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Hochleistungs-Füllelement Den bekannten Vorzügen der jährlich in vielen
Millionen Stück hergestellten Trockenelemente, wie ständige Betriebsbereitschaft,
äußerst bequeme Handhabung sowie Wegfall jeder Bedienung und Wartung, stehen bis
heute noch ganz erhebliche wesentliche Nachteile gegenüber, die ihre Verwendung
erheblich einschränken. Das Trockenelement vermag nur einen verhältnismäßig schwachen
Strom abzugeben, Spannung und Stromstärke nehmen schnell ab, besonders unmittelbar
nach der Einschaltung, es entladet sich in der Ruhe beträchtlich, einmal bevor man
es überhaupt in Gebrauch nimmt, dann während seiner Benutzung, und schließlich stellt
sich wirtschaftlich sein Betrieb sehr teuer im Vergleich zu der maschinell erzeugten
Elektrizität, denn sobald das Trockenelement entladen, d. li. vollkommen verbraucht
ist, wird es wertlos. Man hat deshalb in erster Linie ein großes Interesse daran,
die Leistungsfähigkeit, also die Kapazität eines Trockenelementes sowohl in bezug
auf seinen Herstellungspreis als auch sein Gewicht möglichst zu erhöhen, da der
größte Teil der Trockenbatterien als Stromquelle für tragbare elektrische Lampen,
Taschenlampen usw. benutzt wird. Danach soll ein Trockenelement auch sonst günstige
elektrische Eigenschaften, wie hohe Spannung, gleichmäßige Strom- und Spannungskurve
und geringen elektrischen Widerstand haben. In dieser Richtung ist in der Patentschrift
713 949 desselben Erfinders ein Hochleistungs-Trockenelement beschrieben worden,
das diesen Bedingungen weitgehend in bisher unübertroffenem Maße entspricht.
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Um weiterhin die in dem Trockenelement enthaltene Kapazität möglichst
vollkommen auszunutzen, muß
seine Selbstentladung möglichst klein
sein, vor und während seines Gebrauchs. In dieser Hinsicht läßt das in der Patentschrift
713 949 beschriebene Hochleistungs-Trockenelement noch zu wünschen übrig, indem
das vollkommen gebrauchsfertig hergestellte Element besonders vor seiner Ingebrauchnahme
immerhin eine gewisse, wenn auch kleine Selbstentladung zeigt. Das dort angegebene
Mittel, den inneren, als Masseträger und der Stromableitung dienenden Bleikern,
das sogenannte Gitter, nur in einigen wenigen Punkten an die vom Elektrolyt umgebene
Oberfläche kommen zu lassen, setzt die Selbstentlädung zwar wesentlich herab, ohne
sie jedoch ganz beseitigen zu können, und verhindert vor allem in keiner Weise die
vor der Ingebrauchnahme, wenn auch in geringem Umfang, so doch ständig wirksame
Selbstentladung.
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Schließlich muß das Trockenelement, um seine Wirtschaftlichkeit soweit
wie möglich zu erhöhen, nach erfolgter Entladung in einfachster Weise regeneriert
werden können, und zwar unter weitgehender Weiterverwendung seiner wesentlichen
Teile. Auch dieser Bedingung entspricht das Hochleistungs-Trockenelement gemäß der
Patentschrift 713 949 nur unvollkommen, denn der dort verwendete Elektrolyt, mit
Wasserglas gelatinös gemachte Schwefelsäure, erschwert das Auseinandernehmen und
die Weiterverwendung der einzelnen Elementeteile erheblich.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hochleistungs-Füllelement,
das in Fortentwicklung der in der Patentschrift 713 949 enthaltenen Gedankengänge
zu einem Trockenelement führt, das den vorstehend angegebenen Bedingungen sowohl
an größter praktisch ausnutzbarer Kapazität, geringer Selbstentladung, als auch
hoher Wirtschaftlichkeit in Anschaffung, Gebrauch und einfacher Bedienung weitgehend
entspricht.
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Zur Anwendung kommt wieder dieselbe galvanische Kombination Pb 02
Zn-H, S O4, aus den schon in der Patentschrift 713 949 angegebenen Gründen, wobei
wiederum almagamiertes, hochreines sogenanntesFeinzink als negative Elektrode benutzt
wird. Als Elektrolyt wird verdünnte Schwefelsäure von dem spezifischen Gewicht etwa
in den Grenzen 1,1 bis 1,3, je nach dem Verwendungszweck und der Belastung des Elementes,
benutzt. Diese wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein poröses, saugfähiges
Mittel, wie Fließpapier, Glaswolle, Zellstoff usw., in der Schwebe gehalten und
gibt dem Element damit die äußeren Eigenschaften des Trockenelementes mit seinem
sogenannten festen Elektrolyt.
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Die positive Elektrode aus Pb 02 wird verschieden ausgeführt, je nach
der Bestimmung des Elementes. Ist das Füllelement zur Abgabe mittlerer oder sehr
großer Stromstärken bestimmt, also für kurzzeitige Entladung, so besteht der Masseträger,
als Gitter oder Rahmen ausgeführt, zweckmäßig aus Hartblei, um eine gute Stromableitung
zwischen Masse und Gitter zu gewährleisten. In diesem Falle spielt die Selbstentladung
des Elementes während seiner Benutzung nur eine geringe Rolle.
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Dagegen ist eine Selbstentladung bei einer solchen mit Hartbleigitter
oder -rahmen ausgeführten Elektrode vor der Ingebrauchnahme aus folgendem Grunde
vorhanden: Die positiven Bleidioxydplatten werden vorher wie die positiven des Bleiakkumulators
gegen negative Bleiplatten, Bleibleche oder Bleischwammplatten aufgeladen, worauf
man sie nach Entfernung aus den Ladegefäßen und entsprechender Trocknung, d. h.
Abtropfenlassen der Säure, in das Füllelement einbaut. Nun enthält die Elektrode
jedoch in ihren Poren von der Ladung her noch genügend Säure, und zwar hoher Konzentration,
da die Säuredichte gegen Schluß der Ladung besonders in den Poren stark ansteigt.
Konzentrierte Schwefelsäure zieht aber bekanntlich Feuchtigkeit an, so daß die Poren
der Elektrode ständig verdünnte Säure enthalten werden, denn das mit der Zeit verdunstende
Wasser der verdünnten Säure wird bald oder sofort durch die Aufnahme der Luftfeuchtigkeit
ersetzt. Dies genügt, um auch bei ruhigem Stehen oder Liegen der positiven Elektroden
die Entwicklung eines Lokalstromes bzw. vieler kleiner Lokalaktionen zwischen Metallgitter
und aktiver Masse und dadurch die Selbstentladung der Elektroden zu ermöglichen.
Eine solche Elektrode wird daher ihre Kapazität bei längerer Lagerung oder Stehenbleiben
an der Luft durch Selbstentladung verlieren, wie die Erfahrung lehrt. Außerdem wird
der in den Poren enthaltene Elektrolyt, sobald man die Elektrode in das Füllelement
einbaut, unter Anbringung von trockenem, saugfähigem Stoff wie Fließpapier oder
Glaswolle zwischen den Elektroden von diesem Stoff zum Teil herausgezogen, und das
Element wird auch im stromlosen Zustande Spannung zeigen und sich, wenn auch langsam,
entladen.
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Um a11 dies zu verhüten, sowohl die Selbstladung der positiven Elektrode
für sich vor ihrem Einbau in das Füllelement als auch nachher, muß man gemäß der
vorliegenden Erfindung die nach der Aufladung in der positiven Elektrode zurückbleibende
Säure entfernen. Man stellt die Elektrode zu diesem Zweck nach beendeter Aufladung
längere Zeit in Wasser, wässert sie also, nötigenfalls unter Erneuerung des Wassers,
so daß praktisch nurWasser in den Poren zurückbleibt. Trocknet man diese gewässerten
Elektroden an einem mäßig warmen Ort, so wird dadurch praktisch alle Feuchtigkeit
und Säure aus ihren Poren entfernt, und es bleibt eine vollkommen, auch in ihren
Poren trockne Elektrode zurück, die dann, auf Lager befindlich, also vor ihrem Einbau
in das Element, zu einer Selbstentladung keine Veranlassung geben kann. Man stellt
dies leicht dadurch fest, daß man ein solches ans vollkommen trockenen Elektroden
zusammengebautes Füllelement mit einem empfindlichen Voltmeter von hohem Widerstande
prüft, wobei das Element auch nach längerer Lagerung im stromlosen Zustande, also
vor Einfüllung des Elektrolyten, keine Spannung anzeigen darf.
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Soll ein solches Element betriebsfertig gemacht werden, dann füllt
man Elektrolyt der richtigen Dichte, abhängig von dem Verwendungszweck, ein, soviel
das Element in seinem Füllmittel, z. B. Glaswolle, und in den Poren der aktiven
Masse aufzunehmen vermag, worauf das Element sofort Spannung zeigt und in Gebrauch
genommen werden kann.
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Ist das Element dagegen zur Lieferung nur schwacher
oder
sehr schwacher Ströme bestimmt, also in langfristiger Entladung bis zu mehreren
ioo bis iooo Stunden und mit großen Betriebsunterbrechungen, so muß man auf die
Selbstentladung während dieser langen Zeiträume Rücksicht nehmen. In diesem Falle
kann man als Masseträger bei runden Elektroden gemäß Patentschrift 713 949 einen
Bleikern von runder oder eckiger Form benutzen, ohne oder mit geeigneten Vorsprüngen
zum Festhalten der Masse, die jedoch überhaupt nicht oder nur in einzelnen Punkten
an die Oberfläche kommen. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit, um vor allem
ein Abfallen der aktiven :Masse zu verhüten, kann die Elektrode auch mit einem äußeren
perforierten '.Mantel aus isolierendem, säurebeständigem Stoff, wie Celluloid, Hartgummi
od. dgl., umgeben werden.
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Um jedoch diesen Zweck der Verminderung der Selbstentladung noch vollkommener
zu erreichen, unter gleichzeitiger Verbesserung der mechanischen Festigkeit, d.
h. der Haltbarkeit der aktiven Masse, wird die positive Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung etwa in der nachstehend im einzelnen erläuterten Weise hergestellt.
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Die Zeichnungen stellen eine Anzahl Ausführungsbeispiele dar.
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Fig. i zeigt-einen 'Masseträger mit Masse im senkrechten Längsschnitt,
Fig. 2 die Oberansicht des zugehörigen Gitters; Fig. 3 ist die Ansicht einer andern
Ausführungsform des Gitterträgers; Fig.4 zeigt ein zusammengesetztes Element im
senkrechten Schnitt und Fig. 5 den waagerechten Schnitt nach Linie 5-5 in Fig. 4
; Fig. 6 ist der senkrechte Schnitt durch ein weiteres Beispiel und Fig.7 zur einen
Hälfte ein waagerechter Schnitt nach Linie 7-7 in Abb. 6 und zur andern die zugehörige
Oberansicht; Fig.8 ist ein senkrechter Schnitt durch ein abweichend ausgeführtes
Element und Fig. 9 ein anderes Beispiel des Masseträgers in Ansicht; , Fig. io ist
die Oberansicht dazu und Fig. ii ein waagerechter Schnitt durch einen Masseträger
anderer Ausführung; Fig. 12 ist ein senkrechter Schnitt durch ein anderes Beispiel
eines Elementes und Fig. 13 ein waagerechter Schnitt durch ein anderes Beispiel;
Fig. 14 ist ein senkrechter Schnitt mit Ansicht eines zehnten Beispiels und Fig.
15 ein waagerechter Schnitt nach Linie i5-15 in Fig. 14; Fig. 16 und 17 zeigen ein
Gitterwerk in Seiten- und Stirnansicht in noch anderer Ausführung; Fig. 18 ist ein
waagerechter Schnitt nach Linie 18-18 in Fig. i9 und diese ein senkrechter Schnitt
nach Linie i9-ig in Fig. 18 als Beispiel eines Doppelelementes; Fig. 2o zeigt ebenfalls
ein Beispiel für ein Doppelelement in Ansicht mit Schnitt durch das Gehäuse, für
Taschenlampenbatterien geeignet; Fig. 21 ist ein waagerechter Schnitt dazu nach
Linie 21-21 in Fig. 20, und Fig. 22 ist ein senkrechter Schnitt durch ein :solches
Element nach Linie 22-22 in Fig. 2o.
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Nach Fig. i dient als Masseträger eine Rolle r aus isolierendem, säurebeständigem
Kunststoff mit zwei Endscheiben zur Aufnahme der aktiven Masse ra, wobei die obere
Scheibe einen mittleren Ansatz a besitzt zur Aufnahme der der Stromabnahme dienenden
Kappe k. Die aktive Masse wird wie üblich auf die Rolle y aufgetragen und mit ihr
durch Formierung verbunden.
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Für die Stromzu- und -ableitung benutzt man ein Gestell oder eine
Art Käfig g aus Hartblei oder einem verbleiten Metalldraht, wie Eisen, Aluminium
od. dgl., von der in Fig. 2 dargestellten Form. Dieser Käfig wird bei der Herstellung
der Rolle r durch Spritzguß in sie eingepreßt, mit ihr also mechanisch verbunden,
so daß er bis auf die geraden Mantelstäbe, parallel der Zylinderachse, vollkommen
von dem Kunststoff umgeben, also in ihn eingebettet ist. Die der Stromabgabe dienende
Kappe k ist in der aus Fig. i ersichtlichen Weise mit dem Gestell g leitend verbunden.
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Man kann die Stromableitung zwischen der Kappe k und der einen Zylinder
bildenden aktiven Masse aber auch statt des in Fig. i und 2 dargestellten Gestells
oder Käfigs g in anderer geeigneter Weise ausführen. So wird hierzu z. B. nach Fig.
3 ein den inneren Kern der Rolle r umgebender, um ihn in mehreren Windungen gewickelter
Draht d aus Blei oder verbleitem Metall benutzt, der oben mit der Kappe k leitend
verbunden ist. Da die aktive Masse den Draht d ganz umgibt, ist ein guter metallischer
Kontakt zwischen ihr und der Kappe k hergestellt.
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Diese leitende Verbindung zwischen der aktiven Masse m und
der Kappe k kann offensichtlich auch in anderer geeigneter Weise ausgeführt
werden, wobei immer die wesentliche Bedingung erfüllt sein muß, daß die Masse in
ihrem Inneren möglichst weit von dem ihre Oberfläche umgebenden Elektrolyt entfernt,
mit den der Stromableitung dienenden Teilen leitend verbunden ist, so daß diese
vollkommen von der aktiven Masse umgeben, dagegen vor der Berührung mit dem Elektrolyt
geschützt sind. In diesem Falle ist die Entstehung irgendeines Lokalstromes zwischen
der aktiven Masse und den der Stromableitung dienenden Metallteilen, Draht od. dgl.
ausgeschlossen. Man kann z. B. den Kern des Masseträgers mit einem dünnen Blech,
einer Folie aus Blei oder verbleitem Metall umgeben oder kann die innere Kernoberfläche
auf galvanischem Wege mit einem dünnen Überzug von Blei umgeben, der durch die Masse
des Masseträgers hindurch mit der oberen Kappe verbunden ist.
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Das Einfüllen des Elektrolyts kann in verschiedener Weise erfolgen.
Entweder man gießt den Elektrolyt aus einem Gefäß, z. B. einer Glasflasche, in.
das Füllelement in solcher Menge ein, bis die Füllmasse ihn vollkommen aufgesogen
hat; hierauf wird das Element oben geschlossen, wobei indessen in der von den Trockenelementen
her bekannten Weise gewisse Öffnungen in dem oberen Verschluß des Elementes belassen
werden, um beim Arbeiten des Elementes sich
bildenden Gasen freien
Weg nach außen zu ermöglichen. Es kann aber auch in bestimmten Fällen zweckmäßig
sein, den zur Füllung des Elementes nötigen Elektrolyt gleich in einem besonderen,
mit dem Elementgefäß verbundenen Behälter unterzubringen, um so einmal das Element
von der Zuführung des Elektrolyts von außen her unabhängig zu machen, dann auch,
um beim Einfüllen der Säure ein Verschütten und dadurch bewirktes Beschädigen von
Sachen, wie Kleidungsstücken, zu verhüten. Der Elektrolyt kann zu dem Zweck in einem
besonderen oberhalb; unterhalb oder seitlich zu dem die Elektroden enthaltenden
Behälter angebrachten Gefäß untergebracht werden, das bei der Inbetriebnahme des
Elementes durch ein Ventil, einen Hahn oder eine andere geeignete Vorrichtung mit
dem Elementbehälter in Verbindung gebracht wird, worauf der Elektrolyt in den Elementbehälter
einfließt. Auch kann man das Elektrolytgefäß aus zerbrechlichem Stoff, wie Glas,
herstellen und durch seine Zertrümmerung mittels Einwirkung von außen den Elektrolyt
bei der Inbetriebsetzung des Elementes in den Elementbehälter zum Einfließen bringen.
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Eine derartige Anordnung mit besonderem Elektrolytbehälter zeigen
Fig. 4 und 5. Das aus der z. B. dreiteiligen Positiven p und der sie mantelförmig
umgebenden Zinkelektrode z bestehende Element befindet sich hierbei in dem eigentlichen
Elementbehälter e, der mit dem seitlich angebrachten, der Aufnahme des Elektrolyts
dienenden besonderen Gefäß f organisch verbunden ist; d. h. die beiden praktisch
aus einem Stück angefertigten Behälter e und f sind durch die mittlere Scheidewand
s' voneinander getrennt und stehen nur durch die in dieser angebrachte Öffnung o
miteinander in Verbindung. Der Elementbehälter e, in dem die beiden an dem oberen
Einsatz oder Deckel d' befestigten Elektroden p und z, z. B.
durch
Glaswolle, voneinander und von der Gefäßwand getrennt sind, wird durch diesen Deckel
d' verschlossen. Ein ihn durchdringendes Entgasungsröhrchen g' sorgt dafür, daß
beim Arbeiten des Elementes entstehende Gase nach außen entweichen können.
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Der zur Aufnahme des Elektrolyts dienende Behälter f ist dagegen bis
auf die beiden einander gegenüberliegenden Öffnungen o, o' vollkommen nach außen
geschlossen. Die äußere Öffnung o' ist mit einem Gewindering s" versehen, durch
den man den aus säurefestem Isolierstoff, z. B. Hartgummi, bestehenden und an seinem
Kopf mit Gewinde versehenen Stift s, der zweckmäßig leicht konisch geformt ist,
von außen einführen und befestigen kann. Das konische Ende des Stiftes s dringt
durch die Öffnung o und schließt sie fast vollkommen, obwohl ein vollkommen flüssigkeitsdichter
Verschluß nicht notwendig ist.
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Das Element wird nun in der Weise fertiggestellt, daß zunächst die
Elektroden p und z mit dem sie tragenden Deckel d' in den Elementbehälter
e eingesetzt werden, nachdem die erforderliche Glaswolleschicht zwischen
die Elektroden eingebracht ist. Nunmehr wird, bevor der Stift s in den Füllraum
f eingeschraubt wird, durch einen Trichter entweder bei geneigter Stellung des gesamten
Elementbehälters e, f oder durch einen Trichter mit entsprechend gebogenem bzw.
gekrümmten Rohr der Elektrolyt in genügender Menge in den Raum f eingefüllt und
dieser durch den Stift s vollkommen verschlossen. Nunmehr ist das Element bis zur
Ingebrauchnahme fertig, kann verschickt und beliebig lange auf Lager gestellt werden.
Auch während des Transportes, in geneigter Lage des Elementes, selbst wenn es auf
dem Kopf steht, ist ein Austritt des Elektrolyts in den Elementbehälter e unmöglich,
da der durch den Schraubstift s nach außen vollkommen geschlossene Behälter f einen
Austritt des Elektrolyts durch die Öffnung o in den Elementraum e unmöglich macht.
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Soll nun das Element zum Gebrauch fertiggemacht werden, so legt man
es zweckmäßig waagerecht auf die Längsseite 1, so daß sich der Stift s in senkrechter
Lage befindet, und schraubt ihn heraus, so daß jetzt Luft durch die Öffnung o' in
den Behälter f eintreten kann, während die Öffnung o freigegeben wird. Nunmehr fließt
der Elektrolyt unter dem Einfluß der Schwerkraft durch die Öffnung o in den Elementbehälter
e, wobei die in diesem befindliche Luft durch das Entgasungsrohr g' entweichen kann.
Der Elektrolyt füllt langsam den mit Glaswolle gefüllten Elektrodenraum aus und
wird von ihr aufgesaugt. Ist der ganze Elektrolyt in den Elementbehälter e eingeflossen,
so wird das Element in seine normale Stellung zurückgebracht und der Behälter f
wieder durch Einführung des Stiftes s verschlossen. Jetzt arbeitet das Element wie
ein normales Trockenelement bis zur Erschöpfung der in der Positiven p aufgespeicherten
Ladung bzw. Kapazität.
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Ist das Element vollkommen entladen, so wird es zwecks Regenerierung
zur Fabrik zurückgeschickt. Dort wird der Deckel samt den Elektroden aus dem Elementbehälter
e herausgenommen und die Zinkelektrode, die zweckmäßig so schwach gewählt ist, daß
sie nur eine Entladung aushält, von der sie tragenden und am Deckel d befestigten
Stromzuführung gelöst. Danach wird die Glaswolle entfernt und die Positive in besonderen
Ladegefäßen wieder aufgeladen (gegen negative Bleibleche). Hierauf erfolgt die Trocknung
der positiven Elektrode, wobei zunächst die in den Poren ihrer aktiven Masse befindliche
Säure bzw. Zinksulfatlösung durch Wässern entfernt wird, danach das in den Poren
verbliebene Wasser durch langsames Trocknen in mäßiger Wärme. Nunmehr, nach völliger
Trocknung der Elektrode, wird eine neue Glaswollefüllung eingebracht und eine neue
Zinkelektrode eingesetzt. Nachdem schließlich der Deckel mit den daran befestigten
Elektroden wieder in den Behälter e eingesetzt, dieser oben abgedichtet und frischer
Elektrolyt in den Behälter f eingefüllt ist, wird der Verschlußstift s eingeschraubt,
und das Element ist wieder vollkommen gebrauchsfertig. Es besitzt wieder seine volle
Kapazität, kann verschickt und erneut benutzt werden.
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Wie sich hieraus ergibt, braucht man zu diesem Zweck der Erneuerung
der vollen Ladung nur die Positive aufzuladen sowie die Glaswollefüllung, die Zinkelektrode
und den Elektrolyten zu erneuern, was alles nur geringfügige Kosten macht. Denn
einmal verursacht die gleichzeitige Aufladung einer größeren Zahl von Elektroden
durch billigen Kraftstrom unter voller Ausnutzung der Ladespannung nur sehr geringe
Kosten.
Ebenso ist die Erneuerung der Glaswolleladung, falls nicht ein anderes billiges
Füllmaterial, z. B. Fließpapier, dazu verwendet wird, ferner der Einsatz einer neuen
Zinkelektrode, die nur für eine Entladung zu halten braucht, und das Einfüllen eines
neuen Elektrolyts, einer 5 bis io%igen Schwefelsäurelösung, nur mit äußerst geringen
Unkosten verknüpft. Demgegenüber bleiben die wertvollen Teile, die positive Elektrode
und der Elementbehälter, die den Hauptanteil der Herstellungskosten des Elementes
ausmachen, vollkommen erhalten und können, wie die Erfahrung beweist, viele ':Male,
2o- bis 50mal und mehr, benutzt werden. Denn es ist bekannt, daß z. B. positive
Elektroden bei geringer Strombelastung ioo- bis 200mal und mehr ohne merklichen
Verlust an Kapazität verwendet werden können. Auch dann ist das zu ihrer Herstellung
benutzte Blei nicht verloren, sondern kann als Altblei durch Umschmelzen wieder
zu neuen Elektroden verarbeitet werden.
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Es ist ersichtlich, daß auf diese Weise die Betriebskosten des heutigen
Trockenelementes unter Einrechnung aller bei der Regenerierung, Erneuerung der Ladung
entstehenden Unkosten auf einen Bruchteil der heutigen, d. h. seiner Anschaffungskosten,
praktisch bis auf den dritten bis vierten Teil verringert werden. Damit ist der
wirtschaftliche Hauptnachteil des bisherigen Trockenelementes, seine hohen Betriebskosten,
auf ein äußerst geringes Maß herabgesetzt, von den technischen Vorzügen des neuen
Elementes, wie hohe Spannung, gleichmäßige Strom- und Spannungskurve, hohe spez.
Kapazität im Verhältnis zum Gesamtgewicht, vollkommen abgesehen.
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Nun hat man allgemein ein großes Interesse daran, die aktive Masse
zwecks guter Ausnutzung in nicht zu dicker Schicht anzuordnen, damit der Elektrolyt
leichter in ihre nicht an der Oberfläche oder dicht unter ihr befindlichen Schichten
eindringen kann. Aus diesem Grunde gibt man bekanntlich im Akkumulatorenbau den
Elektroden zwecks guter Ausnutzung der Masse große Oberfläche, d. h. benutzt dünne
Platten. Offenbar werden bei runder bzw. walzenförmiger Ausführung der Elektrode
die unmittelbar am Kern gelegenen Schichten am wenigsten ausgenutzt. Ordnet man
daher die aktive Masse auf einem nicht zu dicken Zylindermantel an und sorgt dafür,
daß der Elektrolyt auch von der Innenseite aus die aktive Masse berührt, also in
sie eindringen kann, so wird man zu einer wesentlich besseren Ausnutzung der aktiven
Masse, d. h. Erhöhung der Kapazität in Ah kommen. Man benutzt zu dein Zweck
gemäß Fig. 6 und 7 als Kern bzw. Masseträger eine mit einer inneren Höhlung h versehene
Rolle y, deren zylindrische Innenwand ebenso wie die bekannten Isolatoren oder Scheider
im Akkumulatorenbau perforiert ist, um dem Elektrolyt freien Zutritt auch zu der
inneren Oberfläche der Elektrodenmasse zu geben. Der Innenraum h der Elektrode wird
nach ihrer Herstellung bzw. Formierung mit demselben porösen Stoff, wie Fließpapier,
Glaswolle od. dgl., gefüllt, der auch sonst zur Füllung des Elementes besonders
zwischen den Elektroden verwendet wird.
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Um den in dieser Höhlung h enthaltenen Elektrolyt in möglichst gute
Verbindung mit dem im übrigen Element befindlichen zu bringen, versieht man die
obere Endscheibe, die den mit der Kappe k versehenen Ansatz a trägt, mit entsprechenden
Aussparungen oder Löchern r', ferner die unten auf dem Boden des Elementes ruhende
Endscheibe r mit radialen Rillen oder Nuten r", um die beiden Elektrolytmengen in
der Höhlung und außerhalb miteinander in Verbindung zii bringen, damit sie sich
durch Diffusion miteinander ausgleichen können. Auf diese Weise werden ferner die
Stromlinien bzw. Stromfäden von der inneren Oberfläche der Zinkelektrode z nicht
nur zu der äußeren Zylinderfläche der aktiven Masse übergehen, sondern auch oben
und unten um die aktive Masse herum durch die Löcher und Rillen in den Innenraum
h der Elektrode eindringen und sie auf diese Weise auch nutzbar machen.
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Den übrigen Aufbau eines solchen Hochleistungs-Füllelementes zeigt
Fig. 8 im Querschnitt. Die zylindrische positive Elektrode p befindet sich im Innern
des Zinkbechers z, der in der von den bisher bekannten Trockenelementen her bekannten
Weise ausgeführt ist, nach :Möglichkeit als nahtloser Becher.
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Außen trägt der Zylinder eine isolierende Hülle aus Papier, Pappe,
Lackpappe od. dgl. Die auf dem Boden des Zinkbechers ruhende positive Elektrode
wird nach oben unter Belassung eines sogenannten Gasraumes durch die Isolierscheibe
i abgedeckt, wobei eine an ihrer Unterfläche angebrachte Gummischeibe i' für die
notwendige Abdichtung sorgt. Durch den Deckel d' aus säurebeständigem Isolierstoff,
der einmal mit seinem unteren Vorsprung auf der Isolierscheibe i, weiterhin mit
seinem äußeren Absatz i" auf dem oberen Rand des Zinkbechers ruht, erhält das Element
seinen Abschluß nach oben. Durch die Mutter m3, die auf dem oberen Gewinde des Ansatzes
a ihre Führung findet, werden die beiden Isolierteile i und d' miteinander
verbunden, wobei sie eine Kammer d" bilden. Durch die eingesetzten Entgasungsrohre
g' und g" wird auf der einen Seite eine wirksame Entgasung des Elementes herbeigeführt,
andererseits der zum Kriechen neigenden Säure genügend Widerstand geboten, um ihr
Austreten an die äußere Oberfläche des Elementes zu verhüten.
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Die im Innern des Elementes auf die Oberfläche des porösen Füllstoffes
gelegte Deckelscheibe d"' aus säurebeständigem Stoff verhütet einerseits ein schnelles
Verdunsten des Elektrolyts im Element, gibt andererseits an ihrer mittleren Öffnung
und am Außenrande den Weg zur Entgasung durch die Röhrchen g' und
g"
frei.
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Das Element wird bis zum Einfüllen des Elektrolyts vollkommen betriebsfertig
geliefert, wobei die Positive nach erfolgter Formierung und Ladung von Säure befreit
und längere Zeit in mäßiger Wärme vollkommen getrocknet zum Einbau in das Element
kommt. Nach Abschrauben der Mutter m3, dadurch möglichem Emporheben der Isolierteile
d' und i und Abnehmen der Deckelscheibe d"' wird so lange Elektrolyt
eingefüllt, bis der Füllstoff vollkommen durchtränkt ist. Nach Wiederauflegen der
Deckelscheibe d"' sowie der Isolierteile d' und i und Aufschrauben
der Mutter m3 ist das Element betriebsfertig. Zwecks luftdichter Verbindung, Abschluß
des Elements nach außen, kann die Trennlinie zwischen dem Isolierbecher
und
dem Isolierteil d' noch durch Umlegen oder Umkleben eines Isolierbandes a" gesichert
werden.
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Ist das Element vollkommen entladen, also verbraucht, dann wird es
nach Abnehmen des Isolierbandes a", Lösen der Mutter m3 und Abheben der Isolierteile
d' und i geöffnet, danach die Deckelscheibe d"' abgenommen und die
positive Elektrode p aus dem Zinkbecher herausgehoben. Nunmehr wird die Elektrode
p von dem sie umhüllenden und in ihr befindlichen Füllmittel befreit, indem man
sie zweckmäßig eine Zeitlang in warmes Wasser stellt, und dadurch auch von anhaftenden
Kristallen gesäubert. Darauf trocknet man sie und ladet sie gegen eine Bleielektrode
in einem geeigneten Ladegefäß auf, bis sie volle Spannung zeigt.
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Der Zinkbecher kann, nachdem er in gleicher Weise durch Einfüllen
von warmem Wasser von den anhaftenden Kristallen befreit ist, falls noch genügendes
Metall für eine weitere Entladung an ihm vorhanden ist, weiter verwendet werden,
sonst wird ein neuer eingesetzt. Nach Anbringung einer neuen Glaswolleschicht außen
und innen wird die geladene, von Säure befreite und getrocknete positive Elektrode
in das Element eingesetzt. Dieses wird nun wieder verschlossen und kann nach vorheriger
Einfüllung von Elektrolyt für eine weitere Entladung benutzt werden. Für eine jede
Ladung kommen also nur der anteilige Zinkverbrauch, Aufladung der Positiven, die
Erneuerung der Glaswolle und frischer Elektrolyt in Betracht, alles sehr geringe
Ausgaben, während die die Herstellung des Elementes in der Hauptsache bedingende
positive Elektrode, ferner die Isolierteile d', i und d ' ,
sowie
Mutter m3 weiter bzw. mehrfach verwendet werden können. Auf diese Weise sinken die
Betriebskosten auf ein Mindestmaß.
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Bei weitem die größte praktische Bedeutung unter den in ganz verschiedenen
Größen gebauten Trockenelementen besitzen die jährlich in vielen Millionen hergestellten
kleinen Trockenelemente und Batterien für Kleinbeleuchtung, Taschenlampen und andere
tragbare elektrische Lampen. Man schaltet hierbei bekanntlich meistens zwei bis
drei Elemente in Reihe, um ein möglichst starkes Licht zu erzeugen. An sich wäre
es zur Material- und Raumausnutzung das richtigste, die erforderliche Energie in
einem einzigen Element zu erzeugen, wie es auch gelegentlich z. B. für Fahrradbeleuchtung
geschieht. Da indessen die ausschließlich benutzten Kohle-Zinkelemente nur 1,5 bis
1,6 V erzeugen, die für diese geringe Spannung hergestellten Glühlampen jedoch einen
schlechten Nutzeffekt haben, weil ein zu großer Teil der Energie als für die Lichtleistung
nutzlose Wärme an den Stromzuführungen abgeleitet wird, so schaltet man meistens
zwei bis drei und nötigenfalls mehr Trockenelemente in Reihe, um wenigstens 3 bis
4,5 V zu erzeugen. Im Gegensatz hierzu liefert die galvanische Kombination Bleidioxyd-Zink-verdünnte
Schwefelsäure an sich, also ein Element, eine EMK von 2,5 V. Für diese Spannung
lassen sich aber bekanntlich durchaus brauchbare Niedervoltglühbirnen herstellen.
Man braucht also hier für eine Taschenlampe, ob in runder oder flacher Form, nur
ein Element. In diesem Falle führt man das Element zur besserer Raumausnutzung bei
flachen Lampen, wie solche ir Europa noch vielfach, in vielen Ländern sogar über
wiegend in Gebrauch sind, ebenfalls flach aus. Dic positive Elektrode erhält daher
in sinngemäßer Abänderung der in Fig. 3 dargestellten Ausführung eine flache,
längliche Form gemäß Fig. 9 bis ii. Die Rolle in Fig. i und 3 geht daher nach dieser
Ausführung ir einen flachen Masseträger m' aus säurefestem Kunststoff über, bei
dem der mittlere flache Teil oben unc3 unten die Endscheiben m" trägt, deren obere
den Ansatz a' mit der Kappe k trägt. Der mittlere ebene Kern des Masseträgers
ist ähnlich der Anordnung in Fig. 3 mit einem der Stromableitung dienenden Draht
d aus Blei oder verbleitem Metall, z. B. Eisen oder Aluminium, umgeben. Der Masseträger
wird, wie in der Akkumulatorenfabrikation üblich, mit aktiver Masse versehen, die
in bekannter Weise eingeschmiert und danach durch Formierung fest mit dem Masseträger
verbunden wird. Damit nun die Masse an dem Kern fest haftet und sich nicht bei längerem
Gebrauch, mehrfachem Laden und Entladen von ihm abhebt und sich nach außen krümmt,
versieht man gemäß Fig. 9 und io den mittleren geraden Teil des Masseträgers
m' mit Löchern oder Bohrungen L', durch die die Masse beim Eintragen
tritt, so daß die zu beiden Seiten des Masseträgers befindliche Masse miteinander
in Verbindung kommt, durch das Einschmieren und nachfolgende Formieren zu einem
festen zusammenhängenden Körper wird, der den Masseträger bis auf die Endscheiben
m" und Ansatz a' vollkommen umgibt und einschließt, so daß dadurch
der Masseträger samt dem ihn umgebenden Stromableitungsdraht und aktiver Masse m
zu einem einzigen festen Körper wird.
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Um ihn noch fester zu machen und ihn noch mehr zu versteifen, kann
man den Kern gemäß Fig. ii in der Art von Wellblech ausführen, wodurch der Kern
größere Starrheit gegen seitliches Verbiegen und Wer-, fen erhält und auch die ihn
umgebende aktive Masse besser an ihm haftet. Die so fertiggestellte positive Elektrode
wird mit dem Füllmittel, Glaswolle, Fließpapier od. dgl., umwickelt und kommt in
einen entsprechend länglich flach ausgeführten Zinkbecher z in Fig. io und 12, der
in bekannter Weise durch Lötung oder elektrische Schweißung hergestellt oder am
besten nahtlos aus einem Stück gezogen und innen amalgamiert ist. Das Element ist
nunmehr bis zum Einfüllen des Elektrolyts verwendungsbereit. Der Zinkbecher z wird
genau wie das in Fig. 8 dargestellte Trockenelement außen mit einer Schutzschicht,
auch Hülse aus säurefestem, imprägniertem Papier, Lack, Celluloid od. dgl. umgeben,
wobei eine mit einer runden Bohrung zum Durchlaß des Ansatzes a' versehene Pappscheibe
das Element nach oben und außen abschließt.
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Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, daß, anstatt den
Zinkbecher mit äußerer isolierender, säurefester Umhüllung als Elementgefäß zu benutzen,
hierfür ein besonderer Behälter aus säurefestem Werkstoff, wie Celluloid, Hartgummi
od. dgl. (Fig. i3), verwendet wird, in den dann die positive, mit dem Füllstoff
umgebene Elektrode samt der Zinkelektrode eingebaut wird. In diesem Falle braucht
die negative
Elektrode kein Hohlkörper mit Boden zu sein, es genügt
vielmehr eine mantelförmige, aus einem geraden Zinkblech zusammengebogene Elektrode,
welche die positive Elektrode bis auf einen engen Schlitz b umgibt. Da die Isolierhülse
z' von der Säure nicht angegriffen wird, kann sie fortlaufend benutzt werden; auch
wird so ein Austreten von Säure nach außen sicher vermieden.
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Dieses Element liefert eine ausreichende Spannung von 2,4 bis 2,5
V und besitzt vor der heutigen, aus zwei bis drei kleinen runden Elementen hergestellten
Batterie offenkundig den großen Vorzug der besseren Raumausnutzung. Da der Hauptanteil
des Gewichts bei dein überaus geringen Gewicht des Masseträgers m' und Zinkbechers
z auf die aktive Masse entfällt, so stellt sich die für die Leistungsfähigkeit des
ganzen Elements mit Rücksicht auf sein Gewicht maßgebende Größe Wh/kg äußerst günstig,
und zwar etwa doppelt so groß wie bei der heutigen, aus zwei oder drei kleinen Trockenelementen
bestehenden Taschenlampenbatterie.
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Die in Fig.9 und 12 wiedergegebene Ausführung des Masseträgers stellt
natürlich nur eine Ausführungsform dar und kann in verschiedener Weise abgeändert
werden. So hat man bei größeren Elektroden, wie man sie auch für Kleinbeleuchtungszwecke
zur Herstellung größerer Elemente braucht, ein Interesse daran, daß sich die Platten
nicht werfen oder krümmen, weil sich dabei die Masse leicht lockert und brüchig
wird. Um dies zu verhüten, versieht man die Platte mit einem um ihren ganzen Umfang
verlaufenden Rahmen. Man führt (lies praktisch in der Weise aus, daß man gemäß Fig.
14 und 15 die Enden der abgerundeten, ovalen oberen und unteren Endscheiben m" des
Masseträgers m' durch schwach gekrümmte Verbindungsstücke oder -streifen v miteinander,
d. h. mit dem eigentlichen Masseträger m' durch Kleben oder Schweißen mittels heißer
Luft fest verbindet. Danach wird die aktive Masse in bekannter Weise eingetragen,
so daß sie auch in die Hohlräume la an den Enden hineingedrückt wird und sie ausfüllt.
Dadurch bekommt die Masse einen besseren Halt. Die ganze Elektrode kann mit einer
perforierten Umhüllung oder einem Mantel aus säurebeständigem Isolierstoff umgeben
werden, der wohl dem Elektrolyts genügend Zutritt zur Masse gewährt, ein Abfallen
der Masse aber verhindert oder mindestens sehr erschwert.
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Weiterhin kann man statt eines den Masseträger in Form einer Spirale
umgebenden Drahtes aus Blei oder verbleitem Metall für die Stromableitung ein oder
mehrere Bleibleche oder verbleite Metallbleche verwenden, die mit Löchern versehen
sind. Demgegenüber erhält der Masseträger bei seiner Herstellung gemäß Fig. 16 und
17 Vorsprünge oder Stifte n, über welche die Stromableitungsbleche b' gelegt und
so mit dem Masseträger mechanisch verbunden werden. Diese Stifte n bilden daher
nicht nur den erforderlichen Halt für die Stromableitungsbleche b', sondern auch
für die Masse na, die auf diese Weise nach der Formierung fest an den Stiften und
dem ganzen Masseträger haftet.
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Nun hat man indessen auch hier bei der galvanischen Kombination Pb02/Zn
trotz ihrer hohen Spannung von 2,5 V ein Interesse daran, durch Reihenschaltung
von zwei oder mehr Elementen eine noch höhere Spannung von 5 bis 7,5 V und mehr
zu erhalten. In den meisten Fällen wird es allerdings genügen, 5 V zu erreichen.
Anstatt nur zwei Einzelelemente, etwa wie in Fig. 9 bis 13 dargestellt, in Reihe
zu schalten, kann man zur vollkommenen Raumausnutzung und Vereinfachung der ganzen
Konstruktion ein Doppelelement gemäß Fig. i8 und i9 verwenden. Es erhält einen Masseträger
m', der auf jeder Seite eine Schicht aktiver Masse m trägt, die also nicht zusammenhängen,
vielmehr elektrisch voneinander isoliert sind, wobei zur Stromableitung zweckmäßig
ebene Bleche b', b" verwendet werden, die auf den Stiften n des Masseträgers
m'
Halt finden. Nach erfolgter Aufbringung der aktiven Masse und ihrer Trocknung
wird die zur Aufnahme des Elektrolyts dienende Füllschicht q fest zu beiden Seiten
auf die aktive Masse m gebracht und die Doppelelektrode zu beiden Seiten durch Auflegen
der Zinkbleche z, z" verschlossen. Das Ganze wird zweckmäßig mit Isolierband
beklebt, d. h. dieses wird herumgewickelt, um einmal die nötige Isolation zwischen
den beiden Einzelelementen herzustellen bzw. sie zu verstärken, dann um etwaigen
an der Trennlinie zwischen Zinkelektrode und Masseträger hervortretenden Elektrolyten
oder Salzen den Weg zu versperren, d. h. die Bildung einer leitenden Verbindung
oder eines Nebenschlusses zwischen den beiden äußeren Zinkelektroden zu erschweren.
Die beiden Elemente werden in geeigneter Weise in Reihe geschaltet.
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Um das Doppelelement nach erfolgter Entladung aufzuladen, muß man
nach Abnahme des Isolierbandes die beiden Zinkelektroden, die vielleicht schon an
mehreren Stellen durchlöchert bzw. vom Elektrolyt zerfressen sind, abnehmen und
die den verbrauchten Elektrolyt enthaltende Füllschicht entfernen. Danach wird der
Masseträger mit seinen beiden Masseschichten zur Lösung der in den Poren befindlichen
Zinksalze in lauwarmem Wasser gereinigt und getrocknet. Dann kommt der Masseträger
mit den beiden positiven aktiven Schichten in ein Ladebad, wobei durch Parallelschaltung
beider Masseschichten die Rufladung des Systems zwischen zwei Bleiblechelektroden,
die jetzt die Stelle der entfernten Zinkelektroden versehen, in verdünnter Schwefelsäure
mit schwachem Strom erfolgt, bis die an den Positiven entstehende Gasentwicklung
das Ende der Ladung anzeigt.
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Nunmehr werden die positiven Systeme aus dem Ladebad herausgenommen,
die in ihren Poren befindliche Säure durch Wässern entfernt und die Systeme in mäßiger
Wärme vollkommen getrocknet. Nachdem dann zu beiden Seiten eine neue Füllschicht,
neue Zinkelektroden und die beiden Stromableitungen wieder angebracht sind, wird
das so wiederhergestellte Doppelelement mit Isolierband verschlossen und kann zwecks
weiterer Benutzung verschickt, gelagert und nach Einfüllen des geeigneten Elektrolyts
erneut in Gebrauch genommen werden. Auch im Falle des Doppelelementes macht die
Regenerierung der Ladung sehr geringe Unkosten.
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Die Verdoppelung kann beliebig wiedert olt werden, wie das Beispiel
in Fig. 2o bis 22 zeigt. Dabei kann die Zinkelektrode selbst als Träger der Masse
m ausgebildet sein. Die Zinkelektrode z bildet ein Doppelblech, das
die
aktive Masse m unter Zwischenschaltung von saugfähigem Stoff f' auf beiden Seiten
umhüllt, ebenso auch die Zinkelektroden z. Die hier dargestellten beiden Elemente
sind dann in Reihe geschaltet. Es lassen sich auf diese Weise Elemente beliebiger
Spannung und Stromstärke zusammenstellen.