DE2308972C2 - Verfahren zum Einbau der hydrophoben Elektrode in das Gehäuse einer Metall-Luft-Zelle - Google Patents

Verfahren zum Einbau der hydrophoben Elektrode in das Gehäuse einer Metall-Luft-Zelle

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt, die Gehäuseteile von elektrischen Strom liefernden Zellen wie beispielsweise galvanisehen Zellen mittels Ultraschall-Verschweißung zu verbinden (vgl. die deutsche Offenlegungsschrift 17 71 633 oder 18 04 458). Bei diesen Gehäuseteilen handelt es sich beispielsweise um den Zellenbehälter und dessen Deckel, der in den Fällen der genannten Druckschriften jeweils aus dem gleichen, durch Erwärmung verschweißbaren Kunststoffmaterial besteht. Die Ultraschall-Verschweißung kann daher in bekannter Weise erfolgen, indem die Gehäuseteile längs der zu verbindenden Abschnitte aneinandergepreßt werden und gleichzeitig mittels Ultraschalleinwirkung das Gehäusematerial an dieser Berührungsstelle zum Erweichen, Schmelzen und Verfließen gebracht wird, bis sich ein die beiden Teile verbindender gemeinsamer Wulst gebildet hat. In den genannten Entgegenhaltungen wird der lecksichere "Einbau der hydrophoben, positiven . Elektrode in das Gehäuse einer Metall-Luft-Zelle nicht angesprochen.
Die hydrophobe, positive Elektrode einer Metall-Luft-Zelle weist zumeist einen dreischichtigen Aufbau auf, mit einer Außenschicht aus hydrophobem Material, beispielsweise Polytetrafiuoräthylen, einem Kern aus das elektrochemisch wirksame Kathodenmaterial tragendem Gitter und einer den Separator bildenden Innenschicht, welche mit dem Elektrolyten, insbesondere einer konzentrierten Kaliumhydroxid-Lösung, getränkt ist. Die hydrophobe, positive Elektrode begrenzt einen Elektrolyten enthaltenden Zellenabschnitt, weshalb diese Elektrode gegenüber dem Zellengehäuse bezüglich des Elektrolyten dicht und lecksicher gehalten werden muß. Hierbei besteht die Schwierigkeit, daß sich das hydrophobe Elektrodenmaterial in chemischer und physikalischer Hinsicht vom Gehäusematerial in der Regel deutlich unterscheidet, was die lecksichere Verbindung dieser unterschiedlichen Materialen erschwert.
Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden, rund um die Kante der positiven hydrophoben Elektrode herum einen Kunststoff U-förmig aufzuspritzen, so daß der Kunststoff die Kanten der positiven hydrophoben Elektrode verkapselt. Anschließend wird dieser Kunststoff mit dem Gehäusematerial dicht verbunden, beispielsweise mittels Verschweißung. Nach einem anderen bekannten Vorschlag soii zwischen die Kante bzw. Stirnseite der hydrophoben positiven Elektrode und die benachbarte Gehäusewand ein Dichtungsring geklemmt werden, um damit auf »mechanischem Wege« eine Dichtung herbeizuführen. Beide Vorschläge erfordern zusätzliche Maßnahmen, sind damit zeit- und kostenaufwendig und haben in der Praxis nicht befriedigt. Insbesondere das Einschieben des Dichtungsringes eignet sich kaum Tür handelsübliche kleine kompakte Zellen, die für kleine Geräte wie Taschenlampen, Spielzeuge und dgl. bestimmt sind. Es besteht deshalb weiterhin ein Bedarf nach einer einfachen und sicheren Abdichtung der hydrophoben positiven Elektrode einer Metall-Luft-Zelle gegenüber deren Gehäuse.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine einfache und sichere Abdichtung der hydrophoben positiven E'ektrode einer Metall-Luft-Zelle anzugeben, deren Gt-hiuse durch Ultraschall-Verschweißung zusammengebaut wird. Die Abdichtung soll keine zusätzlichen Teile erfordern. Ferner soll die Abdichtung zusammen mit dem Gehäusezusammenbau erzeugbar sein.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß ein Ende jeder positiven hydrophoben Elektrode zwischen zwei, einander berührende Gehäuseteile eingelegt wird, so daß das Elektrodenende allseitig von Gebäusematerial umgeben ist, und die Gehäuseteile in an sich bekannter Weise gegeneinander gepreßt werden und gleichzeitig mittels Ultraschalleinwirkung das Gehäusematerial an den Berührungsstelion zum Erweichen, Schmelzen und Verfließen gebracht wird, so daß die Gehäuseteile miteinander verschmelzen und sich geschmolzenes Gehäusemalerial eng an die Oberfläche der hydrophoben Schicht der positiven Elektrode anschmiegt.
Überraschenderweise ist gefunden worden, daß auf diesem Wege eine lecksichere Abdichtung zwischen gängigen, verschweißbaren Gehäusematerialien wie etwa Polystyrol, Polyäthylen, Polyearbonat und Acryl-„ mtril-Butadien-Styrol-Copolymensat und den gängigen ■""Hydrophoben Materialien wie beispielsweise Polytetrafiuoräthylen erhalten wird, obwohl Polytetrafluorethylen selbst praktisch nicht mittels Ultraschall verschweißbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt damit auf einfachem Wege eine sichere Abdichtung der hydrophoben positiven Elektrode einer Metall-Luft-Zelle mit
deren Gehäuse, kommt ohne zusätzliche Zellbestandteile wie Dichtungsringe und dergleichen aus und erzeugt diese Abdichtung gemeinsam mit dem Gehäusezusammenbau, so daß ein Arbeitsschritt eingespart wird.
Der zum Zusammenpressen der Gehäuseteile angewandte Druck hängt von dem Gehäusematerial ab. Auf jeden Fall soll ein ausreichend hoher Druck vorgesehen werden, damit r:.ch das erweichte Gehäusema'erial an die Oberfläche der hydrophoben positiven Elektrode anpaßt. Vorzugsweise soll hierzu in den meisten Fällen der Dmck auf die Gehäuseteile während der Ultraschalleinwirkung über 14 N/cm2 gehalten werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der zur Anlage an der hydrophoben Elektrodenseite bestimmten Gehäuseteil-Wand eine. Vertiefung vorgesehen, um gegebenenfalls überschüssiges, geschmolzenes Gehäusematerial aufzunehmen. Diese Maßnahme gewährleistet eine größere Unabhängigkeit von der Dicke der positiven, hydrophoben Elektrode, da überschlissiges, von einer dickeren Elektrode verdrängtes geschmolzer-'s Gehausematerial in dieser Vertiefung gesammelt wird, so daß der ursprüngliche Abstand von Gehäusewand und hydrophober positiver Elektrode beibehalten werden kann, was die automatisierte Massenfertigung solcher Zellen begünstigt.
Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform anhand der Figuren 1 bis 5 erläutert: diese zeigen
F i g. 1 in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung zwei hydrophobe positive Elektroden und die diese umgebenden Gehäuseteile vor der Ultraschall-Verschweißung;
F i g. 2 in einer Darstellung analog F i g. 1 den nach der Ultraschall-Verschweißung erhaltenen einheitlichen Gehäuseabschnitt mit den eingesetzten und dort abgedichteten Elektroden enden;
F i g. 3 in einer Schnittdarstellung (längs der Linie 3-3 der Fig. 4) eine vollständige Metall-Luft-Zelle;
F i g. 4 eine solche Metall-Luft-Zelle im Aufriß und teilweise freigelegt; und
Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Metall-Luft-Zclle längs der Linie 5-5 der F i g. 4.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten ^.etall-Luft-Zelle 10 erläutert. Diese Zelle 10 besitzt ein quadratisch ausgebildetes Gehäuse 13 mit den beiden Seitenteilen 11 und 12. Innerhalb des Gehäuses 13 befinden sich der stiftförmig ausgebildete Anodenstromkollektor 14. das Anodenmaterial 17 und der bügeiförmig ausgebildete Kathoden*;romkollektor 15. der mit seinen freien Enden elektrisch leitend an den positiven, hydrophoben Elektroden 29 und 30 anliegt.
Zu jeder dieser positiven Elektroden 29 und 30 gehört ein Separator 18 bzw. 19, welcher die Innenschicht der positiven Elektrode bildet und unmittelbar am Anodenmaterial 17 anliegt. Den Kern der positiven Elektrode bilden die Kollektoren-Gitter 20 und 2i, welche üblicherweise einen Katalysator und bekanntes Kathoden- -^material wie etwa Ruß tragen, die im gesamten Gitter ^verteilt sind. Auf der anderen Seite der Gitter 20, 21 liegt das den Luftzutritt gewährleistende hydrophobe Material 22 bzw. 23 an. Daraus resultiert im vorliegenden Falle eine dreischichtige, positive, hydrophobe Elektrode 29 bzw. 3tt, deren von dem Anodenmaterial abgewandte Seite von urx hydrophoben Schicht 22 bzw. 23 cebildet wird. Bei einem anderen Aufbau kann das hydrophobe Material ein integraler Bestandteil der positiven Elektrode sein; auch auf solche Fälle ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar.
Di e F i g. 1 zeigt die Zuordnung der Seitenteile 11 und 12 zum Gehäuseteil 13 zusammen mit den Enden der positiven Elektroden 29, 30, bevor das Gehäuseteil 13 durch Ultraschalleinwirkung mit den Seitenteilen 11 und 12 verschweißt worden ist. Ersichtlich liegt das Seitenteil 12 mit einer umlaufenden Kante an dem Schmelzabschnitt 25 des Gehäuseteils 13 und das Seitenteil 11 mit einer umlaufenden Kante an dem Schmelzabschnitt 26 des Gehäuseteils 13 an. Diese Berührungsstellen erstrecken sich um den gesamten Umfang der Zelle 10 herum. In diesem Stadium des Zusammenbaus liegen die Innenflächen der Seitenteile 12 und 11 nicht an der hydrophoben Außenschicht 22 bzw. 23 der jeweiligen positiven Elektrode 29 bzw. 30 an. Erfolgt nun die Ultraschalleinwirkung auf das Gehäuseteil 13 und die Seitenteile 11 und 12, so erweicht, schmilzt und verfließt das Material der Schmelzabschnitte 25 und 26 und i,.eßt insbesondere um die Kante der positiven Elektroden 29 und 30 herum. Ersichtlich handelt es sich hier um eine schematische Erläuterung, und die tatsächliche Durchführung der Erfindung ist nicht an Einzelheiten dieser Erläuterung gviüunden.
Die F i g. 2 zeigt diesen Endabschnitt der Metall-Luft-ZeIIe 10 nach Durchführung der Ultraschall-Verschweißung. Ersichtlich sind die ursprünglichen Seitenteile 11 und 12 mit dem ursprünglichen Gehäuseteil 13 zu einem einheitlichen Gehäuseendabschnitt verschweißt worden, in den die Enden der beiden Elektroden 29 und 30 dicht und lecksicher eingesetzt sind.
Der Elektrolyt, beispielsweise konzentrierte Kaliumhydroxid-Lösung, befindet sich innerhalb der hydrophoben Elektrodenteile 22 und 23. Das hydrophobe Material ist luftdurchlässig, so daß die durch die Öffnungen 35 und 36 in den Seitenteilen 12 bzw. 11 eingedrungene Luft die hydrophobe Schicht durchdringen -and an der stromliefernden Reaktion innerhalb der Luft-Me'all-Zelle teilnehmen kann. Das hydrophobe Material ist für den Elektrolyten undurchlässig. Andererseits könnte der Elektrolyt durch die notwendigerweise vorhandenen Luftdurchtrittsöffnungen 35,36 au^ der Zelle austreten, sofern keine dichte und lecks'chere Abdichtung zwischen den Enden bzw. Kanten der positiven hydrophoben Elektroden und der benachbarten Gehäusewand vorgesehen wird.
Ein Austreten des Elektrolyten, beispielsweise konzentrierte Kaliumhydroxid-Lösung, aus der erfindungsgemäß zusammengebauten Metall-Luft-Zelle ist nicht möglich, weil das hydrophobe Material über einen erheblichen F lachenbeieich dicht am Gehäusematerial a.iliegt. Damit ist auch dann eine lecksichere Abdichtung realisiert, wenn eine direkte Verschweißung des hydrophoben Materials wie beispielsweise Polytetrafluorethylen mit dem Gehäusematerial nicht möglich ist.
Nach einer weheren Ausgestaltung der Erfindung kann Dickenschwankungen der positiven Elektroden 29 und 30 dadurch Rechnung getragen werden, daß in der Innenwand des Seitenteils 11 eine Vertiefung oderÄusnehmüng 27 sowie in der Innenwand des Seitenteils 12' eine Vertiefung 28 ausgespart sind. Diese Verliefungen 27, 28 verlaufen in Form einer Nut um den gesamten Innenumfang der Zelle 10 herum.
Die Aufgabe dieser Vertiefungen 27 und 28 besteht darin, gegebenenfalls überschüssiges geschmolzenes
Gehäusematerial aufzunehmen, das von einer gegebenenfalls vorliegenden dickeren positiven Elektrode 29 bzw. 30 verdrängt wird. Andernfalls würde bei einersailchen dickeren positiven Elektrode 29,30 der vorgesehene Kompressionsdruck nicht ausreichen, die Gehäuseteile 11 und 13 sowie 12 und 13 ausreichend dicht aneinander zu bringen, um eine lecksichere Verbindung herzustellen. Die Vertiefungen 27 und 28 ermöglichein in jedem Falle, die Gehäuseteile 11, 12, 13 sowe:it zusammenzupressen, daß eine brauchbare Verschweißung der aneinandergrenzenden Flächen der Gehäusibteile erzeugt wird. Andererseits müssen diese Vertiefungen 27 und 28 in den Seitenteilen 111 und 12 nur dann vorgesehen werden, wenn die Dicke der positiven Elektroden 29 und 30 den ursprünglich vorgesehenen Wert deutlich übersteigt.
Sofern andererseits die Dicke der positiven Elektroden 29 und 30 geringer ist als ursprünglich vorgesehen wsr, knnn 2Π einer der zur U!tr2schsil!-Vsrscht.vsißuri'* bestimmten Flächen der Gehäuseteile 11, 12, 13 ein zusätzlicher Schmelzwulst vorgesehen werden, um auch in solchen Fällen eine ausreichende Menge geschmolzenes Gehäusematerial zur Verfugung zu haben, das sich unter der vorgeseheinen Druckanwendung dicht an die hydrophobe Schicht 22, 23 der Elektroden 29. 30 anschmiegt.
Der Zusammenbau der Metall-Luft-Zelle erfolgt im einzelnen dadurch, daß zunächst ein, Gehäuseteil mit einer Kathodenabstützfiäche und einem durch Ultraschalleinwirkung verschweißbaren Flächenabschnitt geschaffen wird. Daraufhin wird die Elektrode so auf einem dieser Gehäuseteile angeordnet, daß die Elektrodenkante vollständig von der Abstützfläche des Gehäuseteils getragen wird. Daraufhin wird das andere passende Gehäuseteil mit einer ähnlichen Abstützfläche auf die gegenüberliegende Seite der Elektrode aufgesetzt, so d3ß sich die Kanten der Elektrode zwischen den Abstützflächen der beiden Gehäuse befinden. Hierauf werden die Gehäuseteile zusammengedrückt, so daß die Elektrode fest zwischen den Abstützfiächen beider Gehäuseteile zusammengedrückt wird. Dieser Anpreßdruck wird aufrechterhalten und zusätzlich mittels Ultraschalleinwirkung die verschweißbaren Flächenabschnitte der Gehäuseteile miteinander verschmolzen.
Die Ultrasehallschweißung von Kunststoffen ist bekannt. Geeignete, mittels Ultraschall schweißbare Kunststoffe sind beispielsweise Polystyrol, Acrylnitril/ Butadien/Styrol-Harze, Polycarbonat, Polyäthylen und dergleichen. Diese Materialien können auch als Gehäusematerialien dienen, soweit sie dem Elektrolyten, vor allem konzentrierter Kalilauge, standhalten. Die Ultraschallschwingungen können auf elektrischem Wege, etwa durch elektrische Anregung eine Piezo-Elementes oder aurmagnetischem Wege erzeugt werden. Die Frequenz der Ultraschallschwingungen kann beispielsweise 20 kHz oder 40 kHz betragen. Zweckmäßigerweise werden die Ultraschallschwingungen in einem Treiber, etwa in der Gestalt eines Horns, konzentriert. Die Uiiraschaüeiriv.'irkurig führt zu einer Erwärmung des Kunststoffmaterials. Hierbei erweicht das unter Druck stehende Gehäusematerial der Abstützfiächen und paßt sich der Oberfläche der hydrophoben Schicht der Elektrode an, so daß eine lecksichere Abdichtung zwischen der Außenfläche der hydrophoben positiven Elektrode und der Elektrodenabstützfläche gebildet wird. Schließlich läßt man die verschweißten Flächen abkühlen und aushärten, bevor der das Gehäuse zusammenprc &ende Druck beendet wird. Da somit die Gehäuseteile zu einer Einheit zusammengeschweißt werden, während der Anpreßdruck aufrechterhalten bleibt, wird die Elektrode zwangsweise zwischen den Elektrodenabstützflächen gehalten, so daß eine lecksichere Dichtung zwischen der Elektrode und den Elektrodenstützflächen geschaffen wird.
Wie dargelegt, ist die Erfindung anhand des Zusammenbaus einer sogenannten Bizelle erläutert worden, die zwei positive, hydrophobe Elektroden innerhalb einer Zelle aufweist. Darüberhinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Zusammenbau von Zellen mit lediglich einer positiven hydrophoben Elektrode.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum lecksicheren Einbau der hydrophoben, positiven Elektrode(n) einer Metall-Luft- Zelle in deren Gehäuse beim Gehäuse-Zusammenbau mittels Ultraschallverschweißung der Gehäuseteile dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jeder positiven Elektrode (29, 30) zwischen zwei, einander berührende Gehäuseteile (12 und 13, 13 und 11) eingelegt wird, so daß das Elektrodenende allseitig von Gehäusematerial umgeben ist, die Gehäuseteile (11, 12, 13) gegeneinander gepreßt werden und gleichzeitig, in an sich bekannter Weise, mittels Ultraschalleinwirkung das Gehäusematerial an den Berührungsstellen 25, 26) zum Erweichen, Schmelzen und Verfließen gebracht wird, so daß die Gehäuseteile (11,12,13) miteinander verschmelzen und sich geschmolzenes Gehäusematerial eng an die Oberfläche der Hydrophoben Schicht (22, 23) jeder positiven Elektrode (29, 3D) anschmiegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zusammenpressen der Gehäuseteile (11,12,13) ein Druck von über 14 N/cm2 angewandt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß in der zur hydrophoben Elektrodenseite (22, 23) benachbarten Gehäuseteilwand (11, 12) eine Vertiefung vorgesehen wird, um gegebenenfalls überschüssiges geschmolzenes Gehäusematerial au.-unehmen.
4. Verfahren nach Anspn-:h 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Gehäuseteil (11, 12, 13) ein Schmelzrost vorgesehen wird, um zusätzliches, geschmolzenes Gehäusematerial. bereitzustellen.
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