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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein eine elektrochemische Zelle, und insbesondere
eine elektrochemische Zelle mit vergrößerter Anoden-Kathoden-Grenzfläche.
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Elektrochemische
Zellen werden gewöhnlich als
Spannungsquellen für
elektrisch betriebene Geräte
verwendet, besonders für
tragbare elektrisch betriebene Geräte. Gegenwärtig sind die verbreiteten alkalischen
Zellen vom im allgemeinen zylinderförmigen Typ in Industriestandardgrößen im Handel
erhältlich,
zu denen Zellen der Größe D, C,
AA, AAA und AAAA sowie weitere Größen und Konfigurationen gehören. Elektrochemische
Zellen, wie z. B. der obenerwähnte
Typ, stellen gewöhnlich
eine Spannungsquelle mit vorgegebener Ruhespannung bereit.
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Herkömmliche
zylinderförmige
alkalische Zellen weisen im allgemeinen einen zylinderförmigen Stahlbecher
auf, der an einem Ende mit einem positiven Deckel und am anderen
Ende mit einem negativen Deckel versehen ist. Die zylinderförmige Zelle weist
eine allgemein als Kathode bezeichnete positive Elektrode auf, die
oft aus einem Gemisch von Mangandioxid, Graphit, Kaliumhydroxidlösung, entionisiertem
Wasser und einer um die Innenfläche
des zylinderförmigen
Stahlbechers herum ausgebildeten TEFLON®-Lösung besteht.
Ein becherförmiges Trennelement
ist im allgemeinen zentral in einem inneren Zylindervolumen des
Bechers um die Innenfläche
der Kathode herum angeordnet. Eine gewöhnlich als Anode bezeichnete
negative Elektrode besteht typischerweise aus Zinkpulver, einem
Geliermittel und weiteren Zusatzstoffen und ist zusammen mit einer Elektrolytlösung innerhalb
des Trennelements angeordnet. Ein Beispiel einer herkömmlichen
zylinderförmigen
Zelle wird in US-A-5 501 924 offenbart.
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Herkömmliche
Zellen des obenerwähnten zylinderförmigen Typs
weisen gewöhnlich
eine einzige Anode und eine einzige Kathode auf die mit dem dazwischen
als Trennfläche
eingefügten
Trennelement in dem Stalilbecher enthalten sind. Gewöhnlich ist
die Kathode angrenzend an die Innenwand des Stahlbechers angeordnet,
während
die Anode innerhalb eines durch die Kathode definierten zylinderförmigen Volumens
angeordnet ist. Dementsprechend weist das Trennelement eine Anoden-Kathoden-Grenzfläche auf,
die allgemein durch die Form und Größe von Anode und Kathode definiert
wird. Bei der herkörmmlichen
Zelle ist die Anoden-Kathoden-Grenzfläche etwa gleich dem Flächeninhalt
der Außenfläche der
zylinderförmigen
Anode. Außerdem wird
die Anode im allgemeinen in Form eines Zylinders mit gleichmäßig gekrümmter Außenfläche parallel
zur Behälterwand
bereitgestellt, so daß die
Kathode nicht besonders bruchempfmdlich ist, wobei ein Bruch zu
einer Unterbrechung der Ionenleitung bzw. elektrischen Leitung innerhalb
der Zelle führen
kann.
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Ein
Hauptziel bei der Konstruktion alkalischer Zellen ist die Erhöhung der
Betriebsleistung, d. h. der Entladedauer der Zelle unter einer gegebenen Last
bis auf eine bestimmte Spannung, bei der die Zelle nicht mehr für ihren
vorgesehenen Zweck brauchbar ist. Im Handel erhältliche alkalische Zellen haben
gewöhnlich
eine Außenabmessung,
die durch Industrienormen definiert ist, wodurch die Fähigkeit zur
Vergrößerung des
nutzbaren Anteils der aktiven Zellenmaterialien begrenzt wird. Dennoch
bleibt die Notwendigkeit, neue Möglichkeiten
zur Erhöhung
der Betriebsleistung zu finden, das Ziel der Zellenkonstrukteure.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung verbessert die Leistung einer elektrochemischen
Zelle durch Bereitstellen einer Zelle, die eine vergrößerte Anoden-Kathoden-Grenzfläche aufweist,
um eine erhöhte
Betriebsleistung zu realisieren. Um diesen und weitere Vorteile
zu erzielen, und gemäß dem Zweck
der Erfindung, wie er hier ausgeführt und beschrieben wird, bietet
die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zelle mit einem
Behälter,
der ein geschlossenes untere Endes und ein offenes oberes Ende aufweist, wobei
innerhalb des Behälters
eine erste Elektrode angeordnet ist. Innerhalb der ersten Elektrode
sind mehrere Hohlräume
ausgebildet. In jedem der Hohlruäume
ist ein Trennelement angeordnet. In jedem der Trennelemente innerhalb
der mehreren Hohlräume
ist eine zweite Elektrode angeordnet. Mit jeder der zweiten Elektroden
ist ein Stromkollektor verbunden, und am offenen oberen Ende des
Behälters
ist ein Deckel mit einer Dichtungseinheit montiert. Gemäß einer
Ausführungsform
weist die erste Elektrode eine Kathode auf, während die mehreren zweiten Elektroden
jeweils eine Anode aufweisen.
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Diese
und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden
der Anwender der Erfindung und Fachleute beim Durchlesen der folgenden
Patentbeschreibung und der Ansprüche
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erkennen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen vertikalen Schnitt
einer erfindungsgemäßen elektrochemischen
Zelle entlang ihrer Längsachse;
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2 einen Querschnitt der elektrochemischen
Zelle von 1 entlang der
Linien II-II;
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3 eine Draufsicht des Behälters einer teilmontierten
Zelle mit einer Kathode, in der mehrere Hohlräume ausgebildet sind;
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4 eine auseinandergezogene
Darstellung der Zelle, die eine Deckel- und Dichtungseinheit mit
Stromkollektor zum Einsetzen in den Zellenbehälter zeigt;
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5 einen vertikalen Schnitt
einer elektrochemischen Zelle gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entlang ihrer Längsachse;
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6 einen Querschnitt der
in 5 dargestellten elektrochemischen
Zelle entlang den Linien VI-VI;
und
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7 ein Vergleichsdiagramm,
das die Betriebsleistung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle
im Vergleich zu einer herkömmlichen Zelle
darstellt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist eine elektrochemische
Zelle 10 dargestellt, die eine hier als Kathode bezeichnete erste
Elektrode und mehrere zweite Elektroden aufweist, die hier als Anoden
bezeichnet werden. Die Kathode dient zwar als positive Elektrode,
und die Anoden dienen als negative Elektroden, aber es dürfte erkennbar
sein, daß die
Lehren der vorliegenden Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen
beschränkt
sein sollen. Ferner ist zwar die hier dargestellte und beschriebene
elektrochemische Zelle 10 eine rylinderförmige alkalische
Zelle, aber es dürfte
gleichfalls erkennbar sein, daß die
Lehren der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Typen elektrochemischer
Zellen mit unterschiedlichen Größen und
Konfigurationen anwendbar sind.
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Die
elektrochemische Zelle 10 weist einen rylinderförmigen Stahlbecher 12 mit
einem geschlossenen unteren Ende und einem offenen oberen Ende auf.
Um die Außenfläche des
Stahlbechers 12 herum, mit Ausnahme seiner oberen und unteren
Enden, ist ein Etikett 14 aus metallisierter Kunststoffolie ausgebildet.
An dem geschlossenen Ende des Bechers 12 ist ein positiver
Deckel 16 angebracht, der vorzugsweise aus plattiertem
Stahl besteht und in seinem Mittelbereich einen vorstehenden Knopf 18 aufweist,
der den positiven Kontaktanschluß der Zelle 10 bildet.
Am offenen oberen Ende des Bechers 12 sind eine Deckel-
und Dichtungseinheit 40 und ein Außendeckel 30 befestigt,
der den negativen Kontaktanschluß der Zelle 10 bildet.
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Die
Kathode 20, die vorzugsweise aus einem Gemisch aus Mangandioxid,
Graphit, Kaliumhydroxidlösung
entionisiertem Wasser und einer TEFLON®-Suspension
besteht, wird um die Innenfläche des
Stahlbechers 12 herum ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung
weist die Kathode 20 mehrere darin ausgebildete Anodenhohlräume auf
beispielsweise vier Hohlräume 22A–22D,
die sich vorzugsweise über
die gesamte Länge
der Kathode 20 erstrecken. Jeder der Hohlräume 22A–22D kann durch
Bohren eines Lochs oder anderweitige Ausbildung eines Hohlraums
innerhalb der Kathode 20 geformt werden, so daß zwischen
den Anodenhohlräumen 22A–22D und
zwischen jedem Holraum und der Innenseite des Stahlbechers 12 ein
ausreichender Anteil der Kathode 20 zurückbleibt.
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Vier
becherförmige
Trennelemente 24A–24D,
die vorzugsweise aus einem Faservlies bestehen, das eine Wanderung
von Feststoffteilchen in der Zelle verhindert, sind innerhalb der
entsprechenden Anodenhohlräume 22A–22D so
angeordnet, daß die
Außenfläche jedes
Trennelements an der Innenfläche
der Kathode 20 anliegt. Die Trennelemente 24A–24D erstrecken
sich jeweils vorzugsweise durch die entsprechenden Anodenhohlräume 22A–22D und
können
eine überschüssige Menge Trennelementmaterial
aufweisen, das über
die Oberseite der Kathode 20 hinausreicht. In jedes der
becherförmigen
Trennelemente 24A–24D wird
eine Anode eingepreßt
oder auf andere Weise eingebracht und jeweils als eine der Anoden 26A–26D bezeichnet.
Demnach sind die entsprechenden Anoden 26A–26D an
der Innenfläche
der entsprechenden Trennelemente 24A–24D anliegend angeordnet. Jede
der Anoden 26A–26D kann
eine Gelanode aufweisen, die aus nicht amalgamiertem Zinkpulver,
einem Geliermittel und anderen Zusatzstoffen besteht und mit einer
Elektrolytlösung
vermischt wird, die aus Kaliumhydroxid, Zinkoxid und Wasser bestehen kann.
Es dürfte
erkennbar sein, daß verschiedene Anoden-
und Kathodentypen verwendet werden können, ohne von den Lehren der
vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Innerhalb
der Anoden 26A–26D ist
ein vierzinkiger Stromkollektor 28 mit vier leitfähigen Zinken 28A–28D angeordnet.
Jede der vier Zinken 28A–28D erstreckt sich
innerhalb einer der Anoden 26A–26D, um einen Kontakt
mit der Anodenzinkkonzentration herzustellen. Die vier leitfähigen Zinken 28A–28D sind
in leitendem Kontakt miteinander, so daß die Anoden 26A–26D elektrisch
miteinander und mit dem negativen Zellenanschluß verbunden sind. Dementsprechend
bildet der vierzinkige Stromkollektor 28 einen Leitungsweg
von der Zinkkonzentration in den jeweiligen Anoden 26A–26D zum
negativen Anschluß der
Zelle.
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Am
offenen Ende des Stahlbechers 12 ist die Deckel- und Dichtungseinheit 40 montiert,
die einen Verschluß der
Zelleneinheit 10 bildet. Die Deckel- und Dichtungseinheit 40 weist
einen inneren Dichtungskörper 34,
der Nylon enthalten kann, und einen inneren Metalldeckel 36 auf
der auf dem Dichtungskörper 34 angeordnet
ist. Der vierzinkige Stromkollektor 28 wird als Teil der
Deckel- und Dichtungseinheit 40 so vormontiert, daß die Zinken 28A–28D des Stromkollektors
durch Öffnungen
im inneren Metalldeckel 36 und im Dichtungskörper 34 hindurchgehen und
der Dichtungskörper 34 das
Auslaufen von aktiven Bestandteilen verhindert, die im Stahlbecher 12 enthalten
sind. Der Dichtungskörper 34 kommt
mit jeder Zinke 28A–28D des
Stromkollektors 28 in Kontakt, dichtet diese ab und bildet
ferner eine Dichtung innerhalb der Innenfläche am oberen Ende des Stahlbechers 12.
Ein äußerer negativer
Deckel 30, der vorzugsweise aus plattiertem Stahl besteht,
wird im Kontakt mit dem inneren Zellendeckel 36 angeordnet und
mittels der Schweißstelle 32 punktgeschweißt oder
auf andere Weise mit dem oberen Ende des Stromkollektors 28 verbunden.
Der äußere negative Deckel 30 wird
durch den Dichtungskörper 34 und
die Dichtung 35 elektrisch von dem Stahlbecher 12 isoliert.
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In 3 ist der Stahlbecher 12 in
Draufsicht in einem teilmontierten Zustand dargestellt und weist eine
Kathode 20 auf die im gesamten Volumen des Stahlbechers 12 angeordnet
ist und in der vier Anodenhohlräume 22A–22D vorgesehen
sind. Die vier Anodenhohlräume 22A–22D sind
als gebohrte oder auf andere Weise ausgebildete Hohlräume in der
Kathode 20 dargestellt und weisen genügend Kathodenmaterial auf,
das zwischen jedem der entsprechenden Hohlräume und zwischen jedem Hohlraum und
der Innenfläche
des Stahlbechers 12 verbleibt. Vorzugsweise wird ausreichend
Kathodenmaterial bereitgestellt, das die Seiten der Hohlräume umgibt, so
daß eine
optimale Reaktion der Zelle erzielt wird. Es dürfte erkennbar sein, daß die Hohlräume 22A–22D durch
Schlagpressen der Kathode innerhalb der Zellenbechers oder durch
Formen von zylinderförmigen
Ringen mit mehreren Hohlräumen
vor dem Einsetzen in den Becher geformt werden können.
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Wie
besonders aus 4 erkennbar,
ist der Stahlbecher 12 ferner mit becherförmigen Trennelementen 24A–24D und
Anoden 26A–26D dargestellt, die
in den entsprechenden Anodenhohlräumen 22A–22D montiert
sind. Außerdem
ist die den Stromkollektor 28, den inneren Deckel 36 und
den Dichtungskörper 34 enthaltende
Deckel- und Dichtungseinheit 40 dargestellt, wie sie innerhalb
des Stahlbechers 12 installiert wird. Die Deckel- und Dichtungseinheit 40 wird
vorzugsweise vormontiert und als eine Einheit so installiert, daß die Stromkollektorzinken 28A–28D im
Kontakt mit der Zinkkonzentration in den entsprechenden Anoden 26A–26D angeordnet
werden. Gleichzeitig wird die Deckel- und Dichtungseinheit 40 im
Preßsitz
in den oberen Abschnitt des Stahlbechers 12 eingesetzt,
um eine Dichtung zu bilden, wie für den Fachmann offensichtlich
sein dürfte. Nach
dem Einsetzen der Deckel- und Dichtungseinheit 40 wird
der äußere negative
Deckel 30 am oberen Ende des Bechers 12 angebracht,
und das obere Ende des Stahlbechers 12 wird umgefalzt,
um den äußeren negativen
Deckel 30 im Kontakt mit dem oberen Stromkollektor 28 festzuhalten.
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In
den 5 und 6 ist eine elektrochemische Zelle 10' nach einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die elektrochemische Zelle 10' weist einen
zylinderförmigen
Stahlbecher 12 mit einem geschlossenen unteren Ende, einem
offenen oberen Ende und einem Etikett 14 aus metallisierter
Kunststoffolie auf, das um die Außenfläche herum mit Ausnahme ihrer
Enden ausgebildet ist. Am geschlossenen Ende ist ein positiver Deckel 16 montiert
und besteht aus plattiertem Stahl mit einem vorstehenden Knopf 18 in
seinem Mittelabschnitt, der einen positiven Kontaktanschluß der Zelle 10' bildet. Nach
einer anderen Ausführungsform
ist im Innenvolumen des Stahlbechers 12 eine Kathode 40 vorgesehen,
in deren rylinderförmigem
Innenvolumen ein Hohlraum 42 vorgesehen ist. Die Kathode 40 der
Zelle 10' ist
besteht vorzugsweise aus einem Gemisch aus Mangandioxid, Graphit,
Kaliumhydroxidlösung,
entionisiertem Wasser und einer TEFLON®-Suspension.
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Innerhalb
des zylinderförmigen
Hohlraums 42 sind erste und zweite Trennelemente 44A bzw. 44B angeordnet,
die erste und zweite Anoden 46A bzw. 46B enthalten.
Das Trennelement 44A und die entsprechende Anode 46A werden
in übereinstimmenden
halbzylinderförmigen
Konfigurationen bereitgestellt. Ebenso sind das Trennelement 44B und die
entsprechende Anode 46B in übereinstimmenden halbrylinderförmigen Konfigurationen
angeordnet. Zwischen den flachen Wänden der Trennelemente 44A und 44B befindet
sich Kathodenmaterial, um für
Ionendurchgang und elektrischen Durchgang von der Kathode 40 und
im gesamten Volumen zwischen den Trennelementen 44A und 44B zu
sorgen. Gemäß einer
Ausführungsform
wird eine leitfähige Platte 50,
die vorzugsweise aus einem perforierten Metall besteht, zwischen
den flachen Oberflächen der
Trennelemente 44A und 44B eingepaßt und im Preßsitz an
der Kathode 20 befestigt. Die leitfähige Platte 50 weist
vorzugsweise eine Beschichtung aus aktivem Kathodenmaterial auf,
wie z. B. Mangandioxid, vorzugsweise vermischt mit Graphit und einem Bindemittel,
die an die leitfähige
Platte 50 gebunden ist. Die aktive Kathodenmaterialschicht
aus Mangandioxid stößt daher
an die Trennelemente 44A und 44B an, während die
leitfähige
Platte 50 für
elektrischen Durchgang von der Kathode 40 zu dem Mangandioxid
an der Anoden-Kathoden-Grenzfläche sorgt,
die entlang den flachen Abschnitten der Trennelemente 44A und 44B vorgesehen
ist.
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Die
ersten und zweiten Trennelemente 44A und 44B können aus
einem Faservlies bestehen, das in Form eines gebogenen Schlauchs 44 gestaltet
ist. Die leitfähige
Platte 50 mit der Mangandioxidschicht 52 kann
im Hohlraum 42 installiert werden, indem die leitfähige Platte 50 so
gegen den Mittelabschnitt des Trennelementschlauchs 44 gestoßen wird,
daß das schlauchförmige Trennelement
beim Einsetzen in den Hohlraum 42 verbogen wird. Die leitfähige Platte 50 preßt den Trennelementschlauch 44 an
den Boden des Stahlbechers 12 an und formt zwei Anodenfächer und
gleichzeitig eine Preßpassung
zwischen der Platte 50 und der Kathode 20. Außerdem könnte der
Trennelementschlauch 44 am Boden mit Paraffinwachs, einer
Dichtungsscheibe oder durch Verschweißen abgedichtet werden, um
das erste und das zweite Anodenfach voneinander getrennt zu halten.
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Die
elektrochemische Zelle 10' weist
ferner einen zweizinkigen Stromkollektor 48 mit einer innerhalb
der Anode 46A angeordneten Zinke 48A und einer
innerhalb der Anode 46B angeordneten zweiten Stromkollektor-Zinke 48B auf.
Die ersten und zweiten Zinken 48A und 48B des
Stromkollektors 48 können
aus einem einzigen leitfähigen
Draht oder einer leitfähigen
Folie bestehen und sind elektrisch mit dem negativen Anschluß der Zelle 10' gekoppelt.
Die Zelle 10' weist
entsprechend eine Deckel- und Dichtungseinheit 40 mit Dichtungskörper 34,
innerem Deckel 36 und einem daran montierten äußeren negativen
Deckel 30 auf.
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Die
elektrochemische Zelle 10' gemäß der anderen
Ausführungsform
könnte
ersatzweise aus zwei halbzylinderförmigen Trennelementen und Anoden
bestehen, wobei sich die Kathode 40 zwischen den Trennelementen
und der Innenfläche
des Bechers 12 und außerdem
anstelle der leitfähigen
Platte 50 mit Mangandioxidbeschichtung zwischen den Trennelementen
selbst erstreckt. Dies könnte
durch Ausbilden von zwei halbrylinderförmigen Hohlräumen in
einer zylinderförmigen
Kathode bewerkstelligt werden, so daß zwischen den beiden Hohlräumen Kathodenmaterial
vorhanden ist.
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Dementsprechend
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine alkalische Zelte 10 oder 10' bereitgestellt,
die im Vergleich zu der herkörmmlichen
Zelle mit Einzelanode/Einzelkathode eine vergrößerte Anoden-Kathoden-Grenzfläche aufweist. Durch
die mit der vorliegenden Erfindung realisierte Vergrößerung der
Anoden-Kathoden-Fläche
wird die Betriebsleistung vorteilhaft erhöht, besonders für eine elektrochemische
Hochleistungszelle. In 7 ist
die Leistungskennlinie 60 einer elektrochemischen Zelle 10 nach
einem Beispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur Leistungskennlinie 62 einer
herkömmlichen
Zelle mit Einzelanode dargestellt. Das in dem obenerwähnten Vergleichsbeispiel
verwendete Beispiel der elektrochemischen Zelle 10 enthält vier
Anodenfächer,
wie gemäß 1 der vorliegenden Erfindung
dargestellt, in einer Zelle der Standardgröße D, wobei die Anoden einen
Durchmesser von etwa 0,387'' (9,83 mm) aufweisen,
und ein Kathodenmaterial zwischen benachbarten Anoden von mindestens
0,134'' (3,40 mm) Dicke.
Die Menge der Anoden- und Kathodenmaterialien und der Elektrolytlösung blieb
in diesem Vergleichsbeispiel für
die erfindungsgemäße Zelle 10 und
die herkömmliche
Zelle gleich. Der Test wurde durch Entladen der Zellen bei Raumtemperatur
mit einer kontinuierlichen Stromentnahme von zwei Ampere ausgeführt. Die
Leistungskennlinie 62 veranschaulicht die erhöhte Betriebsleistung,
die auf die Vergrößerung der
Anoden-Kathoden-Grenzfläche
zurückzuführen ist.
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Hierin
wird zwar eine Zelle 10 oder 10' mit vier bzw. zwei Anoden dargestellt
und beschrieben, aber es dürfte
erkennbar sein, daß die
Lehren der vorliegenden Erfindung auf eine beliebige Gruppe von
mehreren Anoden anwendbar sind. Zum Beispiel kann gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Zelle mit fünf
zylinderförmigen
Anoden bereitgestellt werden, die in einer einzigen Kathode angeordnet
sind.
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Anwender
der Erfindung und Fachleute werden erkennen, daß an der Erfindung verschiedene Modifikationen
und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von dem offenbarten
Konzept abzuweichen. Der gewährte
Schutzumfang ist durch die Patentansprüche und durch die vom Gesetz
zugelassene Interpretationsbreite festzulegen.