DE2160795A1 - Gasdepolarisiertes Element - Google Patents

Description

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E/p 7240

ENERGY CONVERSION LIMITED, Priestley Road, Basingstoke, Hampshire,

England

Gasdepolarisiertes Element.

Die Erfinduny bezieht bicn am elektrochemische Elemente, insbesondere auf gasdepolarisierte Elemente wie beispielsweise Metall/ Sauerstoffelemente.

In einer Beziehung enthält ein gasdepolarisiertes Element wenigstens eine Anode, wenigstens eine zugeordnete Kathode und einen Elektrolyt mindestens zwischen Anode und Kathode, die alle innerhalb eines Gehäuses eingeschlossen oder von einem Bauteil zusammengehalten werden. Das Gehäuse oder der Bauteil ist so ausgebildet, daß der Eintritt von einem depolarisierenden Gas zu der Kathode in solch einem Ausmaß möglich ist, daß das Element oder die Elemente auf die Möglichkeit beschränkt sind, einen niedrigeren Stromabgang aufrechtzuerhalten als es möglich Sein würde, wenn das Gehäuse oder der Bauteil nicht vorgesehen wäre.

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Das Gehäuse kann mit wenigstens einer Öffnung versehen sein, welche den Zutritt von depolarisierendem Gas mit der erforderlichen Beschränkung vorsieht.

Das Gehäuse kann mit den Zutritt von depolarisierendem Gas beschränkenden Öffnungen so versehen sein, daß ein erforderlicher maximaler Stromabfluß vorgesehen wird und bestimmte Öffnungen durch auf bestimmte Öffnungen aufgebrachtes gas-undurchlässiges Material geschlossen sind.

Das Gehäuse kann mit Reihen oder Ringen von Öffnungen versehen sein, welche wahlweise schließbar sind und erforderliche verschiedene Betriebseigenschaften vorsehen.

Mindestens eine Reihe oder ein Ring von Öffnungen ist durch gasundurchlässiges Material geschlossen, welches gleichzeitig als Bezexchnungsstreifen oder Etikettenstreifen für das Element dient. Alle Öffnungen können durch wahlweise entfernbare Streifen verschlossen sein.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein gasdepolarisierendes Element vorgesehen, welches mindestens eine Anode, mindestens eine zugeordnete Kathode und einen Elektrolyt mindestens zwischen Anode und Kathode vorsieht, die alle in einem Gehäuse eingeschlossen bzw. umhüllt sind, und das Gehäuse kann so ausgebildet sein, daß das depolarisierende Gas mindestens an Stellen hindurchwandern kann, der Durchgang von Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten aber beschränkt ist.

Das Gehäuse kann auch so beschaffen sein, daß das depolarisierende Gas in solch einem Ausmaß hindurch treten kann, daß das Element auf die Möglichkeit eines Aufrechterhaltens eines niedrigeren Stromabflusses begrenzt ist, als es möglich sein würde, wenn das

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Gehäuse nicht vorgesehen wäre.

Das Gehäuse kann mindestens eine Viand aus einem Material aufweisen, welche dem Gehäuse Festigkeit gibt, und die Wand mindestens in einem Teil durchlöchert und der durchlöcherte Teil mit einem Glied oder Teil aus darüber angeordnetem hydrophobem oder gasdurchlässigem Material versehen sein.

Das Glied oder die Schicht kann aus porösem Polytetrafluoräthylen oder in Abänderung dazu aus Polyäthylenfilm bestehen.

Das Gehäuse kann von der Kathode einen bestimmten Abstand haben, so daß ein Gasbehälter vorgesehen wird, um bestimmte Betriebseigenschaften für das Element vorzusehen.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt.

Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine Hälfte eines zylindrischen Primär- Metall/Sauerstoffelementes.

Figuren 2 und 3 sind Längsschnitte von Hälften eines Elementes ähnlich dem nach Figur 1.

Figuren 4 und 5 sind schaubildliche Ansichten von einem primären Metall/Sauerstoffelement.

Figur 6 aeigt in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit von Spannung und Zeit bei einem Metall/Sauerstoffelement in pulsierender Entladung, welche Spannungshöhen zwischen und während der Impulse zeigt.

Figuren 7, 8 und 9 sind graphische Darstellungen von Spannung und Strom und zeigen eine sich ändernde Polarisation von verschiedenen Metall/Sauerstoffelementen mit Gehäusen mit verschiedenen Anzahl und Größen von Öffnungen.

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Ε/ρ 7240 -4- 2. Dez. 1971 B/We

Figur 10 zeigt in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit von Spannung gegenüber Zeit und die sich verändernde aktive Lebensdauer von gleichen Elementen mit verschieden geformten Öffnungen.

in Figur 1 ist in einem Längsschnitt eine Hälfte eines primären Metall/Sauerstoffelementes dargestellt, welches eine mittig angeordnete Anode 11 enthält, Welche von einer zylindrischen Trennvorrichtung 12 und einer zylindrischen Kathode 13 umgeben ist. Elektrolyt für die Zelle kann in einem nicht dargestellten Behälter oder in Behältern in der Anode 11 enthalten sein. Es ist keine Endkappenanordnung für das Element dargestellt worden, da diese nicht einen Teil der Erfindung bilden, sie aber bereits vorgesch1agen sind.

Im Abstand ist die Kathode 13 von einem äußeren Gehäuse 14 umgeben, welches ein durchlöchertes, starres Außenglied 14a, welches aus Metall oder synthetischem Kunststoffmaterial bestehen könnte, und eine innere Schicht 14b aufweist. Die innere Schicht 14b kann von Polytetrafluoräthylen gebildet werden, welches den Durchtritt von Sauerstoff oder Luft gestattet, aber den Eintritt von Feuchtigkeit in das Element verhindert und auch als eine zweite Sperre gegenüber dem Elektrolyt dient, sollte etwas durch die Kathode 13 aufgrund einer Beschädigung oder Alterung der Kathode 13 hindurchtreten .

In der Abänderung dazu kann die innere Schicht 14b aus Polyäthylen bestehen, welches das Durchdringen von Sauerstoff oder Luft ermöglicht, aber den Durchtritt von Feuchtigkeit oder Elektrolyt wiederum verhindert.

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Ε/ρ 7240 -5- 2. Dez. 71 B/We

Der Strom des Elementes kann durch Begrenzen des Diffusions-Vermögens der Schicht 14b entweder beispielsweise durch Pressen der Schicht oder durch Verändern der Dicke der Schicht begrenzt werden. In der Abänderung dazu kann der E lernen tens trom dadurch begrenzt werden, daß eine bestimmte Anzahl und Größe von Öffnungen 15 in dem Gehäuse 14 vorgesehen wird.

Auf diese Weise können Elemente erzeugt werden, welche besondere pulsierende Erfordernisse erfüllen und dazu können Probleme aufgrund von Verdampfung des Elektrolyten reduziert oder überwunden werden. Für ein Erfordernis ist eine Batterie erforderlich, um einen ständigen Stromabfluß von 4 m.A. und zeitweilig Stromstöße von 100 m.A. vorzusehen. Dadurch, daß man die Schicht 14b so ausführt, daß die Batterie nur 10 m.A. ständigen Abfluß aushält, kann das Erfordernis erfüllt und darüber hinaus noch Verdampfungsprobleme reduziert werden. In der Praxis fließt Luft oder Sauerstoff durch die Schicht 14b bei einer Geschwindigkeit, welche 10 m.A. aufrechterhalten würde, da aber nur 4. m.A. entnommen werden, wird ein Behälter von Luft oder Sauerstoff in dem Zwischenraum zwischen Gehäuse 14 und der Kathode 13 gesammelt. Wenn die 100 m.A. Stromstöße entnommen werden, wird die Luft oder der Sauerstoff aufgebraucht und baut sich dann langsam wieder auf, bis der nächste Stromstoß gefordert wird. In Figur 6 ist solch eine Anordnung graphisch mit der Kurve 60 dargestellt, welche die Spannung zwischen Stromstößen bei einem Abfluß von 4 m.A. zeigt, und Kurve 61 zeigt die Spannung während eines überlagerten 250 m. See. Stromstoßes von 100 m.A. jede Sekunde. Das Element, mit welchem diese Kurven hergestellt wurden, war ein N-Formatelement (A.S.A.) beziehungsweise ein R I-Formatelement (I.E.C.) mit einem äußeren Gehäuse, welches mit einer Öffnung von 0.51 mm Durchmesser versehen war. Es ist darauf hinzuweisen, daß, wenn der Sauerstoff oder die Luft in dem "Behälter" verbraucht ist, die Spannung fällt und die Zeit muß

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es dann ermöglichen, daß der "Behälter" weiterhin Sauerstoff oder Luft aufnimmt. Weitere Beispiele von der "Behälter¹¹- Wirkung sind in Tabelle 1 unten gegeben.

Tabelle 1

Luftmenge in einem geschlossenem Behälter in cm	in Minuten Zeit bevor die Elementen spannung unter 1.0 Volt bei 100 m.A. Entladung fällt.
13.6 10.2 9.6 8.2	5.22 3.50 2.76 1.4

Obgleich die Anordnung besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist, wenn pulsierende Belastungen geliefert werden, ist die Verwendung nicht auf solche Belastungen beschränkt und das
Element kann für den normalen Gebrauch genommen werden.

In Figur 2 ist eine der Figur 1 ähnliche Anordnung mit der
Ausnahme dargestellt, daß das äußere Gehäuse eine Schicht 14b· auf der Außenseite eines Siebzylxnders 14a· hat, welcher die

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durchlöcherte Abstützung enthält.

Figur 3 zeigt eine noch weitere abgeänderte Ausführungsform, in welcher die Siebabstutzung 14a" außerhalb der Schicht 14b" vorgesehen ist.

Obgleich Polytetrafluoräthylen und Polyäthylen nur für die Schicht 14b erwähnt worden sind, kann diese aus jedem geeigneten Material bestehen, welches im wesentlichen den Durchgang von Feuchtigkeit verringert ,aber den Eintritt von depolarisierendem Gas ermöglicht.

Obgleich weiterhin die Schicht 14b als ein vollkommener Zylinder dargestellt ist, kann er nur über den Löchern beispielsweise im Glied 14a von Figur 1 vorgesehen sein.

In den Figuren 4 und 5 ist in schaubildlicher Ansicht ein zylindrisches Metall/Sauerstoffelement mit einem äußeren Gehäuse 40 dargestellt. Die Anoden- und Kathodenanordnung kann die gleiche wie die in den Elementen nach den Figuren 1, 2 und 3 sein. In dem Element nach Figur 4 und 5 ist das Gehäuse 40 mit einem besonderen Ring von Öffnungen 41 an der Oberseite und Unterseite und einem mittleren Ring von kleineren Öffnungen 42 versehen. Bei der Darstellung nach Figur 4 mit einem für den Gebrauch fertigen Element sind die Ringe von Öffnungen 41 offen und ermöglichen dadurch, daß Sauerstoff oder Luft die Kathode erreicht, und der Ring von Öffnungen 42 ist mit einem Streifen 43 aus gas-undurchlässigem Material abgedeckt. In Figur 5 ist der Ring mit der Öffnung 41 durch Streifen 44 von im wesentlichen gasundurchlässigem Material (beispielsweise Polyvinylchloridhaftstreifen) abgedeckt und der Ring mit der Öffnung 42 ist für den Zutritt von Sauerstoff oder Luft zu der Kathode offen gelassen.

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Bei solch einer Anordnung kann ein einziges Element zur Ausführung von zwei verschiedenen Funktionen verwendet werden. Die Anordnung nach Figur 4 gibt eine höhere Stromleistung mit einer kürzeren Lebensdauer und die Anordnung nach Figur 5 gibt eine geringere Stromleistung mit einer größeren Lebensdauer. Obgleich in den dargestellten Anordnungen nur zwei Alternativen aufgezeichnet sind, könnten noch weitere Alternativen durch Abdecken und Zudecken weiterer Kombinationen von Öffnungen vorgesehen werden. Weiterhin können in den dargestellten Anordnungen die Streifen 43 und aus Aufklebezetteln oder Etiketten bestehen. Das Element könnte mit allen Öffnungen verschlossen hergestellt und verkauft werden und man überläßt es dem Benutzer, wahlweise die erforderliche Anzahl von Öffnungen für jeden gewünschten Zweck abzudecken. Wo Aufklebezettelstreifen verwendet werden, um die Öffnungen abzudecken/können diese Aufklebezettel oder Etiketten anzeigen, welche für besondere Verwendungen oder Stromleistungen entfernt werden sollten.

Tabelle .2 gibt Polarisationsresultate für eine N-Formatzelle an, welche eins bis neun Löcher von 1,1 mm Durchmesser in dem äußeren Gehäuse enthält. Diese Zahlen sind graphisch.in Figur 7 dargestellt.

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Tabelle 2

Anzahl von Löchern	1	1	2	1.	3	1	4	5	6	7	Spannung (Volt)	1.360	1.361	8	9
im Fall		1		1.							1.290	1.290
Strom		1		1.		1		1.362	1.260	1.265
(Ampere)	.362	1	.361	1.	362	1	1.362	1.290	1.245	1.249	1.362	1.362
0 1	.290	1	.291	1.	290	1	.289	1.260	1.232	1.236	1.289	1.290
0.02 1	.240	1	.258	1.	258	1	1.258	1.243	1.219	1.225	1.262	1.268
0.04 1	.020	0	.245	0.	246	0	.242	1.231	1.192	1.193	1.248	1.251
0.06 1	.120		.212	0.	213	0	.230	1.218	1.164	1.166	1.235	1.237
0.08 0			.004		200		.217	1.191	1.171	1.138	1.227	1.229
0.10			.120		961		.189	1.152	0.900	1.080	1.192	1.193
0.15					130		.982	0.983	0.247	0.892	1.171	1.170
0.20							.176	0.220		0.291	1.142	1.136
0.25											1.100	1.100
0,30											1.047	1.050
0.35									0.840	0.960
0.40						0.331	0.728
0.45							0.360
0.50

Tabellen 3, 4 und 5 geben entsprechend die Polarisationsresultate für N-Formatelemente mit einer, zwei und drei Öffnungen von 0.51 mm Durchmesser in dem äußeren Gehäuse wieder. Diese Ergebnisse sind graphisch in Figur 8 dargestellt.

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Tabelle

Strom Ampere	Elementenspannung
O 0.014 Ο.922 0.024 0.033	1.390 1.276 1.263 1.018 0.420

Tabelle

Strom Ampere	E1ementenspannung
0	1.390
0. 013	1.294
0. 026	1.273
0.045	1.230
0. 050	0.850
0.060	0.221

Tabelle

Strom Ampere	Elernentenspannung
0	1.391
0.011	1.288
0.025	1.268
0.043	1.248
Oo053	1.236
0.063	1.223
0.068	1.214
0.080	0. 500

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Tabelle 6 gibt Polarisations'resultate für D-FormatzeIlen (A.S.A.) oder R2O-Formatelemente (I.E.C.) wieder, welche von eins bis zwölf Öffnungen von 0.45 cm Durchmesser in dem äußeren Gehäuse enthalten. Diese Ergebnisse sind graphisch in Figur 9 wiedergegeben. Aus den Ergebnissen ist zu ersehen» daß vier Öffnungen und darüber keine Beschränkung der Stromleistung ergeben.

Tabelle 6

Anzahl Löchern	1	von 1	1.	2	1	3	4	6	8	ίο	12	E1ementen-Spannung	1.376	1.375	1.376
Strom Ampere	1		1.		1			1.377	1.247	1.246	1.249
0	1	.374	1.	375	1	.374	1.375	1.246	1.203	1.219	1.213
0.250	1	.241	1.	240	1	.244	1.245	1.203	1.183	1.197	1.185
0.500	1	.200	1.	196	1	.202	1.200	1.180	1.170	1.176	1.159
.0.750	0	.173	1.	172	1	.180	1.177	1.165	1.131	1.143	1.126
1.000		.144	0.	156	1	.167	1.159	1.128	1.094	1.113	1.083
1.50		.312		113	1	.122	1.123	1.087	1.053	1.073	1.044
2.00				113	0	.080	1.080	1.049	1.016	1.020	1.001
2.50						.038	1.039	i.oio	0.960	0.970	0.968
3.00						.920	1.012	0.954	0.217	0.200	0.218
3.50				0.900	0.220
4.00				0.710

Der Vorteil einer Begrenzung des Stromes für irgendeine ■besondere Verwendung des Elementes besteht darin, daß dieses den Verdampfungsverlust an dem Elektrolyten des Elementes herabsetzt und die aktive Lebensdauer des Elementes verlängert. Dies ergibt sich aus den Resultaten von Tabelle 7 unten mit

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Bezug auf N-Formatelemente mit verschiedener Anzahl und Größe von Öffnungen in dem äußeren Gehäuse. Diese Ergebnisse sind graphisch in Figur 10 wiedergegeben.

Tabelle 7

Anzahl von	9 χ 0.014"	3 χ 0.014"	1 x 0.022
Versuchs tagen	Löcher·	Löcher	Löcher
O	1.315	1.308	1.313
6	1.318	1.313	1.304
13	1.315	1.313	1.319
16	1.307	1.312	1.320
20	1.292	1.311	1.319
27	1.282	1.311	1.321
30	1.283	1.312	1.323
34	1.262	1.315	1.327
39	-	1.306	1.318
40	-	1.311	1.322
50	-	1.289	1.322
61	-	0.752	1.320
69	- -		1.319
76	-		1.317
86	-		1. 3Ο8
92			0.210

Diese oben angegebenen aktiven Lebensdauerergebnisse sind weiterhin durch Verdampfungsverhältnisprüfungen, durchgeführt mit N-Formatzellen hervorgegangen/ welche einen Elektrolyten von 8 mol wässriger Kaliumhydroxydlösung enthalten. Mit bei 30 C mit 30%iger relativer Feuchtigkeit durchgeführten Versuchen hatte ein Element mit drei Öffnungen von 0.51 mm Durchmesser eine Ver-

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dampfungsgeschwindigkeit von Ο.ΟΟ99 g pro Tag, während ein Element mit neun Öffnungen von etwa 1 nun Durchmesser eine Verdampfungsgeschwindigkeit von 0.0215 g pro Tag hatte.Diese Versuche wurden bei 55°C und lO%iger relativer Feuchtigkeit wiederholt und die Verdampfungsgeschwindigkeiten waren 0.109 g pro Tag und 0.208 g pro Tag.

Obgleich die Erfindung mit Bezug auf äußere Gehäuse für einzelne Elemente beschrieben worden ist, ist sie in gleicher Weise anwendbar auf Batterien von Elementen, welche in einem einzigen äußeren Gehäuse oder einem entsprechend geöffneten Behälter enthalten sind. Dies ist aus Tabelle 8 ersichtlich, welche sich auf einen Behälter bezieht, welcher 22 D-Formatelemente enthält, wobei jedes Loch einen Durchmesser von 1.25cm hat.

Tabelle 8

Anzahl von offenen	Strom (Ampere) bei 22 V
Löchern
2	0.2
8	2.03
14	2.67
20	3.50
24	3.24
28	3.38
35	3.45
39	3.55
48	3.59
58	3.66
66	3.73

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Bei einem Element oder einer Batterie, welche n-icht ein derartiges äußeres Gehäuse hat, kann Luftzutritt durch Vorsehen einer verkleinerten Öffnung oder eines Luftweges in dem Abstützbauteil für das Element an der Zutrittstelle für Luft zu der Kathode begrenzt werden. Bei einer weiteren Alternative könnte der Bauteil ein gasbeschränkendes Material, beispielsweise Watte in seinem LuftZugangsweg haben oder der Luftzugang zu der Kathode könnte durch beschränkte Diff usionsvermögen Abdichtungen oder andere Teile des Elementenoder Batterieaufbaus geschehen.

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Claims (13)

Ε/ρ' 7240 -15- 2. Dez. 1971 B/We P atentansprüche

1.) Gasdepolaris iertes Element, welches mindestens e₄ine Anode, mindestens eine zugeordnete Kathode und Elektrolyt mindestens zwischen der Anode und Kathode aufweist, die alle von einem Gehäuse umhüllt und von einem Bauteil zusammengehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14, 40) oder der Bauteil so ausgebildet sind, daß der Eintritt von einem depolarisierenden Gas zu der Kathode (13) in solch einem Ausmaß ist, daß das Element oder die Elemente auf die Möglichkeit beschränkt sind, einen niedrigeren Stromabgang aufrechtzuerhalten als es möglich sein würde, wenn das Gehäuse (14, 40) oder der Bauteil nicht vorgesehen wäre.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14, 40) mit mindestens einer Öffnung (15, 41, 42) versehen ist, welche den Zutritt von depolarisierendem Gas mit der erforderlichen Beschränkung vorsieht.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (40) mit dem Zutritt von depolarisierendes Gas beschränkenden Öffnungen (41, 42) so versehen ist, daß ein erforderlicher, maximaler Stromabfluß vorgesehen wird, und bestimmte Öffnungen durch auf bestimmte Öffnungen aufgebrachtes, gasundurchlässiges Material (43, 44) geschlossen sind.

4. Element nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gehäuse (40) mit Reihen oder Ringen von Öffnungen (41, 42)

und versehen ist, welche wahlweise schließbar sind/erforderliche verschiedene Betriebseigenschaften vorsehen.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Reihe oder ein Ring von Öffnungen (41, 42) durch gasundurchlässiges Material geschlossen ist, welches gleichzeitig als Bezeichnungsstreifen für das Element dient.

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Ε/ρ 7240 -1-6- 2. Dez. 1971 B/We

6. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Öffnungen durch wahlweise entfernbare Streifen (43, 44) verschlossen sind.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (43, 44) Kennzeichnungen für das Element enthalten.

8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) so ausgebildet ist, daß das depolarisierende Gas mindestens an Stellen (15-) hindurchwandern kann, der Durchgang von Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten aber beschränkt ist.

9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) so beschaffen ist, daß das depolarisierende Gas in solch einem Ausmaß hindurchtreten kann, daß das Element auf die Möglichkeit eines Aufrechterhaltens eines niedrigeren Stromabflusses begrenzt ist, als es möglich sein würde, wenn das Gehäuse (14) nicht vorgesehen wäre.

10. Element nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) mindestens eine Wand (14a) aus einem Material aufweist, welche dem Gehäuse (14) Festigkeit gibt, und die Wand (14a) mindestens in einem Teil (15) durchlöchert und der durchlöcherte Teil mit einem Glied oder Teil (14b) aus darüber angeordnetem hydrophobem oder gasdurchlässigem Material versehen ist.

11. Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied oder der Teil (14b) Polytetrafluoräthylen enthält.

12. Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied oder die Schicht (14b) einen Polyäthylenfilm enthält.

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13. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14, 40) einen be^i-immte Abstand zur Bildung eines Gasbehälters für bestimmte Betriebseigenschaften für das Elemement hat.

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