DE2312819B2

DE2312819B2 - Galvanisches gas-depolarisiertes Element

Info

Publication number: DE2312819B2
Application number: DE19732312819
Authority: DE
Inventors: Wesley E. Malvern Aker; Robert J. Yardley Mccormick
Original assignee: ESB Inc
Current assignee: ESB Inc
Priority date: 1973-03-15
Filing date: 1973-03-15
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE2312819A1; DE2312819C3

Description

Im Gehäuse 12 ist eine Kathoden-Untergruppe 20 angeordnet die den unteren Teil des Gehäuses 12 einnimmt. Diese Kathoden-Untergruppe 20 umfaßt einen kreisförmigen Rahmen 22 aus elektrisch nichtleitendem Material, beispielsweise einem Polymeren, der "> als Formstück ausgebildet ist und eine mit Gas depolarisierbare Elektrode 24 derart umschließt, daß deren Randbereiche in der Ausnehmung des Rahmens 22 vollständig eingebettet sind. Die Elektrode 24 hat eine Oberfläche 26 aus einem hydrophoben Polymerfilm ι u wie einem mikroporösen Film aas Fluorkohlenstoffpoiymerem, d. h. aus Polytetrafluorethylen. Diese Oberfläche 26 ist dem das Element umgebenden Gas oder atmosphärischen Sauerstoff direkt ausgesetzt, der durch die öffnungen 18 in das Element 10 eintritt. In der π Elektrode 24 befindet sich ein Metallgitter oder -netz 28, das vorzugsweise aus Nickel besteht, auf das eine poröse, feuchtigkeits- oder flüssigkeitsfeste Katalysatorniasse 30 aufgepreßt ist, die aus Kohlenstoff und einem feuchtigkeitsbeständigen Polymeren, v.ie Polytetrafluoräthylen, Wachs und dergleichen besteht. Das Metallgitter 28 umfaßt einen Stromkollektor und ein Teil des Gitters 28 erstreckt sich durch den Rahmen 22 und ist längs des Außenrandes des Rahmens 22 hochgebogen, wie bei 30 in F i g. 1. Ein eingekerbter Teil > > 32 ist auf jeder Seite des Rahmens 22 vorgesehen, um die Dicke des Gitters 28 teilweise auszugleichen. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, besteht die Luftelektrode 24 aus dem Metallgitter 28, der flüssigkeitsfesten Katalysatormasse 30 und der jd Oberfläche 26, die aus dem hydrophoben Polymerfilm besteht.

Wenn die Kathoden-Anordnung in einer anschließenden Verfahrensstufe des Zusammenbaus des Elements 10 in das Gehäuse 12 eingeschoben wird, bewirken die ü vorspringenden Teile des Metallgitters 28 nicht nur einen mechanischen Paßsitz sondern steilen auch den elektrischen Kontakt zwischen der Luftelektrode 24 und dem Gehäuse 12 her.

Auf der Elektrode 24 wird ein Separator in Form w eines Überzugs 36 vorgesehen. Der Separatorüberzug 36 wird auf die Luftelektrode nach dem Ausbilden des Verbundkörpers aufgetragen, der den Rahmen 22 und die Luftelektrode 24 umfaßt. Der Separator wird als Lösung einer hochmolekularen Polyacrylsäure in -t> entionisiertem Wasser hergestellt. Die Lösung wird in einen Exsikkator gegeben und unter Vakuum gehalten bis die Masse blasenfrei ist. Die erhaltene Lösung ist gelatinös und thixotrop. Ein Anteil des Separatorgels wird in den zentralen Hohlraum 40 eingefüllt, der in dem ·ί» Rahmen 22 ausgebildet ist und durch die oberen Innenrandflächen des Rahmens 22 und die Fläche oberhalb der Elektrode 24 begrenzt wird. Es ist festzustellen, daß durch diese Anordnung eine vollständige Abdichtung der Fläche des aktiven Katalysators v> der Kathode der Zelle 10 durch den Separatorüberzug 36 erzielt wird.

Die unteren Innenflächen des Rahmens 22 und die Fläche oder der Bereich unterhalb der Luftelektrode 24 begrenzen einen Behälter für Gas oder einen Luftraum »■»

41 im unteren Teil des Elements, der in Verbindung mit den Gaseintrittsöffnungen 18 steht. Dieser Raum 41 ermöglicht den Beginn und das Aufrechterhalten der elektrochemischen Zellreaktion.

Oberhalb des Separators 36 ist ein zweiter Separator ·> >

42 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Anodenmaterial (Anode = negative Elektrode) ein Preßling aus amalgamiertem Zinkpulver oder ein gepreßtes Zinkpellet 44 verwendet Der Separator 42 ist daher erforderlich. Wenn jedoch als Anodenmaterial für die Zelle ein Zinkgel verwendet wird, kann der Separator 42 weggelassen werden. Als Beispiel für ein Zinkgel, das zur Verwendung in einer Zelle ohne Separator 42 geeignet ist kann feinverteiltes Zinkpulver und Polyacrylsäure in Kaliumhydroxidlösung verwendet werden. Das Zinkgel würde in den Hohlraum des Gehäuses 12, der oberhalb der Kathoden-Anordnung 20 vorgesehen ist eingefüllt und würde daher den oberen Teil des Gehäuses einnehmen. Der Separator 42 ist ein Elektrolyt-absorbierender Separator, der den Elektrolyten der Zelle enthält In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Elektrolyt vorzugsweise ein Alkalimetallhydroxid und außerdem eine geeignete Menge an gelöstem Zink. Wenn beide Separatoren 36 und 42 verwendet werden oder wenn nur der Separator 36 verwendet wird (in Abhängigkeit von der Wahl der Anodenmaterialien) steht in jedem Fall der Elektrolyt der Zelle in ionischem Kontakt mit der Elektrode 24 und dem Anodenmaterial.

Der Separator 42 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, wie beispielsweise Perlon oder Webril. Der Separator 42 ist in einer zweiten zentralen Ausnehmung 46, die sich in dem Rahmen befindet vorgesehen, die durch den ringförmigen Absatz 48, die ringförmige Fläche 49 und die Fläche oder den Bereich oberhalb des Separators 36 eingeschlossen wird. Die Ausnehmung 46 bildet ein Festhalteelement für den Separator 42 und einen Behälter für den Elektrolyten und hält Separator und Elektrolyten während der Herstellungsstufen fest, bevor das Element mit Hilfe der oberen Verschlußvorrichtung 50 verschlossen wird.

Die obere Verschlußvorrichtung 50 ist innerhalb des offenen oberen Teils 16 des Gehäuses 12 vorgesehen. Die obere Verschluß-Anordnung umfaßt mindestens eine Metallscheibe oder -platte und vorzugsweise zwei schalenförmig gewölbte Scheiben, die in den Zeichnungen bei 52 und 54 gezeigt sind. Die innere Scheibe 52 ist aus einem Metall gebildet oder mit einem Metall überzogen, das niederes Kontaktpotential gegenüber Zink aufweist beispielsweise mit Zinn überzogener Stahl. Die äußere (obere) Scheibe 54 besteht aus einem Metall mit guter Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Elektrolyten oder ist mit einem solchen Metall überzogen. Ein geeignetes Material dafür ist mit Nickel überzogener Stahl. Die zentralen Teile dieser schalenförmigen Scheiben sind so ausgebildet, daß die innere Scheibe 52 in die äußere Scheibe eingepaßt ist und mit dieser einen festen Reibungs-Paßsitz bildet, so daß die beiden Scheiben in gutem und bleibendem elektrischem Kontakt miteinander sind. Gewünschtenfalls können die beiden Scneiben miteinander punktverschweißt sein, wie bei 56 angezeigt ist, um jede gegenseitige Lageveränderung sicher auszuschließen. Die Außenkanten 58, 60 der Scheiben 52 bzw. 54 sind leicht voneinander abgebogen und schließen einen spitzen Winkel ein. Die Scheiben 52, 54 stehen in elektrischem Kontakt mit dem Anodenmaterial 44 und bilden den negativen Pol der Zelle. Die obere Verschlußanordnung 50 umfaßt außerdem den isolierenden Dichtungsteil oder die isolierende Manschette 62. Die Manschette 62 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, wie Polyäthylen oder Nylon, und ist vorgesehen, um die Scheiben der oberen Verschlußanordnung von dem Gehäuse 12 zu isolieren und um außerdem einen luftdichten Verschluß mit dem Gehäuse 12 zu bilden.

Die Dichtungsmanschette 62 umfaßt einen ersten

oder Hauptteil 64, der sich zwischen der oberen Fläche 72 der Kathodenanordnung 20 und der Randkante der inneren Scheibe 52 der oberen Verschlußanordnung erstreckt. Ein zweiter oder Manschettenteil 68 der Manschette 62 erstreckt sich längs der Oberfläche der äußeren Scheibe 54 der oberen Verschlußanordnung (Fig. 1). Wenn die obere Verschlußanordnung 50 in dem Gehäuse 12 angeordnet wird, umgibt das Gehäuse 12 die Randbereiche der oberen Scheiben 52,54.

Am oberen Ende ist der Rand des Gehäuses nach innen abgebogen, wie bei 70 in F i g. 1 angezeigt ist. Es ist ersichtlich, daß durch das Abbiegen axialer Druck auf den Hauptteil 64 der Manschette 62 ausgeübt wird und gleichzeitig Druck in einer im allgemeinen radialen Richtung auf die Manschettenteile 68 der Dichtungsmanschette 62 ausgeübt wird. Auf diese Weise wird die Dichtungsmanschette 62, wenn sie in der Zelle 10 angeordnet ist, zwischen zusammenwirkenden Teilen der Scheiben 52, 54 und den elektrisch nicht leitenden Teilen der Kathodenanordnung, nämlich der ringförmigen Fläche 72, und zusammenwirkenden Teilen des Gehäuses 12 und der Scheiben 52, 54 eingeschlossen. Die Manschette 62 bildet infolgedessen eine erste Dichtungszone zwischen zusammenwirkenden Teilen der Scheiben 52,54 und der ringförmigen Fläche 72 der Kathodenanordnung 20 und eine zweite Dichtungszone zwischen zusammenwirkenden Teilen des Gehäuses 12 und der Scheiben 52, 54 und isoliert gleichzeitig das Gehäuse 12 und die Scheiben 52, 54 elektrisch voneinander.

Wenn als Anodenmaterial verpreßtes Zinkpulver oder ein poröses Zinkpellet verwendet wird, welche die Eigenschaft haben, den Elektrolyten in ihren Poren aufzusaugen, kann die Herstellung des Pellets innerhalb der oberen Verschlußanordnung 50 erfolgen oder das Pellet kann gesondert ausgebildet und in die obere Verschlußanordnung 50 eingefügt werden und einen Teil dieser Anordnung bilden, um während der Herstellungsvorgänge eine erleichterte Handhabung zu ermöglichen. Die obere Verschlußanordnung 50, die in F i g. 2 gezeigt ist, kann mit Hilfe eines geeigneten Formvorgangs hergestellt werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, stellt die Kathoden-Anordnung ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar. Die Verwendung diesel speziellen Kathoden-Anordnung, erleichtert die Herstellungsvorgänge und die Anordnung bildet gleichzeitig einen wichtigen Bauteil der Zelle oder des Element«

■■> 10. Die Kathoden-Anordnung ist ein stabiler, starrei Bauteil, der leicht gehandhabt, eingerichtet und der Erfordernissen einer Massenproduktion angepaßt werden kann. Sie bildet einen Träger für die sons! mechanisch instabile Gaselektrode 24 während de!

ic Einfügens in das Gehäuse 12 und in Zeitabschnitten, ir denen beim Verschließen der Zelle starke Beanspruchung ausgeübt wird, beispielsweise während de: Biegevorgangs. Sie bildet eine Befestigung oder eir Gehäuse für die Gaselektrode 24 und vermeidet da:

ι "> Ausfließen von Elektrolyt am Rand der Elektrode und/oder durch die für den Stromabnehmer vorgesehenen Hohlräume. Sie bildet einen Träger für der vorspringenden Elektrodenstromabnehmer, der irr Preßsitz gegen die Wände des Gehäuses 12 gepreßt ist

ji um elektrischen Kontakt herzustellen, und schaltet da: Erfordernis aus, den Stromabnehmer mit dem Gehäuse 12 durch Punktschweißen zu verbinden. Schließlich, wa: wichtig ist, bildet sie eine Oberfläche 72, welche die Preßdichtung mit dem Hauptteil 64 der Manschette 6i

/1 unterstützt und die sich zahlreichen weiteren Dichtungsmöglichkeiten anpassen läßt (beispielsweise chemische; Abdichten, Abdichten gegen Hitze, Ultraschall unc dergleichen). Anders ausgedrückt, können die zusammengehörigen Flächen des Hauptteils 64 der Manschet-

.' te 62 und der Kathodenanordnung 20 miteinander durch weitere Mittel verbunden werden, als durch eine bloß« mechanische Abdichtung, falls dies gewünscht wird Dies ist im allgemeinen bei bisher bekannten Konstruktionen für konventionelle Zellen des betrachteten Typ: • nicht möglich. Die erste Dichtungszone zwischen der zusammengehörigen Flächen des Hauptteils 64 dei Manschette 62 und der Kathoden-Anordnung 20, die vorstehend beschrieben wurde, führt daher zu einei verbesserten Dichtung in diesem Bereich gegenübei

·" bekannten Konstruktionen, bei denen die beschriebene obere Verschlußanordnung und ein vergleichbarei Absatz oder Flansch an der Oberfläche 72 vorlieger muß, um eine solche obere Verschlußanordnung zt verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Galvanisches gasdepolarisiertes Element mit einem becherförmigen Metallgehäuse, das einen Pol des Elementes bildet, während eine mit einem Dichtungsteil angebrachte deckeiförmige Verschlußanordnung am oberen Ende des Metallgehäuses den anderen Pol des Elementes darstellt, daß Lufteintrittsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die aus elektrisch nicht ι ο leitendem Material hergestellten Teile der Anordnung (20) für die positive Elektrode einen Rahmen (22) mit einer zentralen öffnung bilden, daß eine gasdepolarisierte Elektrode (24) in der zentralen öffnung des Rahmens (22) angeordnet ist und die Randbereiche der Elektrode vollständig in dem Rahmen eingebettet sind, daß die gasdepolarisierte Elektrode (24) einen Stromabnehmer enthält, der mindestens einen sich durch den Rahmen erstrekkenden Teil aufweist, der in mechanischem und elektrischem Kontakt mit dem Gehäuse (12) steht, daß das isolierende Dichtungsteil (62) zwischen Teilen einer als Verschlußanordnung dienenden Metallplatte (52, 54) und den elektrisch nicht leitenden Teilen der Anordnung (20) eingeschlossen ist und eine erste Dichtungszone zwischen den Randteilen der Metallplatte und den elektrisch nicht leitenden Teilen der Kathoden-Anordnung und eine zweite Dichtungszone zwischen dem Gehäuse (12) und der Metallplatte bildet. jo

2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer aus einem Metallgitter (28) besteht, auf das ein flüssigkeitsfester Katalysator (30) aufgepreßt ist, auf dessen Oberfläche ein Film eines hydrophoben s^r> Polymeren vorgesehen ist, der dem Umgebungsgas ausgesetzt ist, welches in das Gehäuse (12) durch die Gaseintrittsöffnung (18) eintritt.

3. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Innenfläche 4» der zentralen öffnung des Rahmens (22) und ein oberhalb der mit Gas depolarisierbaren Elektrode (24) vorgesehener Raum eine erste Ausnehmung (40) bilden und in dieser ersten Ausnehmung (40) ein Separator (36) vorgesehen ist, der aus einem auf der 4^r> Oberfläche der mit Gas depolarisierbaren Elektrode (24) ausgebildeten Überzug aus einer Polymerlösung besteht, und daß in dem Rahmen (22) eine zweite Ausnehmung (46) vorgesehen ist, die durch einen ringfömigen Absatz (48) des Rahmens, eine ringför- ^r>o mige Fläche (49) des Rahmens und den oberhalb des auf der Oberfläche der mit Gas depolarisierbaren Elektrode (24) aufgetragenen Überzugs vorgesehenen Raum begrenzt wird, und in der zweiten Ausnehmung (46) ein weiterer, den Elektrolyt ^r>^r> absorbierender Separator (42) vorgesehen ist.

4. Galvanisches Element nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit Gas depolarisierbaren Elektrode (24) und dem Gehäuse (12) ein zweiter Raum (41) vorgesehen ist, der von < >» der unteren Innenfläche der zentralen öffnung des Rahmens (22) und dem Bereich zwischen einem auf der Oberfläche des Katalysators (30) abgelagerten Film eines hydrophoben Polymeren und den Lufteintrittsöffnungen (18) enthaltenden Boden (14) < >'■ des Gehäuses (12) eingeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft ein galvanisches gasdepolarisiertes Element mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches.

Galvanische Elemente dieser Art sind aus den US-PS 33 92 057 und 34 89 616 bekannt, wobei jeweils eine Kohlenstoffkathode (Kathode — positive Elektrode) Verwendung findet. Galvanische gasdepolarisierte Elemente geben beim Entladen eine relativ konstante Spannung ab und haben im Hinbück auf ihre Kapazität eine ausgezeichnete Wirksamkeit Daher sind sie für zahlreiche elektronische Anwendungen gegenüber anderen galvanischen Elementen vorteilhaft, beispielsweise als Batterien für Hörgeräte.

Die Entwicklung sehr kleiner elektronischer Vorrichtungen mit ständig verminderter Größe macht es erforderlich, die elektrischen Energiequellen für diese Vorrichtungen ebenfalls immer kleiner zu bauen, weil sonst der Vorteil der Verkleinerung der elektronischen Vorrichtungen nur unvollständig genutzt werden kann. Während die Größe der Energiequelle deshalb auf immer kleinere Volumen begrenzt wird, ist gleichzeitig eine höhere Kapazität erwünscht. Diese Forderungen lassen sich mit den bekannten galvanischen gasdepolarisierten Elementen nicht befriedigend verwirklichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein galvanisches gasdepolarisiertes Element zu schaffen, das eine hohe Kapazität in Ampere-Stunden pro Volumeneinheit aufweist, ein Auslaufen des Elektrolyten im wesentlichen verhindert und einen Aufbau zeigt, daß es mit nur geringfügig geänderten bekannten Herstellungsvorrichtungen und damit besonders wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem galvanischen Element der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Galvanische Elemente dieser Art sind insbesondere für Hörgeräte geeignet. Aufgrund der gasdepolarisierten Elektrode mit Metallgitter läßt sich auf kleinstem Raum eine hohe Kapazität für die Speicherung elektrischer Energie erzielen, die beim Entladen mit gleichförmiger Spannung abgegeben wird. Die im galvanischen Element vorgesehenen zwei Dichtungszonen schaffen eine noch größere Sicherheit gegen Auslaufen des Elektrolyten aus dem Gehäuse des Elementes. Hinzu kommt, daß in einfacher und zuverlässiger Weise das Problem der Elektrolytenwanderung im Element gelöst ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen galvanischen gasdepolarisierten Elementes dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch das vollständig zusammengebaute Element,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die getrennt übereinander gezeigten Einzelteile des Elementes vor dem Zusammenbau und

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Kathodenuntergruppe des Elementes in Richtung der Linie MI-IIl in Fig. 2.

Das galvanische Element 10 weist ein becherförmiges zylindrisches Gehäuse 12 auf, das den positiven Pol des Elementes bildet und einen Boden 14 hat, der einstückig mit der hochstehenden Wandung des Gehäuses, die bis zu einem nach oben offenen Kopfende 16 verläuft, ausgebildet ist. Im Boden 14 des Gehäuses 12 befinden sich mehrere öffnungen 18 für eine Luft- oder Gaszufuhr. Das Gehäuse 12 kann aus vernickeltem Stahl oder einem anderen entsprechenden Metall bestehen.