DE2615921C3 - Luft/Zink-Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Luft/Zink-Element mit einer zwischen zwei positiven Luftclcktroden angeordneten plattenförmigen negativen Zinkelektrode, die in einem Kunststoffgehäuse angeordnet sind.

Für viele Zwecke, beispielsweise für die im Eisenbahnwesen eingesetzten netzunabhängigen Beleuchtungseinrichtungen werden mit Vorteil möglichst robuste elektrochemische Systeme als Energiespender verwendet. Zu diesen zählen auch Luft/Metall-Elemente mit z. B. Eisen oder Zink als negativer Elektrode und einem Depolarisator für den Luftsauerstoff als positiver Elektrode. Ein solches System bietet sich insbesondere dort an, wo die Kosten und der Wartungsaufwand in engen Grenzen gehalten werden sollen, der Beleuchtungskörper an exponierter Stelle extremen Temperaturen ausgesetzt ist und eine lange Betriebsdauer der Einrichtung gewünscht wird.

Bei den hierzu geeigneten und seit langem bekannten Luftsauerstoff-Zink-Elementen steht einer negativen Zinkelektrode ein poröser Kohlekörper als positive Sauerstoffelektrode gegenüber. Sein Hauptbestandteil ist Aktivkohle, an welcher der Luftsauerstoff katalytisch reduziert wird. Zusätze von Graphit und Ruß zum Kohiekörper haben die Aufgabe, die Elektronenleitfähigkeit der Elektrode zu erhöhen. Der hydrophobe Ruß erschwert außerdem das Eindringen von Elektrolyt in den Preßkörper und erleichtert dadurch die Diffusion des Sauerstoffs in die Elektrode.

Als Elektrolyt kann das von den Braunsteinelementen her bekannte Ammoniumchlorid mit einem Zusatz von Zinkchlorid dienen. Mit Vorteil wird aber auch neutrales Mangan(II)-chlorid eingesetzt, das konzentrierte Lösungen mit einem Dampfdruck von ca. 60% bildet, der etwa der natürlichen Feuchte entspricht, und dadurch einen Mangel von Luftsauerstoff-Elementen mit Ainmoniumchlorid-ElektroIyten aufhebt, die dazu neigen, Wasser an die Atmosphäre abzugeben und einzutrocknen.

Nach der Konstruktion werden Rundzellen und Plattenzellen unterschieden. Die ersteren entsprechen ganz dem Aufbau der Braunsteinzellen, mit einem Behälter aus Zink als negativer Elektrode und einem zentrierenden Kohlestift als positiver Elektrode, um den herum die Aktivkohle mit Zusätzen und schließlich der Elektrolyt herumgepreßt sind.

Unter dem Gesichtspunkt einer guten Sauerstoffdiffusion und einer guten lonenleitfähigkeit innerhalb der positiven Elektrode bietet das Konstruktior.sprinzip der Plattenzellf allein wegen des größeren Elektrodenquerschnitts und der kurzen Diffusionswege größere Vorteile. Dafür ist die Fertigung von Plattenzellen mit größeren Schwierigkeiten als bei Rundzellen verbunden.

Durch DE-PS 11 87 696 ist eine positive Elektrode für plattenförmige Luftsauerstoffclcmenle bekanntgeworden, die mit ihrer gasdurchlässigen Ablcitschichi einen lufterfüllten Hohlraum hufeisenförmig umschließt und wobei auf den der Lufltaschc abgewandten Seiten der Ableilschichl die Dcpolarisalorinassc für die Sauerstoffreduktion aufgepreßt ist. Durch Hineinstellen in einen taschenfö.-migcn Zinkbehälter wird die Elektrode /u

AO einem Element ergänzt.

Ein hierzu inverses Anordnungsprinzip, bei dem die negative Elektrode schubladenarlig in die als Tasche ausgebildete Luftkathode eingesetzt werden kann, wird in der DE-OS 15 96 168 beschrieben.

Beiden Konstruktionen haftet der Mangel an, daß positive und negative Elektrode jeweils ein eigenständiges Bauteil darstellen und daß erst durch Zusammenfügen beider Teile ein komplettes Element entsteht. Die weitere Verschallung solcher Elemente zu einer

5» Batlerie ist mit Nachteilen verbunden, da sie Elektrode für Elektrode mit Hilfe paßgerechter Halterungen und eines diese verklammernden Gerüstes vorgenommen werden muß oder weil der fertig vcrschaltelc Zcllcnblock zu viel Totvolunicn durch überflüssige Gehiiusewände und anderes, zum elektrochemischen Umsatz nicht beitragendes Material aufweist.

Luft/Zink-Elemente, bei denen eine Metallanode beidseitig von zwei positiven Luftclekiroden flankiert ist, sind aus den DE-OS 22 23 573 und 21 57 745 bekannt.

Die Zelle gemäß der DE-OS 22 23 573 besitzt den Vorteil, daß die fertige Zellenkammer durch einfaches Herumfalten einer einzigen porösen katalysatorbeschichteten Polytetrafluorälhylen-Folie um die Anodenplatte und Versiegeln ihrer offenen Ränder hergestellt

b5 werden kann, wobei zusätzlich ein Elektrolylbehälter von der Kammer eingeschlossen ist. Aus der Folienumhüllung herausragende Stromzuführungen verleihen diesem Flachelement jedoch eine sperrige Form. Bei der

Zelle gemäß der DE-OS 21 57 745 liegt durch die periphere Rundum-Verbindung der porösen Katalysator-Trägerfolie, welche die Metallanode einfaßt, eine ähnliche Konstruktion vor. Diese steht aber im Zusammenhang mit einer besondren Falttechnik, durch die es möglich ist, ganze Batterien dieser Flachzellen in einem zusammenhängenden Stück zu Fertigen.

Aus der DE-OS 22 20 263 ist es auch schon bekannt, in einem lufuiepolarisierenden galvanischen Element das to zwischen den Luftelektroden angeordnete Anodenblech durch ein Zink-Gel mit einem darin eingebetteten Stromkollektor zu ersetzen. Diese Konstruktion ist aufwendig, wobei zusätzlich aus dem Gehäuse hervorstehende Polkappen einer raumsparenden, rationellen \$ Stapelung derartiger Zellen im Wege sind.

Die Möglichkeit, einen Zellenverband durch lückenloses Aneinanderfügen hierzu geeigneter Luft/Zink-Elemente zu schaffen, ist auch bei der Zellenkonstruktion gemäß DE-OS 19 27 093 nicht gegeben, weil hier die Luftzufuhr zu den innenliegenden Zellen unterbunden wäre.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, in Anlehnung an das Prinzip der Plattenzelle eine Konstruktion zu schaffen, die positive und negative Elektrode zu einer kompakten Zelle vereinigt und die zugleich einen handlichen Grundbauslein für Luflsauerstoff-Batterien mit einer unkomplizierten Vcrschallbarkeit liefert. Außerdem sollte die Neukonstruktion den fertigungstechnischen Möglichkeiten besser entgegen- jo kommen.

Dn.se Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Luft/Zink-Element aus zwei Halbschalen mit gegenüber den Schalenrändern leicht eingesenkten, perforierten Außenwänden besieht, in welchen jeweils js eine Leitfolie und ein Ableiter sowie der positive Klekirodenpreßkörper angeordnet sind und daß diese llalbschalen unter Zwischenlegung von Separatoren und der negativen plattenförmigen Zinkblechelektrode, .welche an ihrem Rand mit einem Kunststoff rahmen versehen ist, miteinander verbunden sind, wobei die Halbschalen mit Elektrolytzuführungen und Ableiterdurchführungcn verschen sind.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der obere Rand der Halbschalen mit einer wannenarligcn Vertiefung verschen ist. die Öffnungen für den Elektrolyldurchlritt enthält und die sich unter Freilassung von Raum für die Ablciterdurchführung über einen Teil der Länge der llalbschalen erstreckt.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur läßt die Schichtenstruktur der Zelle diireh eine Aufgliederung der Einzelbestandteile senkrecht zur Eleklrodenebene erkennen. Wegen des symmetrischen Aufbaus beschränkt sich die Darstellung auf eine Hälfte der Zelle.

Die Innenfläche der Halbschale I wird zunächst mit dem positiven Ableiter 2, einer dünnen Bleifolie, beschichtet und auf diesen ix leitfolie 3 aufgeklebt. e>o Dabei sind die deckungsgleichen Perforationen 11 des Ableiters und 12 der Leitfolie um die etwas kleineren Luftlöcher 10 der Halbschale 1 fixiert, derart, daß das korrosionsgefährdete Blei des Ableitcrs nirgendwo freiliegt. b¹;

Von den beiden Fahnen 16 der Leitfolie und 15 des positiven Ableiters mündet die letztere, welche langer ist, in den Hohlraum 20 für die Ableiterdurchführung der positiven Elektrode ein, wo sie mit dem — nicht abgebildeten — Gegenstück vereinigt wird.

Auf die Leitfolie wird nunmehr der Kohlekörper 4 der positiven Elektrode aufgepreßt und unter Zwischenlegung des Separators 5 der Kunststoffrahmen 8 mit der negativen Elektrode 7 in die Halbschale 1 eingepaßt, wobei das Profil des Kunststoffrahmens über den Kohlekörper 4 hinweggreift. Eine zusätzliche Verankerung der Kohlemasse in der Halbschale 1 bis in die Tiefe hinein wird durch Stifte 24 ermöglicht.

Der Hohlraum 21 für die Ableiterdurchführung der negativen Elektrode ist dann durch die Fahne 17 des Zinkblechs besetzt.

Eine Ausklinkung 19 an der Zinkelektrode ist durch das .abfallfreie Ausstanzen der Zinkbleche einschließlich Fahne bedingt.

Indem die Außenfläche 23 der Halbschale 1 gegenüber ihrem Rand 22 etwas eingesenkt ist, entsteht beim Aufkleben der Abdeckplatte 9 au! die Halbschale zwischen dieser und der Abdeckplatte ein Luftspalt, der sich über die gesamte Einsenkung, d. h. praktisch über den Elektrodenquerschnitt, erstreckt. Durch Auslassungen am unteren Rande laßt sich der Luftspalt auch durchgehend in der Vertikalen öffnen, was eine eventuell gewünschte Kaminwirkung hervorruft.

Der Elektrolyt wird über die wanncnariige Vertiefung 13 an der Halbschale 1 durch die Elektrolyi/uführungsöffnungen 14, die sich als Bohrungen 18 im Kunststoffrahmen 8 fortsetzen, zugegeben. Er füllt im wesentlichen den Raum 6 in der dargestellten Zellenhälfte aus und steht durch die Ausklinkung 19 mit dem Elektrolyten auf der anderen Seite der negativen Elektrode unmittelbar in Verbindung.

Die mit der Erfindung erzielten Voneile sind unter anderem dadurch gegeben, daß solche Luft/Zink-Elemente ähnlich Bausteinen, dicht an dicht und unter [Anspannung unnötiger Gehäusewande /u Zellenblökken beliebigen Umfangs gepackt und mittels beliebiger Kontaktausführungen miteinander verschaltet werden können. Auch bei engster Berührung im Zellenverband hat der Luflsauerstoff zum Kohlekörper der positiven Elektrode ungehindert Zutritt, weil wegen der versenkten Außenwände der Halbschalen /wischen zwei benachbarten Zellen stets Luftspalle in ihrer vollen Ausdchung über den Elektrodenquerschnitt erhalten bleiben. Die erwähnte Kaminwirkung, die man bei durchgehender Öffnung des L.uftspaltes nach unten erzielt, um die Sauerstoffdiffusion zu fördern, unterstreicht den Vorteil dieser Anordnung.

Dadurch, daß die Elektrodenableiter beider Polarität mit beliebigen Verbindern kon¹ 'ert und die Kontaktstellen in eine Vergußmasse c. -1 Bitumen schützend eingebettet werden können, kann die Verschaltung den praktischen Gegenstand stets optimal angepaßt werden.

Speziell für die Zinkelektrode ergibt sich der Vorteil, daß ihre Kontaktierung außerhalb des Elektrolytraumes unter Vermeidung von Korrosionsgefahr erfolgt.

Die vorteilhafte Anwendung der Vergußtechnik zum Schulz der Ableiterkontakte wird durch wannenartige Vertiefungen am oberen Rand der Gehäuse-Halbschalen ermöglicht, welche zur Aufnahme der Ableiterfahnen zusätzlich je einen kleinen Hohlraum aussparen, der mit Vergußmasse gefüllt werden kann.

Über die wannenarlige Vertiefung, die durch zwei Elektrolytzuführungskanäle mit dem Elektrolytraum in Verbindung steht, kann die Zelle nachträglich betankt werden.

Andererseits kann Wasser, das im Zuge der Entladung gebildet wird oder von außen in das Zelleninnere gelangt, in die wannenartige Vertiefung hinein expandieren und durch seine Füllhöhe einen ungefähren Anhalt über den herrschenden Ladezustand abgeben.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der Anordnung des Zinkblechs zwischen den beiden positiven Elektroden, wodurch es beidseitig, d. h. mit stärkerem Entladestrom, belastet und elektrochemisch besser ausgenutzt werden kann. Andererseits schützt ein die Zinkelektrode rings umgebender Profilrahmen aus Kunststoff den Elektrodenrand weitgehend vor einer anodischen Auflösung und sorgt dafür, daß er als metallischer Eiektronenabieiter bis zum EntladeschluD intakt bleibt.

Das Zinkblech selbst kann mit Fahne aus einem endlosen Band ohne Materialverlust gestanzt werden, wenn dafür eine der Fahne flächengleiche Ausklinkung des Bleches in Kauf genommen wird. Die Ausklinkung wird aber in der erfindungsgemäßen Zelle vorteilhaft genutzt, indem sie, wie auch aus Fi g. 1 ersehen werden kann, die Eleklrolyträume beiderseits der Zinkclektrode verbindet.

Die Kohlekörper der positiven Elektrode sind durch ihre Fixierung in den Halbschalen bei deren Weiterverarbeitung zur Zelle besonders geschützt. Sie können zusätzlich durch Stifte bis in die Tiefe der Preßmassc hinein in den Halbschalen verankert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Luft/Zink-Element mit einer zwischen zwei positiven Luftelektroden angeordneten plattenförmigen negativen Zinkelektrode, die in einem Kunststoffgehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß es aus zwei Halbschalen (1) mit gegenüber den Schalenrändern (22) leicht eingesenkten, perforierten Außenwänden (23) besteht, in welchen jeweils eine Leitfolie (3) und ein Ableiter (15) sowie der positive Elektrodenpreßkörper (4) angeordnet sind und daß diese Halbschalen (1) unter Zwischenlegung von Separatoren (5) und der negativen plattenförmigen Zinkblechelektrode (7), welche an ihrem Rand mit einem Kunststoffrahmen (8) versehen ist, miteinander verbunden sind, wobei die Halbschalen (1) mit Elektrolytzuführungtn (J4) und Ableiterdurchführungen (20, 2!) versehen sind.

2. Luft/Zink-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand der Halbschalen (1) mit einer wannenartigen Vertiefung (13) versehen ist, die Öffnungen (14) für den Elektrolytdurchtritt enthält und die sich unter Freilassung von Raum für die Ableiterdurchführung über einen Teil der Länge der Halbschalen (1) erstrecken.

3. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenwand der HalbscJiale (1) und der Leitfolie (3) eine perforierte Bleifolie (2) angeordnet ist.

4. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffrahmen (8) der negativen Elektrode (7) über den Rand des Kohlekörpcrs (4) der positiven Elektrode übergreift.

5. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elcktrodcnablciter (15, 17) mit ihren Kontakten in eine Vergußmasse eingebettet sind.

6. Luft/Zink-Elemeni nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Kohiekörpers (4) der positiven Elektrode durch Stifte (24) in der Halbschale (1) zusätzlich verankert ist.