FI61775C - Cell foer stroemalstring och elektrolys - Google Patents

Description

\·Λ**Γ*\ r, KUULUTUSJULKAISU s a 795

iag® LBJ 11) UTLAGG NINGSSKRI FT ö l / J

C Patentti myonetty 10 09 1932 •5SS <«> Patent meddelat —' (51) Kv.ik.Vci.3 H 01 M 12/06, C 25 B 1/00 SUOMI—FINLAND <*> Ptt«nttlh»k«mui — Pit*nttn*6luiing 7 6 1751 (22) Hakwnlspllvt — AiMdknlngvdag 16.06.76 (23) Alkupllvi—Gihlghatsdag l6.O6.76 (41) Tullut julklaakal — Bllvlt offantilg 19.12.76

Patentti- ia rekisterihallitus ..., . .....

' (44) Nihtivikalpanon |a kuul.Julkaiiun pvm. —

Patent- och registerstyrelsen An«ök»n utlagd och utUkrlfUn pubikerad 31.09.82 (32)(33)(31) Pyydetty «uolkaus—Begird prlorltet l8.06.75

Ruotsi-Sverige(SE) 75070ll-7 (71) AB Olle Lindström, Lorensviksvägen li, 18363 Täby, Ruotsi-Sverige(SE) (72) Olle B. Lindström, Täby, Ruotsi-Sverige(SE) (7l) Oy Borenius & Co Ab (5l) Kenno sähkön tuottamista ja elektrolyysiä varten - Cell för ströra-alstring och elektrolys

Keksinnön kohteena on kenno sähkön tuottamista ja elektrolyysiä varten, jossa kennossa on ilmaelektrodit ja joka käsittää positiivisen elektrodin, negatiivisen elektrodin sekä näiden molempien elektrodien väliseen tilaan sijoitetun elektrolyyttiliuoksen, jolloin ainakin toinen elektrodeista on kaasumaista reaktiokomponenttia varten sovitettu kaasuelektrodi, jonka ainakin kaasun kanssa kosketukseen tuleva pinta on hydrofobinen,

Kaasudiffuusioelektrodeja käytetään monissa uusissa sähkökemiallisissa voimalähteissä, esim. metalli-ilmakennoissa, metanoli-ilmakennoissa, erityyppisissä polttoainekennoissa, jne. Kaasudiffuusioelektrodin toinen sivu on kosketuksessa kaasufaasin kanssa, esim. metalli-ilmakennon ilmatilassa, tai vetyilmakennon vetytilassa, vast, ilmatilassa, jolloin toinen sivu on alttiina elektrolyyttifaasille, joka puolestaan koskettaa ko, sähkökemiallisen kennon toista elektrodia, esim. metalli-ilmakennon metallianodia.

Kaasudiffuusioelektrodeja käytetään myös elektrolyysiä varten tarkoitetuissa sähkökemiallisissa kennoissa, esim. kloorin ja alkalin valmistukseen käytetyissä elektrolyysikennoissa. Keksintöä voidaan myös soveltaa tällaisiin sähkökemiallisiin kennoihin.

Tämän alan nimistö ei ole erikoisen selvä. Tässä selityksessä tarkoitetaan kaasuelektrodilla täydellistä elektrodia kaasumaisena elektrodiin 61 775 2 syötetyn aineen sähkökemiallista reaktiota varten. Kaasuelektrodin aktiivista osaa, jossa sähkökemialliset reaktiot tapahtuvat samanaikaisessa kosketuksessa elektrodimateriaalin, elektrolyytin ja kaasun kanssa, sanotaan tässä yhteydessä kaasudiffuusioelektrodiksi. Kaasu-diffuusi oelektrodi on yleensä huokoinen ja se sisältää tämän takia useimmin kaasufaasia, elektrolyyttifäasia ja kiinteää elektrodimateriaali£ nykyisen tekniikan mukaisissa kaasuelektrodeissa esiintyy, kuten seuraa-vassa yksityiskohtaisemmin selitetään, melko vaikeita suunnitteluongelmia, kun halutaan saavuttaa riittävä mekaaninen stabiliteetti ja varmistaa kaasunsyötto ja elektroninen johtamiskyky. Kaasuelektrodit tarvitsevat tästä syystä paljon suuremman tilavuuden kuin määräytyisi niiden sähkökatalyyttisestä tehtävästä, joka puolestaan vaatii vain hyvin pieniä katalysaattorimääriä, jotka yleensä varaavat vain hyvin pienen osan kaasuelektrodin tilavuudesta. Keksinnön kohteena on kaasuelektro-dien aivan uusi rakenne, jonka ansiosta voidaan tuntuvasti vähentää kaasuelektrodin tilantarpeita. Samalla saavutetaan joukko muita etuja, kuten yksinkertaisempi ja tukevampi mekaaninen rakenne, mikä on erittäin tärkeää esim. liikkuvassa käytössä.

Keksintö selitetään seuraavassa ensin käyttämällä esimerkkinä metalli*· ilmaparistoa, minkä lisäksi myös esitetään esimerkkeinä keksinnön mukaisia vety-ilmaparistoja ja elektrolyysikennoja.

Alkalisen rauta-ilmakennon ja tavanomaista rakennetta olevan alkalisen rauta-nikkelikennon vertailu osoittaa, että positiivinen nikkelioksidi-elektrodi vastaa tavanomaisessa alkaliakussa ilmaelektrodia, jona tässä tapauksessa on kaksi kaasudiffuusioelektrodia ja niiden välinen ilmatila. Rauta-ilmakennon eräs etu rauta-nikkelikennoon verrattuna on tietenkin, että mitään aktiivista materiaalia ei tarvitse varastoida ilmaelektrodissa, johon syötetään ilman happea, kun taas positiivisessa nikkelioksidielektrodlssa on oltava kaikki aktiivinen-positiivinen materiaali sähkökemiallisia reaktioita varten. Tämä aktiivinen materiaali edustaa huomattavan suurta painoa, tilavuutta ja kustannustekijää, kun on kysymys suurista kapasiteeteistä. Tavanomaisten ilmaelektrodien materiaalin käyttö, tilantarve ja paino ovat kuitenkin myös huomioon otettavia tekijöitä, kuten edellä osoitettiin. Katodin aiheuttamat kustannukset edustavat usein valtatekijää rauta-ilmakennojen materiaali-kustannuksissa.

3 61 775

Keksintö edustaa tämäntyyppisten voimalähteiden kehityksessä uutta vaihetta, joka periaatteessa on yhtä tärkeä kuin siirryttäessä tavanomaisesta positiivisesta nikkelioksidielektrodista edellä selitettyä tyyppiä olevaan ilmaelektrodiin. Keksinnön periaate voidaan helpommin selittää seuraavasti: kaasua syötetään kaasudiffuusioelektrodiin elektrolyytin puolelta eikä tekniikan nykyisen tason mukaan erikoisesta kaasu-tilasta. Massansiirto elektrodimateriaaliin ja pois siitä tapahtuu näin ollen elektrodin samalla puolella. Käytettäessä kaasudiffuusio-elektrodin molempia sivuja tällä tavoin tulee keksinnön mukaisena kaasu-elektrodina olemaan yksi ainoa elektrodi kahden elektrodin ja niiden välisen ilmatilan asemesta. Kaasu saatetaan kosketukseen sähkökatalyyt-tisesti aktiivisen elektrodimateriaalin kanssa elektrolyytin puolelta. Kaasutila ja elektrolyyttitila on täten niin sanoakseen yhdistetty siinä tilassa, jota tähän asti on keksinnön nykyisen tason mukaan käytetty yksistään elektrolyyttiä varten. Voidaan välittömästi havaita, että tämä uusi periaate antaa useita etuja.

Mekaaniset rasitukset pienenevät, koska keksinnön mukaiseen elektrodiin ei kohdistu differentiaalipainetta. Materiaalin tarve supistuu tietenkin varsin paljon, samoin kuin paino ja tilavuus. Eniten yllättävää on kuitenkin, että keksinnön mukaisilla kaasuelektrodeilla voidaan saavuttaa hyvä sähkökemiallinen suorituskyky. Keksinnön mukaisen kennon tunnusomainen ominaisuus on täten, että kaasuelektrodin elektrodien väliseen tilaan päin suuntautuva pinta ja/tai mainitussa tilassa kaasuelektrodin kanssa kosketukseen sovitettu erotin on siten muotoiltu, ett.ä välitilaan muodostuu erilliset reitit kaasun syöttämiseksi kaasuelektrodin pinnalle.

Eräs erikoisen edullinen suoritusmuoto tunnetaan siitä, että kaasu-elektrodi on ainakin osittain peitetty kerroksella, joka läpäisee kaasua mutta on hydrofobinen elektrolyyttiin nähden sen pinnan luona, joka on paljaana kohti välitilaa.

Keksinnön muut tunnusomaiset ominaisuudet ja edut selitetään seuraavassa lähemmin oheisten piirustusten kuvaaman keksinnön mukaisen kennon eräiden edullisten suoritusmuotojen yhteydessä.

Kuvio 1 esittää nykyisen tekniikan mukaista metalli-ilmaparistoa.

Kuvio 2 esittää nykyisen tekniikan mukaista vety-ilmaparistoa.

? , - 4 61775

Kuvio 3 esittää nykyisen tekniikan mukaista kloori-alkalielektrolyytti-kennoa, jossa on ilmakatodi.

Kuvio 4 esittää nykyisen tekniikan mukaista alkalielektrolyyttikennoa, jossa on vetyanodi.

Kuvio 5 esittää nykyisen tekniikan mukaista alkalielektrolyyttikennoa, jossa on vetyanodi ja ilmakatodi.

Kuvio 6 esittää keksinnön mukaista paristoa.

Kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen ilmakatodin erästä suoritusmuotoa katsottuna paristossa olevien elektrodien välisestä tilasta.

Kuvio 8 esittää kuvion 7 mukaisen katodipinnan eräitä vaihtoehtoisia kuviointeja.

Kuvio 9 esittää keksinnön mukaista kennoa, jossa on erilliset kanavat elektrodien välisessä tilassa olevaa kaasua, vast, elektrolyyttiä varten.

Kuviot 10...12 esittävät kuvion 9 mukaisten kanavien vaihtoehtoisia suoritusmuotoja.

Kuvio 13 esittää keksinnön mukaista ns. ilmaa hengittävää metalli-ilma-kennoa.

Kuviot 14 ja 15 esittävät keksinnön mukaista lieriömäistä ilma-rauta-paristoa.

Kuvio 16 esittää keksinnön mukaista kloori-alkalielektrolyysikennoa, jossa on ilmakatodi.

Kuvio 17 esittää keksinnön mukaista alkalielektrolyysikennoa, jossa on vetykatodi.

Kuvio 18 esittää keksinnön mukaista alkalielektrolyysikennoa, jossa on vetyanodi ja ilmakatodi.

Tekniikan nykyisen tason esimerkkeinä esitetään suoritusmuodot, joissa on metalli-ilmaparisto, kuvio 1, vety-ilmaparisto, kuvio 2, ja erilaiset elektrolyysikennot, kuviot 3...5.

5 61 775

Yksinkertaisuuden vuoksi seuraava esimerkki koskee pinomuotoon rakennettuja paristoja, kuten on selitetty ruotsalaisessa patenttijulkaisussa no 349189 ja ruotsalaisessa patentissa 217054.

Metalli-ilmaparistoissa on useat pinot ilmaelektrodeja 1 ja niiden välisiä elektrolyyttitiloja 2 ja metallianodeja 3, kuten kuviossa 1 on näytetty. Metanoli-ilmaparistot voidaan myös rakentaa samalla tavoin käyttämällä rautaelektrodin asemesta sähkökatalyyttistä aktiivista metanolielektrodia metanolin hapettamiseksi, jolloin metanoli syötetään elektrolyytistä. Kuvio 1 esittää samalla tavoin vety-metallioksidi-pariston rakennetta, esim. vety-nikkeliparistoa, jossa tässä tapauksessa on vetyelektrodi 1 ja metallioksidielektrodi 3.

Kuvion 2 mukaisessa vety-ilmaparistossa on ilmaelektrodit 4 ja vety-elektrodit 5. Nämä paristot on tietenkin varustettu virtajohtimin, napapultein, kanavin elektrolyytin ja kaasujen syöttämiseksi ja poistamiseksi, erottimin, jne., jotka ovat tarpeen pariston toiminnan kannalta, mutta joita komponentteja ei kuitenkaan ole näytetty kuviossa.

Kaasuelektrodit, esim. tekniikan nykyisen tason mukaiset ilmaelektrodit tai vetyelektrodit on sovitettu muovikehykseen 7 ja yhdistetty siten, että molempien elektrodien väliin muodostuu ilmatila 8. Kaasuelektro-dissa on usein myös kanavat ko. kaasun syöttämiseksi ja poistamiseksi.

Kuvion 1 mukaisten metalli-ilmaparistojen ilmaelektrodit ovat usein ns. kaksitoiminnallista tyyppiä, mikä tarkoittaa sitä, että ne voivat varautua ja happea samalla kehittyä ilman, että tämä häiritsee katalyyttistä tehtävää hapen pelkistämiseksi purkauksen aikana. Kaksitoiminnalliset ilmaelektrodit sisältävät usein hienomman, elektrolyytille paljaan kerroksen 9, joka on täynnä elektrolyyttiä, ja ilmatilaa kohti paljaan karkeamman kerroksen 10, joka sisältää hapen pelkistämiseksi katalysaattoria, ja joka normaalikäytön aikana on osittain täyttynyt ilmalla.

Ns. kaksikerroksisia elektrodeja käytetään myös polttoainekennoissa, joissa hienompi kerros estää kaasun vuotamisen elektrolyyttitilaan. Kaas.udiffusioelektrodien alan nykyinen tekninen taso on selitetty julkaisussa H.A. liebhafsky ja E.J. Cairns: "Fuel Cells and Fuel Batteries", John Wiley & Sons, New York 1968.

Kuvion 3 mukaisessa kloori-alkalikennossa on kalvo 11, joka erottaa elektrolyyttitilan katolyyttitilaan 12 ja anolyyttitilaan 13. Vetyä r * 61 775 6 kehittyy katodin H luona, ja samanaikaisesti muodostuu alkalia kato-lyyttitilassa, jossa kloorikaasua kehittyy kloorielektrodin 15 luona.

Tämä kloorielektrodi 15 on kuviossa 4 vaihdettu vetyelektrodiin 16, jossa on kaasutila 17, johon syötetään vetyä, ja samalla muodostuu kloorivetyhappoa anolyyttitilassa. Kuviossa 5 on kuvion 3 katodi 14 korvattu ilmakatodilla 18, johon kuuluu elektrodi 19 ja kaasutila 20, johon syötetään ilmaa. Tässä tapauksessa mitään vetyä ei kehity katodin luona, vaan päinvastoin ilman happi pelkistyy, jolloin samalla katolyytti-tilassa muodostuu alkalia. Kloorivetyhappoa kehittyy tilassa 13 vety-kaasun hapettuessa, ja vetykaasua syötetään anodille 16, samalla tavoin kuin kuviossa 4.

Kuviot 3...5 esittävät ainoastaan ko. kennorakenteen periaatteita. Kuvioihin ei tämän takia ole piirretty tunnettuja ja tarvittavia välineitä sähkövirran ja reaktiokomponenttien syöttämiseksi ja reaktiotuotteiden poistamiseksi. Tekniikan taso on selitetty esim. julkaisussa Kirk-Othmer "Encyclopedia of Chemical Technology", 2nd Ed, Volyme 1, sivut 668...707.

Kuvio 6 esittää periaatteessa keksinnön mukaista suoritusmuotoa, jossa on rauta-ilmaparisto ja kaksinapaiset elektrodit. Keksinnön eräs suuri etu on nimenomaan se, että keksinnön ansiosta voidaan yksinkertaisesti ja rationaalisesti suunnitella kaksinapaisia metalli-kaasuelektrodeja, esim. kaksinapaisia rauta-ilma- tai sinkki-kloorielektrodeja.

Kuvion 6 näyttämä paristopino on koottu elementeistä 21, jotka käsittävät muovikehyksen 22, jossa on huokoisella rautakerroksella varustetut kaksinapaiset rauta-ilmaelektrodit 23, jotka on sovitettu nikkelipäällysteistä rautaa olevalle erottavalle seinämälle 24, joka on sähköisesti johtavaa ja joka kannattaa toisella sivullaan ilmaelektrodin elektrodimateriaalia 25. Elektrolyytti, jona tässä esimerkissä on 5 N KOH, syötetään kanava-järjestelmän 26 avulla ja poistetaan ylijuoksun 27 kautta ruotsalaisen patentin 363 193 selittämällä tavalla. Ilmaa syötetään yhdistettyyn ilma-elektrolyyttitilaan eli välitilaan 28 kanavajärjestelmän 29 avulla ja poistetaan tämän välitilan yläosasta ylijuoksun 30 kautta. Pääte-elementit 31 on sovitettu pinon molempiin päihin, ja yksinapaiset elektrodit on yhdistetty napapultteihin 32. Selityksen yksinkertaistamiseksi on kuviota huomattavasti yksikertaistettu ja sen mittoja on liioiteltu.

Muuttamalla kuvion 1 mukainen rakenne kuvion 6 näyttämällä tavalla siten, että käytetään elektrodeja, joissa on hydrofiilincn pinta kohti elektro- 61 775 7 lyyttiä, tulee kennolla olemaan suhteellisen heikot kuormitusominaisuu-det siinäkin tapauksessa, että runsaasti ilmaa syötetään yhdistettyyn ilma-elektrolyyttitilaan. Tämä johtuu siitä, että hapen on pakko diffundoitua elektrodin pinnassa olevan paksun elektrolyyttikalvon läpi. Tämän takia on ryhdyttävä toimenpiteisiin hapen syötön varmistamiseksi sähkökatalyyttisesti aktiiviseen materiaaliin samalla kun pysytetään molempien elektrodien 23 ja 25 välinen hyvä elektrolyyttinen yhteys. Nämä molemmat toimenpiteet kilpailevat välitilan 28 käytettävissä olevasta tilavuudesta, joten on ryhdyttävä kompromissiin. Anodin, eli toisin sanoen huokoisen rautaelektrodin, on oltava kosketuksessa ainoastaan elektrolyytin kanssa, kun taas katodin on oltava kosketuksessa sekä elektrolyytin että ilman kanssa.

Jakautuma voidaan selittää elektrodipinnan kaasu/nestepintasuhteen avulla, joka kuvaa pääasiallisesti kaasuin kanssa kosketuksessa olevan elektrodipinnan ja pääasiallisesti nesteen kanssa kosketuksessa olevan pinnan suhdetta. Elektrodipinnalla tarkoitetaan tässä elektrodin ulkopuolista geometristä alaa. Kaasun kanssa kosketuksessa oleva pinta voidaan kokonaan tai osittain peittää elektrolyyttikalvolla, kun taas nesteen kanssa kosketuksessa oleva pinta tarkoittaa sellaisia pintoja, jotka ovat suorassa kosketuksessa vastakkaisen elektrodin kanssa, tässä tapauksessa anodin kanssa, jatkuvan elektrolyyttimassan välityksellä.

Toinen tärkeä geometrinen tekijä on kaasun, vast, nesteen kanssa kosketuksessa olevien keksinnön mukaisten kaasuelektrodien viereisten pisteiden välinen keskietäisyys. Sähkövirta on johdettava kaasun kanssa kosketuksessa olevan katodin sähkökemiallisesti aktiivisista kohdista nesteen kanssa kosketuksessa oleviin kohtiin, jotka puolestaan ovat yhteydessä anodiin elektrolyyttisiltojen kautta. Tämän virtaradan resistanssi on pysytettävä hyväksyttävällä tasolla, mikä voidaan toteuttaa tekemällä vastaavasti kaasun ja nesteen kanssa kosketuksessa olevien osien välinen keskietäisyys mahdollisimman pieneksi. Tämä keskietäisyys voidaan sopivasti määritellä vastaavien pintojen välisten painopisteiden väliseksi etäisyydeksi, jota voidaan sanoa kaasu/neste-etäisyy-deksi. Tämän virtaradan resistanssi riippuu tietenkin myös virtaradan poikkileikkauksesta ja elektrolyyttikalvon ominaisresistanssista. Poikkileikkaukseen vaikuttaa mm. kaasudiffuusioelektrodin paksuus.

Monet muutkin tekijät ovat merkityksellisiä keksinnön mukaisten sähkökemiallisten kennojen suorituskyvylle ja muille ominaisuuksille, mutta näillä tekijöillä ei ole samaa ratkaisevaa tärkeyttä kuin edellä mainituilla.

8 ca n n r Oi / / o

On olemassa useita mahdollisuuksia kaasu/nestepintasuhteen ja kaasu/ neste-etäisyyden säätämiseksi säätämällä lisäilmansyöttöä, jolloin ilman annetaan vapaasti nousta mekaanisin keinoin elektrodien välisessä tilassa. Usein on eduksi käyttää kaasu/nestepintasuhdetta, joka on suurempi kuin 1, jolloin erikoisen edullinen alue on 2...5. Usein voidaan myös käyttää tämän suhteen suurempia arvoja niin, että tämä suhde on rajoissa esim. 5...20 tai vieläkin suurempi. Kaasu/neste-etäisyyden on oltava mahdollisimman pieni, sopivasti pienempi kuin noin 1...2 cm, jolloin sopiva arvo on pienempi kuin 0,5...1 cm, ja erikoisen edullinen arvo on 0,1...0,5 cm tai tätä pienempi, lyhyitä kaasu/neste-etäisyyksiä käytettäessä voidaan valmistaa hyvin ohuita kaasudiffuusioelektrodeja, joiden paksuus on niinkin pieni kuin 0,01... 0,02 cm tai tätäkin pienempi. Kaasu/neste-etäisyyden suurempia arvoja käytettäessä voi olla välttämätöntä käyttää rajoissa 0,4...0,8 mm olevia elektrodipaksuuksia. Eräs mahdollisuus vähentää virtaradan reistanssia on täten sijoittaa elektrolyytillä täyttynyt kerros elektrodimateriaalin sähkökemiallisesti aktiivisen ja osittain kaasutäytteisen kerroksen viereen, jolloin ionivirta kulkee elektrolyyttikalvosta tähän elektrolyytin täyttämään kerrokseen ja edelleen elektrodien välisessä tilassa olevaan elektrolyyttiin.

On olemassa erittäin suuri lukumäärä keksinnön mukaisia suoritusmuotoja. Vaihtoehtojen runsaus riippuu osittain siitä, että keksintöä voi daan soveltaa erityyppisiin voimalähteisiin ja elektrolyysilaitteisiin, kuten metalli-ilmakennoihin, metanoli-ilmakennoihin, vety-ilmakennoihin, vety-metallioksidikennoihin, alkali-elektrolyysilaitteisiin, jne. Nämä erityyppiset kennot voidaan puolestaan rakentaa eri tavoin, esim. käyttämällä ns. yksinapaisia elektrodeja tai kaksinapaisia elektrodeja. Niinpä voidaan sellaiset sähkökemialliset kennot, joissa on kaksi kaasu-elektrodia, esim. vety-ilmakenno, valmistaa siten, että toinen elektrodi tehdään tunnetun tekniikan mukaiseksi ja toinen kaasuelektrodi tehdään keksinnön mukaiseksi, tai vaihtoehtoisesti molemmat kaasuelektrodit tehdään keksinnön mukaisiksi. Viimeksi mainitussa suoritusmuodossa on erikoisrakenteisia erottimia käytettävä välitilassa, koska kaksi kaasua on syötettävä tästä välitilasta vastaaviin elektrodimateriaaleihin.

Menetelmä kaasun syöttämiseksi kaasuelektrodeihin, mikä on keksinnön eräs tärkeä tunnusmerkki, voidaan toteuttaa soveltamalla useita erilaisia yhteistoiminnallisia keinoja, joihin tietenkin myös vaikuttavat kysymykseen tulevan kennon tyyppi ja muut erikoisvaatimukset. Nämä keinot voidaan määritellä (1) elektrolyyttiä ja kaasua välitilaan 9 61775 syöttävien ja välitilasta poistavien keinojen rakenteellisiksi muunnoksiksi, (2) erikoiskeinoiksi, kuten johtavien ja jakavien rakenteiden lisääminen välitilaan, ja (3) elektrodien rakenteelliseksi muuttamiseksi siten, että helpotetaan kaasun syöttöä keksinnön mukaisella tavalla.

Nämä toimenpiteet voidaan yhdistää keskenään ja elektrodimateriaalin erikoiskäsittelyihin, joiden tarkoituksena on 1) parantaa kaasun vastaanottokykyä (useimmin hydrofobinen rakenne), 2) parantaa elektrolyytin vastaanottokykyä (hydrofiilinen rakenne) tai 3) elektrodimateriaalin eräiden osien sulkeminen (tiivistäminen) kaasun ja elektrolyytin syötön estämiseksi elektrodin näihin osiin. Keksinnön ajatuksen tunteva ammattimies voi helposti ryhtyä tämäntyyppisiin sopiviin toimenpiteisiin, joten seuraavassa ainoastaan tullaan selittämään muutamia erikoisen suosittuja suoritusmuotoja näiden vaihtoehtoisten toimenpiteiden mahdollisuuksien kuvaamiseksi. Ensi kädessä selitetään kuvion 6 mukainen kaksinapaisilla elektrodeilla varustettu rauta-ilmaparisto keksinnön ajatuksen havainnollistamiseksi yksinkertaisella tavalla.

Metalli-ilmakennojen eräs monimutkaistava tekijä, verrattuna polttoaine-kennoihin, on se seikka, että sovelletaan kahta käyttötapaa, nimittäin varaamista ja purkamista. Varauksen aikana kennossa kehittyy happea, kun metallielektrodin aktiivinen materiaali pelkistyy metalliksi. Ilma-elektrodia voidaan myös käyttää hapen kehittämiseen varauksen aikana, mutta on olemassa myös muita suoritusmuotoja, esim. ns. kolmas elektrodi, jota käytetään hapen kehittämiseksi varauksen aikana. Ilmaelektrodeissa käytetyt elektrodimateriaalit sisältävät usein yhtä tai useampaa metallia, joille on ominaista huomattava vastustuskyky hapen kehittymiseen nähden varauksen aikana, kun taas toiset elektrodit, kuten metalloidut ja hydrofobiset huokoiset hiilirakenteet turmeltuvat varauksen aikana ja täten vaativat erikoisen hienon kerroksen käyttämistä sen elektrodin yhteydessä, jonka luona happea kehittyy, tai kolmannen elektrodin käyttämistä, joka toimii ainoastaan varauksen aikana.

Kuvio 7 esittää ilmaelektrodin yksinkertaista suoritusmuotoa kuvion 6 eräästä tilasta 28 katsottuna. Mitat on tässäkin näytetty liioiteltuina. Katodipinta on jaksottaisesti hydrofobinen ja hydrofiilinen. Alkuaan hydrofiilinen rakenne, joka vastaa esim. ruotsalaisen patentin 360 952 suositusten mukaan valmistetun kaksikerroksisen elektrodin karkeaa kerrosta, on tehty hydrofobiseksi pitkin yhdensuuntaisia juovia 33, joiden välissä on käsittelemättömät hydrofiiliset oat 34. Hydrofobisten 10 61 7 7 5 juovien leveys on todellisuudessa 0,3 cm ja hydrofiilisten juovien levey det 0,1 cm, joten pintojen painopisteiden välinen, etäisyys on 0,2 cm.

Käytössä elektrolyyttiä syötetään kanavia 35 myöten ja poistetaan yläjuoksujen 36 kautta. Ilmaa syötetään kanavia 37 myöten ja tuuletetaan välitilasta ei näytettyyn ympäröivään astiaan poistokaasukanavia 38 myöten. Käytössä ilma tulee pääasiallisesti seuraamaan katodin hydrofobisia osia, kun taas elektrolyytti tulee seuraamaan hydrofiilisiä osia. Tätä ilmiötä voidaan korostaa peittämällä myös anodi hydrofobisella kerroksella, joka sijaitsee vastapäätä katodin vastaavaa kerrosta. Toinen mahdollisuus on tiivistää anodi täydellisesti näiden pintojen kohdalla esim. polypropyleeniä olevalla hydrofobisella kalvolla, joka voidaan muodostaa plasmasuihkuttamalla tai jollain muulla tavoin.

Näissä olosuhteissa kaasu/nestepintasuhde on suunnilleen yhtä kuin hydrofobisten ja hydrofUlisten elektrodipintojen suhde, eli toisin sanoen 3.

Kuvion 7 näyttämät hydrofobiset juovat voidaan sopivasti aikaansaada kyllästämällä Teflon^^-dispersiolla, jossa on esim. 15% Teflonia, minkä jälkeen haihdutetaan ja sintrataan noin 300 °C:ssa soveltamalla yleisiä menetelmiä huokoisten elektrodimateriaalien, varsinkin poltto-aine-kennoelektrodien hydrofoboimiseksi. Halutun geometrisen kuvion aikaansaamiseksi voidaan Teflon-dispersio maalata vastaavina juovina. Elektrodien ne osat, joiden on pysyttävä hydrofiilisinä, voidaan myös suojata suojakalvolla tai vaihtoehtoisesti maalata poistettavissa olevalla maalilla tai suojakalvolla, joka voidaan liuottaa elektrolyyttiin tai höyrystää materiaalin lämpökäsittelyn aikana. Eräs toinen mahdollisuus on puristaa nikkeliverkko tai lävistetty nikkelilevy, jne., hydrofobista perusrakennetta vasten, jolloin verkko jne. tulee toimimaan hydrofiilisenä pintana.

Kuvio 7 esittää yksinkertaisuuden vuokBi kuviointia, jossa on yhdensuuntaiset pystyjuovat. Tarpeen vaatiessa voidaan myös osoittaa lukuisia muita kuviomalleja tasaisen valumisen varmistamiseksi koko poikkileikkauksessa. Kuviossa 8 on näytetty tällaisten käyttökelpoisten vaihtoehtoisten kuviomallien eräitä esimerkkejä, joissa samoja merkintöjä on käytetty kuin aikaisemmissa kuvioissakin.

Kuvioiden 7 ja 8 näyttämien rauta-ilmakennojen valmistuksessa voidaan yleensä elektrodimateriaalina käyttää nykyisen tekniikan mukaisia materi- f. n n r-

11 ^ 1 f i O

aaleja. Rautaelektrodi voidaan valmistaa ruotsalaisen patentin 360 952 selittämällä tavalla, samoin kuin ilmaelektrodin aktiivinen materiaalikin. Sopivasti sijoitetaan kuitenkin hapen pelkistämiseksi käytetty-katalysaattori niihin juoviin, jotka joutuvat kosketukseen ilman kanssa, ja hapen kehittämiseen tarkoitetut katalysaattorit niihin juoviin, jotka joutuvat kosketukseen elektrolyytin kanssa.

Koska mitään differentiaalipainetta ei voida käyttää, on katodin hydro-foboiva materiaali tehtävä suhteellisen lujaksi. Voi myös olla eduksi käyttää suhteellisen suuria huokosmittoja ja rakenteen suurta huokoisuutta. Tämä voidaan helposti tehdä tässä tapauksessa rakenteeseen kohdistuvien pienien mekaanisten rasitusten ansiosta. Siinä tapauksessa, että kestoikään kohdistetut vaatimukset ovat kohtuullisia, voidaan myös käyttää Teflonilla sidottua aktiivista hiilirakennetta, johon on sisällytetty aktivoituja nikkeliverkkoja.

Suurempia laatuvaatimuksia asettavissa käyttöolosuhteissa, joissa vaaditaan korkeampia käyttölämpötiloja ja varausvirtoja, voidaan käyttää osittain hapetettua ja hydrofoboitua nikkelielektrodia, joka katalysaattorina sisältää hopeaa, kobolttia tai nikkeliä. Välitila voi oLla täysin avoin kuten kuviossa 7» tai siihen voidaan sijoittaa tuki- ja väli-elementtejä. Eräissä tapauksissa voi olla välttämätöntä ympäröidä anodi erottimella siten, että estetään ilman hapen ja aktiivisen anodi-materiaalin välinen suora kosketus.

Varauksen aikana happea tulee kehittymään ensi kädessä katodin hydro-fiilisten osien luona, jotka sopivasti on päällystetty sellaisilla materiaaleilla kuin nikkelillä, joka vähentää hapen yli jännitettä, minkä jälkeen kaasu kulkeutuu hydrofobisiin juoviin. Kuvion 7 näyttämä erittäin yksinkertainen keksinnön mukainen suoritusmuoto antaa yllättä-vän hyvin teknisen tuloksen. Ei kylläkään ole yllättävää, että happi tulee siirtymään tyydyttävästi tällä tavoin, mutta sen sijaan on sangen yllätyksellistä, että elektrodien välinen raudansiirto ei häiriinny liikaa.

Ammattimies voi edellä esitetyn selityksen perusteella vaikeuksitta suunnitella täydellisen järjestelmän tämänkaltaisten voimalähteiden kaikkine tarpeellisine toimintoineen. Eräs tärkeä kysymys on tällöin elektrodien välinen etäisyys, toisin sanoen välitilan leveys, joka mm. riippuu siitä, onko paristo tarkoitettu toimivaksi pienillä tai suurilla virrantiheyksillä. Juuret virrantiheydet vaativat tietenkin enemmän 61 775 12 ilmaa, mikä vaikuttaa väLitilan mitoitukseen, leveydet ovat yleensä noin 0,2...2,0 mm. Pieniä elektrodien välisiä etäisyyksiä käytettäessä voidaan mahdollisesti sijoittaa erikoisrakenteisia välielementteja, joita myös voidaan käyttää virtausten säätämiseksi välitilassa.

Vertailu ruotsalaisessa patentissa 360 952 selitettyyn rauta-ilmaparis-toon osoittaa seuraavat edut: aktiivinen elektrodimateriaali, jonka voidaan sanoa vastaavan esimerkin 5 mukaisen karkean kerroksen koostumusta, voidaan supistaa 0,2 mm:iin, toisin sanoen 30 prosenttiin vertail· elektrodista, mikä vastaa materiaalin sähkökemiallista aktiivista vyöhykettä. Tämä vertailuelementti on mitoitettu pääasiallisesti mekaanisten näkökohtien perusteella. Jos elektrolyyttitilan paksuus on sama kuin vertailuesimerkissä, tulee kennon tilantarve määrättyä kapasiteettia varten supistumaan noin 30%, mikä vastaa tehontiheyden suurenemista (tilavuusyksikköä kohden) noin 40%. Muuten verrattavissa olosuhteissa tulee tehontiheys (yksikköpintaa kohden) supistumaan noin 20%, mutta toisaalta viirtaa johtava alue on suurentunut noin 40% tilavuusyksikköä kohden, joten pariston tehontiheys myös on huomattavasti parantunut keksinnön mukaisen rakenteen ansiosta.

Keksintö antaa ilmeisesti myös yksinkertaisen ratkaisun siihen vaikeaan ongelmaan, joka koskee kaksinapaisten metalli-ilmaelektrodien suunnittelua. Kaksinapaiset elektrodit vähentävät pariston tilavuutta ja painoa, koska tullaan toimeen ilman virranjohtimia. Lisäksi saavutetaan täysin tasainen virran jakautuminen kennon koko poikkileikkauksessa, minkä ansiosta mahdollisesti voidaan tulla toimeen ilman sellaisia rakenteita kuin metalliverkkoja, joita usein käytetään rautaelektrodeissa paremman elektronisen tehokkuuden saavuttamiseksi, joten tämänkin ansiosta säästetään apinossa, tilavuudessa ja kustannuksissa.

Eräs toinen tärkeä etu, joka mahdollisesti ei välittömästi pistä silmiin, on saavutettu parempi jäähdytys, tekniikan tasoon verrattuna. Lämpöä kehittyy erikoisesti katodimateriaalissa, joka nyt jäähtyy tehokkaasti suorassa kosketuksessa anodin ja elektrolyytin kanssa, jolloin lyhyet etäisyydet estävät lämpöhuippujen esiintymistä materiaalissa. On näin ollen kestoikää uhraamatta mahdollista nostaa käyttölämpötilaa, verrattuna nykyisen tekniikan mukaisiin kennoihin.

Ilmakatodin jäähdytyksen hyödyllinen vaikutus on myös havaittavissa yksinapaisten ilmaelementtien yhteydessä, jotka molemmin puolin ovat 61 775 13 kosketuksessa jäähdyttävän elektrolyytin kanssa, mikä vastaa keksinnön soveltamista metalli-ilmakennoihin, joiden periaatteellinen rakenne on kuvion 1 mukainen. Korkeampi käyttölämpötila on erittäin tärkeä suorituskyvyn kannalta ja vähentää apujärjestelmän kokoa, joka pääasiallisesti määräytyy jäähdytystarpeesta. Sopiva käyttölämpötila on nyt 50...60 °C, verrattuna tekniikan nykyisen tason mukaisten vastaavien rauta-ilmakennojen käyttölämpötilaan 40...50 °C.

Keksinnön mukaisten kaasuelektrodien eräs suuri etu, joka on erikoisen tärkeä ilmaelektrodien yhteydessä, on se, että kaasu ottaa itseensä sangen nopeasti kosteutta suorassa kosketuksessa elektrolyytin kanssa. Nykyisen tekniikan mukaisissa ilmaelektrodeissa tällaista kostumista tulee myös tapahtumaan ilmatilassa (edellyttäen, että tuleva ilma ei ole kosteuden kyllästämä). Tässä tapauksessa kosteus tulee siirtymään kaasudiffuusioelektrodissa olevasta elektrolyytistä, mikä usein johtaa paikalliseen kuivumiseen, varsinkin lähellä ilmatilassa olevaa ilman tulokohtaa. Tällainen paikallinen kuivuminen johtaa puolestaan vakaviin korroosiovahinkoihin, jotka aiheuttavat paikallisia kutistumia ilmatilassa. Tekniikan nykyisen tason mukaiset raetalli-ilmaparistot vaativat tästä syystä ilman kostuttamista ennen kuin ilma virtaa ilmatiloihin, tai erikoisia korroosion suojatoimenpiteitä itse ilmaelektrodien yhteydessä. Edellä selitettyjen olosuhteiden eräänä seurauksena voidaan katodia kuormittaa kovemmin, esim. käytettäessä puhdasta happea, tai käytettäessä hapen ja/tai happi-ilmaseosten suurempaa painetta, mikä on mielenkiintoista erikoissovellutuksissa, kuten sukellusveneiden käyttövoimalähteenä käytetyissä paineenalaisissa toimivissa rauta-happi-paristoissa. Keksinnön mukaisia kaasuelektrodeja voidaan myös parempien lämmönsiirto-olosuhteiden ansiosta käyttää kovemmin poikkeuksellisissa olosuhteissa kuin nykyisen tekniikan mukaan on ollut mahdollista.

Edellä on esitetty keksinnön eräs erikoisen yksinkertainen mahdollinen suoritusmuoto, jonka yhteydessä keksinnön edut on esitetty. Seuraavassa selitetään eräät monimutkaisemmat suoritusmuodot, jotka vaativat erikoistoimenpiteitä ja -keinoja välitilassa ja elektrodeissa. Kuvio 9 esittää erästä suoritusmuotoa, jossa välitilaan 28 on sijoitettu erikoisrakenne 39 ohjaamaan kaasun ja elektrolyytin virtauksia paremmin säädetyllä tavalla. Kuvio 9 esittää useita eri toimenpiteitä ja keinoja, mutta yksi tai useampi niistä voidaan mahdollisesti jättää käyttämättä vähemmän vaativissa sovellutuksissa. Kuvio 9 esittää elektrodien ja välitilan ooikkileikkausta päältä katsottuna, jolloin yksinkertaisuuden vuoksi r,t λ·

H

617 7 5 kaasun ja elektrolyytin virtaukset on sovitettu pystysuuntaisiksi, kuten kuvioissa 6 ja 7. Mitat on myös selvyyden vuoksi esitetty liioiteltuina. Rakenne 39 voidaan valmistaa tavanomaisesta erotinmateriaalista, joka on tiivistetty ja mahdollisesti edelleen suljettu kyllästämällä tai hitsaamalla kohdissa 40 ja mahdollisesti myös sivupintojen 41 luona.

Alkalijärjestelmissä käytettäviksi soveltuvia erotinmateriaaleja on selitetty julkaisussa “Alkaline Storage Batteries”, U. Falk ja A. Salkind varsinkin sivut 26, 28, 70, 140, 142, 168, 178, 202, 240, 243, 246 ja 349 Täten saadaan suora kaasukanava, joka syöttää kaasua ilmaelektrodin hydrofobisille juoville 33. Elektrolyyttiä syötetään kanavia 43 myöten, jolloin se jakautuu huokoiseen elektrodimateriaaliin. Anodiin on myös tehty kanavat 44 elektrolyytin siirtymistä varten.

Varauksen aikana happea kehittyy pääasiallisesti kanavissa 43. Sivu-yhteyksiä voidaan myös järjestää kanavan 43 ja ilmakanavan 42 väliin hapen saattamiseksi siirtymään tähän ilmakanavaan.

Kuten edellä jo mainittiin, voidaan tulla toimeen ilman eräitä näitä keinoja ja toimenpiteitä, kun taas muita voidaan lisätä. Mitä elektrolyytin kiertovirtaukseen tulee, voidaan järjestää sisäinen kierto, jolloin virtaus tapahtuu alaspäin anodin kanavissa 44, kun taas kanavassa 43 ja mahdollisesti ilmakanavassa 42 virtaus tapahtuu ylöspäin (elektrolyytti lisätään tässä ilmakanavan 42 kautta).

Käyttämällä kuvion 9 mukaista suoritusmuotoa, jonka ilmatilaan on tehty erikoismuotoillut kanavat, voidaan ilman virtausta vaihdella laajoissa rajoissa, lisäksi täten saadaan aikaan elektrodien perusteellinen erottaminen toisistaan, mikä vähentää oikosulkujen vaaraa.

On ilmeisesti olemassa lukuisia mahdollisuuksia vaihdella sitä suoritusmuotoa, jonka periaatteet on esitetty kuviossa 9. Eräs tällainen mahdollisuus on sovittaa kanavat rautaelektrodiin kuvion 10 näyttämällä tavalla. Anodeihin 23 on tehty urat 45, jotka mahdollisesti on suljettu esim. maalaamalla tai hitsaamalla muovikalvo. Elektrodien välinen elektro-lyyttikosketus voidaan aikaansaada vapaan elektrolyyttikalvon avulla tai käyttämällä elektrolyytillä täytettyjä huokoisia erotinsäikeitä.

Kuvio 11 esittää erästä vaihtoehtoista ratkaisua, jossa käytetään muovi-profiileja 47, jotka on sijoitettu uriin 48, ja jotka samalla toimivat elektrodien välisinä välielementteinä ja erottavat toisistaan nesteen ja kaa.sun koskettamat osat. Nämä profiilit voidaan valmistaa poly- 15 61 775 styreenistä tai jostain muusta sopivasta polymeraatista.

Kuvio 12 esittää koossapysyvää rakennetta, joka on muodostettu ohuesta pohjakalvosta 49, jonka elektrolyyttiä johtavissa osissa on reiät 50 ja poikkeuttimet 51, jotka rajoittavat ilmakanavia. Tila 52 voidaan sopivasti täyttää huokoisella, elektrolyyttiä absorboivalla erotin-materiaalilla, jolloin elektrolyytin virtaus sopivasti aikaansaadaan tekemällä anodiin kanavat 44.

Edellä esimerkkinä käytetyn rauta-ilmapariston yhteydessä on sovellettu yksinkertaisia virtauskuvioita. Ilmaa syötetään välitilan alaosiin ja poistetaan tämän tilan yläosasta. Elektrolyytti seuraa periaatteessa samaa rataa välitilassa.

Keksintö ei tietenkään rajoitu näihin erikoisiin virtauskuvioihin. Kaasunvirtausta, samoin kuin elektrolyytin virtausta voidaan helposti säätää tukirakenteiden ja rajaavien välielementtien avulla, esim. määrätystä tulokanavasta diagonaalisesti sijaitsevaan lähtökanavaan.

Sekä kaasua että nestettä varten voidaan myös käyttää aivan toisenlaisia suoritusmuotoja, kuten kiemurtelevaa tai kierukkamaista virtausrataa.

Elektrodien ei tarvitse olla pääasiallisesti laakeita, kuten kuvioissa on näytetty. Niinpä laakeat elektrodijärjestelmät voidaan poimuttaa aaltomaisiksi elektrodipinnan suurentamiseksi määrätyn kennotilavuuden puitteissa. Elektrodeissa voi myös olla elektrodimateriaalista tehdyt siivet, joiden reunat ovat kosketuksessa elektrolyyttifaasin kanssa. Laakeat elektrodijärjestelmät voidaan myös kiertää sylinterikennoiksi, jotka voidaan sijoittaa lieriömäisiin kennoastioihin. Voidaan myös käyttää nykyisen tekniikan mukaisten suoritusmuotojen ja keksinnön mukaisten suoritusmuotojen sekayhdistelmiä.

Kuvio 13 esittää päältä katsottuna poikkileikkauksena itsehengittävän metalli-ilmakennon erästä suoritusesimerkkiä. Metallielektrodit 23 on kääritty huokoiseen erottavaan ja elektrolyytillä kyllästyneeseen rakenteeseen 53 (joka periaatteessa vastaa kuvion 9 rakennetta 39), jossa on kanavat 42. Katodimateriaali 25, jona voi olla Teflonilla sidottu, ohuen nikkelipäällysteisen rautaverkon 54 kannattama ja huokoisen polyeteenikalvon 55 suojaama aktiivihiili, on kääritty metallielektro· din ympärille. Ilma joutuu keksinnön mukaan kosketukseen elektrodi-materiaalin kanssa sekä välitilasta käsin että myös itsehengittävistä 61775 16 metalli-ilmakennoista tunnetun nykyisen tekniikan unikaan ulkopuolelta.

Kuvio 14 esittää lieriömäistä rauta-ilmaparistoa, joka voi korvata tavanomaiset ns. kuivakennot, ja jossa on kaksi rauta-ilmakennoa, jotka on yhdistetty sarjaan kaksinapaisen rauta-ilmaelektrodin avulla. Pariston negatiivinen napa 56 on yhdistetty keskeiseen huokoiseen rauta-ilmaelektrodiin 57, joka on ympäröity erottimella 58, joka on elektrolyytin kyllästämä, ja jossa on ilmakanavat 59 ilman syöttämiseksi keksinnön periaatteiden mukaan. Katodimateriaali 60 on sovitettu levyyn 61, jonka varassa puolestaan on huokoinen rautakerros 62. Nämä kolme komponenttia 60, 61 ja 62 muodostavat ilmeisesti kaksinapaisen rauta-ilmaelektrodin. Tämän jälkeen seuraa toinen kerros elektrolyytillä kyllästynyttä erotinmateriaalia 65, jossa on ilmakanavat 64, jotka on suunnattu kohti katodimateriaalia 65. Tämä materiaali on sijoitettu sylinterille 66, joka on yhdistetty pariston positiiviseen napaan 67.

Kuvio 14 esittää päältä katsottuna poikkileikkauksena itse pariston runkoa ja sen komponentteja 57...66. Kuvio 15 esittää poikkileikkauksen; koko paristoa tämän pariston rungon 68 sivulta katsottuna. Runko on yhdistetty molempiin napoihin 56 ja 67 ja sijoitettu eristävään muovi-sylinteriin 69. Sylinterin ylä- ja alaosaan on sijoitettu tilat 70, 71, joiden kautta ilmaa syötetään kanaviin 59 ja 64 ja poistetaan näistä kanavista. Nämä tilat ovat yhteydessä ympäristön ilmatilaan aukkojen 72 ja 75 kautta, jotka kuvion 15 näyttämällä tavalla voidaan tehdä sylinterin vaippapintaan. Nämä aukot voidaan sulkea liikkuvilla renkailla 74 ja 75, joissa on sylinterin kehän aukkoja 72 ja 75 vastaavat aukot 76 ja 77. Ilmaa voidaan tietenkin syöttää vastaavalla tavalla pariston ylä- ja alapäiden kautta. Tämän alan ammattimies voi helposti edellä esitetyn selityksen perusteella valmistaa paristo soveltamalla tekniikkaa, joka on kehitetty sinkki-ilmakennojen, alkali-mangaani-dioksidielementtien ja lieriömäisten nikkeli-kadmiumparistojen yhteydessä. Kuvioiden 14 ja 15 mukaisten rauta-ilmapatiston tehontiheys on useita satoja Wh/kg, paristo on uudelleen varattavissa, ja se voidaan valmistaa halvoista materiaaleista, jotka eivät saastuta ympäristöä, mikä edustaa huomattavaa edistymistä, verrattuna nykyisin käytettyihin paristotyyppeihin. Paristo voidaan myös valmistaa suurikokoisena esim. kuljetustarkoituksia varten.

Edellä on havainnollisuuden ja yksinkertaisuuden vuoksi selitetty erityyppisiä rauta-ilmaparistoja. Samaa tekniikkaa voidaan soveltaa 17 61 775 erityyppisiin kadmium-ilmaparistoihin, samoin kuin sinkki-ilmaparistoihi: Tekniikan nykytaso näiden elektrodien, niiden yhteydessä käytettävien erottimien, jne. valmistusmenetelmien suhteen on selitetty edellä mainitussa kirjassa, jonka ovat laatineet Falk ja Salkind. Binkkielektro-dien suhteen voidaan erikoisesti viitata kirjaan "Zink-in-Alkali Batteries" R.V. Robker, The Society for Electrochemistry in England, August 1973. Sinkki-ilmajärjestelmät ovat monimutkaisia sen takia, että sinkki elektrodi liukenee kokonaan tai osittain purkautumisen aikana. Tämä ei kuitenkaan edusta mitään erikoisongelmaa keksintöä sovellettaessa.

Sen sijaan on osoittautunut, että keksinnön mukaisia ilmaelektrodeja käytettäessä on voitu entistä paremmalla tavalla ratkaista sinkkielektro· deihin liittyvät ongelmat, toisin sanoen niiden muodonmuutokset ja dendriitin muodostuminen. Tämä johtuu todennäköisesti virran tasaisesta jakautumisesta ja elektrodien välisessä tilassa olevista rakenteista, jotka myös näyttävät estävän dendriitin muodostumista.

Ammattimies voi myös helposti soveltaa keksintöä muuntyyppisiin voimalähteisiin, joissa käytetään kaasuelektrodeja. Esitettyjä esimerkkejä voidaan täten suoraan soveltaa myös vety-nikkelioksidiparistoihin, jolloin negatiivinen metallielektrodi korvataan positiivisella nikkeli-oksidielektrodilla, ja positiivinen ilmaelektrodi korvataan negatiivisella vetyelektrodilla.

Nikkelioksidielektrodi voidaan tietenkin myös korvata muilla positiivisilla elektrodimateriaaleilla, joita käytetään alkalijärjestelmissä, ja joista mainittakoon hopeaoksidi, elohopeaoksidi ja rautaoksidi. Esimerkkejä voidaan myös soveltaa metanoli-ilmaparistoihin, jos metalli-elektrodi korvataan huokoista nikkeliä olevalla metanolielektrodilla, jossa on tavanomaista tyyppiä olevaa jalometallikatalysaattoria. Tämän suoritusmuodon eräänä muunnoksena voidaan muodostunut hiilidioksidi tuulettaa elektrodissa olevien kanavien kautta elektrodissa esiintyvien pH-gradienttien vaikutuksesta. Tällöin voi olla eduksi vähentää elektrolyytin ja ilmakatodin välistä kosketusta, jolloin metanolin loishapettu-minen saadaan vähennetyksi tiivistämällä kuten kuviossa 9 on näytetty. Metanolia voidaan sopivasti lisätä metanolielektrodiin kanavien kautta, jotka vastaavat kuvion 9 kanavia 44.

Keksintöä voidaan myös soveltaa sellaisten tehonlähteiden kuten vety-ilmakennojen yhteydessä, joissa molemmat elektrodit ovat kaasuelektro-deja. Eräs tällainen yksinkertainen suoritusmuoto on yhdistelmä, jossa on tavanomainen kuvion 1 mukainen elektrodi, johon voidaan syöttää vetyä.

61775 18 joka esim. kehitetään suorittamalla metanolin tai hiilivetyjen reaktioita, kun taas positiivisena elektrodina voi olla edellä selitettyä tyyppiä oleva ilmaelektrodi, jolloin vetyelektrodi on erotettu ilma-elektrodista ja käytetään keksinnön mukaista välitilaa ilman syöttämiseksi ilmaelektrodiin tästä välitilasta.

Kuvio 16 esittää vety-ilmaparistoa, jossa sekä vety- että ilmaelektrodit ovat keksinnön mukaiset. Tässä tapauksessa vety ja ilma erotetaan toisistaan elektrolyyttitilassa erottimella 78, joka on täyttynyt elektrolyytillä, ja joka samalla toimii ohjauselementtinä elektrodien kanssa kosketuksessa olevia vastaavia kaasuvirtoja varten. Ilmaa syötetään elektrodeihin 25 putkiston 29 kautta ja tuuletetaan putkiston 50 kautta. Vetyä syötetään vastaavalla tavalla elektrodeihin 23 putkiston 79 kautta ja poistetaan putkiston 80 kautta. Muita tarpeellisia keinoja esim. elektrolyytin kiertovirtauksen aikaansaamiseksi, jne. ei ole näytetty.

Varsin suuria vaatimuksia on tietenkin asetettu erottimelle 78, jonka on estettävä vedyn ja ilman joutumisen kosketukseen keskenään, joten • tämä erotin sopivasti tehdään useista eri kerroksista. Erottimessa voi myös olla sintrattua huokoista metallia oleva levy mekaanisen stabiliteetin parantamiseksi. Erottimessa voi myös olla kanavat elektrolyytin syöttämiseksi ja poistamiseksi siten, että elektrolyytti saadaan syötetyksi kaasudifuusioelektrodeihin.

Kuvio 17 esittää keksinnön mukaista kloori-alkalielektrolyysilaitetta, jossa ilmaelektrodit 25 on keksinnön mukaan sijoitettu katalyyttitilaan. Kuvio 18 esittää vastaavaa alkali-elektrolyysilaitetta, jossa on keksinnön mukainen vetyanodi. Kuvion 18 näyttämässä alkalielektrolyysilait-teessa on keksinnön mukaan sekä vetyelektrodi 23 että ilmaelektrodi 25. Tämän elektrolyysilaitteen rakenteellinen suunnittelu on yksityiskohtaisesti esitetty US-patentissa 3.864.236. Ammattimies voi helposti valmistaa keksinnön mukaisia kloori-alkalielektrolyysilaitteita ja alkali-elektrolyysilaitteita soveltamalla tämän patentin ja esim. US-patenteis-sa 3.124.520 ja 3.262.868 selitettyjä periaatteita ja edellä esitettyä selitystä. Erikoisen edullista on muuntaa kaksinapaisia rakenteita, kuten Glanorv '-tyyppistä elektrolyysiinitetta keksinnön mukaisilla ilmakatodeilla. Tämän alan tekniikka on hyvin selitetty esim. julkaisussa Monograph No 154 ’'Chlorine”, julkaissut American Chem. Soc.

19 61 775

Keksintö on luonteeltaan yleispätevä, ja sitä voidaan soveltaa kaikentyyppiset11 sähkökemiallisiin kennoihin, joissa käytetään kaasudiffuusio-elektrodeja, jotka ovat kosketuksessa elektrolyytin kanssa. Keksintö ei tietenkään rajoitu edellä selitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan myös soveltaa kaikentyyppisiin sähkökemiallisiin kennoihin, joissa on kaasuelektrodit, Keksinnön ajatus on erittäin yksinkertainen ja ilmenee selvästi edellä esitetystä selityksestä. Teknisen vaikutuksen toteuttamiseksi tarvitaan erikoistoimenpiteitä, jotka vaihtelevat tapauksesta tapaukseen. Ammattimiehelle ei kuitenkaan tuota mitään vaikeuksia soveltaa keksinnön ajatusta toteutettavissa oleviin sähkökemiallisiin kennoihin soveltamalla kussakin eri tapauksessa ennestään tunnettua tekniikkaa.

Claims (12)

61775 20

1. Kenno sähkön tuottamista tai elektrolyysiä varten, erityisesti metalli-ilmakenno, polttoainekenno tai kloorialkalikenno, jossa kennossa on ilmaelektrodit ja joka käsittää positiivisen elektrodin (25), negatiivisen elektrodin (23) sekä näiden molempien elektrodien väliseen tilaan (28) sijoitetun elektrolyyttiliuoksen, jolloin ainakin toinen elektrodeista on kaasumaista reaktiokomponenttia varten sovitettu kaasuelektrodi jonka ainakin kaasun kanssa kosketukseen tuleva pinta on hydrofobinen tunnettu siitä, että kaasuelek-trodin elektrodien väliseen tilaan (28) päin suuntautuva pinta ja/tai mainitussa tilassa (28) kaasuelektrodin kanssa kosketukseen sovitettu erotin (39) on siten muotoiltu, että välitilaan (28) muodostuu erilliset reitit (42) kaasun syöttämiseksi kaasuelektrodin pinnalle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kenno tunnettu siitä, että erilliset reitit (42) on muodostettu varustamalla kaasuelektrodin pinta hydrofobisten (33) ja hydrofiilisten (34) alueiden muodostamalla kuvioinnilla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kenno tunnettu siitä, että erilliset reitit (42) on muodostettu siten, että välitilaan (28) sovitettu erotin (39) muodostaa kanavat (42, 45, 51, 59 ja 64) kaasun syöttämiseksi kaasuelektrodin pinnalle.

4. Patenttivaatimuksen 2 ja 3 mukainen kenno tunnettu siitä, että kaasun koskettama kaasuelektrodin pinta-ala on yli puolet kaasu-elektrodin koko pinta-alasta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kenno tunnettu siitä, että kaasun koskettama kaasuelektrodin pinta-ala on 67...95 %, sopivasti 67...83 % kaasuelektrodin koko pinta-alasta.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kenno tunnet-t u siitä, että keskimääräinen etäisyys kaasun ja nesteen koskettamien kaasuelektrodin osien välillä on pienempi kuin n. 1...2 cm, sopivasti pienempi kuin 0,5...1 cm.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kenno tunnettu siitä, että mainittu etäisyys on alueella 0,2...0,5 cm. 21 617 7 5

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1...7 mukainen kenno tunnet-t u siitä, että välitilan (28) leveys on alueella 0,2...2 mm.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 2...8 mukainen kenno, missä negatiivinen elektrodi (23) on metallielektrodi ja kaasuelektrodi on ilma-elektrodi, tunnettu siitä, että ilmaelektrodissa on katalysaattori hapen pelkistämiseksi hydrofobisessa pinnassa ja katalysaattori hapen kehittämiseksi hydrofiilisessa pinnassa.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kenno tunnettu siitä, että negatiivinen elektrodi (23) sisältää kanavia (44) elektrolyytin siirtämiseksi.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kenno tunnet-t u siitä, että kennossa on kaksinapaiset elektrodit.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kenno tunnettu siitä, että kennossa on yksinapaiset elektrodit.