WO2014198450A1 - Lagerstabile gaserzeugungszelle - Google Patents

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WO2014198450A1
WO2014198450A1 PCT/EP2014/058307 EP2014058307W WO2014198450A1 WO 2014198450 A1 WO2014198450 A1 WO 2014198450A1 EP 2014058307 W EP2014058307 W EP 2014058307W WO 2014198450 A1 WO2014198450 A1 WO 2014198450A1
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Uwe Voigt
Jan Kramer
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Varta Microbattery Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to gas generating cells, in particular electrochemical cells for producing hydrogen or oxygen.
  • Electrochemical cells for the production of hydrogen or oxygen are known in various designs. In particular, such cells are often constructed as button cells. An exemplary structure of such cells is described in DE 35 32 335 A1.
  • the production of hydrogen and oxygen is based on an electrochemical reaction.
  • a gas generating cell which comprises zinc as an anode, an electrochemically oxidizable substance, and as the cathode a catalyst electrode capable of decomposing water, results in the formation of hydrogen.
  • the amount of gas generated is usually in accordance with the Faraday's law exactly proportional to the amount of current flowing through the gas generating cell.
  • the generated gas may be e.g. driving the piston of a fat dispenser, as described in DE 35 32 335 A1.
  • Gas generating cells include a housing having at least one aperture through which generated gas can escape from within the housing.
  • the opening is usually imperative for the operation of the cells, but represents a weak point in terms of their Lagersta- stability.
  • the breakthrough to the knowledge of the Applicant is usually covered with a removable sticker that can be removed before commissioning of the cells can In case of prolonged storage unwanted substances such as carbon dioxide penetrate into the housing interior and lead there to undesired chemical reactions.
  • the present invention has for its object to provide gas generating cells with improved storage stability.
  • the cell according to the invention can serve both for the production of hydrogen (a) and for the production of oxygen (b).
  • the cell according to the invention has an anode comprising an electrochemically oxidizable substance (for example, zinc) and an electrode for generating hydrogen as a cathode (for example, one of the catalyst electrodes mentioned in DE 35 32 335 A1).
  • the cathode comprising an electrochemically reducible substance (for example, zinc oxide) and an electrode for generating oxygen as an anode (for example, one of the catalyst electrodes mentioned in DE 35 32 335 A1).
  • the catalyst electrodes are in this case preferably designed as gas diffusion electrodes with a thin active layer into which a suitable catalyst is embedded.
  • the cell according to the invention comprises a housing which encloses an interior, in which one of said combinations (a) or (b) of anode and cathode - separated by a separator - is arranged.
  • the cell of the invention is characterized in that the housing has an opening which is closed by means of a thin polymer or metal layer, which in the first use of the cell by the incipient hydrogen or oxygen generation in the housing interior forming Pressure is destroyed so that generated hydrogen or oxygen can escape from the interior.
  • the polymer or metal layer is substantially impermeable to at least one of the gases from the group with hydrogen, oxygen and carbon dioxide.
  • the polymer or metal layer hermetically seals the aperture. The intrusion of undesirable substances such as carbon dioxide into the housing interior described at the outset and the undesired chemical reactions associated therewith could thus be effectively prevented. Accordingly, the cells of the invention show excellent storage stability.
  • the cell according to the invention has more than one, preferably two or more openings through which hydrogen or oxygen can escape from the housing interior. Preference is given between two and 10 openings. In particularly preferred embodiments, each of the at least two or more openings is closed with the polymer or metal layer.
  • the cell according to the invention is preferably designed as a button cell with a housing made of a cell cup, a cell lid inserted therein and a seal which separates the cell cup and the cell lid from each other. Usually the aperture (s) are / are inserted into the bottom of the cell cup or cell lid.
  • the polymer or metal layer is arranged on the inside of the housing, in particular in the form of a film, which covers the bottom of the cell cup or the cell lid at least in the region of the introduced opening.
  • the film can cover the floor completely or almost completely.
  • the aperture (s) are usually simple holes that have been inserted into the housing by a drilling or punching operation. They may have both a round and an angular shape, this is not critical in the context of the present invention.
  • the aperture (s) have a minimum diameter of not less than 0.5 mm, preferably not less than 1.0 mm, more preferably not less than 1.5 mm.
  • the polymer or metal layer has a thickness of not more than 40 ⁇ m, preferably not more than 20 ⁇ m, in particular not more than 10 ⁇ m.
  • the film should ideally represent a predetermined breaking point with respect to a resulting inside the housing pressure.
  • the film is particularly preferably a plastic film of a thermoplastic, in particular a film of a polyolefin, in particular of polyethylene.
  • the film is substantially free of pores.
  • the polymer or metal layer is arranged on the outside of the housing, in particular in the form of a lacquer layer which spans the aperture (s).
  • a lacquer layer has the advantage that it can be applied with little effort, both before and even after cell assembly. In contrast, in order to position the mentioned plastic film in the housing, the assembly process has to be modified.
  • FIG. 1 shows schematically the cross section of an electrochemical cell 100 according to the invention. Shown are the cell cup 101 and the cell lid 102 inserted therein, from which the housing of the cell according to the invention is formed.
  • the housing has a cylindrical shape. On the front side, the housing is delimited by the bottoms of the cell cup 101 and the cell lid 102, on the shell side by the wall of the cell cup 101.
  • the plastic gasket 103 is arranged, which spatially and electrically separates the cell cup 101 and the cell lid 102 from each other.
  • the catalyst electrode 104 formed to generate hydrogen is contained in the cell 100 as a thin layer. However, it is not in direct contact with the bottom of the cell cup 101, because this is completely covered with a polyethylene foil 108 about 15 ⁇ m thick.
  • the areal separator 105 is arranged above the catalyst electrode 104. This separates the catalyst electrode 104 from the anode chamber 106 of the cell 100. In the latter, a metal powder, in particular zinc, is introduced as electrochemically oxidizable substance.
  • the openings 107a-d are incorporated in the bottom of the cell cup 101. These are closed on the inside with the film 108.
  • hydrogen is generated inside the housing.
  • the film 108 bulges outwardly through the apertures 107a-d until it tears. Thereafter, the generated hydrogen can escape from the cell unhindered.

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Abstract

Beschrieben wird eine elektrochemische Zelle (100) zur Erzeugung von Wasserstoff (a) oder Sauerstoff (b), mit entweder (a) einer Anode umfassend eine elektrochemisch oxidierbare Substanz und einer zur Wasserstoff-Erzeugung ausgebildete Elektrode als Kathode oder (b) einer Kathode aus einer elektrochemisch reduzierbaren Substanz und einer zur Sauerstoff- Erzeugung ausgebildeten Elektrode als Anode sowie einem Gehäuse, das einen Innenraum umschließt, in dem eine der genannten Kombinationen (a) oder (b) aus Anode und Kathode - getrennt durch einen Separator (105) - angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Durchbrechung (107) aufweist, die mittels einer dünnen Polymer- oder Metallschicht (108) verschlossen ist, welcher bei der ersten Inbetriebnahme der Zelle durch den in Folge der einsetzenden Wasserstoff- oder Sauerstoff-Erzeugung im Innenraum sich bildenden Druck zerstört wird, so dass erzeugter Wasserstoff oder Sauerstoff aus dem Innenraum entweichen kann.

Description

Beschreibung
Lagerstabile Gaserzeugungszelle
Die vorliegende Erfindung betrifft Gaserzeugungszellen, insbesondere elektrochemische Zellen zur Erzeugung von Wasserstoff oder Sauerstoff. Elektrochemische Zellen zur Erzeugung von Wasserstoff oder Sauerstoff sind in diversen Bauformen bekannt. Insbesondere werden solche Zellen häufig als Knopfzellen konstruiert. Ein beispielhafter Aufbau solcher Zellen ist in der DE 35 32 335 A1 beschrieben.
Die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff basiert auf einer elektrochemischen Reaktion. So kommt es beispielsweise beim Durchfluss eines Stroms durch eine Gaserzeugungszelle, die als Anode Zink, eine elektrochemisch oxidierbare Substanz, und als Kathode eine zur Zersetzung von Wasser befähigte Katalysatorelektrode umfasst, zur Bildung von Wasserstoff. Die Menge des erzeugten Gases ist dabei in der Regel gemäß dem Faraday'schen Gesetz exakt proportional zu der Menge des Stroms, der die Gaserzeugungszelle durchfließt.
Es gibt zahlreiche Anwendungen für Gaserzeugungszellen. Sehr häufig werden sie im Zusam- menhang mit dem Austrag von fließfähigen Medien eingesetzt. So kann das erzeugte Gas z.B. den Kolben eines Fettspenders antreiben, wie das in der DE 35 32 335 A1 beschrieben ist.
Gaserzeugungszellen umfassen ein Gehäuse, das mindestens eine Durchbrechung aufweist, durch die erzeugtes Gas aus dem Inneren des Gehäuses entweichen kann. Die Durchbrechung ist meist zwingend für den Betrieb der Zellen erforderlich, stellt aber hinsichtlich ihrer Lagersta- bilität einen Schwachpunkt dar. Obwohl die Durchbrechung nach Kenntnis der Anmelderin in aller Regel mit einem ablösbaren Aufkleber abgedeckt ist, der vor Inbetriebnahme der Zellen entfernt werden kann, können bei längerer Lagerung unerwünschte Stoffe wie Kohlendioxid ins Gehäuseinnere eindringen und dort zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Gaserzeugungszellen mit verbesserter Lagerstabilität bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zelle sind in den abhängigen Ansprüche 2 bis 6 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht. Die erfindungsgemäße Zelle kann sowohl zur Erzeugung von Wasserstoff (a) als auch zur Erzeugung von Sauerstoff (b) dienen. Im Fall (a) weist sie eine Anode umfassend eine elektrochemisch oxidierbare Substanz (beispielsweise Zink) und eine zur Wasserstoff-Erzeugung ausgebildete Elektrode als Kathode (beispielsweise eine der in der DE 35 32 335 A1 erwähnten Katalysatorelektroden) auf. Im Fall (b) umfasst sie eine Kathode umfassend eine elektrochemisch reduzierbaren Substanz (beispielsweise Zinkoxid) und eine zur Sauerstoff-Erzeugung ausgebildeten Elektrode als Anode (beispielsweise eine der in der DE 35 32 335 A1 erwähnten Katalysatorelektroden). Die Katalysatorelektroden sind hierbei bevorzugt als Gasdiffusionselektroden ausgebildet mit einer dünnen Aktivschicht, in die ein geeigneter Katalysator einge- bettet ist. Auf den diesbezüglichen Inhalt der DE 35 32 335 A1 wird hiermit Bezug genommen.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Zelle ein Gehäuse, das einen Innenraum umschließt, in dem eine der genannten Kombinationen (a) oder (b) aus Anode und Kathode - getrennt durch einen Separator - angeordnet ist.
Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle dadurch aus, dass das Gehäuse eine Durchbrechung aufweist, die mittels einer dünnen Polymer- oder Metallschicht verschlossen ist, welche bei der ersten Inbetriebnahme der Zelle durch den in Folge der einsetzenden Wasserstoff- oder Sauerstoff-Erzeugung im Gehäuseinnenraum sich bildenden Druck zerstört wird, so dass erzeugter Wasserstoff oder Sauerstoff aus dem Innenraum entweichen kann. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Polymer- oder Metallschicht im Wesentlichen undurchlässig ist für mindestens eines der Gase aus der Gruppe mit Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid. Mit anderen Worten, die Polymer- oder Metallschicht verschließt die Durchbrechung hermetisch. Das eingangs beschriebene Eindringen von unerwünschten Stoffen wie Kohlendioxid ins Gehäuseinnere und die damit verbundenen unerwünschten chemischen Reaktionen konnten dadurch wirksam unterbunden werden. Entsprechend zeigen die erfindungsgemäßen Zellen eine hervorragende Lagerstabilität.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Zelle mehr als eine, vorzugsweise zwei oder mehr Durchbrechungen auf, durch die Wasserstoff oder Sauerstoff aus dem Gehäuseinnenraum entweichen kann. Bevorzugt sind zwischen zwei und 10 Durchbrechungen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist jede der mindestens zwei oder mehr Öffnun- gen mit der Polymer- oder Metallschicht verschlossen.
Die erfindungsgemäße Zelle ist bevorzugt als Knopfzelle ausgebildet mit einem Gehäuse aus einem Zellenbecher, einem in diesen eingeschobenen Zellendeckel und einer Dichtung, die den Zellenbecher und den Zellendeckel voneinander trennt. Meist ist / sind die Durchbrechung / die Durchbrechungen in den Boden des Zellenbechers oder des Zellendeckels eingebracht.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die Polymer- oder Metallschicht auf der Innenseite des Gehäuses angeordnet, insbesondere in Form einer Folie, die den Boden des Zel- lenbechers oder des Zellendeckels zumindest im Bereich der eingebrachten Durchbrechung abdeckt. Die Folie kann aber natürlich den Boden vollständig oder nahezu vollständig abdecken.
Bei der Durchbrechung / den Durchbrechungen handelt es sich in der Regel um einfache Löcher, die durch einen Bohr- oder einen Stanzvorgang ins Gehäuse eingebracht wurden. Sie können sowohl eine runde als auch eine eckige Form haben, dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unkritisch.
Bevorzugt ist allerdings, dass die Durchbrechung / die Durchbrechungen einen minimalen Durchmesser von nicht weniger als 0,5 mm, vorzugsweise von nicht weniger als 1 ,0 mm, insbesondere von nicht weniger als 1 ,5 mm, aufweisen. Gleichermaßen, insbesondere gleichzeitig, ist es bevorzugt, dass die Polymer- oder Metallschicht eine Dicke von nicht mehr als 40 μηη, vorzugsweise von nicht mehr als 20 μηη, insbesondere von nicht mehr als 10 μηη, aufweist.
Durch gegenseitige Abstimmung der Größe der Durchbrechung und der Dicke der Folie kann sichergestellt werden, dass ihre Zerstörung bei Inbetriebnahme der Zelle nicht erst bei einem Druck erfolgt, bei dem das Zellgehäuse auch in anderen Bereichen geschädigt werden kann. Die Folie sollte idealerweise eine Sollbruchstelle hinsichtlich eines im Gehäuseinneren entstehenden Druckes darstellen.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Folie um eine Kunststofffolie aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere um eine Folie aus einem Polyolefin, insbesondere aus Polyethylen. Bevorzugt ist die Folie im Wesentlichen frei von Poren.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die Polymer- oder Metallschicht auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist, insbesondere in Form einer Lackschicht, welche die Durchbrechung / die Durchbrechungen überspannt. Eine solche Lackschicht hat des Vorteil, dass sie mit geringem Aufwand appliziert werden kann und zwar sowohl vor als auch nach der Zellmontage. Im Gegensatz dazu muss zum Positionieren der erwähnten Kunststofffolie im Gehäuse das Montageverfahren modifiziert werden.
Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die einzelnen Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 100. Dargestellt sind der Zellenbecher 101 und der darin eingeschobene Zellendeckel 102, aus denen das Gehäuse der erfindungsgemäßen Zelle gebildet ist. Das Gehäuse weist eine zylindrische Form auf. Stirnseitig wird das Gehäuse durch die Böden des Zellenbechers 101 und des Zellendeckels 102 begrenzt, mantelseitig durch die Wand des Zellenbechers 101 .
Zwischen dem Zellenbecher 101 und dem Zellendeckel 102 ist die Kunststoffdichtung 103 angeordnet, die den Zellenbecher 101 und den Zellendeckel 102 räumlich und elektrisch voneinander trennt. Die zur Wasserstofferzeugung ausgebildete Katalysatorelektrode 104 ist in der Zelle 100 als dünne Schicht enthalten. Mit dem Boden des Zellenbechers 101 steht sie allerdings nicht in direktem Kontakt, dieser ist nämlich mit einer ca. 15 μηι dicken Polyethylenfolie 108 vollständig abgedeckt. Oberhalb der Katalysatorelektrode 104 ist der flächige Separator 105 angeordnet. Dieser trennt die Katalysatorelektrode 104 vom Anodenraum 106 der Zelle 100. In letzterem ist als elektrochemisch oxidierbare Substanz ein Metallpulver, insbesondere Zink, eingebracht.
In den Boden des Zellbechers 101 sind die Durchbrechungen 107a-d eingearbeitet. Diese sind innenseitig mit der Folie 108 verschlossen. Wird die Zelle 100 in Betrieb genommen und lässt man einen Strom durch sie fließen, so wird im Inneren des Gehäuses Wasserstoff gebildet. Durch den in der Folge ansteigenden Druck wölbt sich die Folie 108 durch die Durchbrechungen 107a-d nach außen bis sie zerreißt. Danach kann der erzeugte Wasserstoff ungehindert aus der Zelle austreten.

Claims

Patentansprüche
Elektrochemische Zelle (100) zur Erzeugung von Wasserstoff (a) oder Sauerstoff (b), mit entweder
(a) einer Anode umfassend eine elektrochemisch oxidierbare Substanz und einer zur Wasserstoff-Erzeugung ausgebildete Elektrode als Kathode oder
(b) einer Kathode aus einer elektrochemisch reduzierbaren Substanz und einer zur Sauerstoff-Erzeugung ausgebildeten Elektrode als Anode sowie einem Gehäuse, das einen Innenraum umschließt, in dem eine der genannten Kombinationen (a) oder (b) aus Anode und Kathode - getrennt durch einen Separator (105) - angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Durchbrechung (107) aufweist, die mittels einer dünnen Polymer- oder Metallschicht (108) verschlossen ist, welcher bei der ersten Inbetriebnahme der Zelle durch den in Folge der einsetzenden Wasserstoff- oder Sauerstoff-Erzeugung im Innenraum sich bildenden Druck zerstört wird, so dass erzeugter Wasserstoff oder Sauerstoff aus dem Innenraum entweichen kann.
Zelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer- oder Metallschicht (108) im Wesentlichen undurchlässig ist für mindestens eines der Gase aus der Gruppe mit Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid.
Zelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Knopfzelle ausgebildet ist mit einem Gehäuse aus einem Zellenbecher (101 ), einem in diesen eingeschobenen Zellendeckel (102) und einer Dichtung (103), die den Zellenbecher
(101 ) und den Zellendeckel (102) voneinander trennt, wobei es bevorzugt ist, dass die Durchbrechung (107) in den Boden des Zellenbechers (101 ) oder des Zellendeckels
(102) eingebracht ist.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer- oder Metallschicht (108) auf der Innenseite des Gehäuses angeordnet ist, insbesondere in Form einer Folie, die den Boden des Zellenbechers (101 ) oder des Zellendeckels (102) zumindest im Bereich der eingebrachten Durchbrechung (108) abdeckt. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung einen minimalen Durchmesser von nicht weniger als 0,5 mm, vorzugsweise von nicht weniger als 1 ,0 mm, insbesondere von nicht mehr als 1 ,5 mm, aufweist und dass die Polymer- oder Metallschicht (108) eine Dicke von nicht mehr als 10 μηη, vorzugsweise von nicht mehr als 20 μηη, insbesondere von nicht mehr als 40 μηη, aufweist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerfilm auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist, insbesondere in Form einer Lackschicht, welche die Durchbrechung überspannt.
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