DE2336114C3 - Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle - Google Patents
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Description
55
Die Erfindung betrifft eine biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle
mit einer die Zelle umhüllenden lauerstoffdurchlässigen Silikonkautschukmembran,
tiner Metalianode (Anode = negative Elektrode), zwei
beidseitig dieser Anode angeordneten Sauerstoff-Kathoden (Kathode « positive Elektrode) mit Silbernetzen,
auf die katalytisch aktives Material aufgebracht ist, Und Eiektroiyträumen zwischen der Anode und den
Kathoden.
Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zellen, welche eine »ich 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 20 39 5!9 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 20 51235 ist
eine Metall-Sauerstoff-Zelle beschrieben, weiche 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 undurchlässig 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 ek>em 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, weiche 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.
Aufgabe der 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 negative Metallelektrode am Rand mit einem Kunststoffrahmen
verbunden ist welcher zur Ausbildung der Elektrolyträume eine größere Breite aufweist als die
Metallelektrode, duß die Silbemetze der positiven Elektroden (3) in den Randbereichen frei von katalytisch
aktivem Material sind und die Randbereiche der Silbemetze über den Kunststoffrahmen hinweg geführt
miteinander verbunden und mit dem Kunststoffrahmen verklebt sind, daß die Silbemetze der Elektroden an der
Grenzschicht zwischen dem katalysatorfreien Randbereich der Silbemetze und dem katalysatorhaltigen
Bereich der positiven Elektroden mit einem Streifen aus Silber versehen und auf den Kunststoffrahmen aufgeklebt
sind, daß die Silikonkautschukmembran auf die Elektroden (3) und die Randbereiche der Silbemetze
aufgeklebt ist und daß auf den die Randbereiehe der Silbemetze umhüllenden Teil der Silikonkautschukmembran
eine Ummantelung aus Silikonkautschuk aufgebracht ist
Durch die gleichzeitige Verwendung eines Kunststoffrahmens, welcher insbesondere aus Epoxidharz
besteht, von Silbernetzen in den Kathoden, welche über die eigentliche aktive Elektrodenfläche hinausragen und
Ober 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 eine Beeinträchtigung der
Aktivität der Kathoden zu verhindern, wird auf den der Metallanode zugewandten Seiten der beiden Kathoden
vorteilhaft je eine Membran angsordnet, welche
vorzugsweise aus Polyvinylalkohol besteht AIf Material für die Membranen kommen auch Gemische aus
Polyvinylalkohol und Polyacrylsäure oder Spezialzellgläser
in Frage.
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 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 21 08 417 beschriebenen Verfahren
hergestellt wurde. Die Anode besteht vorteilhaft aus Aluminium, 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 dem gleichzeitig eingereichten
deutschen Patent »Negative Aluminiumelektrode für biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zellen«, Nr. 23 36 119,
beschrieben ist Bei einer derartigen Anode ist ein Metallnetz beidseitig mit A.luminiumschichten versehen
und die vom Metallnetz abgewandten Oberflächen der Aluminiunvschichten sind geläppt oder sandgestrahlt
und an ihren Randbereichen mit einer Eloxalschicht versehen.
Bei der erfindungsgemäßen biogalvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle
sind — 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 katalysatorhaltigen Bereich, d. h. der eigentlichen Elektrodenfläehe der Kathode, vorteilhaft
mit einem Streifen aus Silber versehen und auf den Kunststoffrahmen aufgeklebt Der Silberstreifen befindet
sich also jeweils auf der der Anode zugewandten Seite einer Kathode.
Anhand einer Figur, welche einen Teilschnitt durch eine bevorzugte Ausfühpjngsform der erfindungsgemä-Oen
biogalvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle zeigt, und eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung noch
näher erläutert werden.
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 i 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 cm2) mit
einem Durchmesser von etwa 60 mm verwendet Auf eine Seite jedes Silbernetzes 5 wir ein 2 mm breiter
Silberring 9 (Außendurchmesser: 4ötnr.; Dicke: etwa
100 μπι) konzentrisch aufgepunktet Das Silbernetz wird
bei 5000C eine halbe Stunde lang weichgeglüht und anschließend mit ca. 40 N/mm2 plan gepreßt Auf das
Silberne 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°/oigen
wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol aufgestrichen; anschließend wird getrocknet und bei 1500C eine
Stunde lang vernetzt Die Belegung beträgt etwa 15 mg
Kohle pro cm2. Die Rückseite des Silbernetzes, d. h. die
mit dem Silberring versehene Seite, wird mit einer runden, etwa 12 μΐη dicken Polyvinylalkoholmembran 6
(Durchmesser: etwa 40 mm) versehen. Anschließend wird die Kathode mit dieser Seite mitteis Epoxidharz
auf eine Seite des die Anode enthaltenden Kunststoffrahmens aufgeklebt; entsprechend wird auf die andere
Seite des Kunststoffrahmens eine zweite 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 11 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 d"e beiden Elektrolyträume physiologische Kochsalzlösung,
d h. * ine 0,9%ige NaCl-Lösung, eingebracht welche zur
Stabilisierung des pH-Wertes mit 100 mg/1 Natriumcarbonat
versetzt ist Die Einfüllöffnunge-.i werden
anschließend mit Epoxidharz verschlossea Dann wird die gesamte Zelle mit einer etwa 19 μπι 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 Dichlormethail bestrichen,
dann 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 mittleren, 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 gauf.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Biogalvanische Metall-Sauerstoff-Zelle mit einer die Zelle umhüllenden sauerstoffdurchlässigen
Silikonkautschukmembran, einer negativen Metallelektrode, zwei beidseitig dieser Elektrode angeordneten
positiven Sauerstoff-Elektroden mit Silbernetzen, auf die katalytisch aktives Material aufgebracht
ist, und Elektrolyträumen zwischen den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die negative
Metallelektrode (2) am Rand mit einem Kunststoffrahmen (1) verbunden ist, welcher zur Ausbildung
der Elektrolyträume (4) eine größere Breite aufweist als die Metallelektrode (2), daß die Silbernetze (5)
der positiven Elektroden (3) in den Randbereichen frei von katalytisch aktivem Material sind und die
Randbereiche der Silbernetze über den Kunststoffrahmen hinweg geführt, miteinander verbunden and
mit dem Kunststoffrahmen verklebt sind, daß die Silbemetze (5) der Elektroden (3) an der Grenzschicht
zwischen dem katalysatorfreien Randbereich der Silbemetze und dem katalysatorhaltigen Bereich
der positiven Elektroden mit einem Streifen aus Silber (9) versehen und auf den Kunststoffrahmen (1)
aufgeklebt sind, daß die Silikonkautschukmembran (7) auf die Elektroden (3) und die Randbereiche der
Silbernetze (5) aufgeklebt ist und daß auf den die Randbereiche der Silbemetze (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 Metallelektrode (2) zugewandten Seiten der positiven Elektroden (3) zur /erhinderung der
Ablagerung von Oxidationsprodukten der Metallelektrode 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 positiven Elektroden (3) als katalytisch aktives Material stickstoffhaltige Kohle enthalten,
welche mit einem Bindemittel, insbesondere Polyvinylalkohol,
an das Silbemetz (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 Metallelektrode (2) aus Aluminium besteht.
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