DE454587C

DE454587C - Galvanisches Element mit depolarisierendem Elektrolyten

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Publication number: DE454587C
Application number: DESCH80952D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1926-12-02
Filing date: 1926-12-03
Publication date: 1928-01-13

Description

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.
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.
Die erste Gruppe scheidet wegen des hohen Preises aus den Verwendungsmöglichkeiten aus.
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.
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.
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.
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.
-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.
Aus diesen Erwägungen heraus ist das galvanische Kippelement entstanden, welches in der Zeichnung dargestellt ist.
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.
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.
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.
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.
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.
Statt dieser Ausführung kann das Niveau des Elektrolyten auch durch Einsenken eines unangreifbaren Verdrängers oder Plungers in denElektrodenüberbrückungsraum übergeführt werden.
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.

Claims

P:1TE2TTAVSPRÜCHE: t. Galvanisches Element mit depolarisierendem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß das Elementgefäß (a) selbst den anodischen Pol bildet, indem es aus einem durch den Elektrolyten nicht angreifbaren Metall, z. B. Chromnickelstahl 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. a. Galvanisches Element nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle- oder Graphitauskleidung (b) des Elementgefäßes derart mit Paraffin, Kunstharz oder ähnlichen Imprägnierstoffen getränkt ist, daß ein Hinzutreten des Elektrolyten durch die Kohle hindurch zu deren Berührungsstelle mit dem Metall des Anodengefäßes verhindert wird. 3. Galvanisches Element nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das die Anode bildende Elementgefäß (a) als rohrförmiger, hermetisch dicht geschlossener Kippbehälter ausgebildet und der Elektrolyt derart beschaffen ist, daß er beim Betrieb des Elementes keine Gase entstehen läßt. 4. Galvanisches Element nach Anspruch i und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkopf des Rohrgefäßes (a) als mit der Kathode in Verbindung stehender Gewindestutzen (i) für eine Glühbirne (k) und als mit dem Anodengefäß verbundenes Kontaktstück für den Zentralkontakt (k1) derselben eingerichtet ist. 5. Galvanisches Element nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkkathode (f) nicht direkt durch die Gefäßwand herausgeführt ist, sondern zur Stromableitung eine in den isolierenden Verschlußdeckel (c) dicht eingesetzte Schraube (g) o. dgl. aus unangreifbarem :Metall dient, auf welcher die Zinkkathode (f) derart angebracht ist, da.ß sie die Schraube (g) o. dgl. vollständig abdeckt. 6. Galvanisches Element nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in konzentrierter, halbflüssiger ' Form in Bleituben aufbewahrt und zur Beschickung des Elementes verflüssigt wird. 7. Galvanisches Element nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß zur ungehemmten Stromlieferung bei Anwendung eines stärk konzentrierben Elektrolyten diesem solche zusätzlichen Chemikalien, wie z. B. Magnesium- und Aluminiumsalze, beigemengt werden, die eine Niederschlagsbildung an der Kathode zu verhindern vermögen.