BRPI0718242A2

BRPI0718242A2 - Conjunto de tampa vedante para uma célula eletroquímica

Info

Publication number: BRPI0718242A2
Application number: BRPI0718242-2A
Authority: BR
Inventors: Robert A Yoppolo
Original assignee: Gillette Company Companhia Americana
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2014-01-07
Also published as: EP2078314A1; WO2008053423A1; JP2010508634A; CN101536214A; US20080102365A1; CN101529616A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULA E- LETROQUÍMICA". CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um conjunto de tampa para ve- dar células eletroquímicas, especialmente células alcalinas. A invenção refe- re-se a dispositivos rompíveis no interior do conjunto de tampa que permite o escape de gases do interior da célula para o meio ambiente. ANTECEDENTES

As células eletroquímicas convencionais, como as células alcali- nas, são formadas por uma carcaça cilíndrica que tem uma extremidade a- berta e um conjunto de tampa inserido na mesma para vedar a dita carcaça. As células alcalinas convencionais compreendem, tipicamente, um ânodo compreendendo zinco, um cátodo compreendendo dióxido de manganês, e um eletrólito alcalino compreendendo hidróxido de potássio aquoso. Depois de preenchida com seu conteúdo, a célula é fechada mediante a frisagem da borda da carcaça sobre o conjunto de tampa, de modo a proporcionar uma vedação hermética para a dita célula. O conjunto de tampa compreende uma tampa com extremidade exposta que funciona como um terminal da célula e tipicamente um tampão isolante em plástico que veda a extremidade aberta da carcaça da célula. Um problema associado ao projeto de várias células eletroquímicas, especialmente células alcalinas, é a tendência da célula de produzir gases à medida que continua a descarregar além de um certo pon- to, normalmente próximo do ponto de exaustão completa da capacidade útil da célula.

Células eletroquímicas, especialmente células alcalinas, podem

ser dotadas de um mecanismo de respiro rompível que inclui um diafragma rompível ou membrana rompível no interior de um conjunto de tampa. Esse diafragma ou membrana rompível pode ser formado em um elemento isolan- te plástico conforme descrito, por exemplo, na patente us n° 3.617.386. Es- ses diafragmas são projetados de modo a romperem-se quando a pressão do gás no interior da célula excede um nível predeterminado. O conjunto de tampa pode ser dotado de orifícios de respiro para a liberação do gás quan- do o diafragma ou membrana se rompe. O conjunto de tampa apresentado na patente US n° 3.617.386 descreve um diafragma de vedação rompível ranhura do e um disco de contato em metal separado, disposto entre a tam- pa e o diafragma de vedação. 0 conjunto de tampa apresentado na referên- 5 cia não é projetado para suportar forças de compressão radial, e tenderá a vazar quando a célula for submetida a extremos, em climas quentes e frios.

Para proporcionar uma vedação hermética, a técnica anterior moderna descreve conjuntos de tampas que incluem um disco metálico de suporte inserido entre a placa da tampa e um elemento isolante. O disco me- tálico de suporte separado pode ser radialmente comprimido quando a borda da carcaça da célula for franzida sobre o conjunto de tampa. O tampão iso- lante está, tipicamente, sob a forma de um disco isolante em plástico que se estende a partir do centro da célula e em direção à carcaça da mesma, e que isola eletricamente o disco metálico de suporte da carcaça da célula. O disco metálico de suporte pode ter uma superfície altamente convoluta, con- forme mostrado nas patentes US n° 5.759.713 ou US n° 5.080.985, que as- segura ao conjunto de tampa suportar as forças de compressão radial duran- te a crimpagem da borda da carcaça da célula em torno do conjunto de tam- pa. Isso resulta em um vedação mecânico hermético em torno do conjunto de tampa, o tempo todo.

A técnica anterior descreve membranas de respiro rompíveis, as quais são formadas integralmente como áreas adelgaçadas no disco isolante incluído no interior do conjunto de tampa. Tais membranas de respiro são normalmente orientadas de modo que fiquem em um plano perpendicular ao 25 eixo longitudinal da célula, por exemplo, conforme mostrado na patente US n° 5.589.293. Na patente US n° 4.227.701 a membrana rompível é formada de uma "fenda ou sulco" anular localizado em um braço do disco isolante que é inclinado em relação ao eixo longitudinal da célula. O disco isolante é engastado de modo deslizante sobre um coletor de corrente alongado que 30 passa através do mesmo. À medida que a pressão do gás no interior das células aumenta, a parte central do disco isolante desliza para cima em dire- ção à tampa da célula e com isso estica o "sulco" da membrana adelgaçada até a mesma se romper. As patentes US n° 6.127.062 e 6.887.614 B2 des- crevem um disco de vedação isolante e uma membrana rompível integral- mente formada no mesmo que é inclinada. A porção da membrana rompível no disco de vedação fica em posição contígua a uma abertura no disco me- 5 tálico de suporte sobrejacente. Quando a pressão do gás no interior da célu- la se eleva, a membrana rompe-se através da abertura no disco metálico de suporte e com isso libera a pressão do gás que passa para o ambiente ex- terno.

Na patente US n° 6.887.614 a membrana rompível está em con- tiguidade a uma abertura em um disco metálico de suporte sobrejacente. Na patente US n° 6.887.614 há um sulco em corte inferior no lado inferior da membrana. O sulco contorna o eixo longitudinal da célula. O sulco cria uma porção adelgaçada da membrana em sua base que se rompe através da abertura no disco metálico de suporte sobrejacente quando a pressão inter- na do gás da célula atinge um nível predeterminado. No modelo mostrado na patente US n° 6.887.614 há uma arruela isolante que separa a tampa de ex- tremidade exposta da carcaça da célula. Esse modelo tem a desvantagem de exigir um componente adicional, ou seja, a arruela isolante que precisa ser inserida no conjunto de tampa. A borda da tampa fica alojada sobre o ressalto da carcaça da célula e é separada da carcaça pela arruela. Isso permite a violação da tampa, isto é, a tampa pode ser prontamente removida à força da célula permitindo acesso mais fácil ao seu conteúdo.

A membrana rompível pode estar sob a forma de uma ou mais "ilhas" de material delgado no interior do disco isolante conforme mostrado 25 nas patentes US n° 4.537.841; US n° 5.589.293; e US n° 6.042.967. Alterna- tivamente, a membrana rompível pode estar sob a forma de uma porção delgada que contorna o eixo longitudinal da célula conforme mostrado na patente US n° 5.080,985 e US 6.991.872. A porção adelgaçada de contorno que forma a membrana rompível pode estar sob a forma de fendas ou sulcos 30 no interior do disco isolante conforme mostrado nas patentes US n° 4.237.203 e US 6.991.872. A membrana rompível pode, também, ser uma peça separada de película polimérica disposta entre o disco metálico de su- porte e o disco isolante, e voltada para as aberturas ali existentes, conforme mostrado na Publicação do Pedido de Patente US 2002/0127470 Al. Um elemento pontiagudo, ou outro elemento saliente pode estar orientado acima da membrana rompível para auxiliar na ruptura da mesma conforme mostra- 5 do na patente US n° 3.314.824. Quando a pressão do gás no interior da cé- lula torna-se excessiva, a membrana expande-se e rompe-se ao contato com o elemento pontiagudo, permitindo assim que o gás do interior da célula escape para o ambiente através das aberturas existentes na tampa da ex- tremidade terminal sobrejacente.

Um disco metálico de suporte separado, tipicamente com super-

fícies convolucionadas conforme mostrado nas patentes US n° 5.080.985 e 5.759.713, foi incluído no interior do conjunto de tampa. O disco metálico de suporte sustenta a vedação isolante em plástico e suporta altas forças de compressão radial que podem ser aplicadas ao conjunto de tampa durante a 15 frisagem da borda da carcaça ao redor do conjunto de tampa. A força de compressão radial alta assegura que o vedação ao longo da borda periférica do conjunto de tampa e da carcaça da célula pode ser mantido uniforme, mesmo se a pressão do gás no interior da célula aumentar até níveis bastan- te elevados, por exemplo, além de 689,4 x 104 manômetro pascal (1000 20 psig).

Uma vedação isolante plástico para fechamento da extremidade aberta de uma célula alcalina cilíndrica é mostrado na patente US n° 4.537.841. Há um disco metálico de suporte sobre a vedação isolante. A ve- dação isolante em plástico tem uma parte central e um braço radial formado 25 integralmente que se estende radialmente a partir do centro para a parede da carcaça da célula. Uma membrana rompível tipo "ilha" é formada inte- gralmente no interior do braço que se estende radialmente da vedação iso- lante. A membrana rompível tipo "ilha" é formada por estampagem ou com- pressão de uma parte do braço que se estende radialmente da vedação iso- 30 Iante formando assim uma pequena porção circular de ilha adelgaçada, que é projetada para romper quando a pressão do gás no interior da célula atin- ge um nível predeterminado. A membrana rompível tipo "ilha" mostrada nes- ta referência está nivelada com o braço que se estende radialmente da ve- dação isolante, ou seja, a membrana está orientada em um plano perpendi- cular ao eixo longitudinal central da célula. A superfície superior da membra- na rompível adelgaçada (voltada para a extremidade aberta da célula) está 5 quase completamente nivelada com a superfície superior do braço isolante que se estende radialmente. Esse modelo, embora eficiente, fornece apenas um pequeno espaço limitado entre a membrana rompível e o disco metálico de suporte. Quando a célula é submetida a condições intencionalmente abu- sivas como exposição ao fogo, isso pode resultar em uma elevação muito 10 rápida da temperatura interna da célula e na emissão de gases. É possível, sob condição tão extrema, que a membrana possa "inchar" sem se romper devido ao fato de a mesma "amolecer" e de que há apenas um pequeno es- paço entre a membrana e o disco metálico de suporte.

Em vista das melhorias em inibidores de emissão de gases e em particular no uso de vários inibidores de emissão de gases, as células alcali- nas modernas podem ser projetadas com pressões de ativação do meca- nismo de respiro levemente mais baixas do que as células mais antigas. Ou seja, tem havido uma tendência em direção à redução das pressões de ati- vação para mecanismos de respiro em células alcalinas. Reduzir as pres- sões de ativação do mecanismo de respiro apresenta desafios de projeto. Se uma membrana rompível tipo "ilha" for utilizada para ativar o mecanismo de respiro, existem limitações práticas sobre quão delgada tal membrana pode ser moldada utilizando-se técnicas convencionais de moldagem como mode- lagem por injeção. Além disso, existem limitações quanto á quantidade da área superficial disponível para tais membranas dependendo do tamanho da célula.

Consequentemente, é desejável ter um conjunto de tampa que forneça um vedação hermético para a célula mesmo que esta possa ser ex- posta a condições extremas de temperaturas altas ou baixas.

Se é desejado ter um mecanismo de respiro rompível confiável

no interior do conjunto de tampa que seja ativado e funcione corretamente mesmo no caso de a célula ser submetida a condições abusivas. É desejável que o mecanismo de respiro rompível ocupe quanti- dade de espaço no interior da célula de modo que a célula pode ser enchida com quantidades adicionais de material de ânodo e de cátodo, aumentando assim a capacidade da célula.

É desejável que a tampa seja à prova de adulteração, ou seja,

não possa prontamente se removida à força do conjunto de tampa.

É desejável que a borda periférica do disco de vedação isolante possa ser simultaneamente franzida sobre ambas as bordas do disco supor- te de metal e o tampão enquanto mantém uma purga ou quase uma orienta- ção de purga entre as paredes que se estendem para baixo do disco de ve- dação isolante e o disco suporte de metal sobreposto.

Deseja-se que um mecanismo de respiro rompível possa ser fabricado prontamente e seja confiável de modo que a ativação do respiro ocorra em um nível específico e predeterminado de pressão.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A invenção é encaminhada para uma célula eletroquímica, por exemplo uma célula alcalina, que compreende um conjunto de vedação de tampa inserido na extremidade aberta de uma carcaça cilíndrica (comparti- mento) da célula. Em um aspecto, o conjunto de tampa compreende um dis- 20 co metálico de suporte e um disco de vedação isolante subjacente (anel iso- lante) sob o disco metálico quando a célula é vista em posição vertical com o disco metálico de suporte no topo. O conjunto de tampa compreende, tam- bém, uma tampa da extremidade terminal posicionada sobre o disco metáli- co de suporte.

O disco metálico de suporte é, de preferência, formado de um

disco em peça única metálica que tem uma superfície convolucionada e ao menos uma abertura através de sua superfície. O disco de vedação isolante tem uma superfície convolucionada em que uma porção de sua superfície está sob a abertura no disco metálico de suporte quando a célula é vista em 30 posição vertical com o conjunto de tampa no topo. A porção do dito disco de vedação isolante subjacente à dita abertura tem um sulco na superfície in- terna da mesma, de preferência voltado para o interior da célula. O sulco apresentando uma extremidade aberta e uma base oposta fechada, sendo que a base do sulco forma uma membrana rompível adelgaçada. A mem- brana rompível fica em contiguidade com a abertura no disco metálico de suporte. Quando a pressão do gás no interior da célula eleva-se, a dita 5 membrana rompível penetra através da dita abertura e rompe-se liberando gás diretamente para o ambiente circundante através da dita abertura.

O disco de vedação isolante compreende um material plástico que tem uma parede que se estende para baixo inclinada a um ângulo me- nor que 90 graus a partir do eixo longitudinal central da célula e não paralela 10 ao dito eixo longitudinal. A parede que se estende para baixo do dito disco isolante se estende para baixo a partir de um ponto alto sobre a superfície do disco isolante e em direção a um ponto mais baixo sobre sua superfície que está mais próximo do interior da célula quando a célula é vista em posi- ção vertical com o conjunto de tampa no topo. O disco metálico de suporte 15 tem, também, uma parede que se estende para baixo inclinada a um ângulo menor que 90 graus a partir do eixo longitudinal central da célula. A parede que se estende para baixo do disco metálico de suporte se estende para baixo a partir de um ponto alto sobre a superfície do mesmo quando a célula é vista em posição vertical com o conjunto de tampa no topo. Há ao menos 20 uma abertura na dita parede que se estende para baixo do elemento de su- porte de metal contra a qual a membrana rompível fica em contiguidade. De preferência, a parede que se estende para baixo do disco de vedação isolan- te pode ser inclinada a um ângulo que varia de cerca de 35 a 80 graus a par- tir do eixo longitudinal central da célula. A parede que se estende para baixo 25 do disco metálico de suporte sobrejacente é desejavelmente inclinada no mesmo ângulo, de preferência um ângulo entre cerca de 35 e 80 graus a partir do eixo longitudinal central da célula, que o da parede que se estende para baixo do disco de vedação isolante. Isso permite que a porção da membrana rompível da parede que se estende para baixo do disco de veda- 30 ção isolante fique em posição limítrofe e nivelada contra a abertura na pare- de que se estende para baixo do membro metálico de suporte. A parede que se estende para baixo do disco de vedação isolante fica nivelada ou quase nivelada em relação à parede sobrejacente que se estende para baixo do dito disco metálico de suporte.

O sulco na superfície interna da parede que se estende para baixo do disco de vedação isolante formando a porção da membrana rompí- vel é, de preferência, feita de modo que a mesma contorne o centro do disco isolante. Ao menos a porção de tal membrana rompível circundante contígua com a dita abertura no disco metálico de suporte se rompe quando a pres- são da célula se eleva a um nível predeterminado. A membrana rompível preferencialmente é de náilon ou de polipropileno. O conjunto de tampa da invenção permite que abertura de ruptura seja produzida com um tamanho maior devido à orientação inclinada do braço que se inclina para baixo do disco metálico de suporte. O sulco em corte inferior na membrana rompível permite uma membrana mais delgada no ponto de ruptura, ou seja, na base do sulco. Isso, por sua vez, permite uma redução nas pressões de ruptura do modelo e a conseqüente pequena espessura da parede na carcaça da célula, por exemplo entre cerca de 0,10 mm (4 mils) e 0,30 mm (12 mils), aumentando assim a quantidade de volume interno da célula disponível para material de ânodo e de cátodo ativos. Por exemplo, o conjunto de tampa da invenção pode permitir uma espessura da parede da carcaça da célula entre 0,10 mm (4 mils) e 0,20 mm (8 mils) para células de tamanhos AA e AAA e entre cerca de 0,25 mm (10 mils) e 0,30 mm (12 mils) para células de tama- nhos CeD.

O disco metálico de suporte tem, de preferência, uma porção central substancialmente plana com uma abertura localizada centralmente 25 na mesma. De preferência, existe um par de aberturas de mesmo tamanho e diametralmente opostas na parede que se estende para baixo do disco me- tálico de suporte. Depois que os componentes ativos da célula são inseridos, o conjunto de tampa é inserido na extremidade aberta da carcaça da célula. A borda periférica do disco metálico de suporte e a borda periférica da tampa 30 sobrejacente ficam dentro da borda periférica 28 do disco de vedação isolan- te. A borda da carcaça em sua extremidade aberta é então franzida sobre a borda periférica do disco de vedação isolante. A borda do disco de vedação isolante, por sua vez, dobra-se simultaneamente sobre a borda periférica do disco metálico de suporte e a borda periférica da tampa sobrejacente tra- vando a tampa e o disco metálico de suporte 40 firmemente no lugar sobre o disco de vedação isolante 40. Dessa forma, o disco de vedação isolante, o 5 disco metálico de suporte 40 e a tampa sobrejacente ficam travados dentro da extremidade aberta 15 da carcaça fechando assim a carcaça da célula. Surpreendentemente, a parede que se estende para baixo do disco isolante é mantida em uma posição nivelada ou quase totalmente nivelada (contígua) com a parede que se estende para baixo do disco metálico de suporte so- 10 brejacente, embora seja necessário aplicar força de frisagem suficiente du- rante a frisagem para garantir que a borda periférica do disco de vedação isolante seja franzida sobre a borda do disco metálico de suporte e a borda da tampa, mantendo as duas bordas permanentemente travadas. Ou seja, as forças de frisagem não perturbam a posição nivelada ou quase nivelada 15 da parede que se estende para baixo do disco de vedação isolante contra a parede que se estende para baixo do disco metálico de suporte sobrejacen- te.

O conjunto de tampa da invenção tem um coletor de corrente alongado do ânodo com uma cabeça que passa pela abertura central no dis- 20 co metálico de suporte de modo que a cabeça possa ser soldada diretamen- te na superfície do lado inferior da tampa. A cabeça do coletor de corrente do ânodo é, de preferência, soldada diretamente no lado inferior da tampa por soldagem de resistência elétrica. Não é necessário soldar nenhum dos demais componentes do conjunto de tampa. Não é necessário utilizar a sol- 25 da a laser em nenhum lugar da montagem da célula, tornando, com isso, o processo de montagem da célula mais eficiente.

Existem várias características comuns entre o conjunto de tampa da invenção e o modelo mostrado, cedido à mesma requerente da patente US n° 6.887.614 B2 (Duprey), em relação à orientação da membrana rompí- 30 vel que está em contiguidade a uma abertura no disco metálico de suporte e ao uso de um sulco em corte inferior preferencial no vedação isolante para formar a porção da membrana rompível. Entretanto, o conjunto de tampa da invenção representa um aperfeiçoamento sobre o modelo Duprey. No con- junto de tampa da invenção, foi eliminado o uso de uma arruela isolante en- tre a tampa e o ressalto da carcaça da célula conforme mostrado em Du- prey, figura 3, e conforme descrição na coluna 9, linhas 36 a 51. Isso resul- 5 tou em um modelo aprimorado de conjunto de tampa com menos componen- tes. Em vez disso, na presente invenção, a borda periférica do disco de ve- dação isolante é franzida sobre a borda da tampa e a borda do disco metáli- co de suporte subjacente mantendo o disco metálico de suporte e a tampa firmemente travados no lugar no interior da carcaça da célula. Isso torna a 10 tampa à prova de adulteração, ou seja, a tampa não pode ser prontamente removida forçando-se sua borda para fora da célula como ocorre quando a borda da tampa é separada da carcaça por uma arruela isolante. O presente conjunto de tampa da invenção também elimina a necessidade de primeiro soldar o coletor de corrente do ânodo no disco metálico de suporte e depois 15 soldar o disco metálico de suporte em torno da tampa como no modelo Du- prey, na figura 3. No conjunto de tampa da invenção a cabeça do coletor de corrente do ânodo é soldada diretamente na tampa. Não é necessária ne- nhuma solda entre o disco metálico de suporte e qualquer outro componen- te, simplificando, dessa forma, a montagem da célula.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será melhor compreendida com referência aos dese- nhos, nos quais:

A figura 1 mostra uma vista em recorte do conjunto de tampa da

invenção.

A figura 1A mostra uma vista lateral em seção transversal da

porção inferior da célula.

A figura 2 é uma vista explodida mostrando os componentes do conjunto de tampa da invenção.

A figura 3 é uma vista em perspectiva superior do disco de ve- dação isolante.

A figura 4 é uma vista em perspectiva superior do disco metálico

de suporte. A figura 5 é uma vista em perspectiva superior da tampa. DESCRIÇÃO DETALHADA

Uma estrutura preferencial do conjunto de tampa 14 da presente invenção é ilustrada na figura 1. O conjunto de tampa 14 da invenção tem aplicabilidade específica em células eletroquímicas que compreendem uma carcaça cilíndrica 70 com uma extremidade aberta 15 e uma extremidade fechada oposta 17, em que o conjunto de tampa 14 é inserido na dita extre- midade aberta 15, para vedar a célula. O conjunto de tampa 14 é particular- mente aplicável células alcalinas cilíndricas de tamanho padrão AAA (44 x 9 mm), AA (49 x 12 mm), C (49 x 25 mm) e D (58 x 32 mm). O conjunto de tampa 14 é particularmente útil para células alcalinas de tamanhos menores como células de tamanho AAA e AA1 mas também pode ser usado com van- tagem em células de tamanhos CeD. Tais células alcalinas, como a célula (figuras 1 e 1A), desejavelmente têm um ânodo 140 que compreende zin- co, um cátodo 120 que compreende Mn02, com separador permeável ao eletrólito 130 entre os mesmos. O ânodo 140 e o cátodo 120 compreendem, tipicamente, um eletrólito de hidróxido de potássio aquoso. O ânodo 140 po- de compreender zinco, o cátodo 120 pode compreender oxi-hidróxido de níquel, e o ânodo e o cátodo podem compreender um eletrólito de hidróxido de potássio aquoso.

O conjunto de tampa 14 da invenção compreende um disco me- tálico de suporte 40, um disco de vedação subjacente 20, e um coletor de corrente 80 que penetra através da abertura central 24 do disco de vedação 20 e entra em contato com o ânodo 140. Uma tampa da extremidade termi- 25 nal 60 separada de metal é empilhada sobre o disco metálico de suporte 40 conforme mostrado nas figuras 1 e 2. Depois que o cátodo 120, o separador 130 e o ânodo 140 são inseridos na carcaça 70, o conjunto de tampa 14 é inserido na extremidade aberta da carcaça 15. A borda periférica 72 da car- caça 70 é franzida sobre a borda periférica 28 do disco de vedação isolante 30 20. A borda periférica 28 do disco de vedação isolante 20 é, por sua vez, franzida sobre a borda periférica 66 da tampa 60 e a borda 49 do disco me- tálico de suporte 40. No processo de frisagem podem ser aplicadas forças radiais garantindo que a borda 66 da tampa 60 fixe-se na borda periférica 28 do disco de vedação isolante 20. A borda 49 do disco metálico de suporte 40 também pode se fixar na borda 28 do disco de vedação isolante 20.

O disco metálico de suporte 40 (figuras 1 e 4) tem, de preferên- 5 cia, uma porção central substancialmente plana 43 com uma abertura 41 localizada centralmente na mesma. O disco metálico de suporte 40 é, de preferência, formado de um disco de construção metálica em peça única que tem uma superfície convolucionada. Uma porção do disco metálico de supor- te 40 tem uma parede inclinada para baixo 45 e há ao menos uma abertura 10 de ruptura 48 através da mesma. O suporte de metal 40 é construído de um metal condutor que tem boa resistência mecânica e resistência à corrosão como aço laminado a frio e niquelado, aço inoxidável, ou aço com baixo teor de carbono. O disco metálico de suporte 40 é, de preferência, de aço carbo- no com uma superfície convolucionada de cerca de 0,50 mm de espessura. 15 De preferência, há duas aberturas de mesmo tamanho e diametralmente opostas 48 na parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte 40 conforme mostrado melhor na figura 4. A parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte 40 se estende para baixo em direção ao interior da célula a partir de um ponto alto 45a na parede 45 do 20 dito disco de suporte 40 para um ponto baixo 45b na dita parede 45 quando a célula é vista em posição vertical com o conjunto de tampa 14 no topo. A parede que se estende para baixo 45 do disco de suporte 40 é, de preferên- cia, reta na direção da inclinação para baixo ou pode ter um contorno de su- perfície levemente convexo (projeção para fora) quando vista pelo lado ex-

terno da célula. A superfície que se estende para baixo 45 termina na borda periférica 49.

O disco de vedação isolante 20 (figuras 1 e 3) tem uma superfí- cie convolucionada incluindo a parede que se estende para baixo 26 onde uma porção de sua superfície é subjacente e fica em contiguidade à abertura 30 48 no disco metálico de suporte 40 quando a célula é vista em posição verti- cal com o conjunto de tampa 14 no topo. A parede 26 do disco de vedação 20 estende-se para baixo a partir de um ponto alto 26a sobre a superfície da mesma para um ponto baixo 26b sobre a superfície da mesma quando a célula é vista em posição vertical com o conjunto de tampa 14 no topo. A superfície 26 do disco isolante 20 é, de preferência, reta na direção da incli- nação para baixo (isto é, sem projeção para dentro ou para fora), mas tam- 5 bém pode ter um contorno de superfície levemente convexo quando vista pelo lado externo da célula. A superfície que se estende para baixo 26 ter- mina na borda periférica que se estende para cima 28.

A porção da superfície que se estende para baixo 26 subjacente à dita abertura 48 no disco metálico de suporte 40 (figura 1) tem um sulco 10 em corte inferior 210 na superfície interna da mesma voltado para o interior da célula. O sulco 210 tem uma extremidade aberta e uma base oposta fe- chada. A base do sulco forma uma membrana rompível adelgaçada 23. A membrana rompível 23 fica em contiguidade à abertura 48 no disco metálico de suporte 40. Quando a pressão do gás no interior da célula eleva-se, essa 15 membrana rompível 23 penetra através da dita abertura 48 e rompe-se libe- rando gás no espaço livre ("headspace") 18 acima da membrana 23, ou seja, o espaço entre a membrana 23 e a tampa sobrejacente 60. O gás então passa para o ambiente externo através de aberturas de ventilação 65 na tampa 60 (figuras 1 e 5). De preferência, a parede que se estende para bai- 20 xo 26 do disco isolante 20 fica nivelada com a superfície interna da parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte 40 durante a montagem. Surpreendentemente, a parede que se estende para baixo 26 do disco isolante 20 é mantida em uma posição nivelada ou quase totalmente nivelada com a parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de

suporte 40, embora seja necessário aplicar força suficiente durante a frisa- gem para garantir que a borda periférica 28 do disco de vedação isolante 20 seja franzida hermeticamente sobre a borda do disco metálico de suporte 49 e a borda da tampa 66. Ou seja, as forças de frisagem não deslocam a posi- ção substancialmente nivelada da parede que se estende para baixo 26 do 30 disco isolante 20 com a parede que se estende para baixo 45 do disco metá- lico de suporte 40. As forças de frisagem não criam, em média, mais que cerca de 0,50 mm de espaço entre as paredes que se estendem para baixo 26 e 45, e tipicamente as forças de frisagem não criam, em média, mais que cerca de 0,35 mm de espaço entre as paredes que se estendem para baixo

26 e 45. As forças de frisagem podem, tipicamente, criar em média, entre cerca de 0,1 mm e 0,50 mm de espaço entre as paredes que se estendem para baixo 26 e 45.

O sulco 210 de preferência estende-se circunferencialmente ao longo do lado interno 220 da parede que se estende para baixo 26 conforme mostrado melhor nas figuras 1 e 3. O sulco 210 forma uma porção adelga- çada 23 estendendo-se de preferência circunferencialmente ao longo do Ia- 10 do interno (lado inferior) da parede que se estende para baixo 26 do disco de vedação isolante 20 (figura 1). O sulco circundante 210 (figura 1) forma uma porção adelgaçada, ou seja, uma membrana circundante 23 na base do sul- co 210. A porção adelgaçada 23 forma uma membrana rompível que está voltada e de preferência fica em contiguidade à parede que se estende para 15 baixo 45 do disco metálico de suporte 40 conforme mostrado na figura 1. Pode haver uma ou mais abertura 48 na parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte 40 (figuras 1 e 4). De preferência há duas aberturas na superfície da parede que se estende para baixo 45 conforme mostrado na figura 4. Se forem utilizadas duas aberturas 48, desejavelmente 20 elas terão o mesmo tamanho e estarão localizadas diametralmente opostas na parede que se estende para baixo 45 (figura 4). A porção da membrana adelgaçada circundante 23 que se estende diretamente sob a abertura 48 forma uma poção rompível. Quando o gás no interior da célula se eleva até um nível predeterminado, a porção da membrana 23 imediatamente sob a 25 abertura 48 se estenderá até a abertura até se romper sob tensão liberando assim o gás do no interior da célula. A pressão interna da célula é reduzida imediatamente quando o gás é liberado para o meio ambiente através das abertura de ventilação da tampa sobrejacente 65.

As paredes opostas do sulco 212a e 212b que definem a pro- fundidade do sulco em corte inferior 210 não precisam ter um formato espe- cífico de curvatura. Entretanto, do ponto de vista da facilidade de fabricação, as paredes do sulco 212a e 212b podem ser orientadas verticalmente ou podem ser inclinadas de modo que a boca do sulco 210 seja mais larga que a base (porção da membrana rompível 23) do sulco. O ângulo da 212a não desempenha um fator na capacidade de ruptura da membrana 23, uma vez que a membrana deve, de preferência, romper-se por tensão, não por cisa- 5 lhamento. As paredes 212a e 212b podem ser dispostas convenientemente em ângulo reto com a membrana rompível 23 na base do sulco 210 ou po- dem formar um ângulo obtuso com a membrana rompível 23 conforme mos- trado na figura 1. Alternativamente, as paredes do sulco 212a e 212b podem ser formadas de uma superfície plana ou curva. Desejavelmente, as paredes 10 212a e 212b formam cada uma superfícies planas que formam um ângulo obtuso, desejavelmente entre cerca de 120 e 135 graus, com a membrana rompível 23 de modo que a extremidade aberta do sulco 210 seja levemente mais larga que a membrana que forma a base do sulco 23. Tal modalidade preferencial dá ao sulco circundante 210 um formato trapezoidal conforme 15 mostrado na figura 1. Essa configuração é desejável do ponto de vista da facilidade de fabricação por modelagem por injeção e não afeta a capacida- de de ruptura da membrana 23.

A parede que se estende para baixo 26 e a porção da membra- na rompível 23 na mesma é desejavelmente inclinada em um ângulo agudo (ângulo menor que 90°) a partir do eixo longitudinal central da célula 190 como ilustrado na figura 1. Em tal configuração, a parede que se estende para baixo 26 e a poção da membrana 23 da mesma não são paralelas ao eixo longitudinal central da célula. De preferência, a parede que se estende para baixo 26 é inclinada em um ângulo agudo entre cerca de 35 e 80 graus a partir do eixo longitudinal central 190 (figura 1). Analogamente, a parede que se estende para baixo 45 do disco de suporte 40 é, de preferência, incli- nada no mesmo ângulo agudo que a parede que se estende para baixo 26 do disco de vedação 20, isto é, entre cerca de 35 e 80 graus a partir do eixo central 190. Dessa forma, quando o disco de suporte 40 é colocado sobre o disco de vedação 20, a parede que se estende para baixo 45 do disco de suporte 40 ficará em posição contígua e nivelada com a parede que se es- tende para baixo 26 do disco de vedação 20 e a membrana rompível 23 fica- rá em posição contígua com a abertura 48. Como indicado acima, determi- nou-se que uma posição nivelada (ou quase totalmente nivelada) da parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte com a parede que se estende para baixo do disco de vedação 26 pode ser mantida, apesar de serem necessárias forças de frisagem mais elevadas para franzir a borda do vedação 28 sobre a borda da tampa 66 e a borda do suporte de metal 49 simultaneamente. A orientação inclinada da parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte 40 permite que sejam feitas aberturas de diâmetro maior 48 na parede que se estende para baixo 45 para uma da- da altura geral do disco de suporte 40. Isso, por sua vez, permite que a membrana 23 de uma dada espessura pequena rompa-se sob uma pressão- Iimite mais baixa permitindo com isso reduzir a espessura da parede da car- caça da célula 70. A redução na espessura da parede da carcaça 70 aumen- ta o volume interno da célula disponível para o material ativo do ânodo e do cátodo aumentando assim a capacidade da célula.

O disco de vedação isolante 20 pode ser formado de uma cons- trução em peça única de material isolante plástico. De preferência ele é mol- dado por náilon em modelagem por injeção que é durável e resistente à cor- rosão. Como ilustrado melhor nas figuras 1 e 3, o disco isolante 20 tem uma 20 saliência ou parte central 22 com uma abertura 24 através do centro da mesma. A saliência 22 forma a porção mais espessa e pesada do disco 20. A borda periférica da saliência 22 termina na parede que se estende para baixo 26 a partir de um ponto alto 26a na dita parede 26 para um ponto bai- xo 26b na mesma quando a célula é vista em posição vertical com o conjun- 25 to de tampa no topo (figuras 1 e 3). De modo similar, a borda periférica da porção central 43 do disco de suporte 40 termina na parede que se estende para baixo 45 a partir de um ponto alto 45a na dita parede 45 para um ponto baixo 45b na mesma (figuras 1 e 4).

A configuração de disco de vedação isolante 20 descrita acima também posiciona a membrana rompível 23 mais próxima da tampa 60. Isto significa que há mais espaço interno disponível no interior da célula para materiais ativos. A localização da membrana rompível 23 na parede que se estende para baixo 26 do disco isolante 20 permite que o gás e outros com- ponentes internos passem desobstruídos do interior da célula através da abertura 48 no disco metálico de suporte diretamente para o meio ambiente através das aberturas 65 na tampa 60 após o rompimento da membrana 23.

Essa passagem do gás do interior da célula para o meio ambiente será de- sobstruída mesmo que a célula esteja conectada a outra célula ou a um dis- positivo sendo alimentado.

Na ausência de um sulco formador de uma membrana rompível no vedação, isto é, se toda a porção da parede inclinada para baixo 26 em 10 posição de contiguidade com a abertura 48 tiver uma espessura constante uniforme e formar a membrana rompível, determinou-se que a seguinte rela- ção se aplica aproximadamente entre a pressão de ruptura desejada PR, o raio "R" da abertura de ventilação 48, e a espessura "t" da membrana resul- tante com espessura constante, onde "S" é a resistência máxima à tração do 15 material rompível.

Pr = t/R x S (I)

Foi possível reduzir a emissão de gases pela célula utilizando-se vários inibidores de emissão de gases. E desejável que o raio da abertura 48 seja grande e que a espessura da membrana de espessura constante seja 20 pequena tanto quanto possível. Isso permite a ruptura da membrana, se for desejado, a pressões-limite mais baixas, P, do acúmulo de gás nas células. Dessa forma, para um dado tamanho de célula, há um limite inferior prático para a pressão de erupção determinado por um raio máximo da abertura e espessura mínima da membrana que podem ser obtidos. A adição de um 25 sulco em corte inferior 210 formando uma membrana rompível fornece ou- tras variáveis, como profundidade e largura do sulco, com as quais se pode manipular a pressão de erupção para níveis mais baixos.

No conjunto de tampa 14 a razão entre a largura da membrana rompível (ou seja, a largura da base do sulco 210) à espessura da membra- na rompível 23 está tipicamente entre cerca de 2,5 e 1 e 12,5 e 1. O projeto do conjunto de tampa 14 pode acomodar uma abertura 48 cujo tamanho po- de variar tipicamente de cerca de 1,8 a 10 mm (diâmetro circular) na parede inclinada para baixo 45 do disco metálico de suporte 40, para células co- muns de tamanhos que variam de AAA a D.

Em relação ao conjunto de tampa 14 da presente invenção são desejáveis as seguintes pressões de ruptura de nível mais baixo para a 5 membrana 23. Para células alcalinas AAA a pressão-alvo de ruptura da membrana 23 situa-se, desejavelmente, entre cerca de 6,21 mega Pascal (900 psig) e 12,41 mega Pascal (1800 psig). Para células alcalinas AA a pressão-alvo de ruptura da membrana 23 situa-se, desejavelmente, entre cerca de 3,45 mega Pascal (500 psig) e 10,34 mega Pascal (1500 psig). Pa- 10 ra células alcalinas de tamanho C a pressão-alvo de ruptura da membrana 23 situa-se, desejavelmente, entre cerca de 2,07 mega Pascal (300 psig) e 3,79 mega Pascal (550 psig). Para células alcalinas de tamanho D a pres- são-alvo de ruptura da membrana 23 situa-se, desejavelmente, entre cerca de 1,38 mega Pascal (200 psig) e 2,76 mega Pascal (400 psig). Tais faixas 15 de variação da pressão de ruptura são apresentadas como exemplos não- limitadores. Deve-se reconhecer que o conjunto de tampa 14 não está limi- tado a essas faixas de pressão de ruptura uma vez que o presente conjunto de tampa 14 pode ser empregado também com pressões de ruptura mais altas e até mais baixas.

Com as faixas de pressão de ruptura indicadas acima para esse

tamanho de célula, a carcaça 70 de aço niquelado pode, tipicamente, ter uma pequena espessura de parede, desejavelmente entre cerca de 0,15 mm (0,006 pol) e 0,30 mm (0,012 pol), de preferência entre cerca de 0,15 mm (0,006 pol) e 0,20 mm (0,008 pol) para células AA e AAA, e entre cerca de 25 0,20 mm (0,010 pol) e 0,30 mm (0,012 pol) para células C e D. É desejável a parede com espessura menor para a carcaça 70, uma vez que a mesma resulta em um volume interno maior da célula, permitindo o uso de mais ma- terial de ânodo e de cátodo, aumentando assim a capacidade da célula. O conjunto de tampa 14 permite que as pressões de ruptura descritas acima 30 sejam atingidas para o tamanho de célula indicado, e tem a característica adiciona de que a tampa 60 e "à prova de adulteração". Ou seja, como a borda 66 da tampa 60 é franzida sob a borda periférica 28 do disco de veda- ção isolante 20, ela não pode ser prontamente forçada para fora do conjunto de tampa. Dessa forma, no presente modelo de conjunto de tampa 14, o conteúdo da célula também está bem seguro e bem protegido contra viola- ção. Além disso, no conjunto de tampa 14 da invenção a cabeça 87 do pino 5 do coletor de corrente do ânodo 80 é soldada diretamente no lado inferior da tampa 60. Isso pode ser feito com simples solda de resistência elétrica. No presente conjunto de tampa 14 não há necessidade de soldar nenhum outro componente da célula, e não há necessidade de solda a laser, simplificando, dessa forma, a construção da célula.

Para manter o uso de aberturas de tamanho maior 48 no contex-

to do conjunto de tampa aqui descrito, determinou-se que isso pode ser obti- do melhor orientando-se a parede do vedação isolante 26 que contém a membrana rompível 23 em uma inclinação, ou seja, não paralela ao eixo longitudinal 190. De preferência, a parede do vedação 26 e a superfície do 15 suporte de metal que está em posição limítrofe 45 são inclinadas para baixo a um ângulo, de preferência entre cerca de 35 e 80 graus em relação ao eixo longitudinal central 190. Isso fornece mais área superficial disponível a partir da qual se forma a abertura 48.

De acordo com o desejo de se reduzir a pressão de erupção da 20 célula, determinou-se que isso pode ser conseguido formando-se um sulco em corte inferior 210 sobre a superfície interna da parede inclinada para bai- xo 26 do disco de vedação 20. Tal sulco em corte inferior 210 pode ser for- mado, por exemplo, contornando-se o centro do disco de vedação 20, duran- te a modelagem por injeção no momento da formação do disco de vedação 25 20.

Em uma modalidade preferencial empregando-se uma célula alcalina de tamanho AA, A título de exemplo não-limitador, a membrana rompível 23 pode ser projetada para romper quando a pressão do gás no interior da célula se elevar a um nível entre cerca de 3,45 mega Pascal (500 30 psig) e 10,34 mega Pascal (1500 psig). A porção de membrana rompível 23 subjacente às aberturas 48 no disco suporte de metal 40 é desejavelmente formada por náilon, de preferência náilon 66 ou náilon 612, mas pode tam- bém ser de outros material como polipropileno. O sulco 210 pode ter uma largura entre cerca de 0,08 e 1 mm, desejavelmente entre cerca de 0,08 e 0,8 mm. De preferência, o sulco 210 estende-se circunferencialmente ao redor da superfície interna 220 da parede que se estende para baixo 26 do 5 disco isolante 20. Um segmento do sulco circunferencial 210 estende-se i- mediatamente sob as aberturas 48 no disco metálico de suporte 40. Alterna- tivamente, o sulco 210 não precisa ser circundante mas pode ser formado de modo que sulcos individuais sejam cortados imediatamente sob as aberturas 48 com as porções da superfície interna da parede 26 entre os mesmos dei- 10 xadas lisas e não-cortadas. As aberturas 48 podem ter formato circular e um diâmetro que varia entre cerca de 1,8 e 10 mm, correspondendo a uma área entre cerca de 2,5 e 78,5 mm2, tipicamente entre 2 e 9 mm (diâmetro circu- lar), correspondendo a uma área entre cerca de 3,1 e 63,6 mm2, para células de tamanho comum entre AAA e D. Deve-se reconhecer que as aberturas 48 15 podem ser de outro formato como oblongo ou elíptico. As aberturas 48 tam- bém podem ter formato retangular ou poligonal ou formatos irregulares com- preendendo uma combinação de superfícies retas e curvas. O diâmetro efe- tivo de tal formato oblongo ou poligonal ou de outros formatos irregulares está, também, desejavelmente entre cerca de 2 e 9 mm. O diâmetro efetivo 20 com tais formatos pode ser definido como a distância mínima de um lado a outro de qualquer tal abertura.

Quando a pressão-alvo de ruptura situa-se entre cerca de 3,45 MPa (500 psig) e 10,34 mega Pascal (1500 psig) para uma célula AA ou en- tre cerca de 6,21 MPa (900 psig) e 12,41 mega Pascal (1800 psig) para uma 25 célula de tamanho AAA, a razão entre a largura do sulco (largura da mem- brana 23 na base do sulco) a espessura da membrana rompível 23 situa-se, desejavelmente, entre cerca de 2,5:1 e 12,5:1. De acordo com essa faixa de razão, a largura do sulco na base do sulco situa-se, desejavelmente, entre cerca de 0,1 e 1 mm, de preferência entre cerca de 0,4 e 0,7 mm, e a espes- 30 sura da membrana rompível 23 situa-se entre cerca de 0,08 e 0,25 mm, de- sejavelmente entre cerca de 0,10 e 0,20 mm. As aberturas 48 podem ter um diâmetro tipicamente entre cerca de 1,8 e 4,5 mm, correspondendo a uma área entre cerca de 2,5 e 16 mm2.

Quando são empregadas células alcalinas C e D, a membrana rompível 23 é desejavelmente projetada para romper a pressões mais bai- xas. Por exemplo, para células de tamanho C, a pressão de ruptura deseja- 5 da pode estar entre cerca de 2,07 Mega Pascal (300 psig) e 3,79 mega Pas- cal (550 psig). Para células de tamanho D, a pressão de ruptura desejada pode estar entre cerca de 1,38 mega Pascal (200 psig) e 2,76 mega Pascal (400 psig). A mesma razão entre a largura do sulco (largura da membrana 23 na base do sulco) e a espessura da membrana rompível 23, desejavel- 10 mente, entre cerca de 2,5:1 e 12,5:1 também aplica-se.

Em geral, e independentemente do tamanho da célula, é desejá- vel manter uma razão entre a espessura da membrana rompível 23 e a es- pessura da parede de vedação que se estende para baixo 26 imediatamente adjacente à membrana 23 de 1:2 ou menos, desejavelmente entre cerca de 15 1:2 e 1:10, mais tipicamente entre cerca de 1:2 e 1:5. Em tal modalidade a espessura da membrana rompível 23 situa-se, desejavelmente, entre cerca de 0,08 e 0,25 mm, de preferência entre cerca de 0,1 e 0,2 mm. As abertu- ras 48 através das quais a membrana 23 se rompe desejavelmente têm um diâmetro entre cerca de 1,8 e 10 mm.

Na montagem, depois de inseridos o ânodo 140, o cátodo 120 e

o separador 130 na carcaça da célula 70, o conjunto de tampa 14 é inserido na extremidade aberta da carcaça 14. O disco metálico de suporte 40 pode ser primeiro pressionado sobre o disco de vedação isolante 20 de modo que a superfície superior 43 da saliência 22 do disco de vedação 20 penetre na 25 abertura central 41 do disco metálico de suporte 40. A parede que se esten- de para baixo 26 do disco isolante 20 fica nivelada com a superfície interna da parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte sobre- jacente 40. O disco de vedação isolante 20 com o disco metálico de suporte 40 lá contido pode, então, ser inserido na extremidade aberta 15 da carcaça 30 70. A porção inferior da borda periférica do vedação isolante 28 repousa so- bre a borda circunferencial 73 na parede lateral da carcaça da célula 74. A cabeça 87 do pino do coletor de corrente 80 é soldada, de preferência por solda de resistência elétrica, no lado inferior da tampa 60.

O coletor de corrente 80 é então inserido através da abertura 41 no disco metálico de suporte 40 e, então, através da abertura central subja- cente 24 no disco de vedação isolante 20 até que a ponta 84 do coletor de 5 corrente penetre no material do ânodo 140. O lado inferior da tampa fixada 60 repousa sobre a superfície plana superior 43 que circunda a abertura 41 do disco metálico de suporte 40. Ambas as bordas 49 do disco metálico de suporte 40 e a borda 66 da tampa sobrejacente 60 ficam dentro da borda periférica 28 do disco de vedação isolante 20 conforme mostrado na figura 1. 10 A borda 72 da carcaça 70 é então franzida sobre a borda periférica 28 do disco de vedação isolante 20. A borda do disco de vedação isolante 28, por sua vez, é franzida sobre ambas as bordas 49 do disco metálico de suporte 40 e a borda 66 da tampa 60 travando a tampa 60 e o disco metálico de su- porte subjacente 40 firmemente no lugar sobre o disco de vedação isolante 15 20. Dessa forma, o disco de vedação isolante 20, o disco metálico de supor- te 40 e a tampa sobrejacente 60 ficam travados dentro da extremidade aber- ta 15 da carcaça fechando assim a carcaça da célula. Forças de compres- são radial podem ser aplicadas na carcaça 70 durante a frisagem para ga- rantir que a borda periférica 66 da tampa 60 fixe-se na borda periférica 28 do 20 disco de vedação isolante 20 e que a borda do disco metálico de suporte 49 se torne radialmente comprimida ajudando assim a se obter um vedação hermético. A borda 66 da tampa 60 não pode ser acessada e dessa forma a tampa 60 é considerada à prova de adulteração, isto é, não pode ser pron- tamente removido à força do conjunto da célula.

Em outra modalidade do disco de vedação 20, a configuração do

disco pode ser a mesma conforme mostrado na figura 1 e na figura 3, exceto pelo fato de que o sulco 210 pode ser formado cortando-se ou estampando- se uma matriz ou borda de faca, com ou sem o auxílio de uma ferramenta aquecida, no lado inferior 220 da parede que se estende para baixo 26 do 30 disco de vedação 20 depois de formado o disco. Em tal modalidade o disco de vedação 20 pode ser primeiro formado por moldagem para se obter uma parede que se estende para baixo 26 com espessura uniforme, ou seja, sem sulco 210. Uma matriz com um gume cortante circunferencial pode, então, ser aplicada no superfície do lado inferior 220 da parede que se estende pa- ra baixo 26 do disco de vedação. Um corte circunferencial ou arqueado for- mando um sulco 210 de largura menor que 1 mm, desejavelmente entre cer- ca de 0,08 e 1 mm, de preferência entre 0,08 e 0,8 mm, pode ser feito dessa maneira na superfície do lado inferior 220 da parede que se estende para baixo 26 do disco de vedação 20. O sulco 210 forma a membrana rompível 23 em sua base. A membrana rompível 23 formada pelo sulco 210 forma uma área fraca na superfície da parede que se estende para baixo 220 do disco de vedação. O sulco 210 pode ser feito utilizando-se uma matriz para corte, por exemplo, uma matriz com uma borda levantada (borda de faca) a qual é pressionada sobre o lado inferior da parede que se estende para bai- xo 26. O sulco 210 feito dessa maneira permite que a membrana 23 na base do sulco 210 seja formada mais delgada do que se o sulco 210 fosse molda- do na parede que se estende para baixo 26. O sulco 210 formado por uma matriz para corte pode, dessa forma, resultar em uma membrana rompível 23 de largura e espessura muito pequenas. A membrana 23 formada pelo sulco cortado 210 (figura 1) pode ser projetada para se romper na pressão- alvo desejada ajustando-se a profundidade do corte, que por sua vez forma uma membrana rompível 23 com a espessura desejada na base do corte.

A membrana 23 formada pelo sulco cortado 210 fica em conti- guidade ao lado inferior da parede que se estende para baixo 45 do disco metálico de suporte 40. Uma porção da membrana 23 pode ser subjacente a uma ou mais aberturas 48 na parede que se estende para baixo 45 do disco 25 metálico de suporte 40 da mesma maneira conforme descrito para a modali- dade mostrada na figura 1. Será reconhecido que o sulco cortado 210 (figu- ras 1 e 3) não precisa ter o formato de um círculo fechado contínuo, mas pode ser um segmento arqueado, de preferência suficientemente longo para que a porção do sulco 210 subjacente à abertura 48 seja contínuo sobre a 30 largura da abertura 48. Ou seja, o sulco 210 não precisa estender-se até as porções 220 (figura 1) da parede que estende-se para baixo 26 não- sobrepostas pela abertura 48. Em uma modalidade específica, como, em um exemplo não- limitador, independentemente do tamanho da célula, o disco de vedação 20 pode ser de náilon, e o sulco cortado 210 pode ter uma largura, tipicamente entre cerca de 0,08 e 1,0 mm, de preferência entre cerca de 0,08 e 0,8 mm.

5 A membrana 23 formada na base do sulco cortado pode ter uma espessura de modo que a razão entre a espessura da membrana 23 e a espessura da parede que se estende para baixo 26 imediatamente adjacente ao sulco 210 situe-se entre cerca de 1:10 e 1:2, de preferência entre cerca de 1:5 e 1:2. Em tal modalidade a espessura da membrana rompível 23 pode, tipicamen- 10 te, estar entre cerca de 0,08 e 0,25 mm, desejavelmente entre cerca de 0,1 e

0,2 mm.

Deve-se reconhecer também que embora o náilon seja um mate- rial preferencial para o disco isolante 20 e porção integral da membrana rompível 23, outros materiais, de preferência materiais permeáveis ao hidro- 15 gênio, resistentes à corrosão, plásticos duráveis como polissulfona, polipro- pileno ou polipropileno preenchido com talco também são adequados. A combinação da espessura da membrana 23 e o tamanho da abertura 48 po- de ser ajustada dependendo da resistência máxima à tração do material em- pregado e do nível da pressão do gás na qual a ruptura deve ocorrer. De- 20 terminou-se ser adequado o emprego se somente uma abertura 48 e uma membrana rompível 23 correspondente. Entretanto, a parede que se esten- de para baixo 45 no disco metálico de suporte 40 pode ser dotada de várias aberturas de tamanhos comparáveis com uma ou mais porções de membra- na rompível subjacentes 23 em posições de contiguidade. De preferência, 25 duas aberturas diametralmente opostas 48 na superfície de metal 45 podem ser empregadas conforme mostrado na figura 4. Isso forneceria garantia adi- cional de que a ruptura da membrana e a ventilação ocorreriam na pressão do gás desejada.

Segue uma descrição da composição química representativa do ânodo 140, do cátodo 120 e do separador 130 para uma célula alcalina 10 que pode ser empregada independentemente do tamanho da célula. As composições químicas a seguir são composições básicas representativas para uso em células dotadas do conjunto de tampa 14 da presente invenção, e como tais não devem ser consideradas limitadoras.

Nas modalidades acima descritas um cátodo representativo 120 pode compreender dióxido de manganês, grafite e eletrólito alcalino aquoso;

o ânodo 140 pode compreender zinco e eletrólito alcalino aquoso. O eletróli- to aquoso compreende uma mistura convencional de KOH, óxido de zinco e agente gelificante. O material de ânodo 140 pode estar sob a forma de uma mistura gelificada contendo um pó de liga de zinco isento de mercúrio (ne- nhum mercúrio adicionado). Ou seja, a célula pode ter um teor total de mer- 10 cúrio menor que cerca de 50 partes por milhão do total de peso da célula, de preferência menor que 20 partes por milhão do total de peso da célula. A célula também, de preferência, não contém nenhuma quantidade adicionada de chumbo e dessa forma é essencialmente isenta de chumbo, isto é, o teor total de chumbo é menor que 30 ppm, desejavelmente menor que 15 ppm do 15 teor total de metal no ânodo. Tais misturas podem, tipicamente, conter solu- ção aquosa de eletrólito à base de KOH, um agente gelificante (por exemplo, um copolímero de ácido acrílico disponível sob o nome comercial de CAR- BOPOL C940 junto à B.F. Goodrich), e tensoativos (por exemplo, tensoati- vos à base de éster de fosfato orgânico disponível sob o nome comercial de 20 GAFAC RA600 junto à Rhône Poulenc). Essa mistura é apresentada apenas como um exemplo ilustrativo e não se destina a restringir a presente inven- ção. Outros agentes gelificantes representativo para ânodos de zinco são apresentados na patente US n° 4.563.404.

O cátodo 110 pode, desejavelmente, ter a seguinte composição: de 87 % a 93 %, em peso, de dióxido de manganês eletrolítico

(por exemplo, Trona D disponível junto à Kerr McGee), de 2 % a 6 %, em peso (total), de grafite, de 5 % a 7 %, em peso, de uma solução aquosa de KOH de 7 a 10 Normal, com concentração de KOH de cerca de 30 % a 40 %, em peso, e de 0,1 % a 0,5 %, em peso, de um aglutinante de polietileno 30 opcional. O dióxido de manganês eletrolítico tem, tipicamente, um tamanho médio de partícula entre cerca de 1 e 100 mícrons, desejavelmente entre cerca de 20 e 60 mícrons. O grafite está, tipicamente, sob a forma de grafite natural ou expandido, ou misturas desses itens. O grafite pode, também, compreender nanofibras de carbono grafítico, por si só ou em mistura com grafite natural ou expandido. Essas misturas de cátodo têm finalidade me- ramente ilustrativa, e não se destinam a restringir a presente invenção.

5 O material de ânodo 150 compreende: Pó de liga de zinco 62 a

69 %, em peso, (99,9 %, em peso de zinco contendo de 200 a 500 ppm de índio sob a forma de material em liga e folheado), uma solução aquosa de KOH que compreende 38 %, em peso de KOH e cerca de 2 %, em peso de ZnO; um agente gelificante à base de polímero reticulado de ácido acrílico disponível comercialmente sob o nome comercial de "CARBOPOL C940" junto à B.F. Goodrich (por exemplo, 0,5 a 2 %, em peso) e um poliacrilonitrilo hidrolisado enxertado em uma cadeia principal de amido disponível comerci- almente sob o nome comercial de "Waterlock A-221" junto à Grain Proces- sing Co. (entre 0,01 e 0,5 %, em peso); tensoativo à base de éster de fosfato de dionil fenol disponível comercialmente sob o nome comercial de "RM- 510" disponível junto à Rhone Poulenc (50 ppm). O tamanho médio de partí- cula da liga de zinco situa-se, desejavelmente, entre cerca de 30 e 350 mícrons. A densidade aparente do zinco no ânodo (porosidade do âno- do) situa-se entre cerca de 1,75 e 2,2 gramas de zinco por centímetro cúbico de ânodo. A porcentagem por volume da solução aquosa de eletrólito no ânodo situa-se, de preferência, entre cerca de 69,2 e 75,5 %, em volume do ânodo. A célula pode ser equilibrada da maneira convencional se modo que a capacidade de mAmp-hr do Mn02 (à base de 308 mAmp-hr por grama de MnÜ2) dividido pela capacidade de mAmp-hr da liga de zinco (à base de 820 mAmp-hr por grama de liga de zinco) seja cerca de 1.

O separador 130 pode ser um separador convencional poroso a íons que consiste em material celulósico. O separador pode ter uma camada interna de um material não-tecido de fibras celulósicas e de álcool polivinílico e uma camada externa de celofane. Tal material é meramente ilustrativo e 30 não destina-se a restringir esta invenção. O coletor de corrente 80 é folhea- do com latão, de preferência folheado com estanho ou latão folheado com índio para ajudar a suprimir a emissão de gases. Embora a presente invenção tenha sido descrita para modalida- des específicas, deve ser reconhecido que variações são possíveis dentro do conceito da invenção. Consequentemente, a presente invenção não tem a intenção de limitar-se às modalidades específicas aqui descritas mas será definida pelas reivindicações e equivalentes da mesma.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Célula eletroquímica (10) compreendendo uma carcaça tendo uma extremidade aberta, uma extremidade fechada oposta e uma parede lateral cilíndrica entre as mesmas e um conjunto de tampa (14) de extremi- dade inserido na extremidade aberta da carcaça fechando a mesma, a célula tendo um terminal positivo e um negativo, em que o conjunto de tampa de extremidade (14) compreende um disco de vedação isolante (20), um disco de suporte (40) compreenden- do metal sobrejacente ao disco de vedação isolante (20) e uma tampa de extremidade (60) compreende metal sobrejacente ao disco metálico de su- porte, e um coletor de corrente alongado (80) em contato elétrico com a tampa de extremidade, quando a célula é vista em posição vertical com o conjunto de tampa de extremidade (14) no topo, em que o disco de vedação isolante (20) isola eletricamente o disco de suporte (40) e a tampa de extre- midade (14) da carcaça da célula (70); em que a carcaça tem uma borda (72) na extremidade aberta do mesmo e o disco de vedação isolante (20), o disco metálico de suporte (40) e a tampa de extremidade (14) têm cada um uma borda periférica; em que o disco de suporte (40) é uma construção me- tálica em uma peça única que tem pelo menos uma abertura (48) através do mesmo; em que a borda da carcaça na extremidade aberta do mesmo é franzida sobre a borda periférica do disco de vedação isolante (20) travando o disco de vedação isolante no lugar dentro da carcaça; em que a borda periférica do disco de vedação isolante (20) é franzida sobre a borda perifé- rica da tampa de extremidade (14) e da borda periférica do disco metálico de suporte (40) travando assim o disco metálico de suporte (40) e a tampa de extremidade no lugar dentro do disco de vedação isolante (20); em que o disco de vedação isolante (20) tem uma porção de sua superfície subjacente à abertura no disco de suporte (40) quando a célula é vista em posição verti- cal com o conjunto de tampa no topo, caracterizada pelo fato de que a porção do disco isolante subjacente à abertura (48) tem um sulco (210) em um lado de sua superfície voltada para o interior da célula, o sulco tendo uma extremidade aberta e uma base oposta fechada, em que a base do sul- co forma uma membrana rompível adelgaçada (23) que está em contiguida- de à abertura no disco de suporte, em que quando a pressão do gás no inte- rior da célula eleva-se, a membrana rompível (23) penetra através da abertu- ra (48) no disco metálico de suporte (40) e se rompe liberando assim o gás a partir do interior da célula através da abertura (48).

2. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tampa de extremidade está em uma posição justaposta e es- paçada em relação à membrana rompível proporcionando assim espaço en- tre a tampa e a membrana, dentro do qual a membrana pode romper.

3. Célula, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a tampa de extremidade compreende pelo menos uma abertura de ventilação através do mesmo de modo que quando a membrana rompe- se, o gás no interior da célula pode passar para o espaço entre a tampa e a membrana e, então, através da abertura de ventilação e ser liberado para o ambiente externo.

4. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sulco na superfície do disco isolante circunda o centro do dis- co de vedação.

5. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a membrana rompível formada pelo sulco tem uma razão entre a largura e espessura entre cerca de 2,5 para 1 e 12,5 para 1.

6. Célula, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a membrana rompível na base do sulco tem uma espessura entre cerca de 0,08 mm e 0,25 mm.

7. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a carcaça compreende aço e a carcaça tem uma espessura de parede entre 0,10 mm e 0,20 mm (4 a 8 mils).

8. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a carcaça compreende aço e a carcaça tem uma espessura de parede entre 0,25 mm e 0,30 mm (10 e 12 mils).

9. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma porção do disco isolante fica em contato com o disco de suporte na região de uma superfície do disco de suporte imediatamente ad- jacente à abertura.

10. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o disco metálico de suporte tem uma abertura central localizada no centro do disco de suporte e pelo menos uma porção do coletor de cor- rente alongado passa através da abertura central e a cabeça do coletor de corrente é soldada na tampa de extremidade.

11. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o disco de vedação isolante compreende um material plástico tendo uma superfície que se estende para baixo (45) inclinada a um ângulo menor que 90 graus a partir do eixo longitudinal central da célula e não para- lela com ao eixo longitudinal, a superfície que se estende para baixo do dis- co isolante se estende para baixo a partir de um ponto alto do mesmo para um ponto baixo do mesmo, estando o ponto alto mais próximo do eixo Iongi- tudinal central da célula do que o ponto baixo quando a célula é vista em posição vertical com o conjunto de tampa no topo, em que o disco de supor- te tem uma superfície que se estende para baixo inclinada a um ângulo me- nor que 90 graus a partir do eixo longitudinal central da célula e não paralela ao eixo longitudinal, a superfície que se estende para baixo do disco de su- porte se estende para baixo a partir de um ponto alto do mesmo para um ponto baixo do mesmo, estando o ponto alto mais próximo do eixo longitudi- nal central da célula que o ponto baixo quando a célula é vista em posição vertical com o conjunto de tampa no topo, em que a superfície que se esten- de para baixo do disco isolante é subjacente e contígua pelo menos uma porção substancial da superfície que se estende para baixo do disco de su- porte, em que pelo menos uma abertura penetra através da superfície que se estende para baixo do disco de suporte, em que uma porção da membra- na rompível é subjacente e contígua à abertura.

12. Célula, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a superfície inclinada para baixo do disco de vedação iso- lante é inclinada a um ângulo que varia de cerca de 35 a 80 graus a partir do eixo longitudinal central da célula.

13. Célula, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a superfície que se estende para baixo do disco de suporte é inclinada a partir do eixo longitudinal central da célula no mesmo ângulo que a superfície que se estende para baixo do disco de vedação isolante.

14. Célula, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o espaço médio entre a superfície que se estende para baixo do disco metálico de suporte e a superfície subjacente e contígua que se estende para baixo do disco de vedação isolante não é maior que cerca de 0,5 mm.

15. Célula, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o espaço médio entre a superfície que se estende para baixo do disco metálico de suporte e a superfície subjacente e contígua que se estende para baixo do disco de vedação isolante situa-se entre cerca de 0,1 mm e 0,5 mm.

16. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a abertura no disco de suporte metálico tem uma área entre cerca de 2,5 e 16 mm2 e a membrana rompível na base do sulco tem uma espessura entre cerca de 0,08 mm e 0,25 mm.

17. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o conjunto de tampa de extremidade não inclui uma arruela iso- lante entre a tampa e o disco metálico de suporte.

18. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o disco de suporte tem um par de aberturas opostas na superfí- cie que se estende para baixo do disco.

19. Célula, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o disco de suporte tem uma borda externa periférica e uma porção central substancialmente plana com uma abertura central através da porção central, sendo que a porção central está em ângulo reto com o eixo longitudinal central da célula e a superfície que se estende para baixo do disco de suporte se estende para baixo a partir da porção central para a bor- da externa periférica.

20. Célula, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que a borda periférica do disco de suporte e a borda periférica da tampa de extremidade se fixam na borda periférica do disco de vedação isolante e exercem forças de compressão radial sobre o disco de vedação.

21. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o disco de vedação isolante e a membrana rompível na mesma compreendem náilon.

22. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a célula é célula de tamanho AAA.

23. Célula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a célula é uma célula de tamanho AA.