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Galvanisches Gas-Depolarisationselement Die Erfindung bezieht sich
auf ein mit Hilfe von Gas depolarisierbares galvanisches Element mit verbesserter
Kapazität pro Volumeneinheit und betrifft speziell ein Miniaturelement dieses Typs.
Erfindungsgemäße mit Hilfe von Luft depolarisierbare Elemente werden nachstehend
ausführlicher unter Bezugnahme auf eine Zink-Luft-Batterie für Hörgeräte beschrieben,
in der das Gehäuse und die obere Verschlußanordnung von bekannten alkalischen Batterien
für Hörhilfsmittel, nämlich von RAY-O-VAC 41 G und 675 R-Elementen verwendet werden,
da das erfindungsgemäße mit Hilfe von Luft depolarisierbare Element speziell zu
dem Zweck entwickelt wurde, um die Kapazität dieser bekannten Elemente zu verbessern
und gleichzeitig existierende Fabrikationsanlagen mit möglichst geringer Modifizierung
auszunutzen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine spezielle Elementgröße oder
auf irgendeine besondere Auswahl von Anodenmaterialien beschränkt.
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Die Wirkungsweise von Gas-Depolarisationselementen des erfindungsgemäßen
Typs ist bereits gut bekannt, wie beispielsweise aus den US-Patentschriften 2,848,525,
3,392,057, 3,415,685 und 3,489,616 ersichtlich ist.
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Es ist außerdem zu bemerken, daß mit Hilfe von Gas depolarisierte
Elemente bei der Entladung relativ konstante Spannung zeigen und im Hinblick auf
die Kapazität eine ausgezeichnete Wirksamkeit
zeigen. Aufgrund
dieser Faktoren ist ihre Verwendung in zahlreichen elektronischen Vorrichtungen
im Vergleich mit anderen Elementtypen wünschenswert.
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Die Entwicklung von elektronischen Miniaturvorrichtungen mit sich
ständig vermindernder Größe macht-es erforderlich, daß die Größe der Energiequellen,
die sie mit elektrischer Energie versorgen, ebenfalls vermindert wird, weil sonst
ein Vorteil der Verkleinerung der elektronischen Schaltungen und deren Bestandteile
nicht vollständig verwirklicht wird. Die 'Zusammendrängung der gesamten elektronischen
Vorrichtung auf geringeren Raum erlegt daher der Größe der Energiequelle für diese
Vorrichtungen eine strenge Volumenbeschränkung auf, während gleichzeitig in vielen
Fällen eine höhere Kapazität erforderlich ist, als sie bei bisher bekannten Energiequellen
gewöhnlich erreichbar ist.
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Wie bereits erwähnt wurde, wird in einer bevorzugten Ausführungs form
der Erfindung das Gehäuse und die obere Verschlußvorrichtung von bereits bekannten
alkalischen Batterien für Hörhilfsmittel verwendet. Gewünschtenfalls kann jedoch
auch irgendein anderes Gehäuse und eine andere obere Verschlußvorrichtung eingesetzt
werden. Diese Hörgerätbatterien umfassen im allgemeinen ein Metallgehäuse oder einen
Innenbecher und einen Verschlußteil dafür, welcher vorzugsweise ein Paar Metallplatten
oder Metallscheiben umfaßt. Die Randbereiche des inneren Bechers und der Scheiben
des oberen Verschlusses haben einen dazwischen angeordneten isolierenden Dichtungsteil
oder eine Manschette aus elastischem Material, wobei ein Teil der Dichtungsmanschette
sich rund um die Kanten der Scheiben erstreckt und ein kurzes Stück vorspringt.
Ein äußerer Becher oder Mantel umgibt den inneren Becher und verengt sich an einem
Ende direkt oberhalb der Dichtungsmanschette, sodaß er auf diese Dichtungsdruck
ausübt, wodurch ein praktisch luftdichter Verschluß für das Element gebildet wird.
Eine vollständigere Beschreibung dieser Anordnung wird in der US-PS 2,712,565 gegeben.
Der Hauptvorteil der vorstehend beschriebenen Anordnung liegt darin, daß sie den
Austritt des Elektrolyten auf die obere Fläche des Elements und die resultierende
Bildung von Verkrustungen, wenn der Elektrolyt
der Atmosphäre ausgesetzt
wird, vermindert. Derartige Verkrustungen verursachen Korrosion und bilden einen
Isolierfilm auf dem oberen Ende der Zelle, der den Kontaktwiderstand zwischen dem
Element und einem äußeren Stromkreis, in den das Element eingeschlossen ist, erhöht.
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Die vorstehend beschriebene Bauweise führt zwar zu einer einfachen
und verläßlichen Lösung des Problems der Elektrolytwanderung in diesen Elementen;
zusätzliche Maßnahmen zur weiteren Verminderung des möglichen Auslaufens des Elektrolyten,
mit deren Hilfe eine zusätzliche Abdichtung zum Verhindern des Austritts des Elektrolyten
aus dem Inneren der Zelle nach außen erzielt würde , wäre als Verbesserung auf dem
Gebiet der Batterien willkommen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein mit Hilfe von Luft depolarisiertes
galvanisches Miniaturelement zugänglich zu machen, das eine hohe Kapazität, ausgedrückt
in Amperestunden pro Volumeneinheit, verminderte Möglichkeit des Auslaufens von
Elektrolyt und einen Aufbau zeigt, der es gestattet, existierende Herstellungsvorrichtungen
mit einem Mindestmaß an Modifizierung auszunützen und auf diese Weise die Herstellung
von erfindungsgemäßen Elementen in wirtschaftlicher Weise und im industriellen Maßstab
mit niedrigem Preis durchzuführen und ohne daß es erforderlich wird, völlig neue
Herstellungsanlagen zu entwerfen.
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Erfindungsgemäß wird ein galvanisches Gas-Depolarisationselement mit
einer neuartigen Kathoden-Untergruppe hergestellt.
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Die Kathoden-Untergruppe oder -Anordnung hat aus elektrisch nicht
leitendem Material gebildete Teile und ein Teil davon besteht aus einer mit Hilfe
von Gas depolarisierbaren Elektrode.
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Die Kathoden-Untergruppe ist im unteren Teil des Gehäuses des Elements
angeordnet und füllt diesen aus. Das Gehäuse hat ein offenes oberes Ende und stellt
einen der Pole des Elements dar. Innerhalb des Gehäuses ist Anodenmaterial vorgesehen,
welches den oberen Teil des Gehäuses einnimmt. Ein Elektrolyt, der in ionischem
Kontakt mit dem Material der Elektrode wld der' Anode
steht, ist
vorgesehen und zwischen der Elektrode und dem Anodenmaterial ist ein Separator eingeschoben.
In dem offenen oberen Ende des Gehäuses ist eine obere Verschlußanordnung vorgesehen,
die mindestens eine Metallplatte und einen isolierenden Dichtungsteil umfaßt. Der
Dichtungsteil ist eingeschlossen zwischen zusammenwirkenden Teilen der Metallplatte
und den elektrisch nicht leitenden Teilen der Kathoden-Untergruppe, und zusammenwirkenden
Teilen des Gehäuses und der Metallplatte. Die Metallplatte stellt den anderen Pol
des Elements dar und ist gegenüber dem Gehäuse durch den Dichtungsteil elektrisch
isoliert. Durch diese Anordnung werden in dem Element eine erste und eine zweite
Dichtungszone ausgebildet, die das Auslaufen von Elektrolyt aus dem Inneren der
Zelle nach außen aus der Zelle vermindern.
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Die vorstehend beschriebenen und weitere Gegenstände und Vorteile
der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen klar
ersichtlich.
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In den Zeichnungen stellt Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
galvanischen Gas-Depolarisationselements in vollständig zusammengebauter Form dar.
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht in auseinandergezogener Anordnung
der Bauteile des erfindungsgemäßen Elements, und Fig. 3 ist eine Ansicht der Kathoden-Untergruppe
gemäß Fig.2 längs Linie 111-111 der Fig. 2.
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Es soll betont werden, daß jede vorstehend erfolgte oder nachfolgende
Bezugnahme auf Gas-Depolarisation, Luft-Depolarisation, atmosphärischen o<<iuerstoff,
Umgebungsgas und dergleichen alle Möglichkeiten umfassen sollen, die durch die Ausdrücke
Metall/ Luft- und Metall/Sauerstoff-Elemente umfaßt werden. weIm au cli auf spezielle
Anoden- und Kathodenmaterialien oder andere lsat(-rialien für die verschiedenen
Teile des Elements gemäß der j'#i'-findung spezifisch Bezug genommeii wird, ist
doch deutlich, d;
auch andere geeignete Materialien verwendet werden
können.
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Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben
werden, in denen gleiche Bezugsziffern Jeweils in den verschiedenen Darstellungen
gleiche Teile bedeuten. Die erfindungsgemäße Gas-Depolarisations-Zelle ist allgemein
bei 10 gezeigt. 12 zeigt einen zylindrischen Becher oder ein zylindrisches Gehäuse.
Das Gehäuse 12 stellt die positive Polklemme des Elements dar und hat einen Boden
14, der ein einziges Stück mit den Gehäusewänden bildet, und ein diesem gegenüberliegendes
offenes Kopfende 16. Das Gehäuse 12 ist mit mehreren Luft- oder Gaszufu~hrungsöffnungen
18 versehen. Das Gehäuse 12 kann aus vernickeltem Stahl oder irgendeinem anderen
geeigneten Material gebildet sein.
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In dem Gehäuse 12 ist eine Kathoden-Untergruppe angeordnet, die allgemein
bei 20 dargestellt ist. Die Kathoden-Untergruppe nimmt den unteren Teil des Gehäuses
12 ein. Die Kathoden-Untergruppe oder -Anordnung umfaßt einen kreisförmigen Rahmen
oder Ring 22 aus elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise einem Polymeren,
der vorzugsweise alsftzmstück gebildet wurde. Dieser Ring ist so ausgebildet, daß
er eine mit Luft oder Gas depolarisierbare Elektrode, die allgemein bei 24 gezeigt
ist, umschließt, welche in der inneren Öffnung des Rings so angeordnet ist, daß
die Randbereiche der Elektrode 24 völlig in den Ausnehmungen des Rahmens 22 eingebettet
sind. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem zuerst die laiftelektrode
24 in einem gesonderten Verfahrensschritt hergestellt wird und danach Einformverfahren
angewendet werden, um eine Verbundeinheit herzustellen welche den Rahmen 22 und
die Luftelektrode 24 umfaßt. Die bevorzugte Luftelektrode wird entsprechend der
US-Patentanmeldung 859,221 hergestellt. Die laiftelektrode 24 hat eine Oberfläche
2 die aus einer hydrophoben Polymerfilm besteht, wie einem mikroporösen Film aus
Fluorkohienstoffpolymerem, d.h.,-aus Polytetrafluoräthylen. Die Oberfläche 26 ist
dem umgebenden Gas oder atmosphärischen Sauerstoff direkt ausgesetzt, der durch
die Gaseintrittsöffnungen 18 in das Element 10 während der Entladung des Elements
eintritt. Auf der Innenfläche der Elektrode 24 befindet
sich ein
Metallgitter oder -netz 28, das vorzugsweise aus Nickel besteht, auf das eine poröse,
feuchtigkeits- oder flüssigkeitsfeste Katalysatormasse 30 aufgepreßt ist, die aus
Kohlenstoff und einem feuchtigkeitsbeständigen Polymeren, wie Polytetrafluoräthylen,
Wachs und dergleichen besteht. Das Metallgitter 28 umfaßt einen Stromkollektor und
ein Teil des Gitters 28 erstreckt sich durch den Rahmen 22 und ist längs des Außenrandes
des Rahmens 22 hochgebogen, wie bei 30 in Fig. 1.
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Ein eingekerbter Teil 32 ist auf jeder Seite des Rahmens 22 vorgesehen,
um die Dicke des Gitters 28 teilweise auszugleichen. Wie aus der vorstehenden Beschreibung
ersichtlich ist, besteht die Luftelektrode 24 aus dem Metallgitter 28, der flüssigkeitsfesten
Katalysatormasse 30 und der Oberfläche 26, die aus dem hydrophoben Polymerfilm besteht.
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Wenn die Kathoden-Anordnung in einer anschließenden Verfahrensstufe
des Zusammenbaus des Elements 10 in das Gehäuse 12 eingeschoben wird, bewirken die
vorspringenden Teile des Metallgitters 28 nicht nur einen mechanischen Paßsitz sondern
stellen auch den elektrischen Kontakt zwischen der Luftelektrode 24 und dem Gehäuse
12 her.
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Auf der Elektrode 24 wird ein Separator in Form eines Überzugs 36
vorgesehen. Ein bevorzugter Separatorüberzug 36 wird nach dem in der US-Patentanmeldung
126,103 vom 19. März 1971 beschriebenen Verfahren hergestellt und wird auf die Luftelektrode
nach dem Ausbilden des Verbundkörpers aufgetragen, der den Rahmen 22 und die Luftelektrode
24 umfaßt. Entsprechend den Lehren dieser zuletzt genannten Patentanmeldung wird
der Separator als Lösung einer hochmolekularen Polyacrylsäure in entionisiertem
Wasser hergestellt. Die Lösung wird in einen Exsikkator gegeben und unter Vakuum
gehalten, bis die Masse blasenfrei ist. Die erhaltene Lösung ist gelatinös und thixotrop.
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Ein Anteil des Separatorgels wird in den zentralen Hohlraum 40 eingefüllt,
der in dem Rahmen 22 ausgebildet ist und durch die oberen Innenrandflächen des Rahmens
22 und die Fläche oberhalb der Elektrode 24 begrenzt wird. Es ist festzustellen,
daß durch diese Anordnung eine vollständige Abdichtung der Fläche des aktiven
Katalysators
der Kathode der Zelle 10 durch den Separator# überzug 36 erzielt wird.
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Die unteren Innenflächen des Rahmens 22 und die Fläche oder der Bereich
unterhalb der Luftelektrode 24 begrenzen einen Behälter für Gas oder einen Luftraum
41 im unteren Teil des Elements, der in Verbindung mit den Gaseintrittsöffnungen
18 steht. Dieser Raum 41 ermöglicht den Beginn und das AufrechErhalten der elektrochemischen
Zellreaktion.
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Oberhalb des Separators 36 ist ein zweiter Separator 42 angeord net.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Anodenmaterial ein Preßling
aus amalgamiertem Zinkpulver oder ein gepreßtes Zinkpellet 44 verwendet. Der Separator
42 is daher erforderlich. Wenn jedoch als Anodenmaterial für die Zell ein Zinkgel
verwendet wird, kann der Separator 42 weggelassen werden. Als Beispiel für ein Zinkgel,
das zur Verwendung in einer Zelle ohne Separator 42 geeignet ist, kann feinverteiltes
Zinkpulver und Polyacrylsäure in Kaliumhydroxydlösung verwendet werden. Das Zinkgel
wUrde in den Hohlraum des Gehäuses 12, der oberhalb der Kathoden-Anordnung 20 vorgesehen
ist, eingefüllt, und würde daher den oberen Teil des Gehäuses einnehmen. Der Separator
42 ist ein Elektrolyt-absorbierender Separator, der den Elektrolyten der Zelle enthält.
In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Elektrolyt vorzugsweise ein
Alkalimetallhydroxyd und außerdem eine geeignete Menge an gelöstem Zink.
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Wenn beide Separatoren 36 und 42 verwendet werden oder wenn nur der
Separator 36 verwendet wird (in Abhängigkeit von der Wahl der Anodenmaterialien)
steht in jedem Fall der Elektrolyt der Zelle in ionischem Kontakt mit der Elektrode
24 und dem Anodenmaterial.
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Der Separator 1+2 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen,
wie beispielsweise Pellon oder Webril. Der Separator 42 ist in einer zweiten zentralen
Ausnehmung 46, die sich in dem Rahmen befindet, vorgesehen , die durch den ringförmigen
Absatz 48, die ringförmige Fläche 49 und die Fläche oder den Bereich oberhalb des
Separators 36 eingeschlossen wird. Dic Ausnelllnunr 46 bildet ein Festhalteelcrnent
für den separator 12 und
einen Behälter für den Elektrolyten und
hält Separator und Elektrolyten während der Herstellungsstufen fest, bevor das Element
mit Hilfe der oberen Verschlußvorrichtung 50 verschlossen wird.
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Die obere Verschlußvorrichtung 50 ist innerhalb des offenen oberen
Teils 16 des Gehäuses 12 vorgesehen. Die obere Verschluß-Anordnung umfaßt mindestens
eine Metallscheibe oder -platte und vorzugsweise zwei schalenförmig gewölbte Scheiben,
die in den Zeichnungen bei 52 und 54 gezeigt sind. Die innere Scheibe 52 iSt aus
einem Metall gebildet oder mit einem Metall überzogen, das niederes Kontaktpotential
gegenüber Zink aufweist, beispielsweise mit Zinn überzogener Stahl. Die äußere (obere)
Schei besteht aus einem Metall mit guter Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Elektrolyten
oder ist mit einem solchen Metall überzogen. Ein geeignetes Material dafür ist mit
Nickel überzogener Stahl. Die zentralen Teile dieser schalenförmigen Scheiben sind
so ausgebildet, daß die innere Scheibe 52 in die äußere Scheibe eingepaßt ist und
mit dieser einen festen Reibungs-Paßsitz bildet, sodaß die beiden Scheiben in gutem
und bleibendem elektrischen Kontakt miteinander sind. Gewünschtenfalls können die
beiden Scheiben miteinander punktverschweißt sein, wie bei 56 angezeigt ist, um
jede gegenseitige Lageveränderung sicher auszuschließen. Die Außenkanten 58, 60
der Scheiben 52 bzw. 54 sind leicht voneinander abgebogen und schließen einen spitzen
Winkel ein. Die Scheiben 52, 54 stehen in elektrischem Kontakt mit dem Anodenmaterial
44 und bilden den negativen Pol der Zelle Die obere Verschlußanordnung 50 umfaßt
außerdem den isolierenden Dichtungsteil oder die isolierende Manschette 62. Die
Manschette 62 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, wie Polyäthylen
oder Nylon, und ist vorgesehen, um die Scheiben der oberen Verschlußanordnung von
dem Gehäuse 12 zu isolieren und um außerdem einen luftdichten Verschluß mit dem
Gehäuse 12 zu bilden.
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Die Dichtungsmanschette 62 umfaßt einen ersten oder Iiauptteil 64
der sich zwischen der oberen Fläche /2 der Kathodenanordnung 20 und der Randkante
der inneren Scheibe 52 der oberen Verschllv13-anordnung erstrecIKt. Ein zweiter
oder H<'#nschettentei# b8 dt
Manschette 62 erstreckt sich längs
der Oberfläche der äußeren Scheibe 54 der oberen Verschlußanordnung (Fig. 1). Wenn
die obere Verschlußanordnung 50 in dem Gehäuse 12 angeordnet wird, umgibt das Gehäuse
12 die Randbereiche der oberen Scheiben 52, 54.
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Am oberen Ende ist der Rand des Gehäuses nach innen abgebogen, wie
bei 70 in Fig. 1 angezeigt ist. Es ist ersichtlich, daß durch das Abbiegen axialer
Druck auf den Hauptteil 64 der Manschette 62 ausgeübt wird und gleichzeitig Druck
in einer im allgemeinen radialen Richtung auf die Manschettenteile 68 der Dichtungsmanschette
62 ausgeübt wird. Auf diese Weise wird die Dichtungsmanschette 62, wenn sie in der
Zelle 10 angeordnet ist, zwischen zusammenwirkenden Teilen der Scheiben 52, 54 und
den elektrisch nicht leitenden Teilen der Kathodenanordnung, nämlich der ringförmigen
Fläche 72, und zusammenwirkenden Teilen des Gehäuses 12 und der Scheiben 52, 54
eingeschlossen. Die Manschette 62 bildet infolgedessen eine erste Dichtungszone
zwischen zusammenwirkenden Teilen der Scheiben 52, 54 und der ringförmigen Fläche
72 der Kathodenanordnung 20 und eine zweite Dichtungszone zwischen zusammenwirkenden
Teilen des Gehäuses 12 und der Scheiben 52, 54 und isoliert gleichzeitig das Gehäuse
12 und die Scheiben 52, 54 elektrisch voneinander.
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Wenn als Anodenmaterial verpreßtes Zinkpulver oder ein poröses Zinkpellet
verwendet wird, welche die Eigenschaft haben, den Elektrolyten in ihren Poren aufzusaugen,
kann die Herstellung des Pellets innerhalb der oberen Verschlußanordnung 50 erfolgen
oder das Pellet kann gesondert ausgebildet und in die obere Verschlußanordnung 50
eingefügt werden und einen Teil dieser Anordnung bilden, um während der Herstellungsvorgänge
eine erleichter te Handhabung zu ermöglichen. Die obere Verschlußanordnung 50, die
in Fig. 2 gezeigt ist, kann mit Hilfe eines geeigneten Form vorgangs hergestellt
werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich#ist, stellt die
Kathoden-Anordnung ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar. Die Verwendung dieser
speziellen Kathoden-Anordnung, erleichtert die Herstellungsvorgänge und die Anordnung
bildet gleichzeitig einen wichtigen Bauteil der Zelle oder des El*-ments
10.
Die Kathoden-Anordnung ist ein stabiler, starrer Bauteil, der leicht gehandhabt,
eingerichtet und den Erfordernissen einer Massenproduktion angepaßt werden kann.
Sie bildet einen Träger für die sonst mechanisch instabile Gaselektrode 24 während
des Einfügens in das Gehäuse 12 und in Zeitabschnitten, in denen beim Verschlieen
der Zelle starke Beanspruchung ausgeübt wird, beispielsweise während des Biegevorgangs.
Sie bildet eine Befestigung oder ein Gehäuse für die Gaselektrode 24 und vermeidet
ais Ausfließen von Elektrolyt am Rand der Elektrode und/oder duri/für den Stromabnehmer
vorgesehenen Hohlräume. Sie bildet einen Träger für den vorspringenden Elektrodenstromabnehmer,
der im Preßsitz gegen die Wände des Gehäuses 12 gepreßt ist, um elektrischen Kontakt
herzustellen, und schaltet das Erfordernis aus, den Stromabnehmer mit dem Gehäuse
12 durch Punktschweißen zu verbinden. Schließlich, was wichtig ist, bildet sie eine
Oberfläche 72, welche die Preßdichtung mit dem Hauptteil 64 der Manschette 62 unterstützt
und die sich zahlreichen weiteren Dichtungsmöglichkeiten anpassen läßt (beispielsweise
chemisches Abdichten, Abdichten gegen Hitze, Ultraschall und dergleichen).
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Anders ausgedrückt, können die zusammengehörigen Flächen des Hauptteils
64 der Manschette 62 und der Kathodenanordnung 20 miteinander durch weitere Mittel
verbunden werden, als durch eine bloße mechanische Abdichtung, falls dies gewünscht
wird.
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Dies ist im allgemeinen bei bisher bekannten Konstruktionen für konventionelle
Zellen des betrachteten Typs nicht möglich. Die erste Dichtungszone zwischen den
zusammengehörigen Flächen des Hauptteils 64 der Manschette 62 und der Kathoden-Anordnung
20, die vorstehend beschrieben wurde, führt daher zu einer verbesserten Dichtung
in diesem Bereich gegenüber bekannten Konstruktionen, bei denen die beschriebene
obere Verschlußanordnung und ein vergleichbarer Absatz oder Flansch an der Oberfläche
72 vorliegen muß, um eine solche obere Verschlußanordnung zu verwenden.