184812. lajstromszámú szabadalom • Telep cserélhető folyóanóddal, gázzal depolarizálható elektrokémiai cella és bipoláris elem a telep és a cella kialakítására
1 2 184 812 A találmány tárgya telep cserélhető fogyóanóddal, amely elektrolitot, egymástól térben elválasztva elrendezett katódokat és az elektrolitban elfogyó anyagból készült fémes fogyóanódokat befogadó semleges anyagú tartállyal, a katódok- és a fogyóanódokra kapcsolódó, külső terhelésre csatlakoztatható végpontokkal van ellátva, ahol a fogyóanódok a tartályban cserélhetően vannak elrendezve, továbbá gázzal depolarizálható elektrokémiai cella, amely szigetelő anyagú tartállyal, a tartályban kialakított legalább két cellaegységgel és a cellaegységgel határolt elektrolitkamrával, továbbá a cellaegységekkel kapcsolódóan fogyóanódokkal és katódokkal van ellátva. Tárgya továbbá olyan fogyóanóddal és katóddal ellátott bipoláris elem, amely különösen a telep és az elektrokémiai cella kialakítására alkalmas. A találmány szerinti telepben, elektrokémiai cellában és bipoláris elemben a fogyóanód cseréje egyszerűen elvégezhető és a csere nem okoz károsodást. Jól ismertek azok a tölthető telepek és más energiaátalakító rendszerek, amelyekben az egyik elektródot fémből, vagy fémötvözetből készítik, és a fém az energia előállítása (a telep kisütése) során oldatba, az úgynevezett elektrolitba megy át, míg az energia felhalmozása (a telep töltése) alatt újból lerakódik. Ezek jól ismert példái a nikkel-kadmium, az ezüst-oxid-cink anyagú elektródákkal kialakított akkumulátorok és telepek. Ismeretesek olyan energiaátalakító eszközök is, amelyekben halogén elemmel vagy oxigénnel depolarizált katódok és amelyek például cinkből, vasból, ólomból, lítiumból, mangánból, vagy hasonló fémekből készült fogyóanódot tartalmaznak. Számos esetben ezeket az energiaátalakító rendszereket a helyszínen látják el új elektróddal, amikoris az anód elfogyó anyagát részben, vagy egészben felújítják, mégpedig oly módon, hogy a telep egyes egységeiben vagy teljes egészében külső potenciált alkalmaznak a fogyóanódon a szükséges fémmennyiség lerakatására. Habár történtek próbálkozások olyan megoldás kidolgozására, amelynek révén a felújítással a telep energiatartalma nem csökken, mégis a gyakorlatban nem lehet eredeti töltési állapotukat visszaállítani, élettartamuk rövidebb és a cserét követően viszonylag hosszú ideig újratöltés céljából az üzemeltetésből ki kell kapcsolni őket. Eltávolítható és az őket körülvevő katódkamrába behelyezhető anódokkal ellátott száraztelepek ismerhetők meg egyebek között a 3,436,270; a 3,513,030; a 3,553,024; a 3,708,345 számú észak-amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásokból. Az anódok általában fogyó fémből, összetömörített, vagy szintereit fogyó fémporból vannak kialakítva, és őket porózus fémből készült támaszokra vagy ernyőkre erősítik. A támasz vagy ernyő anyaga lehet nikkel, vas, vörösréz, titán, tantál, vagy ezek ötvözetei. Ezekben az ismert telepekben az anódok eltávolítása és az új anódok behelyezése a katódkamrába vagy a körülvevő elembe problémát okoz, mivel az anód struktúrája a katódkamrán kívüli behelyezés során bekövetkező alakváltozás miatt megváltozik. Továbbá az anódok eltávolítása és az új anódok behelyezése során a katódkamrákban elhelyezett és elektrolittal impregnált papír elválasztó elemek összegyűrődhetnek, vagy eltépődhetnek. A találmány szerinti telep anódja merev, vékony korrózióálló fémből készült tartólemezen van a telepen kívül elvégzett lerakatással kialakítva. A tartólemez anyaga lehet például titán, tantál, tantállal borított titán, cirkónium, molibdén, nióbium, ittrium, volfrám, nikkel. A tartólemezre kerülő fogyóelektród, például cink a telepen kívül a legkedvezőbb feltételek között rakatható g le. A merev anódtartót a rajta elhelyezett fémmel együtt a katóddal szemben a cellába helyezzük és addig használjuk, amíg az anód gyakorlatilag teljesen elfogy. Ezután az anód tartólemezét kiemeljük a cellából és új fogyóanódos tartólemezt helyezünk be, míg a kivett tartóig lemezt a telepen kívül a fogyó fémmel újból bevonjuk. Egy másik lehetőség szerint a fogyóanódot megfogásokban a katóddobozon cserélhetően helyezzük el, és amikor anyaga elfogyott, eltávolítjuk a katóddobozból és új fogyóanódot helyezünk be a megfogásba. 15 Mivel jelenleg a cinket tartják a fogyóanód legmegfelelőbb anyagának, ezért a találmányt a továbbiakban példaként cinkből készült fogyóanód alapján ismertetjük, de természetesen a találmányi alapgondolat megvalósításaként más fogyóanódanyagok, mint a vas, lítium, 2Q kadmium, vagy hasonlók alkalmazhatók. Találmányunk minden olyan energiaátalakító rendszerre vonatkozik, amelyben fogyóanódot alkalmaznak. A katódot előnyösen dobozszerű felépítésben alakítjuk ki olyan fémből, amely a telepben alkalmazott elekt- 25 rolit hatásával szemben ellenálló. Ilyen anyag például a titán, tantál, a tantállal borított titán, cirkónium, molibdén, nióbium, ittrium, volfrám, nikkel. A katóddobozt legalább egyik oldalán porfémből szintereléssel állítjuk elő és porózus anyagát impregnáljuk vagy katali- 30 zátorral aktiváljuk. Katalizátorként például platinacsoportba tartozó fémek, platinafekete, platinacsoport fémoxidjai, más katalitikus hatású fémoxidok, például perovszkitok, delafoszitok, bronzok, spinell-típusú oxidok használhatók. A szintereit porfémből készült fal 35 aktiválását a legmegfelelőbben úgy végezhetjük, hogy a zsírtalanított és szükség szerint kissé maratott vagy pácolt porózus fémlapot a katalizáló anyag hőre bomló vegyületének oldatával itatjuk át, majd oxidáló, esetleg redukáló atmoszférában az anyagot hőkezelésnek vetjük 40 alá. Ennek révén a katalizátoranyagot tartalmazó só felbomlik, a katalizátor (az oxid vagy fém) a színtereit fal felületén és pórusaiban lerakódik. Az aktivált porózus falat belső felületén, vagyis a dobozszerű katód belső tere felé néző oldalon zsírtaszító 45 (lipofób) vagy hidrofób műanyaggal impregnáljuk, üyen anyag például a polietilén, a polipropilén, a politetrafluor-etilén, a poliklór-fluor-etilén, a különböző vinilgyanták, de sok más anyag is alkalmazható. Ezeket az anyagokat oly módon juttatjuk be a színtereit fal póru- 50 saiba, hogy bizonyos mélységig behatolhassanak, de ne járhassák át a fal teljes szélességét. Az impregnáló anyag részben bevonja a pórusok felületét a katód belső felületén és a porózus katód gázoldali rétegének hidrofób tulajdonságokat kölcsönöz. 55 Ezzel a megoldással jelentős mértékben csökkenteni lehet az elektrolit behatolását a dobozszerű elemekbe és lehetővé válik három fázis érintkezési rétegének fenntartása a katód porózus részein. A dobozszerű katódelemek és a szomszédos anódok 00 elektromos kapcsolatát a közöttük levő teret kitöltő elektrolit biztosítja. A külön tartályban vagy tankban elhelyezett elektrolit az elektródok közötti terekben folyamatosan áramlik. Áramlását megfelelő elosztó és gyűjtő csövek vagy 2
