DE2615921B2 - Luft/Zink-Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Luft/Zink-Element mit einer zwischen zwei positiven Luftelektroden angeordneten plattenförmigen negativen Zinkelektrode, die in einem Kunststoffgehäuse angeordnet sind.

Für viele Zwecke, beispielsweise für die im Eisenbahnwesen eingesetzten netzunabhängigen Beleuchtungseinrichtungen werden mit Vorteil möglichst robuste elektrochemische Systeme als Energiespender verwendet. Zu diesen zählen auch Luft/Metall-Elemente mit z. B. Eisen oder Zink als negativer Elektrode und einem Depolarisator für den Luftsauerstoff als positiver Elektrode. Ein solches System bietet sich insbesondere dort an, wo die Kosten und der Wartungsaufwand in engen Grenzen gehalten werden sollen, der Beleuchtungskörper an exponierter Stelle extremen Temperaturen ausgesetzt ist und eine lange Betriebsdauer der Einrichtung gewünscht wird.

Bei den hierzu geeigneten und seit langem bekannten Luftsauerstoff-Zink-Elementen steht einer negativen Zinkelektrode ein poröser Kohlekörper als positive Sauerstoffelektrode gegenüber. Sein Hauptbestandteil ist Aktivkohle, an welcher der Luftsauerstoff katalytisch reduziert wird. Zusätze von Graphit und Ruß zum Kohlekörper haben die Aufgabe, die Elektronenleitfähigkeit der Elektrode zu erhöhen. Der hydrophobe Ruß erschwert außerdem das Eindringen von Elektrolyt in den Preßkörper und erleichtert dadurch die Diffusion aes Sauerstoffs in die Elektrode.

Als Elektrolyt kann das von den Braunsteinelementen her bekannte Ammoniumchlorid mit einem Zusatz von ίο Zinkchlorid dienen. Mit Vorteil wird aber auch neutrales Mangan(II)-chlorid eingesetzt, das konzentrierte Lösungen mit einem Dampfdruck von ca. 60% bildet, der etwa der natürlichen Feuchte entspricht, und dadurch einen Mangel von Luftsauerstoff-Elementen mit Ammoniumchlorid-Elektrolyten aufhebt, die dazu neigen. Wasser an die Atmosphäre abzugeben und einzutrocknen.

Nach der Konstruktion werden Rundzellen und Plattenzellen unterschieden. Die ersteren entsprechen ganz dem Aufbau der Braunsteinzellen, mit einem 2(i Behälter aus Zink als negativer Elektrode und einem zentrierenden Kohlestift als positiver Elektrode, um den herum die Aktivkohle mit Zusätzen und schließlich der Elektrolyt henjmgepreßt sind.

Unter dem Gesichtspunkt einer guten Sauerstoffdiffusion und einer guten lonenleitfähigkeit innerhalb der positiven Elektrode bietet das Konstruktionsprinzip der Plattenzelle allein wegen des größeren Elektrodenquerschnitts und der kurzen Diffusionswege größere Vorteile. Dafür ist die Fertigung von Plattenzellen mit «ι größeren Schwierigkeiten als bei Rundzellen verbunden.

Durch DE-PS 11 87 696 ist eine positive Elektrode für plattenförmige Luftsauerstoffelemente bekanntgeworden, die mit ihrer gasdurchlässigen Ableitschicht einen j> lufterfüllten Hohlraum hufeisenförmig umschließt und wobei auf den der Lufttasche abgewandten Seiten der Ableitschicht die Depolarisatormasse für die Sauerstoffreduktion aufgepreßt ist. Durch Hineinstellen in einen taschenförmigen Zinkbehälter wird die Elektrode zu einem Element ergänzt.

Ein hierzu inverses Anordnungsprinzip, bei dem die negative Elektrode schubladenartig in die als Tasche ausgebildete Luftkathode eingesetzt werden kann, wird in der DE-OS 15 96 168 beschrieben. Beiden Konstruktionen haftet der Mangel an, daß positive und negative Elektrode jeweils ein eigenständiges Bauteil darstellen und daß erst durch Zusammenfügen beider Teile ein komplettes Element entsteht. Die weitere Verschaltung solcher Elemente zu einer Batterie ist mit Nachteilen verbunden, da sie Elektrode für Elektrode mit Hilfe paßgerechter Halterungen und eines diese verklammernden Gerüstes vorgenommen werden muß oder weil der fertig verschaltete Zellenblock zu viel Totvolumen durch überflüssige Gehäusewände und anderes, zum elektrochemischen Umsatz nicht beitragendes Material aufweist.

Luft/Zink-Elemente, bei denen eine Metallanode beidseitig von zwei positiven Luftelektroden flankiert ist, sind aus den DE-OS 22 23 573 und 21 57 745bekanm. Die Zelle gemäß der DE-OS 22 23 573 besitzt den Vorteil, daß die fertige Zellenkammer durch einfaches Herumfalten einer einzigen porösen katalysatorbeschichteten Polytetrafluoräthylen-Folie um die Anodenplatte und Versiegeln ihrer offenen Ränder hergestellt μ werden kann, wobei zusätzlich ein Elektrolyibehälter von der Kammer eingeschlossen ist. Aus der Folienumhüllung herausragende Stromzuführungen verleihen diesem Flachelement jedoch eine sperrige Form. Bei der

Zelle gemäß der DE-OS 21 57 745 liegt durch die periphere Rundum-Verbindung der porösen Katalysator-Trägerfolie, welche die Metallanode einfaßt, eine ähnliche Konstruktion vor. Diese steht aber im Zusammenhang mit einer besonderer. Falttechnik, durch die es möglich ist, ganze Batterien dieser Flachzellen in einem zusammenhängenden Stück zu fertigen.

Aus der DE-OS 22 20 263 ist es auch schon bekannt, in einem luftdepo'arisierenden galvanischen Element das zwischen den Luftelektroden angeordnete Anodenblech durch ein Zink-Gel mit einem darin eingebetteten Stromkollektor zu ersetzen. Diese Konstruktion ist aufwendig, wobei zusätzlich aus dem Gehäuse hervorstehende Polkappen einer raumsparenden, rationellen Stapelung derartiger Zellen im Wege sind.

Die Möglichkeit, einen Zellenverband durch lückenloses Aneinanderfügen hierzu geeigneter Luft/Zink-Elemente zu schaffen, ist auch bei der Zellenkoi.struktion gemäß DE-OS 19 27 093 nicht gegeben, weil hier die Luftzufuhr zu den innenliegenden Zellen unterbunden wäre.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, in Anlehnung an das Prinzip der Plattenzelle eine Konstruktion zu schaffen, die positive und negative Elektrode zu einer kompakten Zelle vereinigt und die zugleich einen handlichen Grundbaustein für Lufts.-uerstoff-Batterien mit einer unkomplizierten Verschaltbarkeit liefert. Außerdem sollte die Neukonstruktion den fertigungstechnischen Möglichkeiten besser entgegenkommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Luft/Zink-Element aus zwei Halbschalen mit gegenüber den Schalenrändern leicht eingesenkten, perforierten Außenwänden besteht, in welchen jeweils eine Leitfolie und ein Ableiter sowie der positive Elektrodenpreßkörper angeordnet sind und daß diese Halbschalen unter Zwischenlegung von Separatoren und der negativen plattenförmigen Zinkblechelektrode, welche an ihrem Rand mit einem Kunststoffrahmen versehen ist, miteinander verbunden sind, wobei die Halbschalen mit Elektrolytzuführungen und Ableiterdurchführungen versehen sind.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der obere Rand der Halbschalen mit einer wannenartigen Vertiefung versehen ist, die öffnungen für den Elektrolytdurchtritt enthält und die sich unter Freilassung von Raum für die Ableiterdurchführung über einen Teil der Länge der Halbschalen erstreckt.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur läßt die Schichtenstruktur der Zelle durch eine Aufgliederung der Einzelbestandteile senkrecht zur Elektrodenebene erkennen. Wegen des symmetrischen Aufbaus beschränkt sich die Darstellung auf eine Hälfte der Zelle.

Die Innenfläche der Halbschale 1 wird zunächst mit dem positiven Ableiter 2, einer dünnen Bleifolie, beschichtet und auf diesen die Leitfolie 3 aufgeklebt, bo Dabei sind die deckungsgleichen Perforationen 11 des Ableiters und 12 der Leitfolie um die etwas kleineren Luftlöcher 10 der Halbschale 1 fixiert, derart, daß das korrosionsgefährdete Blei des Ableiters nirgendwo freiliegt. b5

Von den beiden Fahnen 16 der Leitfolie und 15 des positiven Ableiters mündet die letztere, welche langer ist. in den Hohlraum 20 für die Ableiterdurchführune der positiven Elektrode ein, wo sie mit dem — nicht abgebildeten — Gegenstück vereinigt wird.

Auf die Leitfolie wird nunmehr der Kohlekörper 4 der positiven Elektrode aufgepreßt und unter Zwischenlegung des Separators 5 der Kunststoffrahmen 8 mit der negativen Elektrode 7 in die Halbschale 1 eingepaßt, wobei das Profil des Kunststoffrahmens über den Kohlekörper 4 hinweggreift. Eine zusätzliche Verankerung der Kohlemasse in der Halbschale 1 bis in die Tiefe hinein wird durch Stifte 24 ermöglicht.

Der Hohlraum 21 für die Ableiterdurchführung der negativen Elektrode ist dann durch die Fahne 17 des Zinkblechs besetzt.

Eine Ausklinkung 19 an der Zinkelektrode ist durch das abfallfreie Ausstanzen der Zinkbleche einschließlich Fahne bedingt

Indem die Außenfläche 23 der Halbschale 1 gegenüber ihrem Rand 22 etwas eingesenkt ist, entsteht beim Aufkleben der Abdeckplatte 9 auf die Halbschale zwischen dieser und der Abdeckplatte ein Luftspalt, der sich über die gesamte Einsenkung, d. h. praktisch über den Elektrodenquerschnitt, erstreckt. Durch Auslassungen am unteren Rande läßt sich der Luftspalt auch durchgehend in der Vertikalen öffnen, was eine eventuell gewünschte Kaminwirkung hervorruft.

Der Elektrolyt wird über die wannenartige Vertiefung 13 an der Halbschale 1 durch die Elektrolytzuführungsöffnungen 14, die sich als Bohrungen 18 im Kunststoffrahmen 8 fortsetzen, zugegeben. Er füllt im wesentlichen den Raum 6 in der dargestellten Zellenhälfte aus und steht durch die Ausklinkung 19 mit dem Elektrolyten auf der anderen Seite der negativen Elektrode unmittelbar in Verbindung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind unter anderem dadurch gegeben, daß solche Luft/Zink-Elemente ähnlich Bausteinen, dicht an dicht und unter Einspannung unnötiger Gehäusewände zu Zellenblökken beliebigen Umfangs gepackt und mittels beliebiger Kontaktausführungen miteinander verschaltet werden können. Auch bei engster Berührung im Zellenverband hat der Luftsauerstoff zum Kohlekörper der positiven Elektrode ungehindert Zutritt, weil wegen der versenkten Außenwände der Halbschalen zwischen zwei benachbarten Zellen stets Luftspalte in ihrer vollen Ausdehung über den Elektrodenquerschnitt erhalten bleiben. Die erwähnte Kaminwirkung, die man bei durchgehender öffnung des Luftspaltes nach unten erzielt, um die Sauerstoffdiffusion zu fördern, unterstreicht den Vorteil dieser Anordnung.

Dadurch, daß die Elektrodenableiter beider Polarität mit beliebigen Verbindern kontaktiert und die Kontaktstellen in eine Vergußmasse oder Bitumen schützend eingebettet werden können, kann die Verschaltung den praktischen Gegenstand stets optimal angepaßt werden.

Speziell für die Zinkelektrode ergibt sich der Vorteil, daß ihre Kontaktierung außerhalb des Elektrolytraumes unter Vermeidung von Korrosionsgefahr erfolgt.

Die vorteilhafte Anwendung der Vergußtechnik zum Schutz der Ableiterkontakte wird durch wannenartige Vertiefungen am oberen Rand der Gehäuse-Halbschalen ermöglicht, welche zur Aufnahme der Ableiterfahnen zusätzlich je einen kleinen Hohlraum aussparen, der mit Vergußmasse gefüllt werden kann.

Über die wannenartige Vertiefung, die durch zwei Elektrolytzuführungskanäle mit dem Elektrolytraum in Verbindung steht, kann die Zelle nachträglich betankt werden.

Andererseits kann Wasser, das im Zuge der Entladung gebildet wird oder von außen in das Zelleninnere gelangt, in die wannenartige Vertiefung hinein expandieren und durch seine Füllhöhe einen ungefähren Anhalt über den herrschenden Ladezusland abgeben.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der Anordnung des Zinkblechs zwischen den beiden positiven Elektroden, wodurch es beidseitig, d. h. mit stärkerem Entladestrom, belastet und elektrochemisch besser ausgenutzt werden kann. Andererseits schützt ein die Zinkelektrode rings umgebender Profilrahmen aus Kunststoff den Elektrodenrand weitgehend vor einer anodischen Auflösung und sorgt dafür, daß er als metallischer Elektronenableiter bis zum Entladeschluß intakt bleibt.

Das Zinkblech selbst kann mit Fahne aus einen endlosen Band ohne Materialverlust gestanzt werder wenn dafür eine der Fahne flächengleiche Ausklinkunj

^r> des Bleches in Kauf genommen wird. Die Ausklinkunj wird aber in der erfindungsgemäßen Zelle vorteilhaf genutzt, indem sie, wie auch aus F i g. 1 ersehen werdet kann, die Elektrolyträume beiderseits der Zinkelektrodi verbindet.

ίο Die Kohlekörper der positiven Elektrode sind durcl ihre Fixierung in den Halbschalen bei deren Weiterver arbeitung zur Zelle besonders geschützt. Sie könner zusätzlich durch Stifte bis in die Tiefe der Preßmassc hinein in den Halbschalen verankert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   J. Luft/Zink-Element mit einer zwischen zwei positiven Luftelektroden angeordneten plattenförmigen negativen Zinkelektrode, die in einem Kunststoffgehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß es aus zwei Halbschalen (1) mit gegenüber den Schalenrändern (22) leicht eingesenkten, perforierten Außenwänden (23) besteht in welchen jeweils eine Leitfolie (3) und ein Ableiter (15) sowie der positive Elektrodenpreßkörper (4) angeordnet sind und daß diese Halbschalen (1) unter Zwischenlegung von Separatoren (5) und der negativen plattenförmigen Zinkblechelektrode (7), welche an ihrem Rand mit einem Kunststoffrahmen (8) versehen ist, miteinander verbunden sind, wobei die Halbschalen (1) mit Elektrolyizuführungen ^14) und Ableiterdurchführungen (20, 21) versehen sind.
2. 2. Luft/Zink-Elemem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand der Halbschalen (1) mit einer wannenartigen Vertiefung (13) versehen ist, die Öffnungen (14) für den Elektrolytdurchtritt enthält und die sich unter Freilassung von Raum für die Ableiterdurchführung über einen Teil der Länge der Halbschalen (1) erstrecken.
3. 3. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenwand der Halbschale (1) und der Leitfolie (3) eine perforierte Bleifolie (2) angeordnet ist.
4. 4. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffrahmen (8) der negativen Elektrode (7) über den Rand des Kohlekörpers (4) der positiven Elektrode übergreift.
5. 5. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenableiter (15, 17) mit ihren Kontakten in eine Vergußmasse eingebettet sind.
6. 6. Luft/Zink-Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Kohlekörpers (4) der positiven Elektrode durch Stifte (24) in der Halbschale (1) zusätzlich verankert ist.