DE628538C

DE628538C - Zinc-carbon element with alkaline electrolyte and air-depolarized carbon electrode

Info

Publication number: DE628538C
Application number: DE1930628538D
Authority: DE
Original assignee: NAT CARBON CO Inc; National Carbon Co Inc
Current assignee: NAT CARBON CO Inc; National Carbon Co Inc
Priority date: 1930-08-27
Filing date: 1930-08-30
Publication date: 1936-04-16
Also published as: GB366101A; NL34176C; FR701615A

Description

Die Erfindung betrifft ein Zink-Kjohle-Element mit alkalischem Elektrolyten und luftdepolarisierter Kohleelektrode, welche so schwach imprägniert ist, daß sie zwar von S Wasser, jedoch so stark, daß sie nicht vom Ätzalkalielektrolyten benetzt wird, und bei welchem das feste Elektrolytmaterial im Innern der Zelle angeordnet ist, die also lediglich durch Zusatz von Wasser gebrauchsfer-The invention relates to a zinc coal element with alkaline electrolyte and air-depolarized carbon electrode, which is so weakly impregnated that it is indeed of S water, but so strong that it is not wetted by the caustic alkali electrolyte, and with which the solid electrolyte material is arranged in the interior of the cell, so the only by adding water ready-to-use

vo tig gemacht wird.is done.

Es ist bereits bekannt, in einem galvanischen Element mit luftdepolarisierter Kohleelektrode diese so schwach zu imprägnieren, daß Depolarisation durch Luftsauerstoff eintritt, jedoch so stark, daß sie nicht oder nur sehr langsam den Elektrolyten aufsaugt. Es ist ferner bekannt, zum Imprägnieren von porösen Elektroden in galvanischen Elementen Kautschuklösungen zu verwenden.It is already known in a galvanic element with an air-depolarized carbon electrode impregnate them so weakly that depolarization occurs due to atmospheric oxygen, but so strong that it does not or only very slowly soaks up the electrolyte. It is also known for impregnating porous electrodes in galvanic elements To use rubber solutions.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, daß unter allen Umständen vermieden werden soll, daß die in bekannter Weise imprägnierte Kohleelektrode von reinem Wasser benetzt und so für die Luftdepolarisation unwirksam gemacht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das im wesentlichen aus festem, löslichem Hydrat eines Alkalihydroxydes, insbesondere aus dem Monohydrat des Natriumhydroxydes, bestehende feste Elektrolytmaterial unter Freilassung des Einfüllraumes für das Wasser um die Elektroden derart herumgegossen ist, daß das feste gegossene Elektrolytmaterial sich in einiger Entfernung vom Behälterboden befindet. Beim Einfüllen des Lösungswassers zur Inbetriebnahme der Zelle wird mithin die Kohleelektrode durch den herumgegossenen festen Elektrolyten vor der Berührung mit dem Wasser hinreichend lange geschützt, bis sich genügend Alkalihydroxyd im Wasser unter Bildung einer die Kohleelektrode nicht mehr benetzenden Ätzalkalilösung aufgelöst hat. Durch die Anordnung des festen, um die Elektroden herumgegossenen Elektrolytmaterials im oberen Teil des Behälters wird eine wirksame Selbstzirkulation und gute Durchmischung während des Auflösens erreicht. Damit auch der in die Luft hinausragende Teil der Kohleelektrode vor einer Benetzung mit Wasser geschützt wird, ist dieser Teil gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Elementes nach der Erfindung von einem Ventilationsdeckel umgeben. Um ferner auch das Behälterinnere gegen den Zutritt von Luftfeuchtigkeit und Kohlensäure zu schützen, solange das Element nicht in Gebrauch genommen wird, weist vorteilhaft der mit dem Behälter vergossene Deckel eine Füllöffnung auf, welche durch eine leicht zerbrechliche, mit dem Deckel aus einem Stück bestehende Membran verschlossen ist. Damit auch nach Zerstörung dieser Abschlußmembran der Elektrolyt gegen die nachteilige Wirkung des nunmehr möglichen Zutritts der Luftkohlensäure geschützt wird, ist schließlich zweck-The object underlying the invention is that under all circumstances to avoid that the impregnated in a known manner carbon electrode wetted by pure water and so for the Air depolarization is rendered ineffective. This object is achieved according to the invention solved that the essentially solid, soluble hydrate of an alkali hydroxide, in particular solid electrolyte material consisting of the monohydrate of sodium hydroxide is poured around the electrodes leaving the filling space for the water in such a way that the solid cast Electrolyte material is some distance from the bottom of the container. At the Filling in the solution water to start up the cell is therefore the carbon electrode by the solid electrolyte poured around it, protected from contact with the water for a long enough time until it there is no longer enough alkali hydroxide in the water to form a carbon electrode wetting caustic alkali solution has dissolved. By arranging the fixed to the Electrolyte material poured around electrodes in the upper part of the container becomes a effective self-circulation and good mixing achieved during dissolution. This also applies to the part of the carbon electrode protruding into the air before it is wetted is protected with water, this part is according to an advantageous embodiment of the Element according to the invention surrounded by a ventilation cover. To also that Protect the inside of the container against the ingress of humidity and carbon dioxide as long as it is the element is not used, the lid cast with the container advantageously has a filling opening on, which is made by an easily breakable one-piece cover with the lid Membrane is closed. So that even after the destruction of this terminating membrane, the electrolyte against the adverse effect of the is protected from the now possible access of the air carbonic acid, is ultimately

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mäßigerweise im Behälterinnern, z. B. auf dem Behälterboden, Kalk, Bentonit oder ein basenaustausdh.en.des Silicat angeordnet.moderately inside the container, e.g. B. on the container bottom, lime, bentonite or a base exchanges of the silicate.

Es sind bereits galvanische Zellen, insbesondere nach Art der Leclanche-Elemente, -bekannt, welche den Elektrolyten zunächst in fester Form enthalten und lediglich durch Zusatz von Wasser gebrauchsfertig gemacht werden. Bei diesen bekannten Zellen tritt j ει ο doch nicht die der .Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auf, daß der Zutritt des Füllwassers zu der von Wasser leicht benetzbaren, die Luftdepolarisation bewirkenden Kohleelektrode unter allen Umständen so lange vermieden werden muß, bis sich durch Auflösen des festen Elektrolytmaterials eine hinreichend starke Lösung gebildet hat, welche die Kohleelektroden zufolge ihrer Imprägnierung nicht mehr zu benetzen vermag und daher für diese »ο keine Gefahr mehr bildet.There are already galvanic cells, especially those of the Leclanche type, known, which initially contain the electrolyte in solid form and are made ready for use simply by adding water will. In the case of these known cells, the one on which the invention is based does not occur Task to ensure that the access of the filling water to that of water easily wettable, the Air depolarization causing carbon electrode avoided under all circumstances must be until a sufficient by dissolving the solid electrolyte material has formed a strong solution which the carbon electrodes do not due to their impregnation able to wet more and therefore no longer forms a danger for them.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht. The invention is illustrated in the drawings.

Fig. ι stellt einen Grundriß einer Batterie aus zwei hintereinandergeschalteten Elementen gemäß der Erfindung dar, wobei die Vergußmasse der Elektrodendeckel entfernt ist. Fig. 2 ist ein Teilschnitt nach Linie H-II von Fig. ι und zeigt einen Querschnitt durch die Elektroden und das Elektrolytmaterial an Ort und Stelle des einen Elements, während der Deckel, die Elektroden und das Elektrolytmaterial des anderen Elements entfernt sind. Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie HI-III von Fig. i.Fig. Ι represents a plan view of a battery composed of two elements connected in series according to the invention, wherein the potting compound of the electrode cover is removed. Fig. 2 is a partial section along line H-II of Fig. Ι and shows a cross section through the electrodes and the electrolyte material in place of the one element while the lid, electrodes and electrolyte material of the other element are removed. Fig. 3 is a section along line HI-III of Fig. I.

Eine neue Art der Elektrodenlagerung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Jedes Zellengefäß ist mit Paaren gegenüberliegender Nuten in den Seitenwänden versehen zur Aufnahme der Zinkelektrode 12. Zwischen diesen Nuten befindet sich, eine Nut 13, welche zur Lagerung einer Stange 15 dient, die in einen Schlitz 16 auf der Unterseite der Kohleelektrode 11 eingreift und letztere so stützt.A new type of electrode mounting is illustrated in FIG. Every cell vessel is provided with pairs of opposing grooves in the side walls for receiving the zinc electrode 12. Between these grooves there is a groove 13 which is used for storage a rod 15 is used, which is in a slot 16 on the underside of the carbon electrode 11 intervenes and supports the latter.

Nachdem die Elektroden an Ort und Stelle gebracht worden sind, wird wasserhaltiges Ätzalkali um die Elektroden herumgegossen. Dies geschieht durch Einsetzen einer geeigneten Form, welche auf einer Schulter 17 auf der Seite der Zellenwandung ruht. Diese Form erstreckt sich nach auswärts und oben, derart, daß der gegossene Block die in Fig. 2 gezeichnete Form aufweist. Bei Verwendung von Natriumhydroxyd sollte das Wasser nahezu einer Menge entsprechen, welche nicht mehr als 45 Gewichtsprozent des Natriumhydroxyds ausmacht und angenähert der Formel Na OH· H₂ O entspricht. Es wurde gefunden, daß beim Auflösen dieses Mono-¹ hydrates in Wasser zur Erzeugung der erwünschten 20- bis 25 °/_oigen Ätznatronlösung für das Element die Lösungstemperatur ungefähr 30⁰ C niedriger sein soll als die Temperatur, welche unter den nämlichen Bedingungen durch die Verwendung von wasserfreiem Ätznatron erzielt wird. Dies bietet einen wesentlichen Vorteil, da die Kohleelektrode bei Berührung mit dem heißen Elektrolyten beschädigt oder ihre Wirksamkeit verringert werden könnte.After the electrodes are in place, hydrous caustic alkali is poured around the electrodes. This is done by inserting a suitable mold which rests on a shoulder 17 on the side of the cell wall. This shape extends outward and upward so that the cast block has the shape shown in FIG. When using sodium hydroxide, the water should almost correspond to an amount which does not make up more than 45 percent by weight of the sodium hydroxide and approximately corresponds to _{the formula Na OH · H 2 O.} It has been found that hydrates upon dissolution of this ^mono-1 should be about 30 ⁰ C lower in water to produce the desired 20 to 25 ° / _o caustic soda solution for the item, the solution temperature than the temperature which under the same conditions by Use of anhydrous caustic soda is achieved. This offers a significant advantage since the carbon electrode could be damaged or its effectiveness reduced if it comes into contact with the hot electrolyte.

Das Umgießen der Elektroden mit dem Monohydrat hat unter anderem folgende Vorteile: Pouring the electrodes with the monohydrate has the following advantages, among others:

Das gegossene Ätznatron ist leicht löslich und nahe dem Deckel des Behälters angeordnet, so daß es rasch eine gleichmäßige Lösung bildet ohne die Notwendigkeit des Umrührens. Es hält ferner die Elektroden an Ort und Stelle fest und schützt so die verhältnismäßig zerbrechliche Kohleelektrode. Wenn das Ätznatron in Form- eines festen Blockes vorliegt, wird es sich viel langsamer lösen, als wenn es in feinerer Verteilung vorliegt, so daß infolgedessen auch eine niedrigere Lösungstemperatur erzielt wird, welche für die Kohleelektrode nicht schädlich ist. Überdies ist die imprägnierte Elektrode, obgleich undurchlässig für eine Lösung von Ätzalkali, nicht wasserdicht. Es ist daher wünschenswert, daß die Elektrode gegen die Berührung mit Wasser geschützt wird, bis eine beträchtliehe Menge des Ätzalkalis in Lösung gegangen ist.The poured caustic soda is easily soluble and placed near the lid of the container, so that it quickly forms a uniform solution without the need for stirring. It also holds the electrodes in place, protecting them relatively fragile carbon electrode. If the caustic soda is in the form of a solid block is present, it will dissolve much more slowly than if it is present in a finer distribution, so that as a result, a lower solution temperature is achieved, which for the carbon electrode is not harmful. Moreover, the impregnated electrode, although impermeable to a solution of caustic alkali, is not waterproof. It is therefore desirable that the electrode be against contact with Water is protected until a substantial amount of the caustic alkali has gone into solution is.

Die Zellen werden, wie in den Zeichnungen veranschaulicht, mit Deckeln versehen. Die Kohleelektrode erstreckt sich durch eine Öffnung 19 im Deckel, so daß der Sauerstoff in das Innere der Zelle diffundieren kann. Die Öffnung wird von einem Flansch 21 umgeben, welcher dazu dient, ein Dichtungsmaterial um die Kohleelektrode zu halten, so daß kein 10a Wasser in Berührung mit der Elektrode gelangen kann, sowie zum Festhalten eines Elektrodendeckels, falls ein solcher verwendet werden soll. Der Deckel 22 ist mit einer öffnung 23 zur Aufnahme einer Entlüftungskappe 24 · versehen. Die öffnung 23 dient ferner auch als Füllöffnung. Da es jedoch wünschenswert ist, die Batterie mit dem darin befindlichen Elektrolytmaterial zu verfrachten, und da letzteres hygroskopisch ist, ergibt sich die Notwendigkeit, jene Öffnung luftdicht zu verschließen. Dies kann durch Verwendung eines Stopfens oder einer Wachsentlüftungskappe geschehen, welche keine Öffnung aufweist, jedoch vorzugsweise durch Gießen einer Membran 25 über die Öffnung. Letztere besteht aus dem gleichen Material wie der Behälter, vorzugsweise einer plastischen Masse, welche von Ätzalkali nicht angegriffen wird. Die Membran ist dünn genug, daß sie leicht durchbrochen werden kann, wenn die Zelle in Gebrauch genommen wer-The cells are provided with lids as illustrated in the drawings. the Carbon electrode extends through an opening 19 in the lid so that the oxygen in can diffuse inside the cell. The opening is surrounded by a flange 21, which serves to hold a sealing material around the carbon electrode so that no 10a Water can come into contact with the electrode, as well as for holding an electrode lid, if one is used shall be. The cover 22 has an opening 23 for receiving a ventilation cap 24 · provided. The opening 23 also serves as a filling opening. Since it is, however it is desirable to move the battery with the electrolyte material contained therein, and since the latter is hygroscopic, there arises a need to make that opening airtight to close. This can be done by using a plug or a wax vent cap happen which has no opening, but preferably by casting a membrane 25 over the opening. The latter consists of the same material as the container, preferably a plastic one Mass that is not attacked by caustic alkali. The membrane is thin enough that it can easily be broken when the cell is put into use

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den soll. Jeder Deckel ist ferner mit Anschlußklemmen 26 und 26' an den Enden der Nuten 27 versehen. Um die notwendige Menge Wasser anzuzeigen, dient ein Indikator 28, welcher, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, aus einem nach abwärts gerichteten "Vorsprung vom Batteriedeckel besteht, der hinreichend dicht an der Entlüftungsöffnung 23 angeordnet ist, um durch diese hindurch sichtbar zu sein. Die Unterseite des Indikators entspricht dem Flüssigkeitsniveau, wenn die Batterie zum erstenmal in Gebrauch genommen wird. Die Verbindungen von den Zinkelektroden sind durch Kerben 30 des Deckels 22 hindurchgeführt. Die Verbindungen einer Batterie aus zwei Zellen verlaufen wie folgt: Die eine der Kohleelektroden ist mit dem Anschlußbolzen 26' verbunden. Die beiden Zinkelektroden der gegenüberliegenden Zelle sind zum Anschlußbolzen 26 geführt. Die Verbindungen 31 von den Zinkelektroden der Zelle, deren Kohleelektrode mit Anschlußbolzen 26' verbunden ist, sind mit der Verbindung 32 der Kohleelektrode der anderen Zelle verbunden, deren Zinkelektroden mit dem Anschlußbolzen 26 in Verbindung stehen. Beim Zusammenbau der Batterie werden die Zink- und Kohleelektroden in ihre Stellung gebracht, wobei die Kohleelektrode auf dem Stab 15 aufruht. Das Ätznatronmonohydrat wird dann um diese Elektroden herumgegossen und erhärten gelassen, worauf die Form entfernt wird. Eine kleine Menge Kalk wird auf den Boden einer jeden Zelle gebracht aus nachstehenden Gründen. Die Deckel werden dann aufgesetzt und die Verbindungen hergestellt. Nunmehr wird eine Vergußmasse in den Zwischenraum zwischen der Kohleelektrode und dem Flansch 21 eingegossen, desgleichen über die Verbindungsleitungen und um die Verbindungstelle zwischen Deckel und Zellenwand. Die Batterie ist dann zum Versand fertig. Wenn möglich, sollte die Batterie innerhalb zwölf Stunden nach dem Vergießen des Ätznatronmianoliydrates versiegelt werden, da sonst eine Wasseraufnahme stattfindet.the should. Each cover is also provided with terminals 26 and 26 'at the ends of the grooves 27 provided. To display the necessary amount of water, an indicator 28 is used, which, as can be seen from Fig. 3, consists of a downwardly directed "projection consists of the battery cover, which is arranged sufficiently close to the ventilation opening 23 is to be visible through them. The bottom of the indicator corresponds the liquid level when the battery is first used. The connections from the zinc electrodes are passed through notches 30 of the cover 22. The connections of a battery of two cells are as follows: One of the carbon electrodes is connected to the connecting bolt 26 'connected. The two zinc electrodes of the opposite cell are led to the connecting bolt 26. The connections 31 from the zinc electrodes of the cell, the carbon electrode with connecting bolts 26 'are connected to the connection 32 of the carbon electrode of the other cell, whose zinc electrodes are connected to the connecting bolt 26 are in connection. When reassembling the battery will be Put the zinc and carbon electrodes in place with the carbon electrode on the rod 15 rests. The caustic soda monohydrate is then poured around these electrodes and allowed to set, whereupon the mold is removed. A small amount of lime is placed on the bottom of each cell for the following reasons. The lids are then put on and the connections manufactured. A potting compound is now placed in the space between the carbon electrode and the flange 21, likewise over the connecting lines and around the junction between the lid and the cell wall. The battery is then to Ready to ship. If possible, the battery should be used within twelve hours of the Sealing of the caustic soda mianoliydrate potting otherwise water will be absorbed.

Gewünschtenfalls kann ein Elektrodendeckel 35 vorgesehen sein, welcher aus irgendeinem geeigneten Material besteht, um zu verhindern, daß von außen Wasser in Berührung mit der Kohleelektrode gelangt, da eine Benetzung dieser Elektrode ihre Wirksamkeit als Leiter des Sauerstoffes beeinträchtigt. Derartige Deckel dienen ferner dazu, Kurzschlüsse zwischen den Kohleelektroden und mithin die Zerstörung der Zellen zu vermeiden. Dieser Deckel ist mit jalousieähnlichen Öffnungen 36 versehen, welche den Luftzutritt um den oberen Teil der Elektrode herum gestatten. If desired, an electrode cover 35 can be provided, which of any suitable material is made to prevent water from coming into contact with the outside gets with the carbon electrode, since a wetting of this electrode is its effectiveness impaired as a conductor of oxygen. Such covers also serve to prevent short circuits between the carbon electrodes and thus avoid the destruction of the cells. This lid is louvre-like Openings 36 are provided which allow air to enter around the top of the electrode.

Wie oben erwähnt, wird in die Zelle vor dem Vergießen etwas Kalk eingebracht. Dies dient dazu, die Zinkkonzentration im Elektrolyten nach längeren Gebrauchszeiten zu verringern. Dieser Kalk kann natürlich auch durch die Entlüftungsöffnung zu einem Zeitpunkt eingefüllt werden, wo die Batterie bereits aufgestellt ist, oder sogar während des Betriebes der Batterie; aber das oben beschriebene Verfahren ist am bequemsten. An Stelle von Kalk können andere Materialien, wie Bentonit oder Zeolite, beispielsweise künstlicher Zeolit (Permutit), benutzt werden. Der Kalk oder die anderen Stoffe dienen dazu, um langsam mit dem Zinkkomplex zu reagieren, welcher im Laufe der Zeit entsteht, zwecks Bildung eines unlöslichen Niederschlages, wodurch die Zinkkonzentration verringert und die Lebensdauer der Batterie erhöht wird. Bei einer Zweizellenbatterie von 600 Ampere Stundenkapazität werden etwa 100 bis 500 g Kalk in jede Zelle gegeben.As mentioned above, some lime is placed in the cell before it is poured. this serves to reduce the zinc concentration in the electrolyte after long periods of use. This lime can of course also be filled in through the vent opening at a time when the battery is already in use is set up, or even while the battery is operating; but the one described above Procedure is most convenient. Instead of lime, other materials such as Bentonite or zeolites, for example artificial zeolite (permutite), can be used. Of the Lime or the other substances serve to react slowly with the zinc complex, which arises in the course of time, for the purpose of forming an insoluble precipitate, thereby reducing the zinc concentration and increasing the life of the battery. at a two-cell battery with a capacity of 600 amperes per hour will cost around 100 to 500 g Put lime in each cell.

Während ein aus Hartgummi oder einem anderen Isolierstoff bestehender Behälter beschrieben wurde, kann dieser aus irgendeinem alkaliwiderstandsfähigen Metall, z. B. Eisen oder Nickel, bestehen. In diesem Falle werden um die Zinkelektroden isolierende Zwischenstücke angeordnet. Es kann ferner ein Metalldeckel an Stelle des beschriebenen Dekkels aus Isoliermaterial verwendet werden, vorausgesetzt, daß die "Zinkelektroden und ihre Verbindungsleitungen in geeigneter Weise vom Deckel isoliert sind.While a container made of hard rubber or some other insulating material is described it can be made of any alkali-resistant metal, e.g. B. iron or nickel exist. In this case it will be arranged around the zinc electrodes insulating spacers. It can also be a Metal lids are used instead of the described lid made of insulating material, provided that the "zinc electrodes and their connecting leads are in suitable Way are insulated from the lid.

Claims

Patent claims:

i. Zinc-carbon element with alkaline electrolyte and air-depolarized carbon electrode, which is so weakly impregnated that it is of water, but so strong that it is not wetted by the caustic alkali electrolyte, and with which that solid electrolyte material is arranged inside the cell, which is only through Addition of water is made ready for use, characterized in that it consists essentially of solid, soluble Hydrate of an alkali hydroxide, in particular from the monohydrate of sodium hydroxide, existing solid electrolyte material leaving free the filling space for the water around the electrodes is cast around such that the solid cast electrolyte material is in some Distance from the container bottom.

2. Element according to claim 1, characterized in that the exposed to the air Part of the carbon electrode is surrounded by a ventilation cover.

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3 · Element according to claim ι and 2, consisting of a container, a lid and electrodes, the lid being encapsulated with the container, characterized in that that the lid has a filling opening, soft by an easily breakable, with the lid from one Piece of existing membrane is closed.

4. Element according to claim 1 to 3, characterized in that in the container, z. B. on the container bottom, lime, bentonite 'or a base-exchanging silicate is arranged.

1 sheet of drawings