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Die
Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiequelle vom Metall-Luft-Typ,
mit einer Luft- bzw. Sauerstoffkatode und einer Metallanode, bei
der hindurchströmendes Meerwasser als Elektrolyt dient und
die zum Unterwassereinsatz ausgebildet und vorgesehen ist.
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Derartige
Energiequellen sind seit längerem bekannt, werden aber
kaum genutzt.
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Die
US 4,822,698 offenbart eine
Energiezelle/Batterie zum Einsatz in Meerwasser. Diese Batterie
arbeitet gemäß den oben genannten elektrochemischen
Reaktionen, wobei Magnesium oder Zink als Anodenmaterial und eine
Sauerstoffelektrode als Kathode eingesetzt wird. Der der Kathode
zugeführte Sauerstoff ist in dem Meerwasser gelöst.
Diese Meerwasserbatterie besteht aus einer zylindrischen Sauerstoffelektrodenkathode.
Der Aufbau weist einzelne oder mehrere Anodenstäbe auf,
die Magnesium oder Zink beinhalten. Die Sauerstoffelektrode ist denen ähnlich,
die in anderen Batterien in vielerlei Arten verwandt werden, beispielsweise
in der
US 6,372,371
B1 .
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In
der
US 5,405,717 ist
eine Meerwasserzelle mit gegenüber der
US 4,822,698 etwas erhöhter Leistung
offenbart. Diese erhöhte Leistung ist bedingt durch die
Wirkung von Wellen, die den Strom des Meerwassers durch die Kathode
erhöht, um Sauerstoff zu liefern.
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Die
US 5,225,291 offenbart eine
Meerwasserbatterie, die wegen des Einsatzes einer Hybridkathode
mit oder ohne gelöstem Sauerstoff arbeiten kann. Die Leistung
dieser Zelle ist ca. 50 Mikroampere/cm
2 und
1–1,35 Volt bei gelöstem Sauerstoff (ca. 10 g/m
3). Die nicht-sauerstoffbasierenden Zellreaktionen
werden bei Zellspannungen von ca. 0,5 Volt beobachtet. Diese Meerwasserbatterie
ist eine Langzeitbatterie mit geringer Ausgangsleistung.
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Im
Hinblick auf die unbefriedigend geringen absoluten Ausgangsleistungen
und vor allem masse- und volumenbezogenen Leistungsdichten dieser Batterien
werden in der
WO
2004/038828 A2 sowie in der unveröffentlichten
europäischen Patentanmeldung
06009317.6 der Anmelderin Metall-Luft-Batterien für
den submarinen Einsatz vorgeschlagen, die über spezielle
Mittel zur Zuführung von Luft bzw. gasförmigem
Sauerstoff verfügen und deren Leistung daher grundsätzlich
derjenigen von unter atmosphärischen Bedingungen arbeitenden
Batterien des gleichen Typs angenähert werden kann. In
der letztgenannten Patentanmeldung wird auch eine Verbindung der
Luftkatode mit einem Luft- bzw. Sauerstoffreservoir vorgeschlagen.
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Aus
der
US 4,262,482 ist
es auch bekannt, eine Energiequelle der in Rede stehenden Art (Meerwasserbatterie)
in einer für den submarinen Einsatz geeigneten Weise konstruktiv
mit einem Verbraucher, nämlich einer Unterwasserlampe,
zu vereinigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer elektrochemischen
Energiequelle der oben genannten Art zugrunde, die verbesserte und für
eine Reihe typischer Unterwasser-Anwendungen ausreichende Leistungsparameter
aufweist und relativ kostengünstig herstellbar und unproblematisch betreibbar
ist und auch verbesserte Einsatzmöglichkeiten bietet.
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Die
Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, die eigentliche
Energiequelle mit einer elektromotorischen Antriebseinrichtung zu
ihrer Fortbewegung konstruktiv zu verbinden. Weiter gehört zur
Erfindung der Gedanke, hierzu einen mindestens abschnittsweise zylindrischen
Grundkörper zur Aufnahme der Luftkatode(n) und Metallanode(n)
sowie mindestens von Teilen der Antriebseinrichtung vorzusehen.
Weitere Teile der Antriebseinrichtung können auch außerhalb
des Batterie-Grundkörpers angeordnet sein, insbesondere
an einem oder mehreren Fortsetzen oder in Satelliten desselben.
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Mit
der vorgeschlagenen Lösung kann zum einen erreicht werden,
dass die Energiequelle im Wasser aufgrund der Eigenbewegung wirksamer vom
Elektrolyten durchströmt wird und hierdurch über
längere Zeiträume mit höherer Energieausbeute arbeiten
kann, und zum anderen ermöglicht sie – je nach
Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle(n) und der
hierdurch ermöglichten Leistung der Antriebseinrichtung – den
Unterwassertransport von Lasten bzw. die Fortbewegungsunterstützung
von Tauchern etc.
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In
einer ersten zweckmäßigen Ausführung weist
die Antriebseinrichtung einen Niederspannungs-Gleichstrommotor mit
an die Ausgangsspannung der Energiequelle angepasster Betriebsspannung
auf. Hierdurch lässt sich in sehr einfacher Weise, ohne
zusätzliche Leistungselektronik-Komponenten, allein durch
geeignete Wahl des Motors in Abstimmung auf die Ausgangsspannung
der konkreten Zellenkonfiguration, eine befriedigende Umsetzung der
Erfindung realisieren. Alternativ kann die vorgeschlagene Anordnung
mit einem Gleich- oder Wechselspannungsmotor und einem Gleich-Wechselspannungs-Wandler
und/oder Spannungswandler zur Erzeugung einer von der Ausgangsspannung
der Energiequelle abweichenden Betriebsspannung des Gleich- oder
Wechselspannungsmotors ausgestattet sein. Dies erhöht die
Freiheitsgrade bei der Wahl der Antriebsquelle, ist aber mit zusätzlichem
Aufwand an Steuer- und Leistungselektronik verbunden.
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Bei
Umsetzung der Erfindung können an sich bekannte und bewährte
Antriebskonzepte angewandt werden; so kann sie in einer ersten Ausführung
einen Antriebspropeller und in einer zweiten Ausführung
eine Strahlpumpe zur Erzeugung eines Antriebs-Wasserstrahls aufweisen.
Wie oben allgemein angemerkt, können diese Antriebsmittel
im wesentlichen in den Batterie-Grundkörper integriert oder
aber in geeigneten Fortsätzen oder Satelliten desselben
untergebracht sein. Die Antriebskonzepte können, ggf. unter
Einschluss einer Bewegungsrichtungs-Steuerung, auch nach dem Vorbild
an sich bekannter Unterwasserantriebe miteinander kombiniert sein.
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In
einer weiteren Ausführung ist die elektrochemische Einrichtung
zur Nutzung von im Meerwasser gelöstem Sauerstoff zum Betrieb
der Luftkatode ausgebildet. Alternativ hierzu oder auch in Kombination
hiermit kann sie mit einem der Luftkatode zugeordneten Gasanschluss
zur externen Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr ausgerüstet sein.
In einer Ausgestaltung ist der Gasanschluss gesteuert verschließbar derart,
dass die elektrochemische Einrichtung von einer ersten Betriebsart
unter Nutzung von extern zugeführtem Sauerstoff in eine
zweite Betriebsart unter Nutzung von im Meerwasser gelöstem
Sauerstoff umschaltbar ist.
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Hierdurch
soll die Brauchbarkeit der Energiequelle für sporadische
Einsätze oder unter schwierigen Einsatzbedingungen erhöht
werden. Es ist bei dieser Ausführung etwa denkbar, die
Energiequelle kurzzeitig mit einer Sauerstoffflasche eines Tauchers zu
verbinden, um einen schnellen und effizienten Anlauf ihres Betriebes
zu gewährleisten, um sie anschließend autark zu
betreiben.
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Im
Hinblick darauf, dass zu Beginn des Betriebes der elektrochemischen
Einrichtung praktisch noch kaum selbst erzeugte Energie verfügbar
ist, ist eine Ausführung mit einer zusätzlichen
Stromquelle zur anfänglichen Stromversorgung der Antriebseinrichtung
bevorzugt. Diese sichert einen schnellen und effizienten Anlauf
des Betriebes der Anordnung. Sie weist insbesondere einen kapazitiven
Puffer-Energiespeicher oder Akku auf, der eine interne Lade-Leitungsverbindung
mit der oder jeder Luft- bzw. Sauerstoffkatode und der oder jeder
Metallanode und insbesondere zusätzlich einen externen
Ladeanschluss auf. Ein solcher Puffer-Energiespeicher – vorteilhaft
realisiert als sogenannter Supercapacitor – kann auch zur
Glättung der durch die Energiequelle abgegebenen Spannung
und zur Überbrückung kurzzeitiger Unterbrechungen
der autarken Spannungsversorgung dienen, wie sie beim Betrieb im
bewegten offenen Meer auftreten können. Der zusätzliche
Ladeanschluss ist gegenüber einer internen Lade-Leitungsverbindung
optional, kann aber speziell bei Energiequellen vorteilhaft sein,
die für einen sporadischen Einsatz (etwa für Rettungszwecke)
bestimmt sind und bei denen eine regelmäßige interne Aufladung
des Energiespeichers im laufenden Betrieb der Energiequelle nicht
gewährleistet ist.
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Was
den mechanischen Aufbau der Anordnung angeht, so ist dieser zweckmäßigerweise
im Hinblick auf eine leichte und schnelle Auswechslung der (als
"Brennstoff" dienenden) Metallanode(n) einerseits und eine unproblematische
Handhabung im Unterwassereinsatz andererseits ausgelegt. In einer unter
beiden Aspekten vorteilhaften Ausführung hat die Energiequelle
eine im wesentlichen zylindrische Luftkatode und eine diese zylindrisch
umgebende, auswechselbare Metallanode. Während das entsprechende
Austauschteil bei dieser Ausführung also zylindrisch ist
und relativ viel Platz benötigt, ist auch eine Ausführung
möglich, bei der mehrere streifen- oder zylinderabschnittsförmige
Metallanoden zusammen einen Zylindermantel um die Luftkatode bilden. Die
Austauschteile benötigen dann weniger Verpackungs- und
Transportraum, der Austausch geht aber nicht ganz so leicht und
schnell von statten wie bei einer einstückigen Anode.
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Im
Hinblick auf die Realisierung verschiedener Ausführungen
mit abgestuften Ausgangsspannungen und Leistungen ist eine modulare
Bauform der Energiequelle von Vorteil. In einer bevorzugten Ausführung
hat diese eine langgestreckte Bauform, wobei in Längsrichtung
eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen mit einer Luftkatode und
einer zugeordneten Anode und einem Träger- und Isolierelement zum
Halten und elektrischen Isolieren der einzelnen Zellen aneinandergereiht
ist. Die Anzahl der gereihten einzelnen Zellen kann dann an die
konkreten Leistungsanforderungen leicht angepasst werden, wobei
ggf. Entgasungseinrichtungen mit abgestufter Leistung in Abhängigkeit
von der Anzahl der Zellen einzubauen sind.
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Zur
Optimierung des Durchströmverhaltens der einzelnen Zellen
sind bei dieser Ausführung sinnvollerweise nahe einem Ende
jeder Metallanode, welches im montierten Zustand dem Halte- und
Isolierelement benachbart ist, über den Umfang verteilt Durchbrüche
zur Förderung des Hindurchströmens von Meerwasser
zwischen der Luftkatode und der Metallanode vorgesehen. Diese Öffnungen
dienen zur Vermeidung von Unregelmäßigkeiten im
Strömungsverlauf zwischen der Luftkatode und der Metallanode,
wie sie ansonsten durch lokale Gasansammlungen entstehen könnten.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich
im übrigen aus der nachfolgenden skizzenartigen Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von
diesen zeigen:
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1 eine
Außenansicht einer Energiequelle gemäß einer
ersten Ausführungsform und
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung dieser Energiequelle.
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1 und 2 zeigen
einen Unterwasserantrieb 1 mit integrierter Meerwasserbatterie 3,
an die ein (hier nur schematisch dargestellter) Antriebskopf 5 mit
einem Propeller 6 montiert ist. 2 zeigt
hierbei eine Längsschnittdarstellung längs der
Schnittebene B-B in 1, wobei neben dem Antriebskopf 5 auch
einige weitere Funktionseinheiten lediglich skizzenhaft als schraffierte
Blöcke dargestellt sind.
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Die
Batterie-Komponente 3 umfasst als Hauptbestandteile jeweils
zwei im wesentlichen zylindrische Luft- bzw. Sauerstoffkatoden 7.1 und 7.2 und
diese unter Bildung eines Ringspaltes R1 bzw. R2 dazwischen umgebende,
ebenfalls zylindrische Metallanoden 9.1 bzw. 9.2.
Gehalten werden diese Komponenten durch Trag- und Isolierringe 11.1 bzw. 11.2 bzw.
eine Boden- und Deckplatte 13.1, 13.2, die zusammen
mit den Metallanoden 9.1, 9.2 und den besagten
Trag- und Isolierringen ein Gehäuse des Batterie-Teiles 3 bilden.
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Der
konstruktive Aufbau und die materialtechnische Zusammensetzung der
Luftkatoden 7.1, 7.2 und der Anoden 9.1, 9.2 sind
an sich bekannt, so dass hier keine genauere Beschreibung gegeben wird.
Die hier beschriebene Anordnung ermöglicht ein leichtes
und schnelles Auswechseln der Anodenteile, sobald diese im wesentlichen
verbraucht sind, und ihre gleichzeitige Nutzung als Gehäusewandung spart
Gewicht und Kosten.
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Um
eine turbolenzarme und effiziente Durchströmung mit umgebendem
Meerwasser der Ringspalte R1 und R2 zu gewährleisten, sind
in den Anoden 9.1, 9.2 nahe dem Trag- und Isolierring 11.1 Ein- bzw.
Ausströmöffnungen 15 vorgesehen.
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Die
bekanntermaßen hydrophoben Außenoberflächen
der Luftkatoden 7.1, 7.2 begrenzen einen wasserfreien
Innenraum I des Batterie-Teiles 3, in dem eine Steuerelektronik 17 und
ein kapazitiver Energiespeicher (Supercapacitor) 19 untergebracht sind.
Deren allgemeine Funktionen sind weiter oben erläutert
und werden hier nicht weiter detaillierter beschrieben, da sie nicht
zur Erfindung gehören.
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An
dem dem Antriebs-Teil 5 abgewandten Ende des Batterie-Teiles 3 ist
ein als zylindrische Verlängerung des Batteriegehäuses
ausgestalteter Gehäusefortsatz 21 vorgesehen,
der eine Saugpumpen-Motor-Einheit 23 aufnimmt und dessen
freies Ende mit einer halbkugelig vorgeformten – als solche ebenfalls
bekannten – Separatormembran 25 zur Abtrennung
von Sauerstoff aus dem umgebenden Meerwasser verschlossen ist. Ein
Innenraum I* des Fortsatzes 21 ist ebenso wie der Innenraum
I des eigentlichen Batterie-Teiles 3 wasserfrei und enthält eine
Sauerstoffatmosphäre, die durch die Saugpumpen-Motor-Einheit 23 im
Zusammenwirken mit der Separatormembran 25 erzeugt wird.
Er steht durch (hier nicht zu erkennende) Überströmöffnungen
in Gasverbindung mit dem Innenraum I und somit der Innenoberfläche
der Luftkatoden 7.1, 7.2, die auf diese Weise
mit aus dem Meerwasser extrahiertem gasförmigem Sauerstoff
versorgt werden.
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Wie
weiter oben angemerkt, kann als Motor zum Antrieb des Propellers 6 in
Abstimmung auf die Einsatzanforderungen ein geeigneter Gleich- oder Wechselspannungsmotor
eingebaut sein. Die Steuerelektronik 17 wird zweckmäßigerweise
so ausgebildet sein, dass eine der jeweiligen Betriebsphase gerecht
werdende Verteilung der durch die elektrochemischen Zellen gelieferten
Energie zwischen der Fördereinrichtung 23 und
dem Antriebsmotor erfolgt. So wird in einer Anfangsphase des Betriebes
der Anordnung die verfügbare (ggf. auch im Supercapacitor 19 gespeicherte)
Energie vorzugsweise der Fördereinrichtung zur Sauerstoffgewinnung
zugeführt werden, während nach Etablierung des
Dauerbetriebes der elektrochemischen Einrichtung eine Aufteilung
der von ihr gelieferten Energie zwischen Förder- und Antriebseinrichtung
weitgehend gemäß dem Bedarf an Antriebsleistung,
ggf. auch manuell gesteuert, erfolgen kann.
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Die
Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier erläuterten
Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern
ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die
im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4822698 [0003, 0004]
- - US 6372371 B1 [0003]
- - US 5405717 [0004]
- - US 5225291 [0005]
- - WO 2004/038828 A2 [0006]
- - EP 06009317 [0006]
- - US 4262482 [0007]