-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Metall-Sauerstoff-Batteriesystemen für Fahrzeuge, insbesondere für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Besonders betrifft die Erfindung eine Metall-Gas-Batterie aufweisend wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen, welche in einem Gehäuse der Metall-Gas-Batterie angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann das System in stationären Anwendungen verwendet werden, insbesondere als Wiederverwendung nach einer ursprünglichen Verwendung in einem Fahrzeug.
-
HINTERGRUND
-
Während die meisten herkömmlichen Langstreckenfahrzeuge, wie etwa Autos, Lastwagen, Busse, Motorräder und nicht-elektrifizierte Lokomotive, mittels Benzin- oder Dieselmotoren angetrieben wurden, hat die Entwicklung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, insbesondere Fahrzeugen, welche wenigstens teilweise mittels elektrischer Motoren angetrieben werden, stetig zugenommen. Insbesondere brachte ein stetiger Strom von Verbesserungen in der Batterieforschung eine große Anzahl an Hybrid-Elektrofahrzeugen auf Stadtstraßen. Zusätzliche Vorteile haben einen ähnlichen Effekt auf sogenannte Plug-in-Hybride, Hybridfahrzeuge, welche aus dem Netz wiederaufgeladen werden können. Ungeachtet dieser Erfolge für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, sind beide Typen von Hybridfahrzeugen von erdöl-betriebenen Verbrennungsmotoren für Streckenfahrten stark abhängig.
-
Zu diesem Zweck wurden verschiedenste Batteriesysteme als geeignete Speicher von elektrischer Energie entwickelt, einschließlich insbesondere Lithium-Ionen Batterien, welche für die meisten heutigen Elektro- und Hybridfahrzeuge verwendet werden. Ein Nachteil von solchen Lithium-Ionen Batterien ist ihre limitierte Energiedichte, d.h. gespeicherte elektrische Energie bezogen auf das Gewicht oder Volumen der Batterie. Diese Limitierung ist- unter anderem - dadurch verursacht, dass alle chemischen Bestandteile, welche für die in den Batteriezellen stattfindenden elektrochemischen Reaktionen benötigt werden, bereits in der geladenen Batterie vorhanden sind, sodass diese zum Gewicht oder Volumen hinzuzählen.
-
Um elektrische Fahrzeuge auf dem Markt vollständig zu etablieren, wird ein Batteriespeicher von praktischer Größe und Gewicht und erschwinglichem Preis benötigt, welcher ausreichend elektrische Energie in einer einzigen Ladung für einen Fahrer zur Verfügung stellt, um wenigstens wenige 100 Kilometer zu fahren. Im Lichte dieser Anforderung liegt ein Schwerpunkt der Elektrofahrzeugindustrie in der Batterieforschung für eine sogenannte „Metall-Luft-Batterie“ oder„Metall-Sauerstoff-Batterie“, welche zum Beispiel in dem
US-Patent 5,510,209 beschrieben werden.
-
Eine solche Batterie weist eine oder mehrere elektrochemische Zellen auf, wobei jede eine erste Elektrode - normalerweise als „Anode“ bezeichnet -, welche aus einem geeigneten Metall hergestellt wird oder wenigstens dieses aufweist, und eine zweite Elektrode - normalerweise als „Kathode“ bezeichnet -, welche mit Umgebungsluft oder Sauerstoff betrieben wird, und einen Separator, welcher zwischen den beiden Elektroden zum elektrischen Trennen dieser eingerichtet ist, auf. Insbesondere kann die Anode eine Legierung mit einem solchen Metall als ersten Bestandteil und ein oder mehrere weitere Metall- oder Nicht-Metall-Bestandteile, wie etwa Kohlenstoff (C), Zinn (Sn) oder Silikon (Si), aufweisen, wobei der Metallbestandteil verbleibt, um in den stromerzeugenden chemischen Reaktionen von elektrochemischen, d.h. galvanischen Zelle, zu reagieren. Anstatt einer solchen Legierung kann ebenfalls ein Übergangsmetalloxid als Anodenmaterial verwendet werden. Des Weiteren ist ein Elektrolyt, welches insbesondere wässrig oder fest sein kann, in der Kathode vorhanden und optional in dem Separator. Insbesondere ist es bekannt, Zink, Aluminium oder Lithium als Metall für die Anode zu verwenden. An der Kathodenseite ist Sauerstoff der relevante elektrochemische Bestandteil und im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien muss dieser in der geladenen Batterie nicht von Anfang an vorhanden sein, sondern kann vielmehr aus der Umgebungsluft oder in Form eines sauerstoffhaltigen Gases oder reinen Sauerstoffs aus einer Quelle wie etwa einem Tank oder einem anderem Behälter während des Entladens der Batterie dieser zugeführt werden. Aufgrund dessen werden Batterien mit einer viel höheren Energiedichte als traditionelle Lithium-Ionen-Batterien möglich. Diese Metall-Luft-Batterien stellen eine hohe theoretische elektrische Kapazität zur Verfügung, insbesondere wenn die Sauerstoffmasse nicht berücksichtigt wird.
-
Bei der Energieherstellung reagiert dieser Sauerstoff an der Kathode einer Lithium-Ionen-Luft-Batterie mit Lithium zu LiO2 und/oder Li2O2 (Lithiumperoxid) als Entladungs(reaktions)produkte. In dieser Reaktion setzt ein Mol O2 zwei Molelektrone frei. Des Weiteren wird Sauerstoff an der Kathode erzeugt und kann in einem anschließenden Entladevorgang wiederverwendet werden, wenn eine solche Batterie wiederaufgeladen wird.
-
Die Druckschrift
US 4,463,064 betrifft ein galvanisches Element in Form einer flachen Hochleistungszelle, insbesondere einer Metall-Luft-Zelle, welche mit Kühlwasser gekühlt wird und an eine Batterie angebracht werden kann, welche eine Vielzahl an Zellen aufweist. Die flache Zelle weist bipolare Elektroden auf, welche eine verbrauchbare Metallelektrode in flacher Form als eine Anode, eine Kathode (Sauerstoffelektrode) und einen flüssigen Elektrolyt aufweist. Die Bipolar-Elektroden sind elektrisch miteinander verbunden und eine Dichtung ist zwischen diesen angeordnet, welche eine Kühlkammer bildet. Als Ergebnis kann die Wärmebilanz und die Temperatur, nicht nur der Anode, sondern auch der Kathode, direkt kontrolliert werden.
-
Druckschrift
US 2011/0195321 A1 betrifft eine wiederaufladbare Metall-Luft-Batterie, welche eine negative Elektrode zum Speichern und Freigeben von Metallionen, eine positive Elektrode, welche Sauerstoff als ein Aktivmaterial verwendet, und eine Elektrolytmembran, welche zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist, aufweist. Ein flexibler größenabsorbierender Teil ist an der negativen Elektrodenseite angeordnet, wobei der größenabsorbierende Teil ein elastischer Körper ist, welcher aus einer Substanz hergestellt ist, welche sich reversibel ändert. Die wiederaufladbare Metall-Luft-Batterie kann einen Kühlmittelströmungskanal aufweisen, durch welchen ein Kühlmedium (Kühlluft, Wasser oder dergleichen) zum Entfernen von Wärme, welche in Lade- und Entladereaktionen freigesetzt wurde, abgeführt werden kann.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Metall-Gas-Batterie oder ein Fahrzeug, insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte Einfachheit im Design und im Hinblick auf ein Kühlen der Batterie, bereitzustellen.
-
Eine Lösung zu diesem Problem wird durch die Lehre des unabhängigen Anspruchs 1 bereitgestellt, nämlich einer Metall-Gas-Batterie mit den erfindungsgemäßen Merkmalen.
-
Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen und weitere Verbesserungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen bereitgestellt.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Metall-Gas-Batterie, insbesondere für ein Fahrzeug, aufweisend wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen, welche in einem Gehäuse der Metall-Gas-Batterie angeordnet sind, wobei die Metall-Gas-Batterie derart eingerichtet ist, dass Reaktionsgas, insbesondere Luft oder reiner Sauerstoff, imstande ist, die wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen konvektiv zu umströmen.
-
Der Begriff „Gas“, wie er hier verwendet wird, betrifft ein Gas, welches Sauerstsoff als eine ihrer Bestandteile aufweist. Insbesondere kann der Sauerstoffbestandteil einen molekularen Sauerstoff aufweisen, vorzugsweise O2. Ebenfalls ist ein im Wesentlichen reiner Sauerstoff ein „Gas“ wie hier verwendet. Das Gas wird in Abhängigkeit von chemischen Materialien der Elektroden der Batterie ausgewählt, insbesondere ihrer Anodenseite, sodass die notwendigen chemischen Reaktionen zur Erzeugung von elektrischer Energie, welche Sauerstoff verbrauchen, in dem Gas während eines Entladezyklus stattfinden können.
-
Der Begriff „Metall-Gas-Batterie“, wie er hier verwendet wird, betrifft eine Batterie, bei welcher der elektrochemisch relevante chemische Bestandteil einer der Elektroden ein Gas ist, insbesondere Sauerstoff oder O2. Um die elektrochemischen Reaktionen, welche in dem Batteriepack stattfinden, zu unterstützen, wird das Gas an den wenigstens zwei galvanischen Batteriezellen der Batterie, vorzugsweise an der Kathodenseite der Batteriezellen, bereitgestellt. Insbesondere betrifft der Begriff „Metall-Gas-Batterie“ eine Batterie, welche Sauerstoff als Gas verwendet, eine Metall-Gas-Batterie oder eine Metall-Sauerstoff-Batterie.
-
Der Begriff „konvektiv zu umströmen“, wie er hier verwendet wird, betrifft die Bewegung des Gases bei Konvektion. Vorzugsweise kann die Bewegung des Gases durch zusätzliche Mittel wie etwa einem Ventilator unterstützt werden. Die Bewegung von Gas ist Strömen zu dem Gaseinlass.
-
Der Begriff „oben“, wie er hier verwendet wird, betrifft eine konvektive Bewegung von heißem Gas in Bezug zu kaltem Gas gegen die Gravitation.
-
Der Begriff „Kühleinrichtung“, wie er hier verwendet wird, ist irgendein Mittel, welches dazu eingerichtet ist, die Energie von einem ersten Medium zu einem zweiten Medium zu übertragen, so wie eine Wärmetauschereinrichtung, Kühlrippen etc.
-
Der Begriff „Modul“, wie er hier verwendet wird, betrifft eine eigenständige Einheit aufweisend einen Stapel von Batteriezellen.
-
Die Erfindung basiert insbesondere auf dem Ansatz, dass Reaktionsgas frei um die Batteriezellen in einer Metall-Gas-Batterie strömen kann. Dadurch wird bei wärmeren Bereichen der Batteriezellen Wärme mit kälteren Bereichen der Batteriezellen ausgetauscht. Ebenfalls ist ein Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen über das Reaktionsgas möglich. Somit unterstützt die Erfindung die gleichmäßige Verteilung in der Batterie. Des Weiteren kann das Design der Zellen einfach gehalten werden, da die Batteriezellen lediglich von dem Reaktionsgas umgeben sind. Sicherheitsprobleme, welche in Verbindung mit anderen Flüssigkeiten in der Nähe der Batteriezellen stehen, wie etwa Wasser, sind nicht vorhanden. Somit können die Zellen sogar derart ausgebildet sein, dass diese offen mit keinem Zellen- oder Modulgehäuse sind. Zusätzlich wird keine Gasverteilungseinrichtung oder ein System zum Verteilen von Reaktionsgas benötigt.
-
Auf diese Weise kann die effektive elektrische Kapazität in Bezug auf das Volumen und/oder das Gewicht von Batteriezellen und der Batterie als solche erhöht werden, was zu einem erhöhten Energiedichtelevel führt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Metall-Gas-Batterie, sind Kathoden der wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen im Inneren des Gehäuses in der Weise ausgesetzt, sodass das Reaktionsgas imstande ist, mit den Kathoden direkt in Kontakt zu kommen. Dadurch ist das Design der Batterie einfach und effizient.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie ist eine Kühleinrichtung an dem Gehäuse der Metall-Gas-Batterie angeordnet, insbesondere in einem oberen Bereich und/oder außerhalb davon. Durch das Bereitstellen einer Kühleinrichtung in einem bestimmten Bereich des Gehäuses kann dieser Teil des Gehäuses gekühlt werden. Insbesondere ist die Kühleinrichtung in einem oberen Bereich des Gehäuses angeordnet. Kaltes Reaktionsgas, welches an dem oberen Bereich des Gehäuses abgekühlt ist, sinkt an den Boden des Gehäuses ab, während warmes Reaktionsgas aufgrund der natürlichen Konvektion innerhalb der Batterie nach oben steigt. Wärmeres Reaktionsgas steigt an den Deckel des Gehäuses und wird dann durch den abgekühlten oberen Bereich des Gehäuses abgekühlt. Somit sinkt es wieder zum Boden ab. Durch diese Mittel ist keine zusätzliche Gasverteilung nötig, um das Kühlmedium in die Kühleinrichtung einzubringen oder zu pumpen. Daher ist vorzugsweise in wenigstens dem oberen Bereich ein hitzeleitendes Material, wie etwa ein Metall, vorhanden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie bedeckt die Kühleinrichtung wenigstens ein Segment des Gehäuses, insbesondere eine Stirnseite. Wenn z.B. die Stirnseite an dem oberen Bereich des Gehäuses durch die Kühleinrichtung bedeckt wird, kann eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung in planarer Richtung der Kühleinrichtung erreicht werden. Des Weiteren kann durch diese Mittel eine einfach zu erreichende Seite mit einer großen Oberfläche zum Kühlen der Batterie verwendet werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie weist die Kühleinrichtung Kanäle auf, durch welche ein Kühlmedium strömen kann.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie sind die wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen in einem Stapel angeordnet, in welchem benachbarte Batteriezellen entweder mit ihrer Kathode oder mit ihrer Anode aneinander grenzen. Durch Anordnen der Batteriezellen in Stapeln kann ein effektives Zellen- oder Batteriedesign realisiert werden, bei welchem die Stapel in Modulen angebracht werden können.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie sind die wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen in einem Stapel angeordnet, in welchem benachbarte Batteriezellen sich eine gemeinsame Kathode oder eine gemeinsame Anode teilen. Durch diese Konfiguration kann der Aufbau des Stapels weiter vereinfacht und der Bedarf an allgemeinen Bauteilen reduziert werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie ist zwischen den Kathoden oder in der gemeinsamen Kathode von ersten benachbarten Batteriezellen eine Masseleitung und/oder ein Strömungsfeld angeordnet.
-
Der Begriff „Strömungsfeld“, wie er hier verwendet wird, ist eine Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Kathode mit Reaktionsgas zu versorgen. Insbesondere kann das Strömungsfeld eine Gasdiffusionsleitung sein.
-
Durch Anordnen von Strömungsfeldern zwischen den Kathoden von benachbarten Batteriezellen kann eine vorzugsweise effektive Verteilung von Reaktionsgas zu den Kathoden erreicht werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie sind Anoden oder eine gemeinsame Anode der wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen gegen das Reaktionsgas abgedichtet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie dichten Separatoren der wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen die Anoden oder die gemeinsame Anode ab. Dies ermöglicht ein insbesondere einfaches Design eines Stapels oder Moduls von wenigstens zwei Batteriezellen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie bilden die wenigstens zwei Metall-Gas-Batteriezellen ein Modul und sind die verschiedenen Module beabstandet voneinander in dem Gehäuse angeordnet. Durch Bilden von Modulen aus Batteriezellen können einzelne Module im Falle eines Ausfalls deaktiviert werden. Des Weiteren können die Module derart eingerichtet sein, dass das Reaktionsgas ebenfalls um die Module herum strömt, sodass eine noch effektivere Konvektion des Reaktionsgases in dem Gehäuse erfolgt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie weist das Gehäuse lediglich einen Gasanschluss auf und ist ansonsten gasdicht. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft in einer zusätzlichen Konfiguration, bei welcher reiner Sauerstoff der Batterie zugeführt wird. Je weniger Öffnungen die Batterie aufweist in Bezug zu der Umgebung, desto weniger ist die Batterie durch gefährliche Substanzen gefährdet, welche dazu geeignet sind, in das Gehäuse der Batterie zu dringen, z.B. Wasser oder Staub.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Metall-Gas-Batterie ist das Gehäuse gasdicht und weist einen ersten Gasanschluss, insbesondere einen Gaseinlass, und einen zweiten Gasanschluss, insbesondere ein Überdruckventil, auf. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Reaktionsgas ein Gemisch aus mehreren Gasen, wie etwa Luft, ist, aus welchem lediglich ein Bestandteil, wie Sauerstoff, durch die Batterie verbraucht wird. Das zurückbleibende „Abgas“ kann dann über den zweiten Gasanschluss ausgestoßen werden.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, aufweisend eine erfindungsgemäße Metall-Gas-Batterie.
-
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für den zweiten Aspekt und dritte Aspekte der Erfindung sowie umgekehrt.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Metall-Gas-Batterie gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine zweite Schnittdarstellung einer Metall-Gas-Batterie gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3a, 3b räumliche Darstellungen von zwei verschiedenen Formen einer Metall-Gas-Batterie gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer Kühleinrichtung; und
- 4 eine Schnittdarstellung eines Stapels von Metall-Gas-Batteriezellen.
-
1 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Metall-Gas-Batteriezelle 1.
-
Vier Module 13a, 13b, 13c, 13d, welche einen Stapel 8 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 2a, 2b aufweisen, sind in einem Gehäuse 3 der Batterie 1 angeordnet. Des Weiteren weist das Gehäuse einen Gasanschluss 14 auf, bei welchem Reaktionsgas, insbesondere Sauerstoff, der Batterie 1 zugeführt werden kann. In dem oberen Bereich der Oberfläche des Gehäuses 3 ist eine Kühleinrichtung 5 angeordnet. Diese Kühleinrichtung 5 weist einen Kanal 7 auf, durch welchen Kühlmittel, vorzugsweise Luft oder Wasser, strömen kann. Das Gehäuse 3 ist insbesondere wenigstens in dem oberen Bereich, wo die Kühleinrichtung 5 angeordnet ist, aus einem hitzeleitenden Material ausgebildet, insbesondere einem Metall wie etwa rostfreiem Stahl. Die Kühleinrichtung ist vorzugsweise mit dem Gehäuse 3 in direktem Kontakt, sodass ein optimaler Hitzetransport gewährleistet ist.
-
Das Kühlmittel wird vorzugsweise mittels eines Wärmetauschers der Kühleinrichtung 5 zur Verfügung gestellt, indem z.B. der Gegenwind eines Elektrofahrzeugs zum Abkühlen des Kühlmittels verwendet wird. Der Sauerstoff, welcher über einen Gasanschluss 14 in die Batterie 1 strömt, wird vorzugsweise von einem Tank bereitgestellt, in welchem verdichteter Wasserstoff gespeichert wird oder durch einen Gasabscheider aus der Umgebungsluft extrahiert wird. In diesem Fall ist das Gas vorzugsweise ebenfalls trocken und verdichtet, bevor es an der Batterie 1 bereitgestellt wird.
-
Alternativ weist das Gehäuse 3 vorzugsweise generell keinen Einlass für Reaktionsgas auf. In diesem Fall bildet das Gehäuse 3 ebenfalls ein Gasreservoir zum Speichern von Reaktionsgas.
-
Während des Betriebs wärmen sich die Batteriezellen 2a, 2b in den Modulen 13a, 13b, 13c, 13d aufgrund von galvanischen Reaktionen, welche während des Ladens und Entladens der Batterie 1 stattfinden, auf. Die Batteriezellen 2a, 2b oder die Module 13a, 13b, 13c, 13d wärmen das Reaktionsgas in dem Gehäuse 3 auf, in diesem Fall reinen Sauerstoff, welches anschließend zu dem Bereich in dem Gehäuse 3 aufsteigt. Dort kommt der warme Sauerstoff mit der Wandung des Gehäuses 3 in Kontakt, welche durch die Kühleinrichtung 5 abgekühlt wird. Die abgekühlte Luft fällt dann in dem Gehäuse 3 zum Boden und wird wieder durch die Batteriezellen 2a, 2b erwärmt. Somit findet ein natürlicher Konvektionsprozess in dem Gehäuse 3 statt und die Batteriezellen 2a, 2b werden durch diesen Konvektionsprozess abgekühlt.
-
Auf der anderen Seite kann die Ausgestaltung gemäß 1 auch zum Erwärmen von Reaktionsluft in dem Gehäuse 3 verwendet werden. In diesem Fall ist das Kühlmedium wärmer als das Reaktionsgas in dem Gehäuse 3 und erhöht somit die Temperatur 3 der Batterie 1. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft die Kühleinrichtung 5 in einem unteren Teil des Gehäuses 3 anzuordnen.
-
2 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie 1. Im Gegensatz zum Beispiel gemäß 1 weist das Gehäuse 3 einen zweiten Gaseinlass 15, insbesondere ein Überdruckventil, auf. In diesem Fall kann ein Reaktionsgas, welches verschiedene Bestandteile aufweist, als Reaktionsgas verwendet werden. Während der Bestandteil, welcher an der Kathode 4a, 4b der Batteriezellen 2a, 2b in der Batterie 1 verbraucht wird, können die zurückbleibenden Gasbestandteile durch das Gehäuse 3 strömen und über den zweiten Gaseinlass 15 ausgeschieden werden. Während in der Ausgestaltung in 1 das Reaktionsgas an der Kathode verbraucht wird, verbleiben in 2 die nichtreaktiven Bestandteile des Reaktionsgases als Abgas.
-
3 zeigt zwei verschiedene mögliche räumliche Ausdehnungen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 und 2. In 3a, weist die Batterie 1 die Form eines Zylinders auf. In diesem Fall weist die Kühleinrichtung 5 ebenfalls die Form eines Teils eines Zylinders und bedeckt den oberen Bereich des Gehäuses 3. In 3b ist die Batterie 1 rechteckig, sodass die Kühleinrichtung 5 in diesem Fall eine laminare Fläche auf dem Gehäuse 3 formt.
-
4 zeigt einen Stapel 8 für die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Batterie gemäß den 1 und 2. Jede der Batteriezellen 2a, 2b weist eine Anode 9a, 9b, einen Separator 11a, 11b und eine Kathode 4a, 4b auf. Die Kathode wird mit Reaktionsgas, in diesem Fall reinem Sauerstoff, von dem Strömungsfeld 10 versorgt. Vorzugsweise weist das Strömungsfeld 10 eine leitende Struktur auf, sodass es ebenfalls als Kathoden-Stromabnehmer dienen kann. Auf der anderen Seite ist ein Anoden-Stromabnehmer in der Weise an der Anode angeordnet, sodass eine Spannung zwischen den Abnehmern im Falle eines Entladens angeschlossen oder eine Spannung im Falle eines Ladens einer Batterie 1 angelegt werden kann. In der gezeigten Konfiguration eines Stapels 8 grenzen benachbarte Batteriezellen 2a, 2b über die Kathode 4a, 4b oder die Anode 9a, 9b aneinander. Deshalb verfügen sie über einen gemeinsamen Anodenabnehmer 12 oder einen gemeinsamen Strömungsfeld- / Kathodenabnehmer 10 zwischen den Kathoden. Die Anoden sind umgeben von Separatoren 11a, 11b von benachbarten Batteriezellen 2a, 2b. Wie in 4 ersichtlich, sind die Kathoden für Reaktionsgas, vorzugsweise Sauerstoff, frei zugänglich, welches einen Stack 8 in dem Gehäuse einer erfindungsgemäßen Batterie 1 umgibt. Die Anoden, welche mit dem Reaktionsgas nicht in Kontakt kommen dürfen, werden durch die Separatoren 11a, 11b geschützt, welche um die Anoden der beiden benachbarten Batteriezellen 2a, 2b Hüllen bilden.
-
Während der Stapel 8 in 4 drei volle Batteriezellen 2a, 2b aufweist, kann ein Stapel eine beliebige Anzahl an Batteriezellen aufweisen und kann daher an die Anforderungen einer bestimmten Anwendung / eines bestimmten Geräts angepasst werden, in welcher die erfindungsgemäße Batteriezelle als Stromversorgung verwendet wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Metall-Gas-Batterie
- 2a, 2b
- Metall-Gas-Batteriezelle
- 3
- Gehäuse
- 4a, 4b
- Kathoden
- 5
- Kühleinrichtung
- 6
- Segment
- 7
- Kanal
- 8
- Stapel
- 9a, 9b
- Anode
- 10
- Kathodenstromkollektor / Strömungsfeld
- 11a, 11b
- Separator
- 12
- Anodenstromkollektor
- 13a-13d
- Modul
- 14
- erster Gaseinlass
- 15
- zweiter Gaseinlass
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 5510209 [0004]
- US 4463064 [0007]
- US 2011/0195321 A1 [0008]
