DE2341483C3

DE2341483C3 - Luftdepolarisationszelle

Info

Publication number: DE2341483C3
Application number: DE2341483A
Authority: DE
Inventors: Pierre Chasseneuil Arlot; Gerard Poitiers Gerbier
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1972-08-25
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE2341483A1; US3871920A; ZA734815B; BR7306547D0; FR2197242A1; IT993789B; NL165338B; FR2197242B1; DE2341483B2; LU68260A1; BE803571A; ES418211A1; CA989470A; JPS522093B2; JPS4976039A; GB1382390A; NL7311278A; SE392994B

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftdepolarisationszelle mit einer negativen Elektrode, vorzugsweise auf Zinkbasis, einem Elektrolyten und einer positiven Elektrode, die über einen entlang ihrer Mittelachse verlaufenden, an ihrer Oberseite mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kanal mit Luft versorgt wird.

Eine solche Anordnung wird z. B. in der US-Patentschrift 22 13 429 beschrieber.. Trotz gewisser Vorzüge ist diese Anordnung noch nicht ideal, da sich die Luft im Innern des Kanals schlecht erneutert, wodurch die Leistung der Zelle begrenzt wird. Vor allem entlang den Wandungen des Kanals ist die natürliche Luftzirkulation erschwert. ^Λ5

Die Erfindung soll die Luftzirkulation verbessern und dadurch einen erhöhten Sauerstoffpartialdruck an den katalytisch wirksamen Stellen der Dositiven Elektrode.

wo er zur Reduktion verbraucht wird, aufrechterhalten.

Dieses Ziel wird durch die im Hauptanspruch definierte Zelle erreicht Bevorzugte Ausführungsformen dieser Zelle sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nunmehr anhand von mehreren Ausführungsbeispielen in den F i g. 1 bis 7 erläutert

F i g. 1 stellt einen senkrechten Querschnitt durch die Mittelachse einer erfindungsgemäßen Zelle dar;

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Profilstücks;

F i g. 3 stellt einen Querschnitt durch das Profilstück aus F i g. 2 dar, das in einen Stromkollektor eingeführt ist;

Fig.4 gibt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Profilstücks, diesmal in Form eines ebenen Bandes;

F i g. 5 bietet einen Querschnitt durch das Profilstück gemäß F i g. 4, das in einem Stromkollektor eingeführt ist und sich infolge elastischer Verformung gewölbt hat;

F i g. 6 stellt die Vergleichskurven der Spannungsentwicklung in Abhängigkeit von der Zeit dar, und zwar einerseits für eine erfindungsgemäße Zelle und andererseits für eine konventionelle Zelle;

F i g. 7 stellt die charakteristischen Vergleichskurven der Spannung in Abhängigkeit von der an einen äußeren Stromkreis abgegebenen Stromstärke dar.

Die erfindungsgemäße Zelle, die in F i g. 1 gezeigt wird, besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, einer positiven Elektrode 2, durch deren Mittelachse ein zylindrischer Kanal 3 verläuft, einer negativen Elektrode 4 auf Zinkpulverbasis, einem gelierten Elektrolyten 5, einer negativen Klemme 6 und einer positiven Klemme 7. Der Kanal besitzt einen Stromkollektor 9, der mit öffnungen 12 versehen ist, durch die die Luft an die katalytisch wirksamen Stellen der positiven Elektrode gelangen kann.

Über öffnungen 8 ist der obere Teil der positiven Elektrode 2 mit der Außenatmosphäre verbunden. Der Kanal ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, durch die zunächst eine natürliche Luftzirkulation von oben nach unten entlang einem Teil der positiven Elektrode erzielt wird und anschließend eine Zirkulation von unten nach oben entlang einem anderen Teil dieser positiven Elektrode. Zu diesem Zweck ist in den Kanal ein Profilstück 10 in den Stromkollektor 9 eingesetzt, das einen regelmäßigen H-förmigen Querschnitt aufweist

Die Seitenfläche des Stromkollektors steht entlang dem Umfang des Kanals mit der positiven Elektrode in Verbindung und ist elektrisch mit der Ausgangsklemme 7 der Zelle verbunden; des weiteren ist die Seitenfläche des Kollektors in ihrem oberen Verlauf mit mindestens einer öffnung 11 versehen, durch die über die öffnungen 8 das Innere des Kollektors und die Außenatmosphäre in Verbindung stehen. Das Profilstück 10 besitzt praktisch die gleiche Höhe wie der Kollektor; dieser und das Profilstück begrenzen vier in ihrem unteren Teil miteinander in Verbindung stehende Kammern. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß jeweils zwei Kammern 13 bzw. 14 einander gleichförmig sind und gegenüberliegen.

Jede Kammer ist mit der gleichen Anzahl von Löchern 12 im Kollektor 9 versehen, wodurch die Zutrittsöffnungen für Luft an den katalytisch wirksamen Stellen gleich groß gehalten werden. Im Gegensatz dazu ist das Volumen der Kammern 13 aufgrund der H-Form des Profilstücks wesentlich größer als das der Kammern 14.

An seinein oberen und unteren Ende ist der Kollektor mit Dichtscheiben 22 bzw. 23 abgedichtet, die auf den Innenflächen des Deckels la bzw. des Bodens 16 des ■Gehäuses liegen.

Die Scheibe 23 besitzt an ihrer Oberseite eine Nute 26, mit der das Profilstück in bezug auf den Kollektor in seine richtige Lage gebracht werden kann. Dieses Positionieren wird erreicht, indem das Ende 28 des Profilstücks in die Nute 26 eingeführt wird.

Die Verbindung zwischen den Kammern 13 und 14 ü α ι ο Innern des Kollektors, die durch die Wände des Profilstücks W voneinander getrennt sind, wird erreicht, indem am unteren Ende des Profilstücks jede der Trennwände der Kammern 13 und 14 mit einer Fase 15 versehen wird.

In einem Ausführungsbeispiel besteht das Profilstück aus Polystyrol, seine Dicke beträgt gleichmäßig 0,5 mm, seine Länge 173 mm, die Länge der senkrechten Balken S6 (Fig.2 und 3) des »H« etwa 14mm und des waagerechten Balkens etwa 10 mm, damit das Profilstück unter leichter Reibung in den rohiförmigen Kollektor 9 eingeführt werden kann, dessen innerer Durchmesser etwa 18 mm beträgt, wobei die Ränder der senkrechten Balken 16 sich gegen die Innenwand des rohrförmigen Kollektors 9 drücken und so die Kammerunterteilung bildea

Da die Verteilung der Löcher 12 gleichmäßig über den Umfang des Kollektors erfolgt ist, wurde im folgenden die gesamte Oberfläche des Kollektors in Betracht gezogen, ohne diese Öffnungen zu berücksichtigen, und es wurden folgende Werte für die Proportionalitätskoeffizienten dieser Oberflächen im Verhältnis zu den Volumina abgeleitet: für die Kammern 13 1,2 und für die Kammern 14 3,5.

Der Kollektor trägt auf seiner Umfangsfläche mehrere Reihen von Löchern U und 12, die in die Kammern 13 bzw. 14 münden, welche durch das H-Profilstück voneinander abgetrennt werden.

Auf diese Weise erreicht man folgende Luftverteilung: die Luft tritt, wie durch die Pfeile 18 angezeigt, durch die Öffnungen 8 des Deckels la. Daraufhin passiert sie die Löcher 11, die in die Kammern 13 münden, fließt den Kollektor entlang nach unten und versorgt dabei die aktiven Stellen der positiven Elektrode durch die Öffnungen 12 mit Sauerstoff, wie durch die Pfeile 19 angedeutet. Die mehr oder weniger sauerstoffarme Restluft gelangt gemäß dem Pfeil 20 durch den unteren Teil des Profilstücks in die Kammer 14. Diese Luft steigt im Innern der Kammer 14 entlang den Pfeilen 29 aul, durchquert die Löcher 21 in der Scheibe 22 und verläßt schließlich durch die öffnungen 27 im Deckel 1 a direkt oberhalb der Löcher 21 die Zelle.

Da erfindungsgemäß die Zutrittsflächen zu den katalytisch wirksamen Stellen für die Kammern 14 relativ größer sind als für die Kammern 13, ergibt sich daraus für die Kammern 14 ein größerer Sauerstoffverbrauch sis für die Kammern 13.

Deshalb entsteht wie in einem Kamin ein Luftzug, der auf der Tatsache beruht, daß der in der Luft enthaltene Sauerstoff durch Reduktion an den katalytisch wirksamen Stellen der positiven Elektrode verbraucht wird, daß die eintretende frische Luft, die aus rund 79% Stickstoff des Atomgewichts 14 und 21% Sauerstoff des Atomgewichts 16 besteht, schwerer ist als die austretende Luft, die die katalytisch wirksamen Stellen f\s der positiven Elektrode passiert hat, da diese Luft mehr Stickstoff und weniger Sauerstoff enthält.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht das Profilstüek ϊ^& einem Band 10', wie es auf den Fig.4 und 5 .?;·■; bestellt ist, mit einer Stärke von etwa 0,5 mm; es ist .-benfalls mit Abschrägungen J5' an seiner Unterseite versehen, seine Breite liegt zwischen dem Innendurchmesser des Kollektors und seinem halben Innenumfaug, so daß das Band 10', das aus Polystyrol besteht, vor seinem Einschieben in den Kollektor aufgrund elastischer Verformung regelmäßig gewölbt werden muß, damit es in den Kollektor eingeführt werden kann; wenn das Band dann in den Kollektor hineingeschoben ist, tendiert es dazu, sofort seine flache Ausgangsform wiederzugewinnen und drückt sich dabei mit seinen Seitenrändern 17 auf die Innenwandung des rohrförmigen Kollektors 9, wie es in der F i g. 5 gezeigt ist, und begrenzt so eine größere Kammer 13', durch die Frischluft zugeführt wird, und eine kleinere Kammer 14', durch die die sauerstoffarme Luft abzieht Die richtige Positionierung im Verhältnis zum Kollektor wird bei solch einem gewölbten Element durchgeführt, indem sein oberes Ende in eine gebogene Nute (nicht dargestellt) in der Scheibe 22 eingesetzt wird.

In dem besonderen Ausführungsbeispiel der in Fig.! gezeigten Zelle steht die positive Klemme 7 mit dem Verschlußscneibchen 22 in Verbindung, das leitend sein muß, um zwischen der Elektrode 2 und der positiven Klemme 7 der Zelle eine elektrische Verbindung herzustellen.

Da der Kollektor mit der Elektrode 2 in Verbindung steht, muß er aus einem elektrolytbeständigen Material sein, und es kann beispielsweise im Falle eines alkalischen Elektrolyten Stahl und im Falle eines saunen Elektrolyten Kohlenstoff oder Titan Verwendung finden. Die negative Klemme 6 ist mit dem Kollektor 24 der negativen Elektrode 4 verbunden.

Der Hauptvorteil, der allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, besteht aufgrund der natürlichen Luftzirkulation darin, daß eine sehr gute Versorgung der aktiven Stellen der positiven Elektrode mit Luft und insbesondere mit Sauerstoff erzielt wird. Es ergibt sich daraus, daß der Partialdruck des Sauerstoffs in der ständig erneuerten Luft stets größer bleibt als der, der in einer Zelle ohne diese Vorrichtung vorläge, was zur Folge hat, daß die elektrochemische Reduktion mit Hilfe von Sauerstoff an den aktiven Stellen und im Zusammenhang damit das entsprechende Potential vergrößert und verbessert werden.

Es wurden Vergleichsmessungen einerseits mit einer Zelle A ohne erfindungsgemäße Vorrichtung und andererseits mit einer gleichartigen Zelle B mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend F i g. 1 durchgeführt.

Es handelt sich um Luft-Zinkelemente mit alkalischem Elektrolyten, die aus einer einzigen Zelle mit den Abmessungen 85 χ 85 χ 180 (in mm) bestehen und eine Kathode (positive Elektrode) aus Aktivkohle, eine Anode (negative Elektrode) aus Zinkpartikeln und einen gelierten Kalium-Hydroxid-Elektrolyten besitzen.

Aus diesen Ergebnissen ist klar ersichtlich, daß eine deutliche Verbesserung der Arbeitsweise erreicht wurde.

F i g. 6 zeigt, daß die Spannung bei der erfindungsgemäßen Zelle B sehr konstant bleibt, während diese Spannung bei der klassischen Zelle A nicht nur geringer ausfällt, sondern auch Schwankungen unterworfen ist. In dieser Figur sind Dauerentladungskurven über einen Widerstand von 2 Ohm in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt. Die Zeit T wird in Tagen gezählt und die Ausgangsspannung L/in Volt.

F i g. 7 zeigt die charakteristischen Spannungskurven (in Volt) an den Klemmen der Zelle in Abhängigkeit von der gelieferten Stromstärke (in Ampfere). Es läßt sich feststellen, daß die Spannungsabnahme bei der erfindungsgemäßen Zelle B einerseits gleichmäßiger und andererseits wesentlich geringer ist.

Im einzelnen haben die Messungen folgende Ergebnisse gezeigt:

ZeIIeA:

Elektromotorische Kraft	1,43VoIt
Spannung bei 5 Ohm	1,22VoIt
Kapazität bei Dauerentladung
über 5 Ohm (Endspannung 0,9 V)	330AH
Spannung bei 2 Ohm	0,91 Volt
Kapazität bei Dauerentladung
über 2 Ohm (Endspannung 0,8 V)	330Ah
:ß: Elektromotorische Kraft	1,43VoIt
Spannung bei 5 Ohm	1,26VoIt
Kapazität bei Dauerentladung
über 5 Ohm (Endspannung 0,9 V)	350Ah
Spannung bei 2 Ohm	1,15VoIt
Kapazität bei Dauerentladung
über 2 Ohm (Endspannung 0,9 V)	330Ah
Spannung bei 1 Ohm	0,98 Volt
Kapazität bei Dauerentladung
über 1 Ohm (Endspannung 0,9 V)	300Ah

Es ist also ersichtlich, daß die Einführung eines erfindungsgemäßen Profilstücks in den Stromsammler in bedeutendem Maße die Betriebsspannung der Zelle verbessert hat, insbesondere bei großer Leistungsabgabe: 1,15 Volt anstatt 0,91 Volt bei einer Entladung über 2 Ohm, was einen Energiegewinn:

1,15 - 0.91
0,91

= 26%

bedeutet und einen noch größeren Leistungsgewinn, wenn man berücksichtigt, daß eine über einen festen Widerstand entladene Zelle mehr Strom liefert, wenn ihre Spannung an den Klemmen höher ist.

Es ist ebenfalls zu beachten, daß die erfindungsgemäße Zelle bei einer Entladung über einen Widerstand von 1 Ohm eine höhere Spannung an den Klemmen besitzt (0,98 Volt) als die Zelle A, die bei Entladung über zwei Ohm nur eine Spannung von 0,91 Volt aufweist Diese Zelle zeigt vielmehr völlig ungenügende Entladungseigenschaften, wenn man versucht, sie über ein Ohm zu entladen.

Selbstverständlich können Änderungen vorgenommen werden und bestimmte Mittel durch gleichwertige ersetzt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann der Querschnitt des in die positive Elektrode gelegten Kanals eine andere als kreisförmige Form besitzen, z. B. quadratisch oder eirund, was den Einsatz und Betrieb von Profilstücken unterschiedlicher Form ermöglichen würde, die darüber hinaus aus anderen Stoffen als Polystyrol hergestellt sein könnten, z. B. aus Polyäthylen, Polyamid, Polyvinylchlorid usw.

A.ndererseits könnte die sauerstoffarme Luft, anstatt durch eines oder mehrere in eine oder mehrere Kammern führende Löcher direkt in die Atmosphäre auszutreten, durch in der oberen Seitenwandung des Kollektors vorgesehene Löcher in die obere Luftkammer 25 gelangen, wobei dann ein oberhalb der Aktivmassen in dieser Kammer angebrachter Verteiler in Form von geeigneten Ablenkblechen zur Trennung der Eintritts- und Austrittsöffnung verwendet würde.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Luftdepolarisationszelle mit einer negativen Elektrode, vorzugsweise auf Zinkbasis, einem Elektrolyten und einer positiven Elektrode, die über einen entlang ihrer Mittelachse verlaufenden, an ihrer Oberseite mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kanal mit Luft versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern dieses Kanals (3) ein Profilstück (10) eingesetzt ist, dessen Länge praktisch gleich der Höhe dieses Kanals ist und das mindestens zwei Längskammern (13, 14) begrenzt, die an ihrer unteren Seite eine Verbindung besitzen, wobei die Proportionalitätskoeffizienten der Lufteintrittsöffnungsflächen an den katalytisch wirksamen Stellen im Verhältnis zu den dazugehörigen Kammervolumen derart verschieden sind, daß sich im Betrieb eine natürliche Luftströmung von der Oberseite durch eine einen kleineren Proportionalitätskoeffizienten aufweisende Kammer abwärts und dann durch eine einen größeren Proportionalitätskoeffizienten aufweisende Kammer wieder aufwärts einstellt

2. Zelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilstück an seinem unteren Teil abgeschrägt ist

3. Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ProfilstUck festgelegt ist

4. Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Kanals mit einem metallischen Kollektor, der in Form eines durchlöcherten Rohres vorliegt, ausgekleidet ist

5. Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ProfilstUck (10) einen Querschnitt in H-Form besitzt und mit den beiden Enden jedes der beiden senkrechten Balken des H an der Innenwand des röhrenförmigen Kanals anliegt.

6. Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilstück aus einem ebenen Band (10') besteht, dessen Breite so bemessen ist, daß es bei seiner Einführung in den Kanal infolge elastischer Verformung gewölbt wird.