DE2336114A1 - Biogalvanische metall-sauerstoffzelle - Google Patents
Biogalvanische metall-sauerstoffzelleInfo
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Description
Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle
Die Erfindung betrifft eine biοgalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle
mit einer die Zelle umhüllenden sauerstoffdurchlässigen Silikonkautschukmembran, einer Metallanode, zwei
beidseitig dieser Anode angeordneten Sauerstoff-Kathoden mit Silbernetzen, auf die katalytisch aktives Material aufgebracht
ist, und Elektrolyträumen zwischen der Anode und den Kathoden.
Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zellen, welche eine sich
verbrauchende Metallanode und Katalysator-Sauerstoff-Kathoden aufweisen, können als Stromquellen für im menschlichen
Körper implantierte elektronische Geräte, wie Herzschrittmacher, verwendet werden. In der deutschen Offenlegungsschrift
2 039 519 ist eine Metall-Sauerstoff-Zelle beschrieben, bei welcher die Anode als Trennwand in der Mitte
einer symmetrisch aufgebauten kammerartigen Zelle angeordnet ist und die beiden zur Anode parallelen Außenwände der Zelle
als Kathoden ausgebildet sind. Eine Metall-Sauerstoff-Zelle mit einem derartigen Aufbau kann als "Doppelkammerzelle"
bezeichnet werden.
In der deutschen Offenlegungsschrift 2 051 235 ist eine
Metall-Sauerstoff-Zelle beschrieben, welche mit einer Schicht aus sauerstoffdurchlässigem Material, wie Silikonkautschuk,
bedeckt oder darin eingeschlossen ist und bei welcher Anode und Kathode durch eine Trennschicht, insbesondere aus einem
Anionenaustauscherharz, voneinander getrennt sind, die gegenüber Sauerstoff verhältnismäßig undurchlässig und gegenüber
größeren Molekülen, wie Metalloxiden, vollständig undurch-
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lässig ist, während sie für Hydroxylionen durchlässig ist.
Auch diese Zelle kann als Doppelkammerzelle ausgebildet sein, wobei sich auf jeder Seite der Anode eine Sauerstoffelektrode
(Kathode) befindet. Die Kathoden sind im allgemeinen hydrophober Natur und bestehen aus einem Gemisch aus
einem Katalysatorpulver und einem Bindemittel, das auf ein elektrisch leitfähiges, korrosionsbeständiges Netz, beispielsweise
aus Platin, Gold oder Silber, aufgetragen und gesintert ist.
Die biogalvanischen Metall-Sauerstoff-Zellen der vorstehend erläuterten Art weisen bereits eine Reihe von Eigenschaften
auf, welche im Tierversuch zumindest bei einer kurzzeitigen Implantation eine zufriedenstellende Leistung ermöglichen.
Dazu gehören insbesondere eine gute Körperverträglichkeit, die erforderliche Abdichtung gegenüber dem umgebenden Gewebe
sowie die Möglichkeit, mehrere Zellen in Serie zu schalten.
Aufgabejder Erfindung ist es, eine biogalvanische Zelle der
eingangs genannten Art weiter zu verbessern, wobei insbesondere die mechanische Stabilität erhöht werden soll.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Metallanode am Rand mit einem Kunststoffrahmen verbunden ist,
welcher zur Ausbildung der Elektrolyträume eine größere Breite aufweist als die Metallanode, daß die Silbernetze
der Kathoden in den Randbereichen frei von katalytisch aktivem Material sind und die Randbereiche der Silbernetze
über den Kunststoffrahmen hinweg geführt und miteinander
verbunden sind, daß die Silikonkautschukmembran die Kathoden und die Randbereiche der Silbernetze eng anliegend umhüllt
und daß auf den die Randbereiche der Silbernetze umhüllenden Teil der Silikonkautschukmembran eine Ummantelung aus
Silikonkautschuk aufgebracht ist.
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Durch die gleichzeitige Verwendung eines Kunststoffrahmens, welcher insbesondere aus Epoxidharz besteht, von Silbernetzen
in den Kathoden, welche über die eigentliche aktive Elektrodenfläche hinausragen und über den Kunststoffrahmen
geführt und miteinander verbunden sind, sowie einer zusätzlichen, im Bereich des Kunststoffrahmens angebrachten Ummantelung
aus Silikonkautschuk wird eine Zelle mit großer mechanischer Stabilität erhalten. Die Ummantelung aus
Silikonkautschuk führt ferner zu einer verbesserten Abdichtung und sie vermindert aufgrund ihrer Elastizität darüber
hinaus die Gefahr einer mechanischen Reizung des angrenzenden Körpergewebes, wodurch wiederum das Auftreten unerwünschter
Gewebeverwachsungen, welche zu einer Abkapselung und damit zu einer Unterbrechung der Sauerstoffzufuhr führen
können, verringert wird.
Bei der in der Metall-Sauerstoff-Zelle ablaufenden elektrochemischen
Reaktion wird das Metall, beispielsweise Aluminium, zu Oxiden bzw. Oxidhydraten oxidiert. Um die Ablagerung
dieser Oxidationsprodukte auf den Kathoden und damit eMe Beeinträchtigung der Aktivität der Kathoden zu verhindern,
wird auf den der Metallanode zugewandten Seiten der beiden Kathoden vorteilhaft je eine Membran angeordnet, welche vorzugsweise
aus Polyvinylalkohol besteht. Als Material für die Membranen kommen auch Gemische aus Polyvinylalkohol und
Polyacrylsäure oder Spezialzellgläser, wie Cuprophan**, in
!rage.
Auf die Silbernetze der Kathoden wird als elektrochemisch aktives Material vorzugsweise stickstoffhaltige Kohle aufgebracht,
welche mit einem Bindemittel, insbesondere Polyvinylalkohol, an das Silbernetz gebunden wird; als Bindemittel
kann auch ein Polyvinylalkohol-Polyacrylsäure-Gemisch verwendet werden. Die Kohle kann zusätzlich auch mit Edelmetall-
-Katalysatoren versehen sein, wodurch eine erhöhte Aktivität -
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_ 4 _ VPA 73/7583
erreicht werden kann. Zur Erhöhung der Aktivität kann die Kohle einer Aktivierung mit Ammoniak unterworfen werden;
als besonders geeignet erwiesen hat sich auch Kohle, welche nach dem in der deutschen Offenlegungsschrift 2 108 417
beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Die Anode besteht vorteilhaft aus Aluminum, wobei insbesondere Aluminium hoher
Reinheit verwendet wird, d.h. Aluminium mit einer Reinheit von 99»99 $ und darüber. Weitere Anodenmaterialien sind
Aluminiumlegierungen, insbesondere Legierungen mit Zink, sowie Metalle wie Cadmium und Zink. Als besonders geeignet
erwiesen hat sich auch eine Anode, welche in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung "Aluminiumanode
für biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zellen",
Akt.Z. P , beschrieben ist. Bei einer
derartigen Anode ist ein Metallnetz beidseitig mit Aluminiumschichten
versehen und die vom Metallnetz abgewandten Oberflächen der Aluminiumschichten sind geläppt oder sandgestrahlt
und an ihren Randbereichen mit einer Eloxalschicht versehen.
Bei der erfindungsgemäßen biogalvanischen Metall-Sauesstoff-Zelle
können - zur Gewährleistung einer guten Abdichtung die Silbernetze, welche Bestandteil der Kathoden sind, an
der Grenzschicht zwischen ihrem Randbereich, der frei ist von katalytisch aktivem Material, und dem kataljsatorhaltigen
Bereich, d.h. der eigentlichen Elektrodenfläche der Kathode, vorteilhaft mit einem Streifen aus Silber versehen und auf
den Kunststoffrahmen aufgeklebt sein. Der Silberstreifen befindet sich also jeweils auf der der Anode zugewandten
Seite einer Kathode.
Anhand einer Figur, welche einen Teilschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen biogalvanischen
Metall-Sauerstoff-Zelle zeigt, und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
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Zur Herstellung einer kreisförmigen Metall-Sauerstoff-Zelle
wird eine etwa 2 mm dicke Aluminiumanode 2 in einen als Rahmen dienenden Ring 1 aus Epoxidharz eingeklebt. Der
Ring 1 ist etwa 6 mm dick und hat einen Außendurchmesser von 50 mm und einen Innendurchmesser von etwa 36 mm. Zur Vereinfachung
beim Zusammenbau der Zelle kann der ringförmige Kunststoffrahmen 1 auch aus drei Teilen mit einer Dicke
von jeweils etwa 2 mm bestehen. In diesem Fall wird in den mittleren Teil die Metallanode 2 eingeklebt, welche in
geeigneter Weise mit einer Silberfahne zur Stromabnahme verbunden ist. Die beiden äußeren Teile werden dann mit dem
mittleren Teil verklebt, sie begrenzen in der fertigen Zelle die zwischen der Anode 2 und den Kathoden 3 liegenden
Elektrolyträume 4.
Zur Herstellung der Kathoden 3 werden Silbernetze 5 (Drahtstärke: 0,12 mm; ca. 220 Maschen pro cm ) mit einem Durchmesser
von etwa 60 mm verwendet. Auf eine Seite jedes Silbernetzes 5 wird ein 2 mm breiter Silberring 9 (Außendurchmesser:
40 mm; Dicke: etwa 100 /um) konzentrisch aufge-
o punktet. Das Silbernetz wird bei 500 C eine halbe Stunde lang
weichgeglüht und anschließend mit ca. 40 N/mm plan gepreßt. Auf das Silbernetz 5 wird auf die vom Silberring 9 abgewandte
Seite auf die Fläche, die der durch den Silberring begrenzten Fläche entspricht, ein Gemisch aus 190 mg stickstoffhaltiger
Aktivkohle und 190 mg einer 5 $-igen wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol aufgestrichen; anschließend wird getrocknet
und bei 1500C eine Stunde lang vernetzt. Die Belegung beträgt
ρ
etwa 15 mg Kohle pro cm . Die Rückseite des Silbernetzes, d.h.
etwa 15 mg Kohle pro cm . Die Rückseite des Silbernetzes, d.h.
die mit dem Silberring versehene Seite, wird mit einer runden, etwa 12 mm dicken Polyvinylalkoholmembran 6 (Durchmesser:
etwa 40 min) versehen. Anschließend wird die Kathode mit dieser Seite mittels Epoxidharz auf eine Seite des die Anode
enthaltenden Kunststoffrahmens aufgeklebt; entsprechend wird auf die andere Seite des Kunststoffrahmens eine zweite
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BAD ORfGiNAL
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Kathode aufgeklebt. Die beiden Silbernetze 5 werden dann durch Punktschweißen miteinander verbunden, wobei zwischen
ihnen noch eine nach außen gerichtete Silberfahne 10 zur Stromabnahme angeordnet wird. Auch die Anode 2 ist mit einer
Silberfahne zur Stromabnahme versehen. Diese Silberfahne ist durch den Kunststoffrahmen 1 geführt und gegen die
Silbernetze 5 elektrisch isoliert. Dies kann in der Weise geschehen, daß die Silbernetze 5 an der entsprechenden Stelle
- wie in der Figur dargestellt ist - mit einer Aussparung versehen sind.
Durch Bohrungen im Kunststoffrahmen wird in die beiden
Elektrolyträume physiologische Kochsalzlösung, d.h. eine 0,9 $-ige NaCl-Lösung, eingebracht, welche zur Stabilisierung
des pH-Wertes mit 100 mg/l Natriumcarbonat versetzt ist. Die Einfüllöffnungen werden anschließend mit Epoxidharz
verschlossen. Dann wird die gesamte Zelle mit einer etwa 19 /um dicken Silikonkautschukmembran 7 umhüllt. Dazu
werden sowohl die Kathoden als auch die katalysatorfreien Bereiche der Silbernetze mit einer etwa 20 #-igen Lösung
von Silikonkautschuk in Dichlormethan bestrichen, dann wird die Membran aufgeklebt und ausgetrocknet.
Besteht der Kunststoffrahmen aus drei Teilen, so können die
beiden äußeren Teile zunächst mit je einer Kathode versehen, halbseitig mit einer Silikonkautschukmembran umgeben und
anschließend mittels Epoxidharz mit dem mitilßren, die Metallanode enthaltenden Teil zusammengeklebt werden.
Die auf die beschriebene Weise hergestellte Zelle wird abschließend im Bereich des Kunststoffrahmens mit einer
Ummantelung 8 aus Silikonkautschuk umgössen (Menge: etwa 12 g). Die fertige Zelle hat etwa die Größe einer Taschenuhr,
sie umfaßt ein Volumen von ca. 12,4 ml und weist ein Gewicht von ca. 31 g auf.
7 Patentansprüche
1 Figur 509807/04 21 -7-
Claims (7)
- - 7 - VPA 73/7583PatentansprücheM.)Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle mit einer die Zelle umhüllenden sauerstoffdurchlässigen Silikonkautschukmembran, einer Metallanode, zwei beidseitig dieser Anode angeordneten Sauerstoff-Kathoden mit Silbernetzen, auf die katalytisch aktives Material aufgebracht ist, und Elektro-Iyträumen zwischen der Anode und den Kathoden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallanode (2) am Rand mit einem Kunststoffrahmen (1) verbunden ist, welcher zur Ausbildung der Elektrolyträume (4) eine größere Breite aufweist als die Metallanode (1), daß die Silbernetze (5) der Kathoden (3) in den Randbereichen frei von katalytisch aktivem Material sind und die Randbereiche der Silbernetze über den Kunststoffrahmen hinweg geführt und miteinander verbunden sind, daß die Silikonkautschukmembran (7) die Kathoden (3) und die Randbereiche der Silbernetze (5) eng anliegend umhüllt und daß auf den die Randbereiche der Silbernetze (5) umhüllenden Teil der Silikonkautschukmembran (7) eine Ummantelung (8) aus Silikonkautschuk aufgebracht ist.
- 2. Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den der Metallanode (2) zugewandten Seiten der Kathoden (3) zur Verhinderung der Ablagerung von Oxidationsprodukten der Metallanode Membranen (6) angeordnet sind.
- 3. Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (6) aus Polyvinylalkohol bestehen.
- 4. Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (3) als katalytisch aktives Material stickstoffhaltige Kohle509807/0421- 8 - VPA 73/7583enthalten, welche mit einem Bindemittel, insbesondere Polyvinylalkohol, an das Silbernetz (5) gebunden ist.
- 5. Biogalvanische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle mit Edelmetall-Katalysatoren versehen ist.
- 6. Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallanode (2) aus Alumimium besteht.
- 7. Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Silbernetze (5) der Kathoden (3) an der Grenzschicht zwischen dem katalysatorfreien Randbereich der Silbernetze und dem katalysatorhaltigen Bereich der Kathoden mit einem Streifen aus Silber (9) versehen und auf den Kunststoffrahmen (') aufgeklebt sind.509807/U4 2 1
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