DE2612712A1 - GALVANIC FILLING ELEMENT - Google Patents
GALVANIC FILLING ELEMENTInfo
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Description
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ϊ. Η. TISCHER · dipl-ing. W. KERNϊ. Η. TISCHER dipl-ing. W. KERN
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Galvanisches FüllelementGalvanic filling element
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Füllelement mit einem flüssigen kathodischen Reaktanten.The invention relates to a galvanic filling element with a liquid cathodic reactant.
Es sind galvanische Füllelemente bekannt, die aus dem System Silberchlorid als kathodischem Reaktanten gegen eine Magnesiumanode in Seewasser bestehen (Elektrotechnische Zeitschrift 14, 587; 1962). Solche Silberchloridfüllelemente haben sich besonders als Stromquellen für Glühbirnen bewährt, die beispielsweise zusammen mit demThere are galvanic filling elements known, which from the system silver chloride as a cathodic reactant against consist of a magnesium anode in seawater (Elektrotechnische Zeitschrift 14, 587; 1962). Such silver chloride filler elements have particularly proven themselves as power sources for lightbulbs, for example together with the
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Füllelemert als Seenot-Leuchten dienen oder in Schwimmwesten als Signalauellen verwendet werden.Füllelemert serve as distress lights or in life jackets can be used as signal signals.
Ein anderes bekanntes S7/stew berutzt Kunf?r(I)-cl'ilorid als kathodischen Rea.ktanton, und zwar ebenfalls in Verbindung mit einer ^arrnesiuiianodp. Ferner sind auch Füll elemente iiit Zinkanoden bekanntAnother well-known S7 / stew uses Kunf? R (I) -cl'ilorid as cathodic reactant, also in connection with a ^ arrnesiuiianodp. Furthermore, filling elements are also iiit Zinc anodes known
Kennzeichnend für diese Füllelentente ist, daß der Elektrolyt erst bei der Inbetriebnahme in die galvanische Zelle gelangt. Bei den Seenotsignalen besteht der Elektrolyt aus Heerwasser. Kach seinem Eintritt in die Zelle läuft die elektrische Energie liefernde Reaktion "bis zur. Verbrauch des kathodischen Heaktanten ab. Bei der Auflösung des ragnesiuns werden nicht nur Elektronen freigesetzt, sondern es wird auch Wasserstoff entwickelt.A characteristic of this filling element is that the electrolyte only enters the galvanic cell during commissioning. In the case of distress signals, the electrolyte consists of army water. After entering the cell, the electrical energy runs delivering reaction "up to. Consumption of the cathodic Heactants off. In the dissolution of the ragnesiuns will not be only electrons are released, but hydrogen is also developed.
Die Arbeit3spannung kann bei Silberchlorid-FaCTesiun-Fv'11-sl eil er ten. 1,5 - 1,55 Volt betragen. Da der Elektrolyt nicht im System belagert wird, ist der En.ergieinhalt verhältnismäßig hoch und kann Werte von 40 Wh/kg erreichen, während Energiedichten von 70 Wh/1 möglich sind.In the case of silver chloride FaCTesiun-Fv ' 1 1-sl hurry, the working voltage can be 1.5 - 1.55 volts. Since the electrolyte is not besieged in the system, the energy content is relatively high and can reach values of 40 Wh / kg, while energy densities of 70 Wh / 1 are possible.
Während Magnesium sowohl unter dem Gesichtspunkt der Verfügbarkeit als Rohstoff als auch im Hinblick auf die Urweltverträglichkeit als außerordentlich günstiger Anodenwerkstoff anzusehen ist, und Feerwasser als Elektrolyt ebenfalls problenlos ist, stehen einer breiten Anwendung von Silberchlorid als Chlorid eines Edelmetalls, und zwar auch für größere Zellen und Batterien, die kritische Rohstoffsituation und dariit die relativ hohen Ausrüstungskosten entgegen. Ob-While magnesium both from the point of view of availability as a raw material as well as an extremely inexpensive anode material with regard to its environmental compatibility is to be considered, and Feerwasser is also problem-free as an electrolyte, are a wide use of silver chloride as a chloride of a noble metal, also for larger cells and batteries, the critical raw material situation and, therefore, the relatively high equipment costs. If-
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gleich. Silberchlorid-^agnesiuni-irüllelemente f "ir "besondere Anwendunfrsfälle auch, in großen, sehr leistungsfähigen Sinheiton benutzt werden, wurden daher auch andere kathodische .Reaktanten ϊώ die Überlegungen nit einbezogen.same. Silver chloride elements for special items Use accidents also, in large, very powerful units are used, therefore, other cathodic ones were also used .Reactants ϊώ not included in the considerations.
Dabei bot sich, der Luftsauerstoff an, so daß galvanische Füllelemente aus einer "corösen Kohle-Elektrode und einer Zinkanode entwickelt wurden, bei denen A?nnoniunch.lorid nach Hinzufügung; von Leitungswasser den Elektrolyten bildet. Solche Elemente haben zwar bei einer Arbeitsspannung von 1TO5 - 1?2 Volt einen hohen Ener0·! einhalt von 260 - 300 Wh/Vg und eine hohe Energiedichte von 230 - 2pO Wh/1 (ohne "Ber^cksichtigunp· der V/asser zugabe), können aber nur verhältnismäßig geringe Ströme liefern.Oxygen in the air was the obvious choice, so that galvanic filling elements were developed from a "cor-like carbon electrode and a zinc anode, in which ammonium chloride forms the electrolyte after the addition of tap water T O5 -? 1 2 volt high Ener 0 · stop 260 to 300 Wh / Vg and a high energy density of 230 - 2po Wh / 1 (without "Ber ^ cksichtigunp · V / ater encore), but can only relatively deliver low currents.
Neuerdings entwickelte Kapnesium-Luft-Zeller. benutzen als Elektrolyt zum Beispiel 3 "bis 10%ige TTatriunichloridlösungren, wobei von Heervrasser, "^inre^Oberflächenwässern oder Leitungswasser ausgegangen wird. Diese Elemente sind Fülleler^ente, weil sie ebenfalls erst - wie für Füllelemente charakteristisch - bei Inbetriebnahme durch Wasserzugabe aktiviert werden. Als Anodenmetalle dienen Magnesiumlegierungen, die entsprechend der geforderten Strombelastung ausgewählt werden. Der als kathodischer Reaktant dienende Luftsauerstoff wird an besonders entwickelten Katalysator-Elektroden umgesetzt, die beispielsweise aus Silber- oder Nickelnetzen mit Platinoder Silberkatalysatore" bestehen. Diese Katalysator-Elektroden sind zwar verhältnismäßig teuer, besitzen aber eine hohe Lebensdauer. Der kathodische Seaktant steht als Luftsauerstoff in unbegrenzter Menge zur Verfügung.Recently, the company has developed a magnesium-air cell. use as Electrolyte, for example 3 "to 10% T-sodium chloride solution, being of Heervrasser, "^ inre ^ surface water or tap water is assumed. These elements are filler ^ ducks, because they also only - as is characteristic of filling elements - are activated by adding water during commissioning. Magnesium alloys are used as anode metals can be selected according to the required current load. The atmospheric oxygen serving as the cathodic reactant becomes implemented on specially developed catalyst electrodes, for example made of silver or nickel meshes with platinum or Silver catalysts "are made. These catalyst electrodes are relatively expensive, but have a long service life. The cathodic seactant is available as atmospheric oxygen available in unlimited quantities.
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Natriumchlorid-Lösungen oder ähnliche Salzlösung°n sind v.r.-■oroblerratische Elektrolyt«=, abgesehen von der an sich unerwünschten Metallkorrosion.Sodium chloride solutions or similar salt solutions are vroblerratic electrolytes, apart from the undesirable metal corrosion.
Derart ige Ma^nesium-Luft-Zell en kö^-nen Arbeit ss-^an^-uncen von 1,3 Volt bei einem En^rc-ieinhalt vo^ ICO bio 120 Wh/ki? bei verhältnismäßig geringer En<=rgiedichte liefern. Sie werden fi:r wi'h^rholten Gebrauch dadurch geeignet Ee-npcht, ds.S die Anode und der Elektrolyt ergänzt werden. Es si^d bereits leistunersf ähisre Batterien aus fünf Haprnesiu^-Luft-Zellen auff?ebr>ut worden. Solche Zellen bzw. Batterien sind unter den vorgenannten Gesichtsnunkten der Rohstoffsicherung U"^ der Urnweltfreur.dlichkeit als sehr vorteilhaft anzusehen. Die Verwendung eif.fecher Salzlösimnren als Elektrolyt bedeutet Gefahrlosigkeit auch beim direkten Umgang mit den Ze1I en oder Batterien. Dieser Vorteil silt gegenüber bekennten, leistungsfähifren elektrochemischen ötromauellen, die stark saure oder stark alkalische TEl ekt ro Irrte verwenden, und ist natürlich auch bei den bisher erörterten anderen Systemen, rrit wässrigen Salzlösungen als Elektrolyt gegeben. Ein wesentlicher Nachteil dieser Magnesium-Luft-Zellen ist aber dpirin zu sehen, daß die Katalysator-Elektroden für den Umsatz des Luftsauerstoffs kompliziert und teuer sind, da sie 3delmetallkatalysatoren benötigen u^d eine besondere !?ertigungstecbjiik erfordern. Ferner sind die Ruhe Spannungen bei Verwendung handelsüblicher T^a^nesiurnlegierungen als Anodenmetall mit 1,65 bis 1,7 Volt relativ niedrig.S so-owned Ma ^ nesium-air cell kö ^ -nen work ss ^ ^ at -uncen of 1.3 volts at a En ^ rc-ieinhalt vo ^ ICO bio / ki 120 Wh? deliver at a relatively low energy density. They are suitably adjusted for repeated use by replenishing the anode and the electrolyte. Inefficient batteries have already been raised from five Haprnesiu ^ air cells. Such cells or batteries are to be regarded as very advantageous under the aforementioned Gesichtsnunkten securing raw materials U "^ the Urnweltfreur.dlichkeit. The use eif.fecher Salzlösimnren as the electrolyte is not dangerous even when dealing directly with the Ze 1 I s or batteries. This advantage silt compared to well-known, powerful electrochemical odorants who use strongly acidic or strongly alkaline electrolytes, and of course in the other systems discussed so far, aqueous salt solutions are used as electrolytes. A major disadvantage of these magnesium-air cells, however, is dpirin see that the catalyst electrodes for the conversion of atmospheric oxygen are complicated and expensive, since they require three-phase metal catalysts and require special manufacturing techniques up to 1.7 volts relatively low.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden zunächst Peroxodisulfate, auch Persulfate genannt, auf ihre Verwendbarkeit als kathodischer Seaktant untersucht. D-Vbei vrar davon auszugehen, daß für den Übergang SpOr. + 2e > 2 S0ZL einTo avoid these disadvantages, peroxodisulphates, also called persulphates, were first investigated for their usability as cathodic seactants. D-Vbei vrar assume that for the transition SpOr. + 2e> 2 S0 ZL on
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Redoxpotential von +2,01 Volt geezer- die MorTal-Vasserstoff-Elektrode, genessen in alkalischer Lösung, ?rs:R?ce>e^ wird. Trotz dieses sehr* hohen positiver. Redoxpotentials uni des hohen Sauerstoffgehalt es sind die üblichen Persulfate verhältnisnäßig harnlose Stoffe- Vor allen Annoniu^oersulfnt wird in beträchtlichen Feigen hergestellt und als Oxidationsmittel in der Technik häufiρ verwendet. Auch Kslv;.~Tj°rHulfat u^d ifatrium-oersulfat werden eingesetzt. Persulfate sind auch schon frr die. Verwendung ir elektrochemischen Stro^.cuoll er. bekannt geworden (Philips Technische Rundschau, 2p- 2C1 C^967)) Hierbei wurde vorgeschlagen, ein Gemisch aus Ka 1 rurmersulfat, KohleOulver urd Panierfasern RIs kathodisches I^eteri.?! zu benutzen, x-rilirend nit Natriumchlorid e;etrnriktes Panier nqch Anfeuchten den Elektrolyten bildet, bei KasrnesiuTi odpr Zink als Anoierrr.etall. Dieses Systeia ähnelt eirem Trocken el er. ent. Die Kaliumnersulfat und die Natriumchlorid enthaltenden Papiers chi cht en können als Folien ausgebildet und r?±t einer Ableitfolie zu einer Sandwichpackung zupaminenge^aut werden.Redox potential of +2.01 volts geezer- the MorTal hydrogen electrode, eaten in alkaline solution,? Rs: R? Ce> e ^ becomes. Despite this very * high positive. Redox potential uni to the high oxygen content there are the usual persulfates verhältnisnäßig harnlose Fabrics oersulfnt Above all Annoniu ^ is produced in considerable figs and used as an oxidant in the art häufiρ. Kslv;. ~ Tj ° rHulfat u ^ d ifatrium-oersulfat are used. Persulfates are already for that too. Use ir electrochemical stro ^ .cuoll er. became known (Philips Technische Rundschau, 2p- 2C1 C ^ 967)) Here it was proposed to use a mixture of ca 1 rurmersulfat, coal powder and breading fibers RIs cathodic I ^ eteri.?! to be used, x-rinsing with sodium chloride e; impregnated breading forms the electrolyte after moistening, in the case of KasrnesiuTi or zinc as anoierrr.etall. This system resembles a dry one. ent. The Kaliumnersulfat and the sodium chloride-containing paper chi CHT can de designed as films and r? t ± a Ableitfolie to form a sandwich pack zupaminenge ^ be aut.
Dieses bekannt gewordene System unterscheidet sich aber den Fühlelementen der oben genannten Art dadurch, daß es den kathodischen Reaktanten nicht in gelöster ΙΌγτ. enthält und damit auch nicht die Nößf ichkeit des leichten Entleerens und K"ach.fi"llens bietet. Ferner ist seine Leistung relativ gering, sein Aufbau ,jedoch, insbesondere in Falle größerer Einheiten, ziemlich kompliziert.This known system differs from the sensing elements of the type mentioned above in that it has the cathodic reactants not in dissolved ΙΌγτ. contains and thus also not the necessity of easy emptying and K "ach.fi" llens offers. Furthermore, its performance is relative small, but its structure, especially in the case of larger units, rather complicated.
Es ist schließlich auch bereits bekannt geworden, mit energiereichen, wasserlöslichen Salzen, z. B. Kaliunroerinanganat, als kathodischen Reaktantep zu arbeiten, wobei ,jedoch sich die Schwierigkeit ereribt, die Lösung von der Anode fernzuhalten, eine Forderung, die nur durch den Einsatz von Diaphrasnen erfüllt werden kann, wodurch sich jedoch der irnereAfter all, it has already become known, with high-energy, water soluble salts, e.g. B. Potash roerinanganate, to work as a cathodic reactantep, whereby, however, itself the difficulty in keeping the solution away from the anode, a requirement that can only be met through the use of diaphragms, which, however, is the inner one
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Z-ellenwiderstand erheblich vergre?ert. Gemäß ein^n weiteren "bekannten Vorschlag (US-FS 2 656 85Ί) werden Katicnenaustauscher zwischen der Permangaratlösung u^d der Zinkanode angeordnet, vcv de" Einsatz gelöster kathodischer Reaktanten rötlich zu machen ("-Elektrochemische Strom er ζ eucrun^", Verlag Chemie, 1969, Seite 56/57^ .Cell resistance increased considerably. According to a ^ n another "prior proposal (US-FS 2656 85Ί) are Katicnenaustauscher between the Permangaratlösung u ^ d of the zinc anode arranged vcv de" to make use of dissolved cathodic reactants reddish ( "-Elektrochemische current it ζ eucrun ^", Verlag Chemie, 1969, pp. 56/57 ^.
Die Aufgebe der Erfindung besteht deshalb darin, ein galvanisch.es Füll ei ent ent d^r gekannter Art zn schaffen, das die aufgezeigten Nachteile nicht aufweist, sorderr bei eir.er hohen RuhesOannurifi mit einen billigeren Eathode^^r-terial öhre teuere Katalysatoren, an den ein wasserlöslicher kathodisch, er Reaktant umgesetzt wird, arbeiten kann. JJas 5Ί""'11-element soll darüber hinaus die P^ögrlichkeit bieten, den wasserlöslichen kathodischen Heaktanten leicht aus dem Element zu entfernen und dieses ^it einem frischen Heaktanten vzieder aufzufüllen, wobei ferner wesentlich höhere Leistungen durch einen verhältnismäßig einfachen Aufbau größerer Zellen realisierbar sein sollen.Therefore, the giving up of the invention is to provide a filling galvanisch.es ei ent ent d ^ r zn unknown extent, does not have the disadvantages indicated, sorderr expensive at high eir.er RuhesOannurifi with a cheaper Eathode ^^ r-TERIAL eyelets catalysts A water-soluble cathodic reactant can work on it. JJas 5Ί ""'11-element should also offer the possibility of easily removing the water-soluble cathodic reactants from the element and replenishing them with a fresh reactant, with much higher performance achievable through a relatively simple structure of larger cells meant to be.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der kathodische Reaktant eine wässrige Lösung eines Peroxodisulfats (Persulfats) ist und an einer Reaktions- und Ableitkathode aus hochporösem Kohlenstoffmaterial unigesetzt wird und zugleich den Elektrolyten des iüllelements bildet, dessen Anode aus einem unedlen. Metall besteht.This object is achieved in that the Cathodic reactant is an aqueous solution of a peroxodisulfate (persulfate) and is attached to a reaction and discharge cathode made of highly porous carbon material and at the same time forms the electrolyte of the filling element, its Anode made from a base. Made of metal.
Das erfindungsgemäße galvanische Füllelement, bei dem die kathodische Umsetzung: in die AbIeitelektrode hinein verlegt ist, erfüllt hinsichtlich Betriebs- und Herstellungskosten sowi1= Umxireltfreundlichkeit und der Verfügbarkeit der benötigten Rohstoffe die gestellten Anforderungen. Lie VerwendungThe galvanic filling element according to the invention, in which the cathodic implementation: is transferred to the AbIeitelektrode in terms 1 = Umxireltfreundlichkeit and availability of raw materials needed met, operating and production costs sowi the requirements. Lie use
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von hochporösem Kohlenstoffmaterial bestimmter Verdichtung für die Reaktions- und Ableitkathode hat sich, gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des ErfindungsVorschlags, insbesondere in Verbindung mit Zormköroern aus Kohlenstoff zur Stromableitung bewährt, wobei die Ausbildung der Kathode ar sich beliebig ist, also Kathoden in Form, von Platten, Rohren, Zylindern oder dergleichen eingesetzt werden 'k.ör.vev.. Die ?orengrö3en-Verteilung der gesamten kathodisch en Schicht uid ihre Dicke sind da1""3! wichtige Parameter. Sehr gute Ergebnisse werden mit einem hochpornsen, flexiblen, mattenartigen Mat erial erhalt en.of highly porous carbon material specific compression for the reaction and discharge cathode has proven, according to an advantageous embodiment of the invention, in particular in connection with Zormköroern made of carbon for current dissipation, the formation of the cathode ar itself is arbitrary, i.e. cathodes in the form of plates, Pipes, cylinders or the like are used 'k.ör.vev .. The size distribution of the entire cathodic layer and its thickness are 1 "" 3 ! important parameters. Very good results are obtained with a highly horny, flexible, mat-like material.
Als Anode lassen sich zweckmäBigerweise an sich bekannte MagnesiuFi-Legierungen oder Eisenlegierungen verwenden, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, die Anoden so zu bemessen, daß räch den Verbrauch des gelösten Reaktar>ten und nach dessen Entfernung wiederholt frische Reaktantenlösung in das Element eingefüllt werden kann, wodurch. sicJi._di_e.. Beirut zungs zeit, auch bei intermittierendem Betrieb, wesentlich verlängern läßt.Expediently known per se can be used as anode Use magnesium alloys or iron alloys, whereby it has proven advantageous to dimension the anodes in such a way that that avenge the consumption of the dissolved reactants and after its removal, fresh reactant solution is repeated can be filled into the element, whereby. sicJi._di_e .. Beirut service time, even with intermittent operation can be extended.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsvorschlags hat sich als Peroxodisulfat (Persulfat) insbesondere TTatriumperoxodisulfat oder Lithiraperoxodisulfat bewährt, wobei zur Auflösung des Natriumperoxodisulfats oder LithiurvDeroxodisulfats entionisiertes Wasser verwendet werden kann, für Xatriumperoxodisulfat auch Oberflächenwasser, Leitungswasser oder Meerwasser. Ammoniumperoxodisulfat ist wegen der Möglichkeit der Ammoniakentwicklung im alkalischen Bereich weniger geeignet; Kaliumperoxodisulfat führt wegen seiner schlechteren Löslichkeit zu geringeren Energieausbeute^.According to a further development of the inventive proposal, peroxodisulfate (persulfate) has in particular proven to be sodium peroxodisulfate or Lithiraperoxodisulfat proven, with for Dissolution of the sodium peroxodisulfate or Lithiurv deroxodisulfate Deionized water can be used, for sodium persulfate also surface water, tap water or sea water. Ammonium peroxodisulfate is because of the possibility less suitable for the development of ammonia in the alkaline range; Potassium peroxodisulfate performs because of its poor solubility to lower energy yield ^.
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"Das Füll el em ent läßt sich zweckiräßigerweise mit einer Einrichtung zur kontinuierlichen Zuführung der 3 eakt anteil lösung versehen,, falls ein diskontinuierlicher Betrieb unerwünscht ist, wobei dann die verbrauchte Lösung ebenfalls kontinuierlich aus dem Füllelement abgeführt werden kann."The filling el em ent can be expediently with a device for the continuous supply of the 3-part solution provided, if discontinuous operation is undesirable is, in which case the used solution is also continuous can be removed from the filling element.
Mehrere derartige galvanische Füllelemente lassen sich in an sich bekannter V/eise durch Reihen- und Parallelschaltung zu Batterien zusammenfassen.Several such galvanic filling elements can be found in Combine the known method by series and parallel connection to form batteries.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeisrdels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is described below with reference to the in the drawing illustrated Ausführungsbeisrdels explained in more detail. In the Drawing shows:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines leeren Füllelements in Form einer kastenförmigen Zelle, bestehend aus Deckel und Unterteil.Fig. 1 is a longitudinal sectional view of an empty filling element in the form of a box-shaped cell, consisting of Lid and base.
Fig. ?. eine Querschnittsansicht des Unterteils von Fig. 1 längs der Linie ?-?. in Fig. 1,Fig. ?. a cross-sectional view of the lower part of FIG. 1 along the line ? - ?. in Fig. 1,
Fig. 3 eine Ouerschnittsansicht des Füllelements von Fig. 1, jedoch mit eingesetzter Anode, Kathode und Kohlenstoff-Abi eitern,3 shows a cross-sectional view of the filling element from FIG. 1, however, with the anode, cathode and carbon conductor inserted,
Fig. 4- eine Draufsicht auf den Deckel der kastenförmigen Zelle von Fig. 1,·Fig. 4- is a plan view of the lid of the box-shaped Cell of Fig. 1, ·
Fig. 5 eine längsgeschnittene Seitenansicht der geöffneten Zelle von Fig. 1 mit Ansicht auf die Anode undFig. 5 is a longitudinally sectioned side view of the opened Cell of Fig. 1 with a view of the anode and
Fig. 6 eine l'mgsgeschnittene Seitenansicht der geöffneten Zelle von Fig. 1 mit Ansicht auf die Kathode und Kohlenstoff-Ableiter.6 shows a longitudinally sectioned side view of the opened The cell of FIG. 1 with a view of the cathode and carbon diverter.
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Ein. wesentliches Merkmal des neuartigen galvanische^ Füllelements ist darin zu sehen, daß die wäßrisre Persulfatlösung, die als flüssiger kathodischer Peaktnnt dient, gleichzeitig die Elektrolytlösung bildet. Es ist im allgemeinen, vorteilhaft, eine Persulfatlösunp- η it reinen, am besten voll entionisierte*n wasser herzustellen und ir die Zelle einzufüllen. "Ds eine hohe Konzentration des Persulfats in der wässrigen Lösung angestrebt wird, wird Fa.triur.persulfat verwendet, das von den handelsüblichen Persulfaten die höchste Wasserlöslichkeit besitzt. Da Lithium er sulfat in noch stärk°rem Maße wssserlös"1· ich ist, wird auch di^s^R Fersulf at Wrw^ndune: finden. In Abhängigkeit von der TT^e d^s Auße^wid^rstar.d^s ergeben sich höhere oder niedrigere Arbeitss-nsn^ungen. Ss hat sich gezeigt, da? brauchbare Füll element ρ ^ei nur geringfügig abfallenden Arbeitss"oannunger von 2 YoIt bis zun Verbrauch des Persulfats aufgebaut werden können, wenn der äußere Widerstand zut. inneren. Widerstand in einem f?eeignete·" Verhältnis steht.A. An essential feature of the new galvanic filling element is that the aqueous persulfate solution, which serves as a liquid cathodic peak, forms the electrolyte solution at the same time. It is generally advantageous to prepare a persulfate solution with pure, preferably fully deionized, water and pour it into the cell. "Ds a high concentration of the persulfate is desired in the aqueous solution, is used Fa.triur.persulfat, which has the highest water solubility of the commercially available persulfates. Since lithium sulfate in he still strengthening ° rem dimensions wssserlös" 1 · I is is also di ^ s ^ R Fersulf at Wrw ^ ndune: find. Depending on the TT ^ e d ^ s outside ^ wid ^ rstar.d ^ s, higher or lower work nsn ^ s result. Ss has shown that? Usable filling element ρ ^ can be built up with only a slightly decreasing working pressure of 2 years up to the consumption of the persulfate, if the external resistance to the internal resistance is in a suitable ratio.
Die Wirkung von Persulfaten in wäßriger Lösung auch n°i Verwendung von voll ent ionisierte"! V/asser als kathodischer iioaktant in einem funktionsfähigen Füllelenent, das kei^ei weiteren Elektrolyten enthält, läßt sich als Folse mehrerer Reaktionsschritte erklären. Während z. B. trockenes IT^triutrpersulfat unzersetzt haltbar ist, zerfällt es in wäßrirrer Lösung unter Sauerstoffentwicklung zu Hydrogensulfat. Die Zerfallsgeschwindigkeit is*t temperaturabhängig, so d-τΒ z. B. durch Kochen Persulfntr^ste zerstört werden körnen. Bei Bäumt euro erat υ r ist der Zerfall so langsam, daß die Funktionsfähigkeit des Füllelements nicht beeinträchtigt wird. The effect of persulfates in aqueous solution also n ° i use of fully deionized "! water as cathodic iioactant in a functional filling element, no other Containing electrolytes can be considered several folse Explain reaction steps. While z. B. dry IT ^ triutrpersulphate can be kept undecomposed, it disintegrates into water-freak Solution with evolution of oxygen to hydrogen sulfate. the The rate of decay is temperature dependent, so d-τΒ z. B. Persulfate pan can be destroyed by cooking. at If euro erat υ r tree, the disintegration is so slow that the functionality of the filling element is not impaired.
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Er=. wird a^geno^me^, daß der beginnende Zerfall zur Startreaktion fi:r die Auflösung einer unedle1" Anode führt, da HSC^-Ionen geliefert werden. 7ür diese A^nnlyne spricht, daß der ρττ-Wert einer zu"i Beispiel 1 m-Natriurvpersulfat-Lösung in ent ionisiertem Wasser etwa 4- "beträft. Di« Korrosion der Anode setzt sich unter Wasserstoff en twicklun=: fort. Diese ist in einer Per sulfat lösung heftiger als i^ ein^r ^atriu^sulfatlösung. Wefron ihres hohen rositiven 3edox?otentials haben die Persulfat-Anio^.e^ eine sterke Tendenz, unter E] ektr-"ienaufnähre in 'Bisulfat- oder Sulf-it-Anio^en "herzugehen, wofür als Reaktionsrau^ das Porens7/"Ste1^ der Kathode dient. Die "berotiprten Elektronen werden bei 3enutzune eir.es hinreichend unedlen Hetalls als A.node schnell geliefert. Besonders i^eei^net ist Magnesium in Fon von Legierungen, wie sie s. 3. auch fiir den kathodischen Schutz benutzt werden. Eine parallel zum übergang von l^asnesium in T'asnesiun-Kationen ablauferde VJasserstoff-Entwicklung; ist aus elektrochenischen Gründen unver-neidlich. Bekanntlich werden derartige Anoden "I'Iischanoden" genannt. Bei nicht zu großen Zellen kann der Wasserstoff gefahrlos entweichen. Bei größeren Zellen karn er gewonnen und verwendet werden. Seine Umvar.dlunß: ist in bekannter V/eise durch katalytische "Verbrennung oder durch elektrochemische Oxidation, z. B. mit einer Hilfselektrode, inögl ich.He =. is a ^ geno ^ me ^ that the incipient disintegration fi to start reaction: r the dissolution of a non-noble 1 "anode leads, since HSC + ions are supplied speaks 7ür this A ^ nnlyne that the ρττ value too." i EXAMPLE 1 M sodium persulfate solution in deionized water is about 4 ". The corrosion of the anode continues under the evolution of hydrogen. This is more violent in a per sulfate solution than i ^ a r ^ atrium sulfate solution As a result of their high positive 3edox potential, the persulfate anions have a strong tendency to go into bisulfate or sulfite anions, for which the pores serve as the reaction space. "Ste 1 ^ serves as the cathode. The rotated electrons are quickly supplied when there are enough base metal as a node. Magnesium is particularly good in alloys, as they are also used for cathodic protection (see 3.) transition from magnesium to tasnesium cations, the evolution of hydrogen is unavoidable for electrical reasons. As is well known, such anodes are called "Iisch anodes". If the cells are not too large, the hydrogen can escape safely Its Umvar.dlunß: is in a known way by catalytic "combustion or by electrochemical oxidation, z. B. with an auxiliary electrode, I inögl.
Als "Folge der Wasserstoff entwicklung entsteht Magnesiumhydroxid, das sich ^e nach Auswahl der Magnesiumlegierung und der Strorabelastur.g auf der Anode abscheidet od^rAs a result of the hydrogen evolution, magnesium hydroxide is formed, that depends on the selection of the magnesium alloy and the Strorabelastur.g deposited on the anode or ^ r
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Abscheidung auf don Boden der Zelle sinkt. Die Hydroxide anderer Legierungsbestandteile, wie Zink und I'-angan, werden ebenfalls abgeschieden. Zusammen mit r.etallischen Partikeln ■des Anodennaterials bilden diese Hydroxide einen 3ode~schlamm, der mit dem verbrauchten Elektrolyten entfernt vird. ρ -Wert der resultierender Lösung in der Zelle nähert sich. während ihres 3etriebs allTählich 8, wobei die Wasserstoffentv/icklung geringer wird. Parallel zu der Wirkung der Anode bei Stromlieferung eines solchen FvIlelements entsteht Warne. Der Temperaturanstieg ist abhängig von der Stronbelastung und kann Werte bis etwa 50°G erreichen.Deposition on the bottom of the cell decreases. The hydroxides other alloy components such as zinc and I'-angan also deposited. Together with metallic particles ■ of the anode material, these hydroxides form a 3ode ~ sludge, which is removed with the used electrolyte. ρ value of the resulting solution in the cell is approaching. gradually 8 during their operation, with the evolution of hydrogen becomes less. In parallel to the effect of the anode when a current is supplied by such an element, a warning is generated. The temperature rise depends on the current load and can reach values up to about 50 ° G.
Soll die Wasserstoff entwicklung in den Füll eiern ent en herabgesetzt werden, können weniger unedle Anoden-Iietalle verwendet werden. Da aus den genannten wirtschaftlichen und Rohstofferwägungen nur Metalle und Verbindungen verwendet werden sollen, die in sehr großer Menge zur "Verfügung stehen, wird aui3er Nagnesium vor allein Sis en in Betracht gezogen. Versuche rat Zink haben gezeigt, daß dieses Netall im allgemeinen von konzentrierten Persulfat-Lösungen zu heftig angegriffen xvird, während sich normalerweise Aluminium infolge zu geringer Aktivität als weniger geeignet erweist.Should the hydrogen development in the filling eggs be reduced less base anode metals can be used will. As from the aforementioned economic and raw material considerations only metals and compounds should be used, which are available in very large quantities is excluded Nagnesium considered before sis en alone. Try advice Zinc have shown that this metal is generally concentrated Persulphate solutions are attacked too vigorously, while aluminum is normally too low as a result Activity proves less suitable.
Galvanische Füll elemente mit einer Anode aus gewöhnlicher11 Stahlblech ST 37 sind für den genannten Zweck durchaus geeignet, allerdings muß hierbei erwartungsgemäß eine niedrigere Ruhespannung von 1,0 - 1,1 Volt in Kauf genommen werden. Bei Belastung mit einem äußeren Widerstand, der für längeren, kontinuierlichen Betrieb des Füll elenents ausgelegt ist, ergibt sich eine Arbeitssna^-nung von 0,8 Volt bei einer sehr günstigen Sntladungscharakteristik. ΒρΛ Einsatz, einer größeren Anode aus Stahlblech kann, die Zelle mehrfach durch ErsetzenGalvanic filling elements with an anode of 11 ordinary steel ST 37 are quite suitable for the stated purpose, but in this case a lower resting tension of 1.0 must be expected to be - 1.1 volts to be accepted. When loaded with an external resistor which is designed for longer, continuous operation of the filling element, the result is a working value of 0.8 volts with a very favorable discharge characteristic. ΒρΛ insert, a larger anode made of sheet steel can replace the cell several times
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der vertraue ht en Nat riurrp er sulfat lösung regeneriert werden und zeigt dann die gleiche Leistung. Dieses Entleeren des verbrauchten Seaktanten und das 'niederfallen der Zelle läßt sich durch, geeignete Einrichtungen auch kontinuierlich vornehmen, wobei ferner die Kcglichkeit vorgesehen werden kr.nn, auch die Anoden entsprechend ihre:a Verbrauch kontinuierlich z.u ersetzen. Auf diese Weise wird die "Betriebszeit derartiger galvanischer Füllelevente erheblich verlängert.The trusted natural sodium sulphate solution can be regenerated and then shows the same performance. This emptying of the spent seactants and the 'falling down of the cell work through suitable facilities on an ongoing basis, with the possibility of kr.nn, also the anodes according to their: a consumption continuously to replace. In this way, the "operating time" becomes more such galvanic filling event considerably extended.
Die besten Er ε: ebniss en werden mit Füllelenenten erhalten, deren Anoder, aus NapoiesiumleRrierungen der genagt'"1"" Art bestehen. ?ür die Konzertration von Nat riunrc or sulfat in Wasser v/erden 1m-Lösungen bevorzugt, obwohl auch höhere Konzertrationen, ggf. in Anwesenheit von Bodenkörr»ern, möglich sind. Höhere Konzentrationen ergeben zwar höhere Leistungen, jedoch besteht dann die Gefahr, und zwar insbesondere bei geringere111 Elektrodenabstand, daß sich kristalline Ausscheidungen bilden. Andererseits können auch niedrigere Konzentrationen verwendet werden.The best results are obtained with filling elements, the anor of which consist of napoiesium alloys of the gnawed '" 1 ""type. For the concentration of sodium carbonate sulfate in water, 1m solutions are preferred, although higher concentrations are also preferred , optionally in the presence of Bodenkörr 's are possible. Although higher concentrations give higher performance, but then there is a risk, especially at smaller electrode gap 111 that form crystalline precipitates. on the other hand, lower concentrations may be used.
Wie aus den Zeichnungsfiguren 1 bis 3 hervorgeht, können die Füllelemente in Form von flachen, kastenförmigen Zellen 1 gebaut werden, jedoch sind auch Rundzellen möglich, die hier nicht dargestellt sind. Als Gehäuse dient z. B. ein Kunststoffgefäß 3 aus beispielsweise Polyäthylen mit den Abmessungen 16 χ 14 χ 4 cm, das durch einen aufgesetzten Deckel 2 verschließbar ist, der, wie aus Fig. 4- ersichtlich, in seiner Oberseite Aussparungen 8 für zwei Ableitschienen 7 aus Kohlenstoff für die Kathode 6 enthält. Diese Ableitschienen sind in Fig. 3 geschnitten dargestellt und stehen mit der Oberfläche der Kathode 6 in leitender Verbindung. Der Deckel 2 enthält zwei weitere AussDarimge^ 9 für zwei Zungen 10 derAs can be seen from the drawing figures 1 to 3, the filling elements can be in the form of flat, box-shaped cells 1 can be built, but round cells are also possible here are not shown. As a housing z. B. a plastic vessel 3 made of, for example, polyethylene with the dimensions 16 χ 14 χ 4 cm, which is secured by an attached lid 2 is closable, which, as can be seen from Fig. 4-, recesses 8 in its top for two discharge rails 7 made of carbon for the cathode 6 contains. These discharge rails are shown in section in Fig. 3 and are with the surface the cathode 6 in a conductive connection. The cover 2 contains two more AussDarimge ^ 9 for two tongues 10 of the
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Kas-nesiumanoöe 5? die, wie aus Fig. 5 ersichtlich, über das Kunststoff gefäß 3 hinausragen und sich durch die Aussparungen des Deckels hindurch erstrecken. Des weiteren ist der Deckel 2 mit einer öffnung H zum Füllen des Elements versehen, die i*n Betriebszustand offen bleibt und das Entweichen des entstehenden Wasserstoffs ermöglicht sowie auch zur Entfernung der verbrauchten Lösungen dienen kann.Kas-nesiumanoöe 5? which, as can be seen from Fig. 5, via the Plastic vessel 3 protrude and extend through the recesses in the lid. Furthermore, the cover is 2 provided with an opening H for filling the element, the i * n Operating state remains open and the escape of the emerging Hydrogen allows as well as to remove the used solutions can serve.
Die Kathode hat die Abmessungen 12 χ 13 x 0,5 cm und ihre beiden mit ihr verbundenen Ableitschiener 7 sind je 5 x 20 χ 0,5 cm groß. Die Anode hat die Abmessungen 13 χ 19 x C,25 cm. In das Kunststoffgefäß 3 sind 675 ml einer in-TTatriu^vreroxodisulfatlösung eingefüllt. Die Ruhespannung beträgt ?,35 Volt. Bei Belastung mit einem Außenwiderstand R. = 2,5 CIm ergibt sich eine Arbeitssr>annung TJ. = 1,73 Volt bei einen Arbeitsstron I. = 0,635 Amt) ere. Der Innenwiderstand beträgt R± = 0,976 Ohm.The cathode has the dimensions 12 13 x 0.5 cm and its two conductor rails 7 connected to it are each 5 x 20 χ 0.5 cm in size. The anode has the dimensions 13 χ 19 x C, 25 cm. In the plastic vessel 3 675 ml of an in-TTatriu ^ vreroxodisulfatlösung are filled. The open-circuit voltage is? .35 volts. In the case of a load with an external resistance R. = 2.5 CIm, a working margin TJ results. = 1.73 volts with a working current I. = 0.635 office) ere. The internal resistance is R ± = 0.976 Ohm.
Die kastenförmige Zelle wurde 78 Stunden lang kontinuierlich über einen Außenwiderstand von 2,5 Ohm während der Tageszeit und 20 Ohm während der Nachtzeit betrieben. Beim Betrieb mit 20 0hm betrug die Arbeitsspannung U, =1,9 Volt, der Arbeitsstrom I. = 0,092 Ampere. Es wurden insgesamt 29,84- Wn geliefert, was einen Energieinhalt von 28,15 Wh/kg entspricht. Für die Berechnung wurde das Gesamtgewicht des Elements berücksichtigt. Da aber bei einem solchen Füllelement das erforderliche Wasser erst Unmittelbar vor Inbetriebnahme eingefüllt zu werden braucht, kann der Energieinhalt Oraktisch mit 69,55 Wh/kg angegeben werden. Die Temperatur stieg innerhalb der ersten Stunden bis etwa 35 0 an. Nach 78 Stunden warThe box-shaped cell was operated continuously for 78 hours across an external resistance of 2.5 ohms during the daytime and 20 ohms during the nighttime. When operating with 20 ohms, the working voltage U, = 1.9 volts, the working current I. = 0.092 amperes. A total of 29.84 Wn were delivered, which corresponds to an energy content of 28.15 Wh / kg. The total weight of the element was taken into account for the calculation. However, since the required water only needs to be filled in with such a filling element immediately before start-up, the energy content of the Oraktisch can be specified as 69.55 Wh / kg. The temperature rose to about 35 0 within the first hours. After 78 hours it was
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die Leistung der Zelle stark abgefallen; es wurde deshalb die verbrauchte Lösung entfernt und durch, eine gleiche K enge frischer 1 m-Natriumpersulfatlösung ersetzt- Danach ergaben sich praktisch wieder die gleichen Leistungswerte.the performance of the cell has dropped sharply; it was because of that the used solution removed and through, an equal K narrow fresh 1 M sodium persulfate solution replaced- afterwards resulted practically the same performance values again.
Das Wiederauffüllen mit aktiver Lösung laßt sich so lange wiederholen, bis die Magnesiurcanode zu stark abgenommen hat. Die Kathode ist unbegrenzt haltbar. Je nach Diir.ensionierung der Anode kann somit das Füllelement sehr lange Zeit betrieben werden, wob^i durch kontinuierlichen Austausch der Reaktantenlösung: ein Betrieb ohne Unterbrechung möglich ist. Nach. Bedarf läßt sich eine neiie Anode einsetzen .The replenishment with active solution can be repeated until the magnesium code has decreased too much. The cathode can be used indefinitely. Depending on the dimensioning the anode can thus operate the filling element for a very long time where ^ i by continuously exchanging the reactant solution: operation without interruption is possible. To. No anode can be used if necessary.
Durch Verringerung des Abstandes zwischen Kathode und Anode, beispielsweise bei Hundzellen mit einem Magnpsium-Zylinder als Anode, lassen sich Zellen für stärkere Belastung und häufigere Regenerierung herstellen. Sine solche Rundzelle mit einem Inhalt von beispielsweise 500 ml 1 m-TTntriuToersulfntlösung liefert, wie Versuche gezeigt haben, bei Betrieb mit einem äußeren Widerstand von 1,2 Ohm 6 Stunden lang eine Arbeitsspar.nung von 1,88 bis 1,6? Volt bei Stromstärken von 1,25 "bis 1,1 Ampere. Eine ähnliche Zelle, die mit 0,6 Ohm betrieben wird, liefert 4- Stunden lang 1,725 bis 1,57 Volt bei Stromstärken von 2,35 *>is 2,2 Anroere.By reducing the distance between the cathode and anode, for example in the case of dog cells with a Magnpsium cylinder As an anode, cells can be used for heavier loads and produce more frequent regeneration. Such a round cell with a content of, for example, 500 ml of 1 m-TTntriuToersulfntlösung delivers, as tests have shown, when operated with an external resistance of 1.2 ohms for 6 hours Labor saving from 1.88 to 1.6? Volts at currents of 1.25 "to 1.1 amps. A similar cell that runs at 0.6 ohms is operated, provides 1.725 to 1.57 volts for 4 hours at currents of 2.35 *> is 2.2 Anroere.
Eine Batterie aus zwei in Reihe geschalteten Rundzellen mit einem Inhalt von ,je ?20 ml 1 m-^atriumnersulfat-Lösung liefert bei Betrieb mit 4-,7'Ohm 3 Stunden und 20 Minuten lang Spannungen von 4 bis 3,6 Volt bei Stromstärken von 0,8 bis 0,7 Anvoere.A battery consisting of two round cells connected in series with a content of? 20 ml of 1 m- ^ atrium sulfate solution supplies for operation with 4, 7 ohms for 3 hours and 20 minutes Voltages from 4 to 3.6 volts with currents from 0.8 to 0.7 Anvoere.
Durch geringe Zusätze von polaren organischen Verbindungen, wie Alkoholen der Kettenlänge C- bis C1-, oder von Sulfonen, wie Dimetbylsulfoxid, gelingt es, die Energieausbeute deutlichBy adding small amounts of polar organic compounds, such as alcohols with a chain length of C- to C 1 -, or of sulfones, such as dimethyl sulfoxide, the energy yield can be increased significantly
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zu steigern. Die Enerprieausbeute ist ferner abhängig von der Zusammensetzung des Anodenmaterials, G-röße und Abstand der Elektroden und der äußeren Belastung. Ss können Ener~i einhalte bis etwa 50 V/h/kg erreicht werden, iirenn das Gewicht des eingesetzten Wassers mit berücksichtigt wird. Ohne das eingesetzte Wasser ergeben sich Enersrieinhalte bis zu 160 Wh/kg.to increase. The energy yield is also dependent on the Composition of the anode material, size and spacing of the Electrodes and the external load. Ss can keep ener ~ i up to about 50 V / h / kg can be achieved, if the weight of the used Water is taken into account. Without the water used, the energy content is up to 160 Wh / kg.
Die erfindungsgemäßen Füllelemente zeigen gegenüber den bisher bekannten Füllelementen wesentliche Vorteile, zu denen der einfache Aufbau der Kathoden und die Verwendung "bekannter Metallegierungen als Anoden gehören, sowie die Möglichkeit, nicht nur kleine sondern auch große leistungsfähige Zellen und Batterien kostengünstig herzustellen. Die realisierbaren Energieinhalte haben hohe Werte. 'Berücksichtigt man die Tatsache, daß das einzufüllende Wasser nicht in den Zellen gespeichert werden muß, so ergeben sich besonders hohe Energieinhalte. Die Zellen sind durch Austausch bzw. Erneuerung der Reaktantenlösung und' Anoden leicht regenerierbar. Bei entsprechender Dimensionierung der Anoden können derartige Zellen längere Zeit durch bloßes Erneuern der verbrauchten Reaktantenlösung betrieben werden, wobei auch ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist, falls entsprechende Einrichtungen für die Füllelenente vorgesehen werden. Der anodisch entwickelte Wasserstoff kann bei kleineren Zellen gefahrlos entweichen, bei größeren Zellen vernichtet oder anderweitig genutzt werden. Der Reaktant ist in trockenen. Zustand unbegrenzt haltbar und trotz, des hohen positiven Redoxpotentials*)verhältnismäßig harmlos. Die" Lösungen des Reaktanten sind nur schwach sauer bis schwach alkalisch; sie sind weder giftig noch ätzend und daher im Umgang unschädlich. Die verbrauchten Lösungen sind auch weitgehend harmlos für die Umwelt. Hur beim Verwerfen verhältnismäßig großer Mengen wäre ihr hoher Gehalt an Mineralsalzen in Betracht zu ziehen. Schließlich ist DochThe filling elements according to the invention show up to now known filling elements have significant advantages, to which the simple structure of the cathodes and the use of "well-known" Metal alloys as anodes include, as well as the possibility of not only small but also large powerful cells and batteries to manufacture inexpensively. The realizable energy contents have high values. 'Taking into account the fact that the water to be filled does not have to be stored in the cells, this results in particularly high energy contents. The cells can be easily regenerated by exchanging or renewing the reactant solution and anodes. With the appropriate Such cells can be dimensioned for the anodes be operated for a longer period of time by simply renewing the used reactant solution, with a continuous Operation is possible if appropriate facilities are provided for the filling elements. The anodically developed Hydrogen can escape safely from smaller cells, destroyed or otherwise used in larger cells will. The reactant is in dry. Condition indefinitely durable and despite the high positive redox potential *) relatively harmless. The "solutions of the reactants are only weakly acidic to weakly alkaline; they are neither toxic still corrosive and therefore harmless to handle. The solutions used are also largely harmless to the environment. Whore at If relatively large quantities are discarded, their high mineral salt content should be taken into account. After all, yes
*)sowie des hohen Sauerstoffgehaltes ^6 *) as well as the high oxygen content ^ 6
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festzustellen, daß die für das Frill el em ent "benötigten Stoffe aus praktisch in unbegrenzter Kenge vorhandenen Rohstoffen erzeugt werden und die aus Kohlenstoffmaterial "bestehenden Kathoden unbegrenzt verwendbar sind, so daß die erfindun^sgemäßen J1UlIeIemente auch in dieser Hinsicht vorteilhafte elektrochemische Stronouellen sind.determine that the Frill el em ent "materials required are produced from virtually present in unlimited Kenge raw materials and the carbon material" existing cathode are unlimited usable so that the erfindun ^ sgemäßen J 1 UlIeIemente in this respect advantageous electrochemical Stronouellen are .
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