DE102007032551A1 - Elektrochemische Energiequelle zum Unterwasserbetrieb - Google Patents

Elektrochemische Energiequelle zum Unterwasserbetrieb Download PDF

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Abstract

Elektrochemische Energiequelle vom Metall-Luft-Typ, mit einer Luft- bzw. Sauerstoffkatode und einer Metallanode, zum Unterwasserbetrieb, wobei hindurchströmendes Meerwasser als Elektrolyt dient, mit einer aktiven Entgasungseinrichtung zur Extraktion von Sauerstoff aus dem Meerwasser und einer Gasverbindung zwischen der Entgasungseinrichtung und einer gasdurchlässigen Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode.

Description

  • 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.
  • Derartige Energiequellen sind seit längerem bekannt, werden aber kaum genutzt.
  • 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 cm2 auf. Die Batterie verfügt über eine verhältnismäßig geringe Energiedichte von ca. 1 W/m2.
  • 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/m3 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/m2). Dies Energiedichte ist ca. einhundertmal geringer als bei klassischen Metall-Luft-Zellen, die unter atmosphärischem Luftdruck (und mit entsprechendem Sauerstoff-Partialdruck) betrieben werden.
  • 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/cm2 und 1–1,35 Volt bei gelöstem Sauerstoff (ca. 10 g/m3). Die nicht-sauerstoffbasierenden Zellreaktionen werden bei Zellspannungen von ca. 0,5 Volt beobachtet. Diese Meerwasserbatterie ist eine Langzeitbatterie mit geringer Ausgangsleistung.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch eine elektrochemische Energiequelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden skizzenartigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
  • 1 eine Außenansicht einer Energiequelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 2 eine schematische Querschnittsdarstellung dieser Energiequelle und
  • 3 eine Außenansicht einer weiteren Ausführungsform der Energiequelle.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information 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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    • - US 5405717 [0004]
    • - US 5225291 [0005]
    • - WO 2004/038828 A2 [0006]
    • - EP 06009317 [0006]

Claims (14)

  1. Elektrochemische Energiequelle vom Metall-Luft-Typ, mit einer Luft- bzw. Sauerstoffkatode und einer Metallanode, zum Unterwasserbetrieb, wobei hindurchströmendes Meerwasser als Elektrolyt dient, mit einer aktiven Entgasungseinrichtung zur Extraktion von Sauerstoff aus dem Meerwasser und einer Gasverbindung zwischen der Entgasungseinrichtung und einer gasdurchlässigen Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode.
  2. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 1, mit einer aktiven Fördereinrichtung zur Zufuhr von Meerwasser zur Entgasungseinrichtung, wobei die Fördereinrichtung zur Energieversorgung an die Luft- bzw. Sauerstoffkatoden) einerseits und die Metallanode(n) andererseits angeschlossen ist.
  3. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 2, wobei die Fördereinrichtung eine Saugpumpe und einen Niederspannungs-Gleichstrommotor mit an die Ausgangsspannung der Energiequelle angepasster Betriebsspannung aufweist.
  4. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 2, mit einer Saugpumpe, einem Elektromotor und einem Gleich-Wechselspannungs-Wandler und/oder Spannungswandler zur Erzeugung einer angepassten Betriebsspannung des Elektromotors aus der Ausgangsspannung der Energiequelle.
  5. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zusätzlichen Stromquelle zur anfänglichen Stromversorgung der Fördereinrichtung.
  6. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 5, wobei die Fördereinrichtung oder zusätzliche Stromquelle einen kapazitiven Puffer-Energiespeicher oder Akku aufweist, der eine interne Lade-Leitungsverbindung mit der oder jeder Luft- bzw. Sauerstoffkatode und der oder jeder Metallanode und insbesondere zusätzlich einen externen Ladeanschluss aufweist.
  7. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei 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.
  8. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer hohlzylindrischen oder hohl kastenartigen 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.
  9. Elektrochemische Energiequelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem Satelliten zur Aufnahme der aktiven Entgasungseinrichtung, mit einem 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.
  10. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Sauerstoff-Separatormembran einen Ansaugquerschnitt der Fördereinrichtung, insbesondere im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Energiequelle oder des Satelliten, abdeckt.
  11. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 10, wobei die Sauerstoff-Separatormembran den Ausgangsquerschnitt zur Vergrößerung der wirksamen Separationsfläche halbkugel- oder trichterförmig abdeckt und/oder eine Wellen- oder Faltenstruktur aufweist.
  12. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer im wesentlichen zylindrischen Luftkatode und einer diese zylindrisch umgebenden, auswechselbaren Metallanode oder mehreren die Luftkatode auf einem Zylindermantel umgebenden, streifen- oder zylinderabschnittsförmigen Metallanoden.
  13. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer langgestreckten 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.
  14. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 12 und 13, wobei 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 sind.
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