DE530798C

DE530798C - Trockengleichrichterzelle

Info

Publication number: DE530798C
Application number: DEM92449D
Authority: DE
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1925-12-09
Filing date: 1925-12-10
Publication date: 1931-08-01

Description

Trockengleichrichterzelle Die .Erfindung betrifft Trockengleichrichterzellen jener Art, bei welcher die Elektroelen aus elektropositiven bzw. elektronegativen Stoffen bestehen, die durch Formierung einseitig stromleitend gemacht sind. Derartige Trockengleichrichterzellen benutzen negative Elektroden, z. B. aus Kupfer, welche mit einer Sulfidschicht versehen sind.
Der Gleichrichteeffekt solcher Zellen ist veränderlich und hält nur eine verhältnismäßig kurze Zeit an, wenn nicht besondere Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, um den für die jeweiligen Elektrodenmaterialien geltenden Widerstandsbedingungen der Schicht und den herrschenden Druckverhältnissen Rechnung zu tragen. Der spezifische Widerstand der Oberflächenschicht der Elektroden sollte größer sein als der Widerstand jieder Elektrode des in der Zelle benutzten Elektrodenpaares. Der Druck, unter dem die Schicht steht, sollte genügend: sein, um den dynamischen Einflüssen der elektrostatischen Abstoßung zu widerstehen, welche an den Berührungsflächen auftritt.
Die Erfindung hat insbesondere Gleichrichterzellen zum Gegenstande, bei welchen die erwähnten Bedingungen erfüllt und die Elektroden so gewählt sind, daß sie in der Zelle die für die Schicht erforderlichen Eigenschaften liefern.
Zu diesem Zwecke wird die positive Elektroelfe aus einem stark elektropositiven Metall, z. B. Aluminium, mit einem dünnen Überzug aus einer Verbindung dieses Metalls, vorzugsweise einem Sulfid, und die negative Elektrode aus Kupfersulfid (CuS) hergestellt. Die Erzeugung des Sulfidfiberzuges auf der positiven Elektrode erfolgt erfindungsgemäß derart, daß die Masse der chemischen Einwirkung einer erhitzten Alkalisttlfidlösung unterworfen wird, und zwar vorzugsweise unter gleichzeitiger Erhaltung auf einem erhöhten positiven Potential gegenüber der Lösung. Besonders gute Ergebnisse erzielt man, wenn das positive Potential während der Behandlungsdauer allmählich bis zu einem Höchstwert erhöht wird, der so lange aufrechterhalten wird, bis der durchgehende Strom auf einen Mindestwert gesunken ist. Alsr Alkalisulfidlösung hat sich besonders eine Natriumsulfidlösung bewährt, deren Temperatur vorteilhaft auf etwa roo° C gehalten wird.
Die Erfindung ist auf der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht.
Abb. r zeigt in axialem Schnitt und teilweiser Ansicht eine Gleichrichterzelle in Patronenform.-Abb. 2 zeigt schematisch ein Stromschema mit zwei Gleichrichterzellen in einer Schaltung, welche eine Vollweg-Gleichrichtung ergibt.
Abb. 3 zeigt eine abgeänderte Form einer Gleichrichterzelle, wie sie zur Gleichrichtung starker Ströme Anwendung finden kann.
Abb.4 ist ein Längsschnitt eines Gleichrichteraggregates zur Benutzung von Strömen z-on verhältnismäßig hoher Spannung. Abb. 5 ist eine schematische Darstellung einer Einrichtung- zur Erzeugung der gleichrichtenden Schichten auf den elektropositiven Elektroden- auf elektrischem Wege.
Die in Abb. i dargestellte Zelle besteht aus einer Elektrode i von elektropositivem Material, beispielsweise ausAluminium,welche mit einer den freien Stromdurchgang hindernden Schicht 2 bedeckt ist, und einer elektronegativen Elektrode 3 aus Kupfersulfid (CuS), welche in inniger Berührung mit der Elektrode i steht. An der von der Elektrode i abliegenden Seite ist ein Stoff, von guter Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, z. B. Messing, angeordnet.
Die drei Bestandteile der Zelle können jede gewünschte physikalische Struktur haben, sofern sich nur die aus der Zeichnung ersichtlichen Berührungsflächen ergeben. Nach der Darstellung der Zeichnung sind die Zellenbestandteile 1, 3 und, q. in einem zylindrischen Gehäuse 5 von isolierendem Material untergebracht, welches an seinen Enden mit Schraubengewinde versehen ist und in welches Verschlußzapfen 6 von leitendem Material eingeschraubt sind, welche unter Zwischenschaltung einer federnden Zwischenlage 7 die Zellenbestandteile in ihrer Lage im Gehäuse und in Berührung miteinander unter wesentlich gleichbleibendem Druck halten, wobei die federnde Zwischenlage '7 die infolge Temperaturschwankungen auftretenden Dehnungen und Zusammenziehungen der Teile ausgleicht.
Bei trockenen Gleichrichterzellen, wie man sie bisher vorgeschlagen hat, hat sich gezeigt, daß die Beschränkung der Dicke der den Stromdurchgang hindernden Schicht ein verhältnismäßig wichtiger Umstand für einen erfolgreichen Betrieb ist. Die Beschränkung der Dicke der Schicht hängt wesentlich von der Methode ab, durch welche die Schicht erzeugt wurde und welche in einer trockenen Kontaktelektrolyse bestand. Die Dichte der auf diese Weise erzeugten Schicht ist deshalb begrenzt, -weil schon, nachdem sich eine ganz dünne Schicht gebildet hat, diese die weitere Entwicklung der Schicht hindert. Gleichviel, wie hoch man auch das Potential zur Bildung der Schicht wählen mag, wirkt doch immer die zunächstgebildete dünne Schicht als Stromisolator und setzt den: auf die weitere Schichtbildung hinwirkenden Strom so stark herab, daß eine Schicht, wie sie notwendig ist, um dauerndem Wechselstrom im Betrieb zu widerstehen, nicht gebildet werden kann.
Eine Sulfidschicht von der erforderlichen Dichte kann auf einer Aluminiumelektrodie, bevor man diese in eine Gleichrichterzelle einbaut, durch einen geeigneten chemischen Prozeß erzeugt -werden. Eine Gleichrichterzelle, welche mit Aluminiumelektroden ausgerüstet ist, die auf eine solche Weise mit einer vor dem Zusammenbau erzeugten, den Stromdurchgang hindernden Schicht versehen sind, läßt den Strom praktisch nur in einer Richtung durch, ohne daß es erforderlich ist, zunächst einen umgekehrten Strom hindurchzuschicken. Die Zelle arbeitet vielmehr unter Wechselstrom nach erfolgtem Zusammenbau im wesentlichen vollkommen gleichförmig, ohne daß eine Funkenbildung zwischen dem Sulfid und dem Aluminium auftritt.
Das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung der erwähnten dichten und weitgehend gleichrichtenden Schicht ist ein elektrochemisches und besteht darin, daß ein Aluminiumkörper in einem Bad eines Alkalisulfids der elektrolytischen Einwirkung unterworfen wird, indem man den Strom hindurchschickt, während das z. B. aus Natriumsulfidlösung bestehende Bad auf etwa ioo° C erhitzt ist, wobei der Aluminiumkörper die Anode bildet, während. die Kathode beispielsweise aus Messing oder Nickel bestehen kann. Die Stromquelle richtet man so ein, daß man die Spannung ändern kann. Die der zu formierenden Aluminiumelektrode aufzudrückende Spannung wird erhöht bis zu einer Spannung, welche höher ist als diejenige, die beim Betriebe der Gleichrichterzelle -in Frage kommt, in welcher die zu formierende Elektrode Verwendung finden soll. Wenn das Potential des durch die Trockenzelle gleichzurichtenden Stromes verhältnismäßig niedrig ist, dann kann, die elektrolytische Formierung der Aluminiumielektrode fortfallen, weil in diesem Falle ein Kochen derselben in einer konzentrierten Lösung von Natriumsulfid eine Schicht von hinreichender Dichte erzeugt. Ebenso kann, wenn nur eine verhältnismäßig dünne Schicht verlangt wird, die Erhitzung des Bades bei der elektrolytischen Formierung fortfallen.
Eine Einrichtung zur Durchführung der elektrolytischen Formierung der Elektrode ist in Abb. 5 der Zeichnung veranschaulicht. Hier bezeichnet 8 ein Gefäß, welches eine konzentrierte Lösung von Natriumsulfid enthält, in welche ein Aluminiumkörper 9 eingetaucht ist, der auf elektrolytischem Wege formiert werden soll und die Anode in dem For mierungsprozeß bildet. Der Aluminiumkörper 9 ist durch einen Leiter i i über ein Milliamperemeter 12 und einen, Leiter 13 mit dem positiven Pol einer variablen Gleichstromquelle 14 verbunden. Die Kathode fo ist durch einen Leiter 15 an eine variable Abzweigungsstelle 16 der Batterie angeschlossen, welche bei der Elektrolyse den negativen Pol der Stromquelle bildet. Die Ablesungen an dem Milliamperemeter 12 sind charakteristisch für die elektrische Beschaffenheit der Schicht, welche sich auf der Elektrode während des Prozesses bildet. Der Formierungsprozeß wird so lange fortgesetzt, bis das Milliamperemeter anzeigt; daß nur ein Strom von zu vernachlässigender Größe durchgeht.
Die elektronegative Kupfersulfid (CuS)-elektrode wird in der Gleichrichterzelle vorzugsweise so angeordnet, wie es in Abb. i und 4 bei 3 angedeutet ist, wo diese Elektrode sich in Berührung mit der elektropositiven Elektrode i und einem dritten Zellenelement q. befindet. Die elektronegative Elektrode 3 kann jedoch unmittelbar als Kathode geschaltet werden, wenn sie aus mit einem Sulfidiiberzug versehenen dichten Kupfer- oder Bronzekörper besteht, wobei eine überlegene und andauernd günstige Wirkung erzielt wird.
In dem Schaltungschema für .eine Gleichrichterzellenanordnung zur Gleichrichtung von Wechselstrom, welches in Abb.2 dargestellt ist, bezeichnet 2o einen Transformator zum Herabtransformieren des durch die Primärwicklung 21 des Transformators fließenden Wechselstromes, wobei die Enden der Primärwicklung an die Pole einer Wechselstromquell,e 22 angeschlossen sind:, die z. B. von einer Lichtleitung von i io Volt Spannung gebildet werden kann. Die Sekundärwicklung 23 des Transformators ist unterteilt und mit ihren Enden mit gleichnamigen Polen von Gleichrichterzellen 26, 27 verbunden, die parallel zueinander an eine Seite des Verbraucherstromkreises, nämlich an die Gleichstromableitung 28, angeschlossen sind. Die andere Seite des Verbraucherstromkreises ist an die mittlere Abzweigung der Sekundärwicklung 23 des Transformators angeschlossen und .mit der an die Gleichrichterzelle angeschlossenen Seite des Stromkreises durch einen mit einer Filtereinrichtung versehenen Brückenstromkreis verbunden, welcher zur Glättang der auftretenden Stromstöße dient. Der Filterstromkreis enthält in geeigneter Anordnung Induktanzen und Kapazitäten, z. B. die Induktanz 2¢ zwischen Kond@ensatoren 25.
Die Anordnung ergibt eine Vollweggleichrichtung des in der Sekundärwicklung 23 induzierten Stromes, wobei die Stromstöße im Gleichstromverbraucherkreise durch die Wirkung des Filterstromkreises aasgeglättet sind.
In Abb. 3 ist eine Anordnung veranschaulicht, welche zur Verwendung für große Stromleistung geeignet ist. Diese Anordnung weist die gleichen Bestandteile auf wie die der Abb. i, aber sie bietet größere Berührungs- und Wärmeausstrahlungsflächen. Diese Form der Zelle besitzt eine mittlere Elektrode 34 aus Kupfer, deren beide Flächen von großer Ausdehnung sich in Berührung mit Platten 33 von Kupfersulfid (Cu S) befinden; welche mit ihren von der mittleren Elektrode 34 abliegenden Flächen in Berührung mit einem Paar Aluminiumelektroden 31 stehen. Die Zellenelemente werden- durch Bolzen 36 zusammengehalten und. durch diese infolge Zwischenschaltung von federnden Zwischenlagen 37 unter nachgiebigem Druck gehalten. Die inneren oder in Berührung mit den Platten 33 stehenden Flächen. der Aluminiumelektroden 31 sind mit einer Aluminiumsulfidschicht 32 überzogen, während die äußeren Flächen mit Rippen 38 versehen sind, die eine erhöhte Wärmeableitung ergeben. Wo die mittlere Elektrode 3,4 nach unten zwischen den Elektroden 31 nach außen hindurchtritt, ist sie durchbohrt, um die Durchführung des Bolzens 36 zu ermöglichen, ohne daß die Elektrode mit dem Bolzen in Berührung tritt. Die mittlere Elektrode 34 ist mit einer Polklemme 39 versehen behufs Ermöglichung des Stromanschlusses, während der Stromanschluß an die Aluminiumelekfrode durch den unteren Bolzen 36 bewirkt werden kann.
Die in Abb. q. dargestellte Anordnung ist im wesentlichen die gleiche wie die derAbb. i, abgesehen davon, daß die Zellenelemente i, 3 und q. in mehrfacher Wiederholung vorgesehen sind, und daß das zylindrische Gehäuse 5 hinreichend lang gemacht ist, um die ganze Batterie von in Reihe geschalteten Zellen aufzunehmen. Diese Anordnung ist für die Verwendung in Verbindung mit Strömen von verhältnismäßig hohem Potential bestimmt, wie sie in den üblichen Licht- und Kraftstromkreisen vorliegen, ohne daß es für die Gleichrichtung einer Herabtransformierung der Spannung bedürfte, wobei die Zahl der zu einer Batterie zusammengeschlossenen Zellen der jeweilig in Frage kommenden Stromspannung angepaßt wird.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es wichtig, daß die Berührungsflächen der Zellenelemente und besonders die mit einer Überzugsschicht versehene Fläche der Aluminiumelektrode und die ihr benachbarte Fläche der Kttpfersulfidschicht abgeschliffen und möglichst glatt gemacht oder poliert sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Trockengleichrichterzelle, deren Elektroden aus elektropositiven bzw. negativen Stoffen bestehen, die durch Formierung einseitig stromleitend gemacht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektropositive Elektrode aus einem stark elektropositiven Metall, z. B. Aluminium, mit einem vorgebildeten dünnen überzug aus einer Verbindung des Metalls, vorzugsweise aus einem Sulfid, und die elektronegative Elektrode aus Kupfersulfid besteht oder solches enthält. a. Verfahren zur Erzeugung eines S-ulfidüberzuges auf einem elektropositiven Metall, das als Elektrode für eine Gleichrichterzelle nach Anspruch r dienen soll, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der chemischen Einwirkung einer erhitzten Allzalisulfidlösung unterworfen wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu formierende Elektrodenmetall während der Behandlung mit der Lösung gegenüber der letzteren auf einem erhöhten positiven Potential gehalten wird. q.. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Potential während der Behandlungsdäuer allmählich bis zu einem Höchstwert erhöht -wird, der so lange -aufrechterhalten wird, bis der durchgehende Strom auf einen Mindestwert gesunken ist. 5. Verfahren, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalisulfidlösung eine Natriumsulfidlösung verwendet wird. 6: Verfahren nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daB die Temperatur der Alkalisulfidlösung etwa roo° C beträgt.