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Galvanisches Element mit depolarisierendem Elektrolyten. Es herrscht
das Bestreben, bei Primärelementen die festen Depolarisatoren durch flüssige zu
ersetzen. Dies hat zwei wesentliche Vorteile: Einmal ist es nicht nötig, wie bei
festen Depolarisatoren, nach Verbrauch der aktiven Substanz jeweils das ganze Element
zu .ersetzen. Dann zeigen die flüssigen Depolarisatoren eine viel geringere Polarisation,
d. h. Spannungsabfall bei kontinuierlichem- Gebrauch, da durch Diffusion im Elektrolyten
immer wieder chemisch-aktive Teile an die Anode gelangen.
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Als Anode für solche Elemente, die mit depolarisierendem Elektrolyten
versehen sind, kommen begreiflicherweise nur Stoffe in Betracht, welche von diesen
nicht angegriffen werden. Diese gehören im wesentlichen den folgenden drei Gruppen
an: i. Gruppe: Edle, unangreifbare Metalle, wie Platin, z. Gruppe: Metalle, die
passiviert sind und daher nicht angegriffen werden, wie Chromnickelstahl, 3. Gruppe:
Graphit und Kahle.
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Die erste Gruppe scheidet wegen des hohen Preises aus den Verwendungsmöglichkeiten
aus.
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Die passiven Metalle der zweiten Gruppe zeigen, obwohl sie von dem
Elektrolyten nicht angegriffen werden, einen großen tibelstand; eben diese Passivierung
nämlich, welche die Unangreifbarkeit der Metalle erzeugt, bedingt bei der Depolarisation
einen so großen übergang swiderstand, daß die Depolarisation finit einem praktisch
unbrauchbaren Nutzeffekt vor sich geht.
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Die dritte Gruppe (Graphit und Kohle) zeigt wohl die übelstände der
beiden ersten Gruppen nicht, hat aber den großen Nachteil, daß bei relativ schwacher
Stromleitung Metallkontakte zur Stromableitung schwierig anzubringen sind, und daß
vor allem der Elektrolyt durch Diffusion immer an metallische Ableitungsstellen
gelangt, aus dem Elektrolytgefäß austritt und die Kontaktstellen zerstört. Wählt
man einen zu speckigen, dichten Graphit, der diese Nachteile weniger zeigt, so findet
keine gute Depolarisation statt, und die zu entnehmende Stromdichte ist zu klein.
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Bei dem vorliegenden Element gemäß der Erfindung wurde deshalb eine
neue Anodenausführung gewählt. Es wurde nämlich festgestellt, daß eine gute Depolarisation
erhalten wird, wenn ein in den Elektrolyten tauchendes passives Metall, an welchem
die Depolarisation aus Gründen großen übergangswiderstandes nicht stattfinden kann,
einfach im Elektrolyten selbst mit einem anderen Leiter erster Klasse in Berührung
gebracht wird, der diesen Übelstand der Depolarisationshemmung nicht zeigt. Dies
beruht darauf, daß bei der Berührung eines passivierten Metalls mit einem Leiter
erster Klasse, wie Kohle oder Graphit, nur sehr geringe übergangswiderstände und
diese jedenfalls nicht mehr hemmend in Erscheinung treten und daß ferner auch im
Elektrolyten ein übergangswiderstand
zwischen dem passiven Metall
und dem Leiter erster Klasse nicht vorhanden ist, so daß durch eine offene Berührung
dies passiven Metalls mit einem Leiter erster Klasse eine voll wirksame Anode geschaffen
wird. Praktisch geschieht dies so, daß das Elementgefäß selbst den anodischen Pol
bildet, indem es aus einem durch den Elektrolyten nicht angreifbaren Metall, z.
B. ChromnickeIstahl oder ausgebleitem Aluminium, besteht, welches ganz oder teilweise
mit einem ebenfalls unangreifbaren Leiter erster Klasse, wie z. B. Platin, Kohle
oder Graphit, ausgekleidet ist, an dem sich, wie bekannt, die Depolarisation ohne
Spannungsverluste vollzieht. Die innere Auskleidung des Elementgefäßes mit Platin
oder Kohle kann auf irgendeine passende Weise, gegebenenfalls durch chemische Abscheidung,
herbeigeführt werden.
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Da es sich ferner bei flüssigen Depolarisatoren immer um chemisch
sehr aktive Flüssigkeiten handelt, so hat ein Elektrolytelement praktisch nur Anwendungsmöglichkeiten,
wenn es hermetisch dicht verschlossen werden kann. Ein solcher hermetischer Verschluß
ist nur dann möglich, wenn weder beim Arbeiten noch im Ruhezustand des Elementes
Gase entstehen können. Man wird also zweckmäßig auch darauf Bedacht nehmen müssen;
daß man weder in der Ruhelage noch in der Betriebsstellung die geringste Gasentwicklung
zu befürchten hat, so daß das Element hermetisch verschlossen werden kann.
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-Da nun alle Depolarisatoren im wesentlichen Oxydationsmittel sind,
ist ein unmittelbarer Kontakt derselben mit der Zinkkathode. welche ein Reduktionsmittel
ist, ohne Selbstverbrauch nicht denkbar. Man hat also zweckmäßig das Element, damit
es sich in der Ruhelage nicht selbst verbraucht, und wenn man von der technisch
unbrauchbaren Anwendung eines Diaphragmas absieht, so zu bauen, daß die Flüssigkeit
nur im Arbeitszustande mit den Elektroden in Berührung kommt. Daraus ergibt sich
die Notwendigkeit, das Elementgefäß (im Gegensatz zum bekannten Kippen) als allseitig
geschlossenen, rohrförmigen Wendebehälter auszubilden, indem durch Wenden der Elektrolyt
von einem geschlossenen Ende nach dem andern behufs Erfüllung des Polzwischenraumes
hinüberfließen kann.
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Aus diesen Erwägungen heraus ist das galvanische Kippelement entstanden,
welches in der Zeichnung dargestellt ist.
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Das Elementgefäß, das selbst die Anode bildet, besteht in einem allseitig
geschlossenen, rohrförmigen Behälter a, der aus irgendeinem unangreifbaren Metall
besteht und beispielsweise aus Chromnickelstahl oder aus ausgebleitem Aluminium
hergestellt werden kann. Da an diesen beiden Matexialien nach obigen Ausführungen
eine Depolarisation nicht stattfinden kann, so ist der Behälter innen mit einem
anderen Leiter erster Klasse, an welchem die Depolarisation ohne Widerstand vor
sich geht, in Berührung gebracht. Zu diesem Zweck ist er an seinem oberen Ende mit
einem dicht eingepa.ßten, zylindrischen Kohlenring b ausgestattet. Sehr wesentlich
ist, daß eine solche Elektrode dauernd arbeitet, daß sich zwischen Kohle und Behältermetall
keine verbrauchten Elektrolytreste ansammeln, dort auskristallisieren oder Bleisalze
bilden und so Übergangswiderstände erzeugen. Aus diesem Grunde wird die Kohle zweckmäßig
derart mit Paraffin, Kunstharz oder einem ;ähnlichen Imprägnierstoff getränkt, daß
der Elektrolyt, nur an ihrer inneren Oberfläche zur Depolarisation mit der Kohle
in Verbindung kommt und nicht zwischen Kohle und Behältermetall eindringen kann.
Am oberen Ende ist der offene Rohrbehältera durch einen ebenfalls vom Elektrolyten
nicht angreifbaren Deckel c dicht verschlossen, der durch eine überwurfmutter d
auf den Elektrolytbehä.lter aufgepreßt wird. Am vorteilhaftesten wird als Material
für diesen Deckel ein passendes Kunstharzprodukt (Ävolith) verwendet. Als -Deckeldichtung
kann ein Bleischeibchen, ein Fett- oder ein Paragummiring e dienen, der so eingelegt
wird, daß er eine möglichst kleine Oberfläche gegen den Elektrolyten aufweist.
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Als Kathode dient am besten ein amalgamiertes Zinkkälbchen f, welches
koachsial in dem Kohlenring b angeordnet ist und das ebenfalls, wie die Kohle, nicht
aus dem Elektrolytraum herausgeführt wird. Die Stromableitung wird durch eine Schraube
g aus unangreifbarem Material (V2A) vermittelt, welche in der Mitte des Deckels
c angebracht ist. Das Zinkkälbchen f ist auf der Schrdubeg derart an die untere
Seite des Deckels c tierangeschraubt, daß es die Schraube vollständig verdeckt.
Der Elektrolytbehälter ist in seinem unteren freien Raum, der als Resen@eraum dient,
mit dem Elektrolyten gefüllt. Durch Wenden oder Kippen des Elementes gelangt dann
die Lösung aus dem Reserveraum in den oberen Elektrodenüberbrückungsraum, erfüllt
denselben vollständig und ruft dort die elektrochemische Stromerzeugung hervor,
wobei der eine Pol durch das Elementgefäß selbst gebildet wird, während der andere
Pol in der Schraube g besteht, die das Zinl&ölbchen f trägt.
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In der Zeichnung, in der das Element zugleich als elektrische Taschenlampe
ausgebildet ist, steht die Schraubeg mit dem Sokkelstück i in Verbindung, in welches
die Glühbirne k eingeschraubt ist, während der Zentralkontakt
k1
derselben über das vom Sockelstück 1 isoliert abstehende Kopfstück der Überwurfmutter
d mit dem Anodengefäß a in elektrischer Verbindung steht. Eine Schutzkappe
o mit Fensteröffnung für die Glühbirne k ist auf die überwurfmutter d abnehmbar
aufgesetzt.
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Das beschriebene Element ist hermetisch dicht verschlossen, liefert
sehr kontinuierlichen Strom und kann durch Auswechseln des Elektrolyten frisch beschickt
«-erden, wobei ein Zinkkölbchen immer mehrere Elektrolytfüllungen gushält. Damit
aus dem Elektrolyten keine unerwünschten Gase entstehen, ist dafür Sorge zu tragen,
daß der Säuregehalt- des Elektrolyten gegen den Gehalt an Oxydationsmitteln etwas
zurücksteht. Dadurch wird jeder entstehende Wasserstoff sofort depolarisiert. Sollte
die Verminderung des Säuregehaltes bei der gewünschten Kombination zur Erlangung
des erwähnten Zieles nicht ausreichen, so kann die Dissoziationswirkung der Säure,
z. B. durch Beimengung eines Salzes mit gleichem Anion wie die Säure, zurückgedrängt
werden, oder es kann das Salz einer schwächeren oder schwächer dissoziierenden Säure,
wie Borax, hinzugefügt werden. Ein in der angegebenen Weise zusammengesetzter Elektrolyt
wird beim Betrieb des Elementes keine Gase entstehen lassen, so daß das Ele= ment
hermetisch geschlossen werden kann. Dieser Elektrolyt kann vorteilhaft in konzentrierter,
halbflüssiger Form in Bleituben aufbewahrt werden, so daß es zur Beschickung des
Elementes genügt, ihn durch Mischung mit Wasser zu verflüssigen und gebrauchsfertig
zu machen.
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Die gezeichnete Ausführungsform zeigt eine Anordnung, bei welcher
das Zu- und Abfließen des Elektrolyten zu bzw. von dem Elektrodenüberbrückungsraum
durch bloßes Umdrehen des Gefäßes a erzeugt wird. Es könnte aber auch zwischen dem
Elektrodenüberbrückungsraum und dem Reserveraum ein Ventil angebracht sein, das
beim Kippen durch eine Anschlagvorrichtung betätigt wird oder sonstwie von außen
steuerbar ist, um die Verbindung vom Reserve- und Elektrodenüberbrückungsraum des
Gefäßes herzustellen bzw. zu unterbrechen, so daß das Element auch liegend aufbewahrt
werden könnte.
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Statt dieser Ausführung kann das Niveau des Elektrolyten auch durch
Einsenken eines unangreifbaren Verdrängers oder Plungers in denElektrodenüberbrückungsraum
übergeführt werden.
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Die Leistungsfähigkeit eines solchen Eleinentes ist proportional der
Konzentration des Elektrolyten. Wird dieser jedoch zu konzentriert gewählt, so entstehen
an der Kathode !Niederschläge und Abscheidungen, welche die Stromlieferung beeinträchtigen.
Durch Beimengung von zusätzlichen Chemikalien, wie z. B. Magnesium- und Aluminiumsalze
oder andere geeignete Salze, welche die Entstehung solcher Niederschläge zu verhindern
vermögen, kann auch in konzentrierter Lösung die Stromlieferung ungehemmt vor sich
gehen.