DE10254675B4

DE10254675B4 - Displacer und Extraktor für Sauerstoffgas aus Konservierbehälter

Info

Publication number: DE10254675B4
Application number: DE10254675A
Authority: DE
Inventors: August Winsel
Original assignee: Winsel August Prof Drrernat
Current assignee: Winsel August Prof Drrernat
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2022-11-23
Also published as: DE10254675A1

Abstract

Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus einem Behälter, mittels reversibel arbeitender Gaszelle,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle je eine Sauerstoffanode und je eine Sauerstoffkathode enthält, die beide für das im Zellelektrolyten existierende Sauerstoff-Ion durchtrittsfähig sind,
dass der Gasraum der bei Stromfluss sauerstoffentwickelnden Anode mit der Außenluft direkt oder mittels eines Überdruckventils verbunden ist,
dass der Gasraum der sauerstoffverzehrenden Kathode mit dem Innenraum des Behälters direkt oder mittels eines Unterdruckventils verbunden ist und
dass eine regelbare Gleichstromquelle mit der Sauerstoffanode und der Sauerstoffkathode ständig derartig kontaktierbar ist, dass die Sauerstoffkathode im Spannungsfenster zwischen dem Potential der Sauerstoffreduktion und dem der Reduktion des unedelsten der in der Elektrode enthaltenen Konstruktionsmetalle gehalten wird und/oder die Gesamtspannung der Zelle geringer als die Zersetzungsspannung des wässrigen Elektrolyten ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein sog. Displacer, d. h. Verdrängungskörper, und Extraktor für Sauerstoffgas aus einem Konservierbehälter zum Verwahren sauerstoffempfindlicher Schutzobjekte. Darunter verstehen wir hier insbesondere Lebensmittel, das heißt, Stoffe aus dem Bereich der Pflanzen- und Tierwelt, die mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und dadurch verderben. Das gilt aber auch für viele Substanzen aus der anorganischen Welt, die durch Oxidation verändert werden, z. B. luftempfindliche Lösungen aus dem Bereich der Photographie, Farben und chemischer Proben. Im allgemeinen schließt man durch Unterbringung in einem gasdichten Gefäß die schädliche Oxidation durch den Luftsauerstoff aus. Doch jedes Öffnen des Gefäßes setzt den Verderbprozess wieder in Gang.
Die Lebensmitteltechnologie kennt eine Reihe von Konservierungsverfahren, von denen für diese neue Technologie das ”Einkochen” oder ”Einwecken” relevant sind. Dazu werden die zu schützenden Lebensmittel in einer Metalldose verschlossen oder in ein verschließbares Weckglas gefüllt und in einem Wasserbad soweit erhitzt, dass die Luft aus dem Gefäß durch den Wasserdampf verdrängt wird. Nach dem Abkühlen entsteht ein Unterdruck, der das Glasgefäß mit Gummiring und Deckel luftdicht verschließt und den Inhalt dadurch schützt. Diese Prozedur ist jedoch relativ umständlich. Es gibt eine bekannte Praxis der Hausfrau, ein geöffnetes Weckglas wieder zu verschließen. Dazu wird ein Stück Würfelzucker mit brennbarem Alkohol getränkt, auf das Konservierungsgut gelegt und angezündet. Danach wird das Gefäß mit dem Deckel verschlossen. Nach kurzer Zeit verlöscht die Flamme. Dann ist der Sauerstoff verbraucht und gleichzeitig ein Unterdruck erzeugt worden.
Dieser Prozedur kommt die DE 100 18 740 A1 näher, die einen luftdicht verschlossenen Konservierbehälter zum Aufbewahren eines oder mehrerer sauerstoffempfindlicher Schutzobjekte beschreibt. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass er neben den Schutzobjekten eine elektrochemische Zink/Luftzelle (Zink-/Luftsauerstoff-Zelle) enthält, die über einen Belastungswiderstand und eine Halbleiterdiode in Serienschaltung, zum Beispiel über eine Gleichrichterdiode in Durchlassrichtung kurzgeschlossen ist. Es wurde nämlich gefunden, dass man mit Hilfe einer den Sauerstoff bindenden galvanischen Zelle diesen in einem geschlossenen Gefäß restlos verbrauchen kann, wenn man sie mit Strom belastet und in das Konservierungsgefäß mit einschließt. Sehr geeignet sind dafür die bekannten Zink-/Luftzellen der Hörgerätepraxis.
Die schädliche Umwandlung der kurzgeschlossenen Zelle von einer Sauerstoffverzehrzelle zu einer Wasserstoffentwicklungszelle, die nach Verbrauch allen Sauerstoffs auftritt, kann man vermeiden, wenn man in den Belastungskreis eine einfache Siliziumdiode mit einschaltet. Diese Diode erlaubt den Stromfluss nur, solange Sauerstoff vorhanden ist. Ist der Sauerstoff verbraucht, so fällt der Strom auf Werte unter 1 mu A ab. Es entsteht kein Wasserstoff mehr. Die Diode hat also die Wirkung eines Schalters, wobei nun neben dem Konservierungsgut auch die Zelle selbst konserviert (vor Korrosion geschützt) wird. Man versteht hieraus leicht, dass diese Konservierungsmethode der vorher beschriebenen überlegen ist: Der Konservierungsvorgang selbst bleibt dauerhaft wirksam, indem durch Undichtigkeiten in das Konservierungsgefäß eindringender Sauerstoff der Luft ständig verbraucht wird.
Um die Mehrfachverwendbarkeit der Konservierung zu ermöglichen, wurde empfohlen, die Zink-/Luftzelle einschließlich aller elektrischen Schaltelemente in einem abtrennbaren, gasdicht verschließbaren Metall- oder Kunststoffgehäuse unterzubringen. Hat man den Konservierungsvorgang beendet, so kann man diesen Teil abtrennen und mit einer neuen Zelle bestücken.
Es bleibt jedoch der Nachteil bestehen, dass die Zinkmasse der Zelle sich verbraucht. Ein Behälter, aus dem man immer wieder einen Teil des Konservierungsgutes entnehmen möchte, erfordert bei jeden Verschließen wieder eine neue, sogar noch wachsenden Zinkmenge in der Zink-/Sauerstoffzelle. Diesen Nachteil soll die vorliegende Erfindung beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Sinnvolle Weiterbildungen beschreiben die Unteransprüche 2 bis 7. Die Erfindung wird an Hand von 1 bis 3 erläutert.
In 1 ist das Prinzip der Erfindung dargestellt. Zwei im Aufbau fast gleiche Elektroden sind zu einer janusköpfigen, jedoch bipolaren Zelle zusammengesetzt. Ihre Metallnetze 14 und 24 tragen die Arbeitsschichten 11 und 21 und die Deckschichten 13 und 23, die hydrophob sind. Zwischen den beiden Arbeitsschichten sorgt der Elektrolyt im Separator für den ionischen Kontakt der Halbzellen, die jede für sich in einen Metallrahmen 15 und 25 gefasst sind. 15 ist mit dem negativen, 25 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Die negative Elektrode 15 liegt im Evakuierungsgefäß, das im Bereich der Einbuchtung 16 unsteif sein kann.
Beim Anlegen der Gleichspannung zwischen 15 und 25 fließt ein Gleichstrom, der aus dem Konservierungsgefäß Sauerstoffgas verzehrt und in der Gasentwicklungselektrode die gleiche Menge freisetzt. Dieses Gas wird in den Gasporen der Entwicklungselektrode komprimiert und über das Ventil 24 abgeblasen. Der Separator zwischen den Elektroden verhindert mit dem großen Kapillardruck des Elektrolyten in seinen Poren die Rückströmung des Sauerstoffs aus Elektrode 2 in den Behälter. Durch Kontrolle der Zellspannung kann man verhindern, dass unerwünschte Reaktionen in den Elektroden ablaufen. Dazu sollte die Gesamtspannung nicht auf Werte über 2 V steigen und der Quotient dΦ/di für beide Elektroden ausreichend klein bleiben. Dabei ist Φ das Potential der Einzelelektrode oder auch die Zellspannung. I ist der Zellstrom. Diese Maßnahme bewirkt, dass der Elektrodenstrom nicht den Grenzstrom überschreitet.
In der US 3,201,282 A beschreiben K.-H. Friese, E. Justi und A. Winsel die als Ventil-Elektrode bezeichnete Gas-Diffusionselektrode für Wasserstoff bzw. Sauerstoff, die aus mehreren porösen Schichten aufgebaut ist. Sie hat die Eigenschaft, bei Stromumkehr unter konstanten Druckverhältnissen im Gas und im Elektrolyten die Strömung des Gases umzukehren. Man hat mit Hilfe dieser Elektrodenkonstruktion reversible Zellen verschiedenster Art aufgebaut. Beispiel ist die reversible Elektrodialyse an Ionenaustauschermembranen in reversiblen Wasserstoff-/Wasserstoffzellen, in denen das Gas im Kreislauf zwischen Kathode und Anode geführt wird, E. Justi und A. Winsel, DE 1 213 381 C . Auch wurden solche Zellen zur Deuteriumanreicherung verwendet. In 2 ist ein Kreislaufsystem für den Sauerstoff dargestellt, das aus den vorher geschilderten Komponenten besteht und noch zusätzlich einen Gasspeicher 17 enthält. Dieser kann aus einer zusätzlichen, autonomen Sauerstoffentwicklungszelle nachgespeist werden. Dieses hat den Zweck, die Sauerstoffverluste zu ersetzen, die durch Undichtigkeiten im System auftreten.
Dieses Kreislaufsystem kann man durch Ankopplung einer Kraftmaschine zur mechanischen Arbeitsleistung ausbauen, in der die Druckdifferenz im Sauerstoffgas zu beiden Seiten der Zelle ausgenutzt wird. Die Kraftmaschine kann eine Turbine oder Kolbenpumpe sein. Schematisch wird dies in 3 gezeigt. Durch Injektion von Flüssigkeitstropfen in den Sauerstoffkreislauf kann man so auch eine Flüssigkeitspumpe realisieren, denn die Flüssigkeitstropfen werden im Gaskreislauf mitgeführt.

Claims

Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus einem Behälter, mittels reversibel arbeitender Gaszelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle je eine Sauerstoffanode und je eine Sauerstoffkathode enthält, die beide für das im Zellelektrolyten existierende Sauerstoff-Ion durchtrittsfähig sind, dass der Gasraum der bei Stromfluss sauerstoffentwickelnden Anode mit der Außenluft direkt oder mittels eines Überdruckventils verbunden ist, dass der Gasraum der sauerstoffverzehrenden Kathode mit dem Innenraum des Behälters direkt oder mittels eines Unterdruckventils verbunden ist und dass eine regelbare Gleichstromquelle mit der Sauerstoffanode und der Sauerstoffkathode ständig derartig kontaktierbar ist, dass die Sauerstoffkathode im Spannungsfenster zwischen dem Potential der Sauerstoffreduktion und dem der Reduktion des unedelsten der in der Elektrode enthaltenen Konstruktionsmetalle gehalten wird und/oder die Gesamtspannung der Zelle geringer als die Zersetzungsspannung des wässrigen Elektrolyten ist.
Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus einem Behälter, mittels einer reversibel arbeitenden Gaszelle, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand unsteif ist und bei Unterdruck im Inneren gegenüber dem äußeren atmosphärischen Druck eine Formveränderung unter Verkleinerung des Volumens des Innenraums erfährt.
Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus einem Behälter, mittels einer reversibel arbeitenden Gaszelle, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unsteife Wand aus einer im Innenraum angeordneten aufblasbaren Blase besteht, die mit dem atmosphärischen Außenraum über eine schlauchartige Verbindung korrespondiert.
Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus einem Behälter, mittels einer reversibel arbeitenden Gaszelle, nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sein Innenraum mit der Außenluft derart über ein Ansaugventil verbunden ist, dass der Luftzutritt nur bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes erfolgt.
Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus eifern Behälter, mittels einer reversibel arbeitenden Gaszelle, nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung einen Sauerstoffspeicher im Verzehrteil enthält, der mittels einer autonomen Sauerstoffentwicklungszelle nachfüllbar ist.
Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus eifern Behälter, mittels einer reversibel arbeitenden Gaszelle, nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffkreislauf eine Strömungsmaschine enthält, die die Druckenergie des Sauerstoffs zwischen der O₂-erzeugenden und der O₂-verzehrenden Elektrode in eine andere Arbeitsform umsetzt.
Elektrochemischer Displacer und Extraktor zur Entfernung von Sauerstoffgas aus einem Behälter, mittels einer reversibel arbeitenden Gaszelle, nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss nur in den Spannungsfenster der Kathode erfolgt, in dem der Sauerstoffverzehr möglich, die Wasserstoffentwicklung unmöglich ist.