DE2345021C3 - Luft-Sauerstoff-Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Luft-Sauerstoff-Element mit einem äußeren, den negativen Pol bildenden Metallgehäuse, einem mit diesem elektrisch verbundenen Innengehäuse, das die aktive negative Masse enthält, einer dünnen, zwischen beiden Gehäusen vorgesehenen, alkalibesta'ndigen und isolierenden Folie, die die vertikale Außenfläche des Innengehäuses bedeckt, einem zylindrischen, porösen Kohlestab im Inneren des Innengehäuses, einem zwischen der aktiven negativen Masse und dem Kohlestab angeordneten Separator, einem oberen und einem unteren Dichtungsisolator und einer perforierten Metallabschlußkappe, die den positiven Pol bildet.

Bei derartigen galvanischen Elementen, wie sie beispielsweise aus der DT-AS 12 31 77J, der DT-OS 44 089 oder der DT-OS Ib 71 802 bekannt sind, wird die in einen axialen Zwischenraum des Kohlestabes eindringende Luft in die Poren des porösen Kohlestabes verteilt und erreicht eine sog. Dreiphasenzone, wo eine Ionisation stattfindet. Wenn bei einem solchen Aufbau eine wäßrige Alkalilösung als Elektrolyt verwandt wird, kriecht der Elektrolyt infolge der Elektrokapillarwirkung durch enge Zwischenräume zwischen dem Innengehäuse und dem äußerer. Metallgehäuse und kann somit aus dem Element auslaufen. Zur Vermeidung oder Verringerung eines derartigen Auslaufens des Elektrolyten ist bereits vorgeschlagen worden, beispielsweise den Kriechweg bis zur Außenseite des Elementes zu verlängern oder soweit wie möglich zu

ic verengen oder die im Element enthaltene Elektrolytmenge herabzusetzen.

Darüber hinaus führt jedoch auch die Vergrößerung des Volumens der aktiven negativen Masse mit fortschreitender elektrischer Entladung infolge der Oxidation der negativen Masse in Gelform und des Eindringens von in der Dreiphasenzone erzeugtem Wasser in die negative Masse zu einer Ausdehnung der aktiven negativen Masse und somit /u einer Beeinträchtigung der Entladelahigkeit und zum Auslaufen des

:o Elektrolyten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt daher darin, das Luft-Sauerstoff-Element der eingangs genannten Art auslaufsicher zu machen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

j.i gelöst, daß die elektrische Verbindung /wischen dem Innen- und Außengehäuse aus einem elektrisch leitenden Metallteil besteht, das flüssigkeitsdicht vom Innengehäuse aus durch den mittleren vertikalen Teil der Isolierfolie zum Außengehäuse führt, duß auf der

if> aktiven negativen Masse eine elastische Platte aus geschäumtem Kunststoff vorgesehen ist, die vom oberen Randabschnitt des Innengehüuses gegen die negative Masse gedruckt wird, daß das Aufschäumverhältnis des Materials der Platte /wischen 5 und 70 liegt,

daß der obere Dichtungsisolator einen nach unten ragenden Vorsprung aufweist, der an der oberen Umfangsfläche des Kohlestabes anliegt und der untere Dichtungsisolator einen nach oben ragenden Vorsprung aufweist, der an der unteren llmfangsHäche des

■P Kohlestabes anliegt, und daß zwischen dem unteren Ende- des Kohlestabes und dem Boden des Außengehäuses ein Luftraum vorgesehen ist, mit dem im Boden des Außengehäuses vorgesehene Öffnungen in Verbindung stehen.

Die elektrische Verbindung /wischen dem Innen- und Außengehäuse durch ein elektrisch leitendes Metallteil, das vom Innengehäuse durch den mittleren vertikalen Teil der Isolierfolie zum Außengehause führt, hat den Vorteil, daß die elektrische Verbindung nur durch eine Isolierschicht und nicht, wie bei dem aus der DT-OS 21 44 089 bekannten Element, am Boden des Elementes auch durch den unteren Dichtungsisolator führen muß, was die Wirksamkeit dieses Isolators beeinträchtigt. Die elastische Platte aus geschäumtem Kunststoff saugt das

.Ή bei der Entladung des Elementes erzeugte Wasser auf und trägt somit zur Auslaufsicherheit des Elementes bei. Da die Wasseraufnahmefähigkeit dieser Kunststoffplatte um so größer ist, je großporiger der Kunststoff ist, liegt das Aufschäumverhaltnis des Materials /wischen 5 und 70. Aufschäumverhältnisse unter 5 führen zu einer mangelhaften Wasseraufnahme, während Aufschäumverhältnisse von über 70 eine zu geringe mechanische Festigkeit der Kunststoffplatte liefern. Zur Abdichtung des Elementes und /ur Erhöhung seiner mechanischen

⁶S Festigkeit tragen weiterhin die beiden Dichtungsisolatoren mit ihren Vorsprüngen bei, die an den Außenflächen des Kohlestabes dicht anliegen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbei-

spiel der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert

Fig. 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht durch das Ausführungsbeispie! des erfindungsgemäBen Luft-Sauerstoff-Elementes;

F i g. 2 zeigt in einer Grafik den Verlauf der Entladung von Luft-Sauerstoff-Elementen, bei denen eine Zinkanode und ein Alakalielektrolyt verwandt werden, wobei die Kurve A den Verlauf der Entladung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luft-.'Jauerstoff-Eleiutntes und die Kurve ß, die eines herkömmlichen Luft-Sauerstoff-Elementes zeigen.

Gemäß Fig.! ist ein zylindrischer Kohlestab 1 im mittleren, axialen Teil eines Luft-Sauerstoff-Elementes angeordnet Zur Herstellung des zylindrischen Kohle-Stabes 1 wird Graphitpulver, das im wesentlichen das Rohmaterial des Kohlestabes bildet, mit einem Bindemittel aus Teer und Pech gemischt. Diese Mischung wird durch Strangpressen in einen zylindrischen Stab verformt, der in reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1000" C gebrannt und in einer Suspension aus Polyäthylen, Paraffin oder Polytctrafliioräthylen durchtränkt wird. Der so durchtränkte zylindrische Stab wird getrocknet und dann einer wasserabstoßenden Oberflächenbehandlung unterworfen, wodurch ein zylindrischer Kohlestab gebildet wird, der eine hohe Gaspermeabilität aufweist. Auf die äußere Unifangsflächc des zylindrischen Kohlcstabcs 1 wird eine Katalysatorschicht 2 aufgebracht. Um eine solche Katalysatorschicht 2 vorzusehen, wird feiner Kohle- 3" staub mit einem Sauerstoff aktivierenden Katalysator, wie Platin, Rhodium, Iridium, Osmium oder Silber gemischt. Diese Mischung wird einer Suspension von Polytetrafluorethylen zugesetzt und damit verrührt.

Ein solches verrührtes Gemisch wird in Form einer Folie ausgebildet, die auf die iiuüere Uinfangsfläche des zylindrischen Kohlestabcs I unter Druck aufgebracht und in einem elektrischen Ofen gebrannt wird.

Außerhalb der Katalysatorschicht 2 ist ein alkalibeständiges Elektrolyt-Absorptionspapier J vorgesehen. fün ionendurchlässiger, zylindrischer, poröser Separator 4 ist an der Außenseite des Elektrolyt absorbierenden Papiers i vorgesehen, um den Kathodcnkohlestab 1 von der aktiven negativen Masse 5 elektrisch zu trennen. Die aktive negative Masse 5 enthält ein Metallpulver aus Eisen, Aluminium, Magnesium oder Zink, das in Carboxymethylzellulose oder Polyacryl, Soda ' und einem Alkalielektrolyten dispergiert ist, wobei die letzteren Materialien sich in Gelform befinden. Die aktive negative Masse 5 ist in einem Innengehäuse 6 enthalten, das aus mit Zink oder Zinn plattiertem Eisen besteht.

Das Innengehäuse 6 weist einen mittleren Bodenabschnitt 6a, der nach oben gefaltet ist, so daß er an dem inneren, unteren Abschnitt des zylindrischen, porösen Separators 4 anliegt, und einen oberen Randabschnitt 66 auf, der nach innen gebogen ist. Das Innengehäuse 6 wird von einem äußeren Metallgehäuse 7 umschlossen, das den negativen Pol des Elementes bildet.

Am oberen Ende des zylindrischen Kohleslabes I ist ein Stromkollektor 8 aus mit Nickel plattiertem Eisen vorgesehen, dessen mittlerer Teil nach unten gefaltet ist, so daß er an der oberen, vertikalen Innenfläche des zylindrischen Kohlestabes I anliegt, wodurch ein Eindringen von Luft in den axialen Raum des Kohlestabes 1 von seinem oberen Abschnitt her möglich ist. Der Stromkollektor 8 steht mit einer Metallabschlußkappe 9 an ihrem Rand in Berührung, so daß die Metallabschlußkappe 9 den positiven Pol des Elementes bildet. Der Stromkollektor 8 und die Metallabschlußkappe 9 sind elektrisch gegenüber dem Innengehäuse 6 und dem äußeren Metallgehäuse 7 durch einen abdichtenden Isolator 10 aus Kunstharz isoliert der zwischen den Randabschnitten dieser Bauteile 6, 7, 8 und 9 angeordnet ist Der abdichtende Isolator 10 weist einen inneren vertikalen Abschnitt 10a auf, der an der oberen Umfangsfläche des zylindrischen Kohlestabes 1 anliegt. Eine ringförmige abdichtende Kappe 11 aus mit Zinn oder Zink plattiertem Eisen und einem Flansch an ihrem oberen Ende ist zwischen dem inneren vertikalen Abschnitt des abdichtenden Isolalors 10 und dem oberen vorstehenden Teil des Separators 4 angeordnet Die Metallabschlußkappe 9 weist Öffnungen 12 oder Perforationen auf, um ein Eintreten von Luft in das Element zu ermöglichen. Am Boden des Innengehäuses

6 ist ein unterer abdichtender Isolator 13 aus Polyäthylen. Polypropylen oder einem Copolymer von Polyäthylen und Polypropylen vorgesehen. Der untere abdichtende Isolator 13 weist einen vertikalen Teil 13a auf, der zwischen dem aufrechtstehenden mittleren Teil 6;i des Innengehäuses 6 und der unteren Umfangsfläche des zylindrischen Kohlestabes 1 vorragt Das äußere Metallgehäuse 7 weist Öffnungen 14 durch den mittleren Teil seines Boden auf, die mit dem axialen Raum 18 des zylindrischen Kohlestabes 1 in Verbindung stehen.

Es ist ein alkalibeständiger, dünner Isolierfilm 15 vorgesehen, der die vertikale Außenfläche und die Bodenfläche des Innengehäuses 6 überdeckt. Um einen solchen Film 15 vorzusehen, können bekannte Verfahren angewandt werden. Beispielsweise wird nach dem Überziehen des Innengehäuses 6 mit einem zylindrischen, warm schrumpfenden, alkalibeständigen Kunstharz, wie Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder Polytetrafluoräthylen das zylindrische Kunstharz durch Heißfixieren auf der Außenfläche des Innengehauses befestigt. Bei anderen bekannten Verfahren kann ein alkaübcständiges Klebemittel oder ein alkalibeständiger Überzug auf die Außenfläche des Innengehauses 6 aufgebracht werden.

Da durch das Anbringen des dünnen Filmes 15 das Innengehäuse 6 elektrisch vom äußeren Metallgehäuse

7 getrennt ist, dringt bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform ein leitendes Metallteil 16 mit kreisrundem Querschnitt durch den mittleren vertikalen Wandabschnitt des äußeren Metallgehäuses 7 und des dünnen Isolierfilmes 15, um eine elektrische und flüssigkeitsdichte Verbindung dazwischen sicherzustellen. Eine solche elektrische Verbindung kann durch Punktschweißen an diesem Abschnitt oder dadurch hervorgerufen werden, daß ein Schweißlötmittel durch vorgeschriebene kleine Öffnungen eingegossen wird, die durch die jeweiligen mittleren vertikalen Abschnitte des äußeren Metallgehäuses 7 und des dünnen Isolierfilmes 15 gebildet sind.

Auf der aktiven negativen Masse 5 ist eine elastische, geschäumte Kunststoffplatte 17 angeordnet, die gegen die negative Masse durch den gebogenen Randabschnitt 6b des Innengehauses 6 gedrückt wird. Die Kunststoffplatte 17 hat vorzugsweise eine ringförmige Gestalt mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 mm und besteht vorzugsweise aus geschäumtem Polystyrol, geschäumtem Polyvinylchlorid oder geschäumtem Polyäthylen mit einem Aufschäumverhältnis von 5 bis 70.

Da die vertikale seitliche Außenfläche des Innengehauses 6 mit einem alkalibeständigem, dünnen Isolier-

film 15 bedeckt ist, tritt ein Kriechen des Alkaliclcktrolyten entlang der Außenfläche des Innengehäuses 6 infolge der Elektrokapillarilät kaum auf. Selbst wenn ein solches Kriechen auftritt, kann der Alkalielcktrolyt, der zum vertikalen mittleren Teil des Innengehäuses 6 hochkommt, wo das leitende Metallteil 16 flüssigkeitsdicht mit dem Innengehäuse durch den dünnen Isolierfilm 15 verbunden ist, nicht aus dem Element auslaufen. Obwohl das Innengehäusc 6 nur durch ein einziges Metallteil 16 mit dem äußeren Metallgehäuse 7 elektrisch verbunden ist, ist eine solche Verbindung dazu ausreichend, das äußere Metallgehäuse 7 als Pol der Zelle zu verwenden.

Wenn darüber hinaus auf der aktiven negativen Masse eine elastische, geschäumte Kunststoffplatte 17 aufgebracht ist und gegen die negative Masse gedrückt wird, ergeben sich die folgenden Vorteile:

Obwohl das Volumen der aktiven negativen Masse durch deren Oxidation ansteigt, wenn die entladung der Zelle fortschreitet, wird der Anstieg des Volumens durch die Elastizität der geschäumten Kunststoffplatte 17 verringert. Dementsprechend haben die Elektroden in der aktiven negativen Masse 5 eine höhere Leitfähigkeit, was dazu führt, daü die Entladcfähigkcit des Elementes stark verbessert ist. In Fig. 2 zeigen die Kurven A und B die Eiitladcfähigkeil des erfindungsgemäßen Luft-Sauerstoff- Elementes mit einer elastischen, geschäumten Kunststoffplatte 17 und eines herkömmlichen Lufi-SauerMoff-Elementes ohne eine solche Platte 17, die beide unter einem Lastwiderstand von 4 Ω

ίο fortlaufend entladen wurden.

Obwohl das an der positiven Seite erzeugte Wasser zur negativen Seite vordringt, wenn die Entladung des Elementes fortschreitet, wird auf diese Weise erzeugtes Wasser hauptsachlich in den Poren der geschäumten

iS Kunststoffplatte 17 absorbiert, was zur Eoigc hat, daß das Element auslaufsicher ist.

Da die Kunststoffplatte 17 verhindert, dall die Luft über ihr direkt mit der aktiven negativen Masse 5 in Berührung kommt, wird eine Oxidation der aktiven

ίο negativen Masse 5 verhindert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Luft-Sauerstoff-Element mit einem äußeren, den negativen Pol bildenden Metallgehäuse, einem mit diesem elektrisch verbundenen Innengehäuse, das die aktive negative Masse enthält, einer dünnen, zwischen beiden Gehäusen vorgesehenen, alkalibeständigen und isolierenden Folie, die die vertikale Außenfläche des Innengehäuses bedeckt, einem zylindrischen, porösen Kohlestab im Inneren des Innengehäuses, einem zwischen der aktiven negativen Masse und dem Kohlestab angeordneten Separator, einem oberen und einem unteren Dichtungsisolator und einer perforierten Metallabschlußkappe, die den positiven Pol bildet, d a durch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen dem lnne;i- und dem Außengehäuse (6, 7) aus einem elektrisch leitenden Metallteil (16) besteht, das flüssigkeitsdicht vom Innengehäuse (6) aus durch den mittleren vertikalen Teil der Isolierfolie (15) zum Außengehäuse (7) führt, daß auf der aktiven negativen Masse (5) eine elastische Platte (17) aus geschäumtem Kunststoff vorgesehen ist, die vom oberen Randabschnitt (db) des Innengehäuses (6) gegen die negative Masse (5) gedrückt wird, daß das Aufschäumverhaltnis des Materials der Platte (17) zwischen 5 und 70 liegt, daß der obere Dichtungsisolator (10) einen nach unten ragenden Vorsprung (iOu) aufweist, der an der oberen Llmfangsflächc des Kohlestabes (I) anliegt und der untere Dichtungsisolator (13) einen nach oben ragenden Vorsprung (13,ij aufweist, der an der unteren Umfangsfläche des Kohlestabes (I) anliegt, und daß zwischen dem unteren Ende des Kohlestabes (1) und dem Boden des Außengehäuses (7) ein Luftraum (18) vorgesehen ist, mit dem im Boden des Außengehäuses (7) vorgesehene Öffnungen (14) in Verbindung stehen.

2. Luft-Sauerstoff-Element nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metallteil (lfe) aus einem Schweißlötniittel besteht, Jas durch öffnungen gegossen ist, die im minieren vertikalen Teil sowohl des Außengehäuses (7) als auch der Isolierfolie (15) vorgesehen sind.