DE2627143A1 - SEPARATOR FOR ELECTROCHEMICAL CELLS - Google Patents
SEPARATOR FOR ELECTROCHEMICAL CELLSInfo
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Description
PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK 8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (08 fl) 88 1608 PATENT Attorney DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK 8000 MÜNCHEN 60 MUSÄUSSTRASSE 5 TELEPHONE (08 fl) 88 1608
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>on 14> on 14
Sepiv.-ator für elektrochemische ZellenSepiv.-ator for electrochemical cells
-de Srfindun;; bezieht sich ui einen Jeparabor l'ür elelctroc he ».lic·, ehe Zellen ;nit einer riepar^tor scheibe, die uf beiden Seiten mit in den elektrochemischen Seilen entgegengesetzte LlektroGen ber'.ih?.enden ^bstandselementen versehen ist.-de Srfindun ;; ui refers to a Jeparabor l'ür elelctroc he ».lic ·, before cells; with a riepar ^ tor disc, which on both Sides with opposite in the electrochemical ropes LlektroGen is provided over'.ih? .Enden ^ stand elements.
i-'ieparaborai für Akkumulatoren und andere elektrochemische Zellen './erden vielfach mit Ab st und β element en in Form von bändern ve "sehen, die einen jülekbrolytumlauf und einen G-asabzug ohne Ijeeintriichtigung der otützfunlction des Separators erlauben ο -in solcher Separs.tor kann untor strömungsniässigen Gesichtspunkten als ein Bündel von parallel zusammengefassten Kanälen betrachtet werden. .in quertransport von Gas oder Elektrolyt in Seitsv/srtsrichtung zv/ischen den Kyjiii.len findet dabei in nennenswertem ümf in^e nicht statt» Mos führt zwangsläufig zu einer ungleichförmigen Strömungsverteilung im ülektroIyträum, in ier sich in der ^raxis bei vSystemen mit umlaufendem Slektro- lyten kaum jemals eine homogene Verteilung des iilektrolytstromes im Einlassbereich dor Zellen über den gesamten .querschnitt erreichen lasst. Weiterhin verbleiben Crasblasen im elektrolyt- r raum, uie beispielsv/eise von einer Iiuitelektrode in einer Metall/ luft-Zelle herkommen, sf.'.ndig in ein und demselben xi-snal und ' '" blockieren i-.uf diese eise das vom elektrischen Strom durch-; setzte ;ebiet in -form von streifen, -hnliche 3chv/ierigke.itenI-'ieparaborai for accumulators and other electrochemical cells' ./erden often see with ab st and β elements in the form of bands ve ", which allow a julecbrolyte circulation and a gas extraction without disturbing the support function of the separator ο -in such separs From the point of view of the flow, the gate can be viewed as a bundle of channels combined in parallel let non-uniform flow distribution in ülektroIyträum, in ier at vSystemen with circumferential Slektro- LYTEN in the ^ RAXIS hardly ever a homogeneous distribution of iilektrolytstromes dor in the inlet region cells over the entire .querschnitt reach. Furthermore remain Crasblasen in the electrolyte r space, uie beispielsv / otherwise they come from a line electrode in a metal / air cell, sf. '. ndig in an and the same xi-snal and ''"block i-.uf this way the passage of the electric current; set; it is in the form of stripes, -like 3chv / ierigke.iten
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or gob η sich auch dann, wenn die Abstandseleinente der Separatoren -;ls spezielle schnüre'oder als speziell geformte ,it I'ta on ausgebildet './or .-.en.or gob η even if the spacing elements of the separators -; ls special cords'or as specially shaped 'it I'ta trained on' ./or .-. en.
L'ine anucre Art von ^bstindselementen ist aus der 3./-AÜ 550 655 bekimit, in der Separatorscheiben mit nahezu punktlörmigem Charakter, sogenannte feste absätze, beschrieben sind, uie nät einem flexiblen Separatorblatt verbunden sind. Jiüse -.bsütze sind auf den beiden ueiteii des Separ-.torbluütes in solcher ..eise gegeneinander versetzt angeordnet, di.u-e sich d-i.s ^e^ratorblatt zwischen benachbarten Elektroden entgegen- ^caetzter ?ola;?itut, zxi denen die ->.bs^tze alternierend zur .ril::.ge koi'imen, v.'ellenförmig verbiegt, vobei zwischen jeder Seite des 8eparatorblattes und der ihr gegenüberstehenden Zlektrode K-Jiüla für den Slektrolvtumlauf c-ntstehen. Die Separator-'..usbildung ^ernä&s der 3wr-AS 350 655 zielt also darauf ab, Kanäle au schaffen, durch die hindurch der lülektrol^t zv,rischen cen Elektroden rasch zirkulieren liann. Die oben erwähnte Dciiv/iw-irkeit lässt sich jedoch auf diese Weise nicht beheben, os ergibt sich vielmc-hr immer noch ein ungleichförmiges ^trölaunjsmuster im Alsktrolytraum, da sich kein Massentransport zwischen den in der beschriebenen weise erhaltenen Kanälen ausbilden kann. Ausserd^m orgibt sich eine grosse Sinschränlcung für die Anvrendung fester Absätze dadurch, dass sie den Widerstand im Slektrolyträum erheblich vergrössern.An anucre type of structural elements is known from 3./-AÜ 550 655, in which separator disks with an almost punctiform character, so-called fixed heels, are described, and are connected to a flexible separator sheet. Jiüse -.bsütze are arranged offset from one another on the two ueiteii of Separ-.torbluütes in such ..eise, to di.S ^ e ^ di.ue ratorblatt between adjacent electrodes entgegen- ^ caetzter ola;? Itut, where the ZXI ->. bs ^ sets alternating to .ril ::. ge koi'imen, v. 'shaped like a curve, whereby between each side of the separator blade and the electrode K-Jiüla opposite it stand for the slectrolvt circulation. The separator - '.. ^ ducation ernä & s of 3w r -AS 350 655 therefore aims to create channels au, through the lülektrol ^ t z v, r een cen electrodes Liann circulate rapidly through the. The above-mentioned divergence cannot be remedied in this way, however, there is often a non-uniform flow pattern in the electrolyte space, since no mass transport can develop between the channels obtained in the manner described. In addition, there is a great reduction in the use of solid heels due to the fact that they considerably increase the resistance in the electrolyte space.
Erfindung liect die Aufgabe zugrunde, einen Separator der eingangs erwähnten Art so auszubilden,- dass er ohne unzulässige Widerst, .ndserhöhung eine gleichförmige Strömungsver-. teilung im ülektrolytraum zu gev/ährle is ten vermag»The invention is based on the object of a separator of the type mentioned at the beginning in such a way - that he is without impermissible Resists, and increases a uniform flow rate. division in the electrolyte space is able to provide »
Die gestellte Aufgabe -.-.-ird erfindun^sgemäss dadurch gelöst, dass als Abstandselemente vei'tikal und horizontal voneinander getrennte erhabene Partien der Separatorscheibe vorgesehenThe task set -.-.- is achieved according to the invention by that as spacers vei'tikal and horizontal from each other separate raised portions of the separator disk are provided
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sind, dass diese erhabenen Partien auf beiden ;ieiten der Separatorscheibe einander zumindest teilweise gegenüberstehen und eine Cresir.mtflüche von zwischen 10 und 90 >-ä der gesamten 8eparatoroberfläche ausmachen, dar-is jede dieser erhobenen Partien eine der Dicke der 'leparatorscheibe zumindest gleiche Höhe über der Separatorscheibe aufweist, dass die jrosste Abmessung jeder der erhabenen Partien zumindest gleich der Dicke der 3eparatorscheibe ist, dass die granate Abmessung der Separatorscheibe in vertikaler und in horizontaler Richtung höchstens das Zwanzigfache der ocheibendicke betragt und dass der kleinste Abstand zwischen zwei erhabenen Partien mindestens die gesamte Sep-ratordicke erreicht.are that these raised areas run on both of the separator disc face each other at least partially and a curse of between 10 and 90% of the total Make up the separator surface, there is each of these raised Parts of one of the thickness of the separator disk at least equal Height above the separator disk is the largest dimension each of the raised areas is at least equal to the thickness of the separator disk, that is the garnet dimension of the separator disk in the vertical and in the horizontal direction is at most twenty times the thickness of the slice and that the smallest distance between two raised parts reaches at least the entire Sep-ratordickness.
Die Erfindung führt zu einem Separator von neuartiger Formgebung, der ein gleichförmiges Strömungsmuster im gesamten Elektrolytraum erzeugt, dabei aber seine Stützfunktion in vollem Umfange zu erfüllen vermago The invention leads to a separator of a novel shape, which generates a uniform flow pattern in the entire electrolyte space, but is able to fulfill its supporting function to the fullest o
Dank der neuartigen Separatorkonstruktion nit erhabenen teilen, die vertikal und horizontal voneinander getrennt sind und einander auf beiden Seiten der Separatorscheibe zumindest teilweise gegenüberstehen, bleibt die oben erwLhnte Kanalausbildung vermieden. Bei Ausrüstung elektrochemischer Zellen mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Separator wirkt der Elektrolytraum funktionell eher als ein einziger Kanal mit einem homogenen Elektrolytfluss über den gesamten Querschnitt, die durchschnittliche Elektrolytgeschwindigkeit an den äusseren Teilen des Separators ist also die gleiche wie die Elektrolytgeschwindigkeit in der Separatormitte. Die zumindest teilweise entgegengesetzte lage der erhabenen Partien auf beiden Seiten der Separatorscheibe ist dabei als eine solche gegenseitige lage dieser Partien zu verstehen, dass diese Partien einander in solchem Ausraass überlappen, dass die von den Elekr troden auf den Separator ausgeübten Drücke die Separatorscheijbe nicht verformen können, wodurch eine aufeinanderfolgende Verkopplung von Flüssigkeit s- und Grasströmen in Seitwärts rieh-Thanks to the new separator construction with raised parts, which are vertically and horizontally separated from each other and each other on both sides of the separator disc at least are partially opposite, the above-mentioned channel formation remains avoided. When equipping electrochemical cells with a separator designed according to the invention, the Electrolyte compartment functionally rather than having a single channel a homogeneous electrolyte flow over the entire cross-section, the average electrolyte velocity at the outer parts of the separator is therefore the same as the electrolyte velocity in the middle of the separator. The at least partially opposite position of the raised areas on both The sides of the separator disk are mutual as such position of these parts to understand that these parts overlap each other to such an extent that the elec Pressures exerted on the separator trap the separator disk can not deform, whereby a successive coupling of liquid and grass flows in a sideways direction.
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tung verhindert werden könnte. .!Sei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die erhabenen Partien einander auf beiden Seiten der Separatorscheibe vollkommen gegenüber, und überhaupt bereitet es dem Fachmann grundsätzlich keinerlei Schwierigkeit, ausgehend von der oben vermittelten allgemeinen Lehre die genaue Lage der erhabenen Partien auf beiden Seiten der Separatorscheibe für jeden einzelnen Anwendungsfall festzulegen.could be prevented. .! Be a preferred embodiment according to the invention, the raised areas are completely opposite one another on both sides of the separator disk, and in general it does not present any difficulty to the person skilled in the art, proceeding from the general information given above Teach the exact position of the raised areas on both sides of the separator disc for each individual application to be determined.
Die gegenseitige Verkopplung der Plussigkeits- und Gasströme in Seitwärtsrichtung lässt sich durch eine passende Lage der erhabenen Partien auf beiden Seiten der Separatorscheibe und durch eine geeignete Konstruktion dieser Partien erleichtern. Gemäss einer bevorzugten Aus führung s form der Erfindung sind diese erhabenen Partien so angeordnet, dass sie eine aufwärts gerichtete Strömung dazu zwingen, einem zickzackförmigen Strömungsweg zu folgen, was sich beispielsweise dadurch erreichen lässt, dass die erhabenen Partien der Separatorscheibe bei Betrachtung von deren Oberseite her relativ zueinander versetzt angeordnet sind oder unterschiedliche Formen aufweisen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Oberflächen der erhabenen Partien, durch die sich die Verkopplungswege in Seitwärtsrichtung ergeben, unter einem bestimmten V/inkel zur Horizontal ebene, so dass in Berührung mit diesen Oberflächen stehende Gasblasen sich ohne weiteres nach aufwärts bewegen können. Als geeignete Formen für die erhabenen Partien der Separatorscheibe sind beispielsweise die ^reisform, die ovale Form und die dreieckige Form zu nennen, wobei die Spitze des Dreiecks nach abwärts gerichtet ist, es kommen aber auch alle anderen Arten von Polygonformen in Frage, die einen bestimmten Winkel mit der Horizontalebene ergeben.The mutual coupling of the positive and gas flows in a sideways direction can be made by a suitable position of the raised areas on both sides of the separator disc and through a suitable construction of these parts. According to a preferred embodiment of the invention these raised portions are arranged to force an upward flow into a zigzag flow path to follow, which can be achieved, for example, that the raised parts of the separator disc at Viewed from the top are arranged offset relative to one another or have different shapes. In another preferred embodiment of the invention the surfaces of the raised parts, through which the coupling paths result in the sideways direction, run under a certain angle to the horizontal plane, so that in contact Gas bubbles standing with these surfaces can easily move upwards. As suitable forms for the raised parts of the separator disk are, for example, the rice shape, the oval shape and the triangular shape with the tip of the triangle pointing downwards, but there are also all other types of polygon shapes in question, which result in a certain angle with the horizontal plane.
Entscheidende Paktoren für die seitliche Auslenkung derDecisive factors for the lateral deflection of the
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- und Gasströme sind ausserdem, wie die vorstehende Beschreibung ohne weiteres klar werden llü:st, die .lohe der erhabenen Partien und der kleinste Abstand zwischen benachbarten solcher Partien, io sollte, um eine ungemes en rasche Abführung von Gasbliisen aus dem Llektrolytraum zu erreichen, die Höhe der erhabenen Partien über der S'eparatorncheibe zumindest gleich deren -^icke sein, während die obere Begrenzung für diese Höhe nicht kritisch ist. üblicherweise lie^t diese Höhe in einem !bereich zwi ehen 0,1 und 2,0 mm, vorzugsweise in einem bereich zwischen 0,2 und 1,0 mm, und insbesondere in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,6 mm. Der kürzeste abstand zwischen zwei benachbarten erhabenen Partien sollte wenigstens gleich der Gesamtdicke des Separators, also der Summe aus der Dicke dor Separatorscheibe und der Höhe der erhabenen Partien auf beiden Seiten cUr Separatorscheibe sein, welche Grosse gleichzeitig auch die Dicke des Blektrolytraumes darstellt, prauchbare Werte für diesen Abstand liegen in einem 3ereich zwischen 2 und 20 mm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 10 mm, und insbesondere in einem Bereich zwischen 4 und 8 mm.- and gas streams are, moreover, as the preceding description will be immediately clear, the wages of the raised parts and the smallest distance between adjacent such parts, io should, in order to achieve an immeasurably rapid discharge to be reached by gas bubbles from the electrolyte compartment, at least the height of the raised areas above the separator disk equal to their - ^ icke, while the upper limit is not critical for this height. usually this leaves Height in a range between 0.1 and 2.0 mm, preferably in a range between 0.2 and 1.0 mm, and in particular in a range between 0.3 and 0.6 mm. The shortest distance between two adjacent raised areas should be at least equal to the total thickness of the separator, i.e. the sum of the Thickness of the separator disc and the height of the raised areas be cUr separator disc on both sides, which size at the same time also represents the thickness of the sheet metal space, Practical values for this distance are in a range between 2 and 20 mm, preferably in a range between 3 and 10 mm, and in particular in a range between 4 and 8 mm.
Das wichtigste -kennzeichen eines erfindungsgemäss ausgebildeten Separators besteht darin, dass die erhabenen Partien der Separatorscheibe zwischen 10 und 90/° der gesamten Separatoroberfläche ausmachen. Diese Massnahme gewährleistet gleichzeitig die Erzeugung der gewünschten 3trömungsverteilung und eine ausreichend zuverlässige Einhaltung der vorgegebenen Abstände zwischen den benachbarten Elektroden. Sin bevorzugter Bereich für die Bemessung der Oberfläche der erhabenen Partien der Separatorscheibe liegt z\>rischen 20 und 50 >£, wobei sich besonders günstige Ergebnisse für einen Bereich zwischen 25 und 40 i* erzielen lassen»The most important characteristic of a separator designed according to the invention is that the raised parts of the separator disk make up between 10 and 90 / ° of the entire separator surface. This measure simultaneously ensures that the desired flow distribution is generated and that the specified distances between the adjacent electrodes are maintained in a sufficiently reliable manner. A preferred range for the dimensioning of the surface of the raised parts of the separator disk is between 20 and 50> £, whereby particularly favorable results can be achieved for a range between 25 and 40 i * »
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Die gewünschte Ab st rinds haltung hängt ausserdem von der grössten Abmessung jeder erhabenen Partie in vertikaler und in horizontaler Richtung auf der Separatorscheibe ab. Diese üeüiessung sollte so gewählt werden, dass diese .„bines sung en in einem '.Bereich zwischen dem ^v/eifachen und dem Zwanzigfachen der Dicke dor üeparatorscheibe liegen. Dies ist im allgemeinen gleichbedeutend mit Grössenwerten von 2 bis 20 mm. Sin bevorzugter Bereich liegt zwischen 3 und 10 mm und insbesondere zwischen A und 8 mm.The desired spacing also depends on the largest dimension of each raised section in the vertical and horizontal directions on the separator disk. This discharge should be chosen in such a way that these "dimensions" lie in a range between one and twenty times the thickness of the separator disk. This is generally synonymous with sizes from 2 to 20 mm. A preferred range is between 3 and 10 mm and in particular between A and 8 mm.
Die vorstehende Beschreibung der Erfindung zeigt, dass ein weiteres wesentliches Kennzeichen eines erfindungsgemäss ausgebildeten Separators darin liegt, dass die Abstandselemente erhabene Partien der Separatorscheibe sind, was bedeutet, dass sie tatsächlich einen Seil des Separators selbst bilden. Da die Separatoren in elektrochemischen Zellen ^-m Stromwege zwischen deren beiden Elektroden liegen, ist es erforderlich, dass der Separator einschliesslich des darin aufgenommenen Elektrolyten einen möglichst kleinen elektrischen Widerstand aufweist. Durch Ausbildung der Abstandselemente als !Teile des Separators selbst lässt sich ein sehr geringer elektrischer Widerstand für den Separator erhalten, da auch die erhabenen Partien der Separatorscheibe, welche die Abstandselemente bilden, Elektrolyt aufsaugen,_ und gleichzeitig ergibt sich auf diese '..eise eine gleichförmig über den gesamten Elektrolytraum verteilte Elektrolytreserve, was wiederum für einen sehr guten Ablauf der elektrochemischen Punktionen in der gesamten Zelle sorgt· The above description of the invention shows that a further essential characteristic of a separator designed according to the invention is that the spacer elements are raised parts of the separator disk, which means that they actually form a rope of the separator itself. Since the separators in electrochemical cells lie m current paths between their two electrodes, it is necessary for the separator, including the electrolyte contained therein, to have the lowest possible electrical resistance. By designing the spacer elements as parts of the separator itself, a very low electrical resistance can be obtained for the separator, since the raised parts of the separator disk, which form the spacer elements, also absorb electrolyte, and at the same time this results in a Electrolyte reserve evenly distributed over the entire electrolyte space, which in turn ensures that the electrochemical punctures run very smoothly throughout the cell.
Die meisten Separatormateralien, die bislang für elektrochemische Zellen verwendet worden sind, erweisen sich auch als brauchbar für die Herstellung von Separatoren in erfindungsgemässer Ausführung. Jedoch sollten diese Materialien für die Zwecke der Erfindung porös und gleichzeitig in ihren Abmessun-Most of the separator materials heretofore used for electrochemical cells also turn out to be useful for the production of separators in accordance with the invention Execution. However, for the purposes of the invention, these materials should be porous and at the same time
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gen stabil sein. Diese porösen Materialien sollten ausserdem eine gute Saugfähigkeit für die Aufnahme von Elektrolyt aufweisen und gleichzeitig widerstandsfähig gegen korrosive Agentien sein, wie sie im ^lektrolytraum vorliegen und sich beispielsweise aus der kombinierten Einwirkung von Sauerstoffentwicklung, vergleichsweise hoher Temperatur eines stark alkalischen Elektrolyten und der Anwesenheit von katalytisch aktiven Metallen ergeben können. Alle diese Merkmale zusammen kennzeichnen die Umgebungsverhältnisse im -Elektrolytraum einer Metall/Luft-Batterie. Grundsätzlich muss das Material für den Separator entsprechend der Art der elektrochemischen Zelle gewählt werden, für die der jeweilige Separator bestimmt ist.gen be stable. These porous materials should also have good absorbency for the absorption of electrolyte and at the same time are resistant to corrosive agents Be agents as they exist in the electrolyte space and as they are for example from the combined effect of oxygen evolution, comparatively high temperature of a strongly alkaline electrolyte and the presence of catalytic active metals. All of these features together characterize the environmental conditions in the electrolyte compartment Metal / air battery. In principle, the material for the separator must be selected according to the type of electrochemical cell for which the respective separator is intended.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein erfindungsgemäss ausgebildeter Separator eine Porosität in einem Bereich zwischen 50 und 95 °ß> aufweisen, womit sich eine gute Kombination aus Pormstabilität und Saugfähigkeit ergibt» Y/enn die Separatoren mit Hilfe eines Prägeverfahrens hergestellt werden, wie es unten noch im einzelnen erläutert wird, bezieht sich der angegebene Porositätsgrad für das Separatormaterial auf dessen Zustand vor der Prägung, mit anderen Worten ausgedrückt also auf die Porosität in den erhabenen Teilen des Separators. Das Material der Separatorscheibe selbst nimmt infolge der Prägung eine geringere Porosität an als die erhabenen Teile. Dieser niedrigere Porositätsgrad kann in manchen Fällen unterhalb 50 $ liegen. Die Porosität des für die Prägung verwendeten Ausgangsmaterials sollte nicht unter 50 $ liegen, da sonst die Porosität im eigentlichen Scheibenkörper zu gering werden könnte. Auf der anderen Seite kann eine Porosität von mehr als 95 $> zu möglicherweise unzureichender Stabilität hinsichtlich der Einhaltung der vorgegebenen Abmessungen führen.According to a preferred embodiment of the invention, a separator designed according to the invention can have a porosity in a range between 50 and 95 ° β> , which results in a good combination of dimensional stability and absorbency will be explained in detail below, the stated degree of porosity for the separator material relates to its state before embossing, in other words, to the porosity in the raised parts of the separator. As a result of the embossing, the material of the separator disk itself assumes a lower porosity than the raised parts. This lower degree of porosity can in some cases be less than $ 50. The porosity of the starting material used for the embossing should not be less than $ 50, otherwise the porosity in the actual disc body could become too low. On the other hand, a porosity of more than $ 95> may lead to inadequate stability with regard to compliance with the specified dimensions.
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Weiterhin las-en sich die Separatoren :.us natürlichen oder synthetischen Polymeren oder aus vollkommen anorganischem Material v/ie Asbest herstellen, und ebenso sind Yerbundraaterialien brauchbari wobei sich beispielsweise anorganische Separatoren erhalten lassen, die aus Widerstandsfähigen Mineralien und Oxyden bestehen, die durch ein beständiges Polymeres wie I-olyphenylenoxyd (PPO) zusammengehalten werden. Ein brauchbares natürliches Polymeres ist beispielsweise Holz, v/ie es in 31ei/3äure-Akkumulatoren ί,-chon von allem jifang an als Separatormaterial Verwendung gefunden hat. v/ie die vorstehende Beschreibung klar erkennbar werden lässt, muss ein erfindungsgemäss ausgebildeter Separator eine erhebliche Formstabilität auf v/eis en. ?aserige Materialien, vie ve.-?f ilstes oder nicht verwobenes Polypropylen, regenerierte Zellulose und derglo eignen sich daher nicht besonders gut für die Vorstellung der erfindungsgemäasen Separatoren. Formstabilität ergibt sich in erster Linie aus einer isotropen Struktur des Separators. An faserigen Materialien kommen daher nur solche in Betracht, bei denen die einzelnen Pasern eine gute Bindung miteinander aufweisen, v/ie es beispielsweise oei natürlichem Holz oder bei den oben erwähnten anorganischen Separatoren mit beispielsweise Asbest als Füllstoff der J.dl ist. In anderen Füllen, wie beispielsweise bei Glasfasern oder anderen Fasern, nuss die Pormstabilität sozusagen in das ii^terifsl einjeb:-.ut werden, indem die Form beispielsweise durch Zugabe go cinjer Mengen von härtbaren oder vulkanisierbaren Harzen festgelegt wird. Separatoren, deren Porosität mit Hilfe sogenannter Spreizmittel erzeugt worden ist, vie des beispielsweise bei mikroporösem Polyvinylchlorid der IPaIl sein kann, zeigen eine gute Formstabilität infolje isotroper Struktur unä eine v.-eitgehend kugelförmige Gestalt der Poren im Separatormaterial. Sine gute Formstabilität lässt sich jedoch auch mit Hilfe eines Materials erhalten, das in sich formstabil ist unä gute r.iechanisehe Eigenschaften zeigt, wie dies häufig für Polymere zutrifft.Furthermore, the separators can be made from natural or synthetic polymers or from completely inorganic material such as asbestos, and yerbundra materials can also be used, with inorganic separators, for example, which consist of resistant minerals and oxides, which are supported by a stable Polymer like I-olyphenylene oxide (PPO) are held together. A useful natural polymer is, for example, wood, which has been used as a separator material in 31ei / 3-acid accumulators from the very beginning. Before the above description can be clearly recognized, a separator designed according to the invention must have considerable dimensional stability. Acidic materials, much more filthy or non-woven polypropylene, regenerated cellulose and derglo are therefore not particularly suitable for the presentation of the separators according to the invention. Dimensional stability results primarily from an isotropic structure of the separator. Fibrous materials are therefore only those in which the individual fibers have a good bond with one another, for example natural wood or in the case of the above-mentioned inorganic separators with, for example, asbestos as a filler from J.dl. In other fillings, such as, for example, glass fibers or other fibers, the shape stability must, so to speak, be incorporated into the interior, by defining the shape, for example, by adding large amounts of curable or vulcanizable resins. Separators, the porosity of which has been created with the help of so-called expansion means, such as the IPaIl in the case of microporous polyvinyl chloride, show good dimensional stability due to their isotropic structure and the pores in the separator material are largely spherical. However, its good dimensional stability can also be obtained with the aid of a material that is inherently dimensionally stable and exhibits good olfactory properties, as is often the case for polymers.
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'Jemäss einer "bevorzugten Ausführun^sform der ürfindung können die Separatoren durch. Prägen beispielsweise von Separatoren bisher üblicher Art hergestellt v/erden. Dieses Prägen führt ausserdem zu ein^-r erheblichen Verbesserung der :-.;llgenieinen Eigenschaften des Separators im Vergleich zu den •ep-iratoren bisher üblicher ..rt· So v/erden die mechanischen Eigenschaften der Separatoren durch die durch des Prägen erzeugte Versteifung verbessert, und vor allem vermindert sich der ./ivlerstand für Gas-τ und -'lüssigkeits ströme erheblich., während sich gleichzeitig in der oben erv/Lhnten ',eise eine Ye rgleichmäs·; igung des 3trö-nun^sbildes ergibt. Die verbesserten mechanischen Sigcnschaftoii ("er jeprajteri Separatoren zeigen sieh insbesondere in ^orin einer erhöhten lebensdauer. 'Überraschend crv/e ice - h \t sich -vusserdera gezeigt, dasr·; der olektriache 7i der stand trotz der .Zorapriüiiarun^ des i-Iaterif-ils nur in vcrnachläöiji^bar geringen !lasse beeinflusst xri.rd.According to a "preferred embodiment of the invention can through the separators. Embossing, for example, produced by separators of the type customary up to now. This Embossing also leads to a considerable improvement in the : - .; llgenie properties of the separator compared to the • ep-irators so far more common ..rt · So v / ground the mechanical Properties of the separators by the one produced by the embossing Stiffening improves, and most importantly, decreases the level of gas and liquid flows is considerable., while at the same time in the above, one Ye r evenly ·; inclination of the 3trö-nun ^ s picture results. The improved mechanical Sigcnschaftoii ("he show jeprajteri separators see especially in ^ orin an increased service life. 'Surprisingly crv / e ice - has shown itself -vusserdera, dasr ·; the olektriache In spite of the Zorapriüiiarun ^ the i-Iaterif-il only stood in vcrnachläöiji ^ bar small! lasse influenced xri.rd.
Die e-'findungsgemäss ausgebildeten Separatoren lassen sich ciUGser-dem «iit i;ilfe mech.-..ni3chur Verfahren >.vie 'ichneiden, eine Methode v/ie. sie .rUr. Sep?xratoren v.us porösem Holz bevor-0U'.;t ist, oder ßies en in ein.-^r Ilatrix oder '.Form herstellen, eine Methode,. Jie vielf^.ch bei ,Separatoren des sogenannten anorganischen 'Jyps " zur .nv/endung kournt» Ijin Vorteil dieser raeohanicchen ii;r3tellungsv/ei';en,v;ie schneiden odur Gie ssen» liegt darin, dass die erhobenen Partien der Separatoren ^enau die gleichen 2igensch:.i'ten erhalten v/ie die übrigen i'eile der Separatoren. The separators designed according to the invention can be ciUGser-dem "iit i; ilfe mech .- .. ni3chur procedure> .vie 'ichnitt, a method v / ie. they .rUr. Sep? Xrators v.us porous wood before- 0U '.; T is, or can be made into a matrix or form, a method,. There are many, separators of the so-called inorganic 'Jyps "to the .nv / ending kournt» Ijin advantage of these raeohanicchen ii; r3tellungsv / ei '; en, v; ie cutting or casting »lies in that the raised parts of the separators are exactly the same The same two characteristics: they receive most of the remaining parts of the separators.
die Separatoren aus Pasern mit einem vulkanisierbären als 3indemit bei hergestellt v/erden, so lcönnen sie durch !reason ο ^. ^v Prägen in die ^ev/ün. ciite «όγβι ge br ac lib werden, \/or.-.uf sich die erhaltene Struktur d'-jin durch aushärten des ii-xraes festlegen lässt.the separators made of pasern with a vulcanizing bear as 3indemit v / earthed, so they can be made by! reason ο ^. ^ v embossing in the ^ ev / ün. ciite «όγβι ge br ac lib become, \ / or .-. On the obtained structure d'-jin can be determined by hardening the ii-xraes.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele veranschaulicht; es zeigen:In the drawing, the invention is more preferred by hand Exemplary embodiments illustrated; show it:
Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Separator in1 shows a separator designed according to the invention in
einer Vorderansicht,a front view,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Darstellung in Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen in größerem Maßstab dargestellten AusschnittFIG. 2 shows a section through the illustration in FIG. 1 along the section line II-II in FIG. 1, 3 shows a detail shown on a larger scale
aus Fig. 2,from Fig. 2,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Separator in einer Vorderansicht, Fig. 5 bis 9 Beispiele für verschiedene Ausführungsformen4 shows a second exemplary embodiment for a separator designed according to the invention in a front view, Fig. 5 to 9 examples of different embodiments
von erhabenen Partien der Separatorscheibe und Fig. 10 einen Schnitt durch die Darstellung von Fig. 7 entlang der Schnittlinie X-X in Fig. 7; Fig. 11 die Anordnung erfindungsgemäß ausgebildeter Separatoren in einer elektrochemischen Batterie.of raised parts of the separator disk and FIG. 10 shows a section through the illustration of FIG. 7 the section line X-X in Fig. 7; 11 shows the arrangement of separators designed according to the invention in an electrochemical battery.
Der in Fig. 1 dargestellte Separator besitzt eine Separatorscheibe 1, die mit erhabenen Partien 2 von kreisförmiger Gestalt versehen ist. Diese Partien 2 liegen von der Oberseite der Scheibe 1 her gesehen jeweils auf Geraden. Die größte Abmessung der erhabenen Partien 2 in vertikaler und in horizontaler Richtung ist in Fig. 1 mit a.. bezeichnet, während der kleinste Abstand zwischen zwei benachbarten erhabenen Partien 2 die Bezeichnung b. trägt. Das sich entlang der Scheibe 1 ergebende Strömungsmuster für,den Elektrolyten ist in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet. Wenn an einer Stelle Gasblasen 3 den Strömungsweg blockieren sollten, sucht sich die Strömung· ihren Weg nach der Seite in den freien Raum 4 zwischen den erhabenen Partien 2, wie dies ebenfalls in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist.The separator shown in Fig. 1 has a separator disk 1 which is provided with raised portions 2 of circular shape. These parts 2 are each seen from the top of the disk 1 on straight lines. The largest dimension of the raised parts 2 in the vertical and horizontal directions is denoted by a .. in FIG. 1, while the smallest distance between two adjacent raised parts 2 is denoted by b. wearing. The resulting flow pattern for the electrolyte along the disk 1 is indicated in FIG. 1 by arrows. If gas bubbles 3 should block the flow path at one point, the flow looks for its way to the side into the free space 4 between the raised parts 2, as is also indicated in FIG. 1 by arrows.
Die Lage der erhabenen Partien 2 auf den beiden Seiten derThe location of the raised areas 2 on both sides of the
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Scheibe 1, die bei dem dargestellten Beispiel einander vollkommen gegenüberliegen, ist aus Fig. 2 ersichtlich, während die Darstellung in Fig. 3 in Form weiterer Maßangaben die Definitionen für die Höhe h der erhabenen Partien 2 über der Scheibe 1 und die Dicke t der Scheibe 1 bringt.Disc 1, which in the example shown each other perfectly are opposite, can be seen from Fig. 2, while the representation in Fig. 3 in the form of further dimensions Definitions for the height h of the raised parts 2 above the pane 1 and the thickness t of the pane 1 brings.
Die Darstellung in Fig. 4 zeigt einen Separator mit erhabenen Partien 5 von dreieckiger Gestalt auf einer Separatorscheibe 6, wobei die erhabenen Partien 5 bei Betrachtung von der Oberseite der Scheibe 6 her gegeneinander versetzt erscheinen. Durch diese Anordnung der erhabenen Partien 5 ergibt sich für eine aufwärts gerichtete Strömung ein Zwang zur Verfolgung eines zxckzackformxgen Strömungsweges. Die größte Abmessung der erhabenen Partien 5 in vertikaler und in horizontaler Richtung auf der Scheibe 6 ist in Fig. 4 mit a„ bezeichnet, während der kleinste Abstand zwischen zwei benachbarten erhabenen Partien 5 die Bezeichnung b„ führt.The illustration in FIG. 4 shows a separator with raised portions 5 of triangular shape on a separator disk 6, the raised portions 5 being offset from one another when viewed from the top of the disk 6 appear. This arrangement of the raised parts 5 results in an upward flow being forced to Tracking a zxckzagformxgen flow path. The largest The dimensions of the raised parts 5 in the vertical and horizontal directions on the disc 6 are denoted by a "in FIG. 4, while the smallest distance between two adjacent raised parts 5 is designated b “.
Die Darstellungen in Fig. 5 bis 9 zeigen Beispiele für verschiedene brauchbare Formen für die erhabenen Partien, wobei diese in Fig. ü rautenförmig, in Fig. 6 oval und in Fia. 7 0 mit schräg zur Scheibenebene verlaufenden !,ündern ausgebildet sind. In Fig. 3 sind mehrere kreisförmige erhabene Partien in Form eines Dreiecks nebeneinander angeordnet, und Fig. 9 zeigt ein in analoger Weise erhaltenes Sechseck. In Fig. 10 ist die *\usführungsform von Fig. 7 im Cuerschnitt dargestellt, wobei die schrägen Randpartien erkennbar werden.The illustrations in FIGS. 5 to 9 show examples of various useful shapes for the raised areas, where these are diamond-shaped in FIG. 6, oval in FIG. 6 and in FIG. 7th 0 with! are. In Fig. 3, several circular raised portions are arranged in the form of a triangle next to one another, and 9 shows a hexagon obtained in an analogous manner. In FIG. 10, the embodiment of FIG. 7 is in cross-section shown, whereby the sloping edge areas are recognizable.
Bei dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind erfindungsgemäße Separatoren in eine netall/Luft-Batterie mit umlaufendem Elektrolyten eingebaut. Die Batterie besitzt Hetallanoden 7 und Luftkathoden 8. Die Luftkathoden 3 v/erden über spezielle Lufträume 9 mit Luft gespeist. Zwischen den Metallanoden 7 und den Luftkathoden 8 sind Separatoren 10 an-In the embodiment shown in Fig. 11 are Separators according to the invention built into a metal / air battery with a circulating electrolyte. The battery has metal anodes 7 and air cathodes 8. The air cathodes 3 are supplied with air via special air spaces 9. Between Metal anodes 7 and the air cathodes 8 are separators 10
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geordnet, die als Strörnunc/sverteiler wirken. Aus einem Vorratsbehälter 11 wird !."lektrolyt durch eine Pumpe 1 2 zu einem L'inlaßkanal 13 gepumpt und von dort über Verteilerkanäle 14 zu den einzelnen Seilen der Batterie weitergeleitet. Die Separatoren 10 üben dabei eine zweifache Funktion aus, indem sie zum einen den Elektrolyten in den Elektrolyträumen zwischen den iietallanoden 7 und den Luftkathoden 8 gleichförmig über die gesamte Elektrodenoberfläche verteilen und zürn anderen die Ableitung von während der Aufladung der Batterie ent wickelten* Gas erleichtern. Der Elektrolyt tritt aus den einzelnen Seilen der Batterie an Überläufen 15 aus und kehrt dann in den Vorratsbehälter 11 zurück, während die Ladegase oben aus den Seilen entweichen können.arranged, which act as flow distributors. From a storage container 11 becomes!. "Electrolyte by a pump 1 2 to a The inlet channel 13 is pumped and from there via distribution channels 14 forwarded to the individual ropes of the battery. The separators 10 exercise a dual function in that on the one hand, the electrolyte in the electrolyte spaces between the metallic anodes 7 and the air cathodes 8 uniformly Distribute over the entire electrode surface and help others to dissipate while the battery is charging wrapped * gas facilitate. The electrolyte comes out of the individual Ropes off the battery at overflows 15 and then returns to the reservoir 11 while the charge gases are up can escape from the ropes.
Zur besseren Verdeutlichung der durch die Erfindung erzielbaren Vorteile sollen nun noch zwei Beispiele für den Einsatz von erfindungsgemäß ausgebildeten Separatoren in Metall/ Luft-Batterien und die dabei erhaltenen experimentellen Ergebnisse beschrieben werden.In order to better illustrate the advantages that can be achieved by the invention, two examples of its use will now be given of separators designed according to the invention in metal / air batteries and the experimental results obtained to be discribed.
Ein Separator der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Art wurde durch Prägen von mikroporösem Polyvinylchlorid hergestellt, wobei die erhabenen Partien 32 % der gesamten Oberfläche ausmachten und die verbleibenden 68 % von 0,7 aufA separator of the type illustrated in Figures 1 and 2 was made by embossing microporous polyvinyl chloride, with the raised parts making up 32% of the total surface and the remaining 68% of 0.7
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-«*- 2627U3- «* - 2627U3
0,2 mm Dicke korn or iiai ort v/urden. Messungen des Jideratendes ύΑϋχβΐΐ jeparators vor und nach dor Prägung ergaben eine ürhöhung um nuj? uen r&ktor C,46 nach dem Pressen, was angesichts der stärken Kompression 'Is uber.casch.end klein zu bezeichnen ist* ·0.2 mm thick grain or iiai place v / urden. Measurements of the jider rate ύΑϋχβΐΐ separator before and after the embossing resulted in an increase of nuj? uen r & ktor C, 46 after pressing, which in view of the strong compression 'Is uber.casch.end is to be called small * ·
'Beiapiel 2 ■ ■ 'Example 2 ■ ■
■Λη entsprechend dem Huster von Pig. 1 und 2 geprr.gter Separator \nrcde raib einem üblichen, nicht geprägten Separator ver~ glichen, und es ergub sich, dass der maximale Ladestrom bei der geprägten Ausführungsform des Separators im Vergleich zu der bisher üblichen .'.us führ uniform um einen-faktor 2 vergröesert v/erden konnte, v/as in der ^ü^tsache dem verbesserten Gasfluss zuzuschreiben ist. ■ Λη according to Pig's cough. The embossed separator 1 and 2 were compared to a conventional, non-embossed separator, and it turned out that the maximum charging current in the embossed embodiment of the separator compared to the previously usual one. Factor 2 could be increased, which is mainly due to the improved gas flow.
Ungeachtet der Beschreibung'-'der Erfindung in Verbindung mit Metäll/liUft-Batterien ißt der Bins atz der erfind ungsgemäss ausgebildeten Separatoren nicht; auf derartige Batberien beschränkt, Vielmehr lassen,sich diese Separatoren in'allen Arten von elektrochemischen Zellen einsetzen, die Separatoren enthalten, wie dies beispielsweise bei Blei/Säure-Batterien, bei alkalischen Batterien, bei Brennstoffzellen und dergl. der Fall ist. .Weder die Materialauswahl noch die konstruktion der erhabenen Partien oder die Auffindung einer brauchbtiren ,Herstellungsweise für die gestaltung der Separatoren bietet für den Fachmann ausgehend von der vorstehenden Beschreibung spezieller Falle irgendwelche Schwierigkeiten.Notwithstanding the description '-' of the invention in connection with Metal / liUft batteries eats the bins of those designed according to the invention Separators do not; limited to such batberies, Rather, these separators can be used in all types of electrochemical Use cells that contain separators, as is the case with lead / acid batteries, for example, with alkaline batteries Batteries, fuel cells and the like. Is the case. .Neither The choice of materials, the construction of the raised parts or the discovery of a custom, manufacturing method for the design of the separators offers for the expert starting any of the above description of specific cases Trouble.
PatentansprücheClaims
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Legal Events
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