DE2336838A1 - Indikator fuer primaerbatterien - Google Patents

Description

17 Pl DT - Se/k 18. Juli 1973

The Carbon Corporation Boonton, New Jersey o7oo5 / USA

Indikator für Primärbatterien

Die Erfindung betrifft einen Indikator für Primärbatterien zur Anzeige der Grenzdicke einer plattenförmigen Zinkelektrode in einem Elektrolyten.

Primärbatterien werden in vielen Einrichtungen verwendet, in denen keine andere elektrische Stromquelle zur Verfügung steht. So werden Primärzellen bei der Eisenbahnsignalgebung, als Navigationshilfen und bei vielen anderen Gelegenheiten verwendet. Nachdem ihre Energie verbraucht ist, müssen sie durch andere ähnliche Batterien ersetzt werden. In den meisten bekannten Primärbatterien wird Zink als eine Elektrode verwendet, weil es eine Spannungsdifferenz zu Kupfer, Kohlenstoff und anderen Elektroden-Grundmetallen besitzt. Die ersten Zinkbatterien befanden sich in Glas- und anderen transparenten Behältern, so daß das Ausmaß der noch vorhan-

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denen Energie durch Beobachtung der Größe und des Zustandes der Zinkelektrode festgestellt werden konnte. Wenn die Elektrode beinahe verschwunden war oder wenn ihre aktive Oberfläche bis auf eine kleine Fläche reduziert war, war es nötig, die Batterie zu ersetzen.

Die gegenwärtig üblichen Pritnärbatterien befinden sich in undurchsichtigen Behältern aus Hartgummi oder zum Beispiel einem Phenolharz, so daß ein Betrachter keine der Elektroden sehen kann. Eine Beobachtung von oben durch ein Entlüftungsloch im Deckel ist nicht ausreichend, da der Elektrolyt in der Nähe der Zinkelektrode oft trübe wird und die physikalische Konstruktion der Batterie von oben keinen ausreichenden Blick auf die Elektroden erlaubt. Es ist zwar möglich, einen durchsichtigen Kunststoffdeckel vorzusehen oder auch die Batterie in einem durchsichtigen Kunststoffbehälter unterzubringen, doch verdunkelt die Bildung von Salzen sehr oft den Blick auf die Zinkelektroden, wenn sich diese in einem völlig oder partiell entladenen Zustand befinden.

Entsprechend dem Stande der Technik wird der Zeitpunkt eines Ersatzes von Primärbatterien wie folgt bestimmt:

(1) Die Zellen werden am Ende einer Routineperiode gewechselt, die sich aus der geschätzten täglichen Entladungsrate und der Gesamtkapazität der Zelleneinheiten ergibt.

(2) In festgelegten Zeitabständen wird die Klemmenspannung genessen und ein Ersatz der Batterie vollzogen, sobald die bei ein β* spezifischen Belastung und Temperatur gemessene Spannung unter einen vorbestimmten Vert fällt.

(3) Ein Ampere-Stundenmesser wird mit der Batterie verbunden und der Ersatz bei einem vorbestimmten Ampere-Stundenwert durchgeführt.

All diese Best inumingsmethoden haben jedoch Nachteile, ins-

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besondere, wenn die Batterien extremen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind.

Ein zuverlässiger Weg, den AusWechselzeitpunkt einer Primärzinkbatterie zu bestimmen, besteht darin, den Zustand der Zinkelektrode zu kontrollieren. Solange eine angemessene Zinkoberfläche im Elektrolyten vorhanden ist, kann die Batterie elektrische Energie liefern. Ein Ersatz sollte daher dann vorgenommen werden, tirenn die Größe der Fläche unter einen Grenzwert fällt oder im Begriff ist, sich diesem Grenzwert zu nähern.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und zuverlässige Methode zu schaffen, die es gestattet, den Zeitpunkt zu bestimmen, wo die Zinkelektroden elektrochemisch so weit erodiert sind, daß die Batterie bei weiterem Betrieb innerhalb der nächsten vier bis sechs Wochen ausfällt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine in der Zinkelektrode gebildete Ausnehmung, deren Boden eich in einem bestimmten Abstand von einer Oberfläche der Platte befindet, an der eine elektrolytische Erosion stattfindet, einen auf dem Boden der Ausnehmung befindlichen Indlkatorferbstoff, der in den Elektrolyten entlassen wird, sobald der den Indikator enthaltende Teil der Zinkelektrode durch Erosion abgetragen ist, ein reaktionsfähiges Material innerhalb der Ausnehmung, welches mit dem Elektrolyten zu reagieren und eine Turbulenz zu erzeugen vermag, um den Farbstoff mit dem Elektrolyten zu vermischen, und einen in der Ausnehmung befindlichen Stöpsel, der im Normalfall den Farbstoff und das reaktionsfähige Material voneinander trennt.

Bei der Erfindung verbleibt der Batterieindikator schlafend

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im Körper der Zinkelektrode, bis das Zink elektrochemisch abgefressen und ein Teil des Indikatorraaterials dem Elektrolyten ausgesetzt ist. Sodann wird ein im Indikator befindlicher Farbstoff in Freiheit gesetzt, der den Elektrolyten färbt und ein Signal dafür darstellt, daß die Batterie innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls erneuert werden sollte. Um eine schnelle Vermischung des Farbstoffs mit dem Elektrolyten sicherzustellen, ist der Indikator außerdem mit einer chemisch reaktionsfähigen Substanz, wie zum Beispiel Aluminiumpulver oder einem Alkalihydroxyd, versehen. Stattdessen kann in der Indikatorausnehmung auch eine Sprungfeder vorgesehen sein, die einen schnellen Austritt des Farbstoffes und des chemischen Vermischungsmittels gewährleistet.

Bei der Erfindung wird also eine kleine Menge Farbstoff in einer Ausnehmung oder in einer in einen Teil der Zinkelektrode gebohrten Höhlung untergebracht. Sodann wird die Ausnehmung verschlossen. Wenn die Elektrode verbraucht ist, wird der Farbstoff in Freiheit gesetzt und zeigt damit an, daß ein Ersatz der Batterie notwendig ist. Die Färbung durch den Farbstoff ist intensiv genug, um eine Beobachtung mit Hilfe einer Taschenlampe entweder durch einen durchsichtigen Kunststoffdeckel oder nach Abnahme einer Kappe im Deckel eines Batteriebehälters zu ermöglichen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens sind Mittel vorgesehen, die es gestatten, den Farbstoff mit dem Elektrolyten sofort nach seiner Freisetzung zu vermischen. Hierzu kann einerseits ein chemisches Reagens dienen, welches mit dem Elektrolyten heftig reagiert. Andererseits ist es auch möglich, in der Ausnehmung der Zinkelektrode eine Sprungfeder vorzusehen, die den Farbstoff in den Elektrolyten treibt und damit eine Mischwirkung sicherstellt.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung seien im folgenden anhand einiger schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine findansicht einer Primärbatterie mit abgeschnittenen Seitenteilen, um die innere Struktur, entsprechend der vorliegenden Erfindung zu zeigen,

Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Batterie mit Querschnittflächen längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab eines Teils einer Zinkelektrode,aus dem sich Einzelheiten einer Ausführungsform der Erfindung ergeben, wenn die Batterie frisch in Betrieb genommen wird,

Fig. 4 eine Ansicht eines Querschnittes des Teils der in Fig. 3 gezeigten Elektrode in dem Zustand der Elektrode und des Indikators, wo ein Ersatz der Batterie vorgesehen werden sollte, und

Fig. 5 eine der Fig. 3 ähnliche Querschnittsansicht, die

jedoch eine andere Ausführungsform der Erfindung darstellt, nämlich eine Sprungfeder, mit deren Hilfe der Farbstoff herausgeschleudert und mit dem Elektrolyten vermischt wird.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, befindet sich eine Primärbatterie in einem undurchsichtigen Isoiiergehäuse Io mit einer Kappe 11. In dem Gehäuse Io befinden sich außerdem ein Elektrolyt 12 und mindestens zwei Elektroden 13 und 14, die in den Elektrolyten 12 eintauchen und Anschlußklemmen 15 und 16 besitzen, die in der Deckplatte des Gehäuses zum Zwecke der Halterung und für eine Verbindung mit einem.äußeren Strom-

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kreis befestigt sind. Eine der Elektroden 14 besteht aus Zink und ist im allgemeinen der negative Pol. In der Zinkelektrode ist mindestens ein Indikator 17 angebracht. In Fig. 2 sind drei Indikatoren 17 gezeigt.

In den.Fig. 3 und 4 ist der Indikator 17 in weiteren Details dargestellt. In die Zinkplatte 14 ist eine zylindrische Ausnehmung 9 gebohrt. Eine bestimmte Menge Farbstoff 18 wird auf den Boden der Ausnehmung aufgebracht. Dann wird auf den Farbstoff 18 eine kleine Menge Aluminiumpulver 2o aufgebracht. Es ist gleichermaßen möglich, das Aluminiumpulver und den Farbstoff miteinander zu vermischen. Schließlich wird die Ausnehmung 9 durch einen Stöpsel 21 verschlossen, der aus pech oder einer anderen ähnlichen Substanz bestehen kann, die wasserfest und inert ist und die sicherstellt, daß der Inhalt der Kapsel 17 trocken bleibt.

Die Batterie wird nun in Betrieb genommen, und sobald Strom an einen Verbraucher geliefert wird, geht das Zink langsam in eine andere lösliche Form, wie zürn Beispiel Zinksalze oder Zinkhydroxyd,über. Im Laufe der Zeit nimmt die Dicke der Zinkplatte 14 ab, bis die Zinkseite der Ausnehmung weggefressen ist und der Farbstoff 18 in Freiheit gesetzt wird. Dieser Zustand ist in Fig. 4 gezeigt. Der Farbstoff kann ein Pulver oder eine Flüssigkeit sein, in jedem Fall jedoch erzeugt die einfache Entlassung des Farbstoffes keine ausreichende Mischwirkung, um den gesamten Elektrolyten in einer genügend kurzen Zeit zu färben. Aus diesem Grunde kann dem Indikator zwischen dem Farbstoff und dem Stöpsel 21 Aluminiumpulver 2o zugefügt werden. Aluminiumpulver reagiert energisch mit jeder Sorte Elektrolyt, sei er nun sauer oder alkalisch, und erzeugt eine hinreichende Turbulenz, um den Farbstoff mit dem Elektrolyten zu vermischen und die gefärbte Lösung über das gesamte Batteriegefäß zu verteilen. Venn

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danach die Batterie untersucht wird, braucht nur die Kappe 11 entfernt zu werden, um den Elektrolyten mit Hilfe einer tragbaren Lampe zu inspizieren. Der in dem Elektrolyten gelbste Farbstoff deutet dann darauf hin, daß die Batterie bald ersetzt werden muß.

Der in Fig. 5 gezeigte Indikator 2o stellt eine alternative Ausführungsform dar. In die Zinkplatte ist wie bei den vorigen Ausführungsformen eine Ausnehmung 9 gebohrt, jedoch mit dem Unterschied, daß diesmal der Boden der Ausnehmung eine Schulter 23 aufweist. Ein alkalisches Pulver 24, wie zum Beispiel Natrium-oder Kaliumhydroxyd, befindet sich am Boden der Ausnehmung, wonach erst der Farbstoff 18 folgt. Auf der anderen Seite des Farbstoffes befindet sich eine flache Zinkscheibe 29, auf die eine Sprungfeder 25 drückt. Auf der anderen Seite wird die Feder durch eine Zinkkappe 26 unter Druck gehalten, wobei die Kanten der Kappe mit Hilfe eines Lötmittels angelötet sind, das sich über den gesamten Umfang der Kappe erstreckt.

Wenn die Zinkelektrode im Verlauf der Elektrolyse verbraucht wird, wird das Metall auf die durch die gestrichelte Linie 28 angedeutete Größe !reduziert, wodurch das Ende des Indikators 22 freigelegt wird. Dabei kommt der Elektrolyt mit dem alkalischen Material in Berührung, woraus eine beträchtliche Turbulenz resultiert, die einerseits den Farbstoff 18 vermischt und es andererseits der Feder 25 ermöglicht, sowohl die alkalischen Stoffe als auch den Farbstoff durch das kleine Loch in der Platte herauszuschleudern. Dabei wird die Scheibe 24 von der Schulter 23 gebremst und an dieser durch die Kraft der Feder 25 gehalten. Die Turbulenz setzt sich noch nach dem

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Ausstoßen des Materials aus der Ausnehmung fort, wodurch sich der Farbstoff 18 mit dem Elektrolyten vermischt und einen Indikator dafür bildet, daß nunmehr ein Ersatz der Batterie angebracht ist.

Versuche haben ergeben, daß das "Tropaelin-O", welches in einer natronalkalischen Lösung ein helles Rotorange erzeugt, in einem Batterieelektrolyten befriedigende Resultate liefert. In gleicher Weise hat sich das Fluorescein, ^C20^H12°5' als Farbstoff bewährt. Es liefert eine grüngelbe Farbe.

Es ist festzustellen, daß das Farbsignal abgegeben wird, bevor die Zinkelektrode gänzlich verbraucht ist. Aus den Zeichnungen geht hervor, daß noch beträchtliche Mengen Metall übrig sind. Diese Tatsache läßt sich Jedoch leicht in Rechnung stellen,dergestalt, daß das Auftreten des Farbsignals lediglich bedeutet, daß ein Ersatz der Batterie wenige Wochen nach Auftreten des Farbsignale vorgenommen werden nuß.

Das Farbsignal ist billig und zuverlässig und stellt eine sichere Maßnahae gegen Ausfallzeiten dar.

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Claims (7)

Pat ent anspräche = s =ϊ = =i = = =5 s a = = =: = 3 = = = s s β β = ts =r = = ss β

1) Indikator für Primärbatterien zur Anzeige der Grenzdicke einer plattenförmigen Zinkelektrode in einem Elektrolyten, gekennzeichnet durch eine in der Zinkelektrode gebildete Ausnehmung, deren.Boden sich in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche der Platte befindet, an der eine elektrolytische Erosion stattfindet, einen auf dem Boden der Ausnehmung befindlichen Indikatorfarbstoff, der in den Elektrolyten entlassen wird, sobald der den Indikator enthaltende Teil der Zinkelektrode durch Erosion abgetragen ist, ein reaktionsfähiges Material innerhalb der Ausnehmung, welches mit dem Elektrolyten zu reagieren und eine Turbulenz zu erzeugen vermag, um den Farbstoff mit dem Elektrolyten zu vermischen, und einen in der Ausnehmung befindlichen Stöpsel, der la Normalfall den Farbstoff und das reaktionsfähige Material voneinander trennt·

2) Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine zylindrisch· Bohrung ist, deren Länge kürzer ist als die Elektrodendicke und deren Längsachse senkrecht auf der Fläche der Elektrodenplatte steht.

3) Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbstoff Fluorescein ist.

4) Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktionsfähige Material Aluminiumpulver ist·

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- Io -

5) Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktionsfähige Material ein Alkalihydroxyd ist.

6) Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stöpsel aus Pech besteht.

7) Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausnehmung eine Sprungfeder angebracht ist, die zwischen einer Scheibe und einer Kappe zusammengedrückt gehalten wird und die den Austritt des Farbstoffs in
den Elektrolyten unterstützt.

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