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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 . In mit Luft gesättigtem Meerwasser ist die
offenbarte Batterie in der Lage, circa 1,5 Volt bei 50 mA zu liefern.
Dabei weist die Kathode eine Größe von ca. 800
cm
2 auf. Die Batterie verfügt über
eine verhältnismäßig geringe Energiedichte
von ca. 1 W/m
2.
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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
Wir kung von Wellen, die den Strom des Meerwassers durch die Kathode
erhöht, um Sauerstoff zu liefern. Die Zellstruktur weist
Wasserstromleitmittel auf, die den Wasserstrom durch die Zelle bewirken.
Da Meerwasser über wenig Sauerstoff verfügt – ca.
10 g/m
3 an der Meeresoberfläche
und abnehmend zu geringeren Werten abhängig von der Tiefe
und dem geographischen Ort – ist die Energiedichte auch
bei dieser Batterie vergleichsweise gering (1–1,5 W/m
2). Dies Energiedichte ist ca. einhundertmal
geringer als bei klassischen Metall-Luft-Zellen, die unter atmosphärischem
Luftdruck (und mit entsprechendem Sauerstoff-Partialdruck) betrieben werden.
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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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Der
Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer elektrochemischen
Energiequelle der oben genannten Art zugrunde, die auch ohne Zuführung
von Luft bzw. gasförmigem Sauerstoff verbesserte und für
eine Reihe typischer Unterwasser-Anwendungen ausreichende Leistungsparameter
aufweist und relativ kostengünstig herstellbar und unproblematisch
betreibbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine elektrochemische Energiequelle mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen
des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, eine
elektrochemische Energiequelle der oben erläuterten Art
mit einer aktiven Entgasungseinrichtung zur Extraktion von Sauerstoff
aus dem umgebenden Meerwasser auszurüsten. Sie schließt weiter
den Gedanken ein, den extrahierten Sauerstoff über eine
geeignete Verbindung unmittelbar der Oberfläche der Luft-
bzw. Sauerstoffkatode zuzuführen, an der er für
den elektrochemischen Prozess benötigt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die Energiequelle mit
einer aktiven Fördereinrichtung zur Zufuhr von Meerwasser
zur Entgasungseinrichtung ausgestattet, wobei die Fördereinrichtung
zur Energieversorgung an die Luft- bzw. Sauerstoffkatode(n) einerseits
und die Metallanode(n) andererseits angeschlossen ist. Sofern die
Energiequelle aus mehreren Zellen aufgebaut ist, kann zur Energieversorgung der
Fördereinrichtung auch der Anschluss an nur eine oder einen
Teil dieser Zellen ausreichen.
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Zweckmäßigerweise
umfasst die Fördereinrichtung eine Saugpumpe und einen
Elektromotor zu deren Antrieb. In einer ersten Ausgestaltung handelt es
sich dabei um einen Niederspannungs-Gleichstrommotor mit an die
Ausgangsspannung der Energiequelle angepasster Betriebsspannung.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Fördereinrichtung
einen diesbezüglich nicht angepassten, sondern nach anderen
Kriterien ausgewählten Elektromotor (Gleich- oder Wechselspannungsmotor)
und zusätzlich einen Gleich-Wechselspannungs-Wandler und/oder
Spannungswandler zur Erzeugung einer angepassten Betriebsspannung
des Elektromotors aus der Ausgangsspannung der Energiequelle.
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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 Fördereinrichtung
bevorzugt. Diese sichert einen schnellen und effizienten Anlauf
des Betriebes der Energiequelle. 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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In
einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Luft-
bzw. Sauerstoffkatode einen Gasanschluss zur anfänglichen
externen Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr und eine Steuereinrichtung
zum Verschließen dieses Gasanschlusses in Abhängigkeit von
einem Ausgangssignal der aktiven Entgasungseinrichtung aufweist.
Auch 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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In
einer zweckmäßigen konstruktiven Ausführung
hat die Energiequelle eine hohlzylindrische oder hohl kastenartige
Bauform zur Bildung eines umfangsseitig geschlossenen Durchströmkanals
für aus dem Meerwasser extrahierten Sauerstoff, in dem die
Fördereinrichtung und an oder nahe dessen einem Ende eine
Sauerstoff-Separatormembran angeordnet sind. Im Innenraum, der bei
dieser Bauform nicht wasserdurchströmt ist, sind dann sinnvoll
auch Elektronik-Komponenten, der Puffer-Energiespeicher o. ä.
angeordnet.
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Alternativ
zur Anordnung der Entgasungseinrichtung im Inneren der Energiequelle
selbst kann diese auch in einem separaten Bauteil untergebracht sein,
welches im weiteren als Satellit der Energiequelle bezeichnet wird.
Insbesondere ist bei einer solchen Ausführung vorgesehen,
dass der Satellit einen umfangsseitig geschlossenen Durchströmkanal für
aus dem Meerwasser extrahierten Sauerstoff, in dem die Fördereinrichtung
und an oder nahe dessen einem Ende eine Sauerstoff-Separatormembran
angeordnet sind, und einer Gasleitung zur Verbindung mit der gasdurchlässigen
Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode der Energiequelle
aufweist.
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In
beiden Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass die Sauerstoff-Separatormembran
einen Ansaugquerschnitt der Fördereinrichtung, insbesondere im
wesentlichen den gesamten Querschnitt der Energiequelle oder des
Satelliten, abdeckt. In der einfachsten Ausführung kann
die Separatormembran eben ausgeführt sein, es ist auch
möglich, dass die Sauerstoff-Separatormembran den Ausgangsquerschnitt
zur Vergrößerung der wirksamen Separationsfläche
halbkugel- oder trichterförmig abdeckt und/oder eine Wellen-
oder Faltenstruktur aufweist.
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Was
den mechanischen Aufbau der Energiequelle 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 Leistungsanforde rungen 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,
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung dieser Energiequelle und
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3 eine
Außenansicht einer weiteren Ausführungsform der
Energiequelle.
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1 und 2 zeigen
eine Unterwasserleuchte 1 mit integrierter Meerwasserbatterie 3,
in die ein (hier nur schematisch dargestellter) Leuchtenkopf 5 eingesteckt
ist. 2 zeigt hierbei eine Längsschnittdarstellung
längs der Schnittebene B-B in 1, wobei
neben dem Lampenkopf 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 zu sammen
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 Lampen-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 – 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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3 zeigt
schematisch als weiteres Beispiel eine Meerwasserbatterie 27,
welche aus einem Batterie-Grundkörper 29 und zwei
mit diesem durch eine Halterung 31 verbundenen Satelliten 33.1 und 33.2 gebildet
ist, die beide über Zuleitungen 35.1 bzw. 35.2 mit
dem Grundkörper 29 in Verbindung stehen. Diese
Satelliten-Konstruktion ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung
dazu vorgesehen, dass in den Satelliten 33.1, 33.2 aktive
Entgasungseinrichtungen zur Extraktion von gasförmigem
Sauerstoff aus dem umgebenden Meerwasser vorgesehen sind, wobei
der gewonnene Sauerstoff über die Leitungen 35.1, 35.2 der
eigentlichen Batteriekomponente zugeführt wird, die im
Grundkörper 29 untergebracht ist.
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Grundsätzlich
ist das Satelliten-Konstruktionsprinzip aber auch zur Realisierung
anderer Funktions-Kombinationen, etwa zwischen einer erfindungsgemäßen
Energiequelle und dieser zugeordneten Energiespeichern und/oder
Antriebseinrichtungen o. ä., nutzbar.
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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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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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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]