DE2043200A1

DE2043200A1 - Elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE2043200A1
Application number: DE19702043200
Authority: DE
Inventors: West Hiry B New York NY Kober Frederick P (V St A)
Original assignee: Yardney International Corp
Current assignee: Yardney International Corp
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1970-09-01
Publication date: 1971-03-04
Also published as: FR2060759A5; SE368305B; CA945627A; CH534963A; GB1290568A; JPS5012893B1; BE755613A

Description

Df. Ir.«.;, hvkn 22.947 (32.695)/3chli. Οα^^α&η 31.3.197o

Yardney international Corporation, New York N.Y. (USA.) 4o-52 Leonard Street

Elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit wenigstens einer Luftdepolarisationskathode -und wenigstens einer gegenüberliegenden löslichen Anode mit einem zwischengelagerten permeablen Separator, welcher in seinen Poren ein wasserlösliches Salz enthält, und hat eine besonders Zweckmäßige Ausgestaltung zum Gegenstand, durch μ welche die Wirkungsweise wesentlich verbessert wird.

Bs sind Zellen und Batterien des sogenannten Hybrid-Typs bekannt, bei denen eine Elektrode oder Elektrodengruppe (im allgemeinen die positiven Elektroden oder Kathoden) eine Gasdepolarisationselektrode darstellt, währenidie Elektrode oder die Elektroden der entgegengesetzten Polarität (im allgemeinen die negativen Elektroden oder Anoden) durch elektrochemische Reaktion mit einem flüssigen Elektrolyt entladbar ist. Bei einer bekannten Zelle dieser Art. arbeitet eine Luftdepolarisationskathode mit einer oydierbaren Anode, z.B. aus Zink oder Aluminium, in einem alkalischen oder einem Salzelektrolyten zusammen. "

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung einer nutzbaren Zelle oder Batterie des Hybrid-Typs der beschriebenen Art, welche innerhalb der Grenzen ihrer ursprünglichen Ladel^azität für mehrere Teilentladungen wiederholt aktiviert und entaktiviert werden kann und nach einer Entaktivierun-g praktisch frei von einem inneren chemischen Angriff und kostspielige EnergieVerschwendung ist, so daß sie eint dem Wesen nach unbegrenzte Lebensdauer besitzt* Dabei aoll die Arbeitsperiode für jede Aktivierung als

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Bruchteil der Gesamtentladung passend ausgewählt werden können, so daß die elektrochemischen Prozesse vor der vollständigen Entladung automatisch begrenzt werden, und zwar bis zu einer Wiederaufnahme durch eine erneute Aktivierung; eine solche elektrische Stromenergie ist besonders geeignet, beispielsweise als Stromquelle für mechanische Spielgeräte, die häufig nur für einige Minuten in Benutzung sind. Aufga-be der Erfindung ist weiterhin die Entwicklung eines Verfahrens für ein wirtschaftliches Arbeiten einer Zelle oder Batterie dieser Art. Schließlich sollen ftie Bestandteile der Zelle ungiftig sein, so daß sie keine Gesundheitsschäden für den Gebraucher, insbesondere für Kinder mit sich bringen..

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aus den Elektroden und dem Separator gebildete Baueinheit einen begrenzten Flüssigkeitsraum zum Einführen von Wasser aufweist, welches dfts Salz unter Bildung eines Elektrolyten löst, wobei die durch den Flüssigkeitsraum zur Verfugung stehende Wassermenge kleiner ist, als zum Lösen des gesamten im Separator gelagerten Salzes erforderlich ist.

Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß bei einer vollständigen Wasserfüllung des zur Verfügung stehenden Flüssigkeitsraumes die Zelle bereits Strom zu erzeugen aufhört, wenn erst ein Teil der ursprünglich eingelagerten elektrochemischen Energie verbraucht ist; während des Entladevorganges wird das Wasser teilweise durch die elektrochemische Reaktion und teilweise durch Verdampfung verbraucht, bis der innere Strom zwischen den Elektroden unterbrochen ist· Obgleich in diesem Stadium innerhalb des Separators in der Fähe jeder Elektrode etwas Flüssigkeit verbleiben wird, verhindert die Unterbrechung der Ionenwanierung zwischen den Elektroden einen bedeutenden ο hämischen J^ngriff dieser Restflüasigkeit auf die lösliche Anode oder Anoden, bis die Zelle voll getrocknet ist. Nach einer solchen Entaktivierung kann die Zelle au einem beliebigen Zeitpunkt wieder durch Zuführen einer weiteren Menge Wasser aktiviert werden.

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Im Hinblick auf die Verfügbarkeit, einer leichten Wasserlöslichkeit und der Ungiftigkeit ist die Verwendung von · Natriumchlorid (Tafelsalz) als elektrolytisches Anhydrid am vorteilhaftesten*

Obgleich prinzipiell die nach oben offene Flüssigkeitskammer von einem die ganze Elektrodeneinrichtung umgebenden Gehäuse gebildet sein kann, wobei die Kathode oder die Kathoden der Einwirkung von Sauerstoff oder Luft zugänglich* ist, besteht eine bevorzugte Ausführung aus einem rohrförmig oder prismatisch geformten Behälter, wobei die Kathode das Elektrodengehäuse darstellt und eine Tasche für die Anode oder die Anoden bildet, und der Separator ^

letztere ebenfalls umhüllt. Die äußere Kathodenfläche ist direkt der umgebenden Luft ausgesetzt, welcher der für die Depolarisation erforderliche Luft entnommen wird. Weil die freie Kathodenfläche im Vergleich zur wirksamen Anodenfläche groß ist, ist für die erfindungsgemäß vorgesehene kleine Energieerzeugung keine große Luft- oder Sauerstoffzirkulation erforderlich.

Die Erfindung ist als Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt, wobei diese einen Querschnitt durch eine einzelne elektrochemische Energiezelle zeigt.

In der Zeichnung bildet eine Kathode 11 eine nach oben "

offene Tasche für eine Anode 12, die von verschiedenen Schichten eines permeablen Separatormaterials, beispielsweise Saugpapier, Baumwollfilz oder Gewebe aus synthetischen Faser, umhüllt ist, dessen Poren mit einer solchen Menge Natriumchlorid gefüllt sind, daß dies für eine Reaktion des ganzen Anodenmaterials ausreicht. Die Kathode 11 kann in üblicher Art und Weise aus einem katalytischen Aktivmaterial wie Kohlestoffteilchen mit oder ohne Überzug aus Edelmetallen (z.B. Platin) in einem porösen Träger aus hydrophoben, gegenüber dem flüssigen Elektrolyten undurchlässigen Kunststoffen (z.B. Tetrafluoräthylen) bestehen.

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Die Kathode U ist von einem Deckel 14 aus der gleichen Aktivmasse oder einer völlig inerten Masse abgedeckt, der fest oder abnehmbar an ihr "befestigt ist. Der Deckel 14 hat verschiedene öffnungen oder Schlitze .15 a am Einfüllen von Wasser, welches den Separator 13 durchdringt und das darin gelagerte Salz teilweise löst. Die gesamte Menge des aufnehmbaren Wassers 16 innerhalb der Poren des Separators und des freien Raumes über der Anode 12 ist weniger als zum Lösen des vorhandenen Salzes benötigt wurde und kann so gewählt werden, daß.z.B. nicht mehr als die Hälfte des ursprünglichen Anodenmaterials mit dem Elektrolyten reagiert (d.h. chloriert wird), wenn nicht zusätzliches Wasser beim Entladen zugeführt wird.

Die Polleitungen 17 und 18 ragen von den Elektroden 11 und 12 empor und können mit Metallgittern verbunden sein, die in den Elektroden in an sich bekannter Weise eingebettet sind.

Die folgenden Reaktionen werden vorausgesetzt:

A (mit Aluminium-Anode)

Anodenreaktion: 4Al * 4 Al⁺⁺⁺ + 12e~

Kathodenreaktion: 3o₂ (Luft) + 6H₂O + 12e~ —H2 OH~ Reaktion mit dem

Elektrolyt: 4 Al⁺ .+ 12 NaGl —» 4 AlCl₃ + 12 Na⁺

+ 12 Na⁺ + 12 OH""

B (mit Zinkanode)

Anodenreaktion: 2 Zn —*■ 2 Zn⁺⁺ + 4e~ Kathodenreaktion: O₂ (Luft) + 2H₂O + 4e"* —-fr 4 OH~ Reaktion mit dem

Elektrolyt: 2 Zn⁺⁺ + 4 NaCl —» 2 ZnCl₂ + 4 Na⁺

Gösamtreaktion: 2Zn + O₂ + 2 H₂O + 4 NaCl —* 2ZnCl₂ + 4 OH"

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.- 5 - 2043'2OO

Es kann weiter angenommen werden^ daß eir<..e,ue einer
25?*>-igen wässrigen NaCl-Lösung bestehender Elektrolyt in einem volumetrische!* Verhältnis von 3 : 1 mit
Aluminiumionen (Al ) und in einem volume tr is chen Verhältnis, von 2 : 1 mit Zinkionen (Zn⁺) reagiert. Sät
diesen Angaben ist es leicht, den Separator 13 und die Anode 12 so zu dimensionieren, daß die in den Poren des Separators eingelagerte Salzmenge das stychiometrische Verhältnis des aktiven Anodenmaterials überschreitet und den freien Flussigkeitsraum über der/Änode so begrenzt, daß. die Gesamtmenge des in ihm aufgenommenen Wassers geringer ist, als zur Oxydation des gesamten Anodenmaterials entsprechend den vorstehend aufgeführten Gleichungen erforderlich ist. "

Neben reinem Zink oder Aluminium können auch Legierungen dieser Metalle verwendet werden. Eine geeignete Legierung aus Aluminium und Zinn ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 189 486 beschrieben.

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ORtGlHALlHSPECTED

Claims

22.947 31.8.7ο

Patentansprüche;

1. Elektrochemische Zelle mit wenigstens einer Luftdepolarisationskathode und wenigstens einer gegenüberliegenden löslichen Anode, mit einem zwischengelagerten permeablen Separator, welcher in seinen Poren ein wasserlös- _v liches Salz enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Elektroden (11, 12) und dem Separator (13) gebildete Baueinheit einen begrenzten Flüssigkeitsraum zum Einfüllen von Wasser aufweist, welches das Salz unter Bildung eines Elektrolyten löst, wobei die durch den Flüssigkeitsraum zur Verfügung stehende Wassermenge kleiner ist, als zum Lösen des gesamten im Separator gelagerten Salzes erforderlich ist.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz aus Natriumchlorid besteht.

3· Elektrochemische Zelle nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) und der Separator (13) über der Anode (12) einen als Flüssigkeitsraum bestimmten Behälter fcilden.

4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ein offenes Kopfteil aufweist, welches von einem mit Öffnungen (15) versehenen Deckel (14) abgedeckt ist.

5. Arbeitsverfahren für eine elektrochemische Zelle nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß das in der Zelle nach einer teilweisen Entladung verbleibende Wasser vor einem zusätzlichen Einfüllen von Wasser für eine weitere Entladung ,,verdampft wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) beim Entladen der umgebenden Luft ausgesetzt ist.

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L e e rs e i fe

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