylon und/oder auf die Metallteile, welche in Berührung mit dem Nylon stehen.
Die Erfindung kann in beliebigen alkalischen Zellen angewendet werden. Außer Zellen mit Zink und Mangandioxyd und Zellen mit Zink und Luft kann die Erfindung auch verwendet werden in Zellen mit Nickel und Cadmium, in Zellen mit Silberoxyd und Zink, in Zellen mit Quecksilberoxyd und Zink, und in änderen Zellen, die einen alkalischen Elektrolyten enthalten, wie beispielsweise wässrige Lösungen von Kaliumhydroxyd oder Natriuinltydroxyd.
Beispiel
Zum Vergleich von erfindungsgemäßen Zellen mit üblichen Zellen wurde eine Reihe von Zellen mit Silberoxyd und Zink hergestellt, wie sie für Hörgeräte und Uhren gebraucht werden. Die Zellen wurden mit einem Ring aus Nylon abgedichtet. In einem Falle war dieser Dichtungsring überzogen, in anderen Fällen waren die Ringe
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überzogen mit entweder Swift's Z-6lO oder mit einem Kohlenwasserstoff wachs. Die Zellen enthielten entweder 15 mg eines Elektrolyten mit KOII, oder die größere Menge von 20 mg des gleichen Elektrolyten. Die Zellen wurden bei Raumtemperatur 381 Tage lang gelagert. Dann wurde das Aussehen geprüft. Es wurde das Aussalzen, d.h. das Auftreten von Carbonat bei der Zelle, das durch Umsetzung von KOII aus dem Elektrolyten mit C0„ aus der Luft entstanden war, geprüft, ferner die Feuchtigkeit, die durch Absorption der Feuchtigkeit aus der Luft durch das Kaliumcarbonat verursacht war.
Die dichtenZellenaus Nylon wurden mit dem Kohlenwasserstoffwachs so überzogen, daß sie einmal oder zweimal in"eine erwärmte Lösung getaucht wurden, die je Liter Trichlorätliylen 135 g des Wachses enthielt. Das Fettsäurepolyamid Z-610 wurde durch Aufbringen einer 20 $igen Lösung (Gewichtsprozent) des Fettsäurepolyamids in einem Gemisch aus 50 % Isopropanol/Toluol (Volumenprozent) angewendet.
Tabelle I zeigt die Ergebnisse dieser Versuche. In jeder Serie wurden 55 bis 40 Zeilen ausgewertet.
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- ii -
Tabelle I
Gehalt an Reihe Dichtungsring KOH
Salz Eeuchtig- $o QK % . keit %
1. nicht überzogen . 15 mg . 2,6 97,4 66,7 - ·.
2. ein Überzug aus
Wachs		 15 mg 43 57 53.
3. ein Überzug aus
Z-610		 15 mg 95 5 0
4. zwei Überzüge
aus Wachs		 15 mg 90 10 0
5. zv/ei Überzüge
aus Z-6iO		 15 mg 98 2 0
6. ein Überzug aus
Wachs		 20 mg 13 87 80
7. ein Überzug aus
Z~6lO		 20 rag 84 16 0
Die Tabelle zeigt, daß die mit Z-610 überzogenen Dichtungsringe aus Nylon sich weitaus besser verhalten.
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Claims (5)

Patentansprüche
1. Galvanische Zelle mit einem einen alkalischen Elektrolyten enthaltenden Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der vom Elektrolyten benetzbaren Oberflächen mit einem Fettsäurepolyamid überzogen ist oder aus einem solchen besteht.
2. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fettsäurepolyamid eine Aminzahl von wenigstens etwa 90 hat.
3. Galvanische Zelle nach Anspruch 1 oder 2 mit einem becherförmigen Behälter aus einem starren Metall für die Aufnahme des alkalischen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des becherförmigen Behälters durch ein Fettsäureiiolyamid abgedichtet ist.
k. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche J. bis 3 mit einer Entlüftung für das in der Zelle entstehende Gas, die aus etwa parallel der Gasströmung angeordneten Fasern bestellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern von einem Fettsäurepolyamid umschlossen sind.
5. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis kt insbesondere eine durch Luft depolariaierte alkalische Zelle, rait einer Zinkelektrode und einem mit dieser verbundenen Strom-dmehnor aus Kupfer, dadurch gekennzeichnet, da/J die Oberfläche der Zinkcicktrode in der Nachbarschaft des Stromabnehmers mit e.i/ieiu Ftttsaurepolyaüii <\ überzogen ist.
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6« Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Zinkelektrode, deren Vorsprünge auf Trägern ruhen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorsprünge mit einem Fettsäurepolyamid überzogen sind.
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DE2610414A1 (de) * 1975-03-17 1976-09-23 Union Carbide Corp Anschlusstueck fuer eine elektrochemische vorrichtung
DE2610413A1 (de) * 1975-03-17 1976-09-23 Union Carbide Corp Flache alkalische zelle

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