DE19537683C2 - Außenluftunabhängiger Speicher für elektrische Energie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen außenluftunabhängigen Speicher für elektrische Energie bestehend aus einem Behälter, der eine Batterie mit Batteriezel­ len, eine Steuereinrichtung und die für den Betrieb der Batterie erforderlichen Elektrolyte und Gase, die über Zuführungen in die einzelnen Batteriezellen einströmen, in separaten Behältern enthält.

Derartige Speicher sind geeignet zum Einsatz in einem Unterwasserfahrzeug, insbesondere zum Einsatz in einem Torpedo. Der außenluftunabhängige Speicher soll die für den elektrischen Antrieb des Unterwasserfahrzeugs benötigte elektrische Energie in dem Unterwasserfahrzeug selbst bereitstellen. Dabei soll er möglichst kompatibel zu bislang eingesetzten Batteriesystemen sein, jedoch einen höheren Energieinhalt ausweisen, um so den gesteigerten Anforderungen hinsichtlich Einsatzdauer und Einsatzgeschwindigkeit an derartige Antriebe zu genügen.

Außenluftunabhängige Energiespeicher kommen bei Unterwasserfahrzeugen zum Einsatz, wobei sie in erster Linie für den Antrieb dieser Unterwasserfahrzeuge verwendet werden. Für den Antrieb eines U-Bootes haben insbesondere Wasser­ stoff/Sauerstoff-Batterien Anwendung gefunden, die mit Seewasser und aus Sauerstoffbehältern zugeführtem Sauerstoff betrieben werden.

Für den Einsatz bei kleineren Unterwasserfahrzeugen, wie z. B. Torpedos, sind diese Wasserstoff/Sauerstoff-Batterien jedoch technisch zu aufwendig und daher nicht geeignet.

Gleichfalls sind diese Wasserstoff/Sauerstoff-Batterien für eine lange Betriebsdauer bei konstanter Leistung ausgelegt, während für den Torpedoeinsatz ein außenluft­ unabhängiger Energiespeicher mit einer kurzen Betriebsdauer aber hoher Energie­ abgabe benötigt wird, um so die geforderten Geschwindigkeiten des Torpedos bei Verwendung eines Elektroantriebs erreichen zu können.

Bekannte Torpedobatterien benutzen ein Silber/Zink-Elektrodensystem und einen Elektrolyten, der aus Kalilauge besteht.

Derartige Energiespeicher für Torpedos sind in 2 Ausführungen, einer aktivierbaren Einmalbatterie und einer wiederaufladbaren mehrfach zu verwendenden Batterie, bekannt, wobei sich beide Ausführungen hinsichtlich ihres Zellenaufbaus und ihrer Zellengröße unterscheiden, wodurch sich ein unterschiedliches Verhalten bei der Anwendung beider Batterien ergibt.

Bei der aktivierbaren Einmalbatterie befindet sich der Elektrolyt in einem separaten Behälter. Er wird bei Aktivierung der Batterie mit Hilfe eines pyrotechnischen Gasgenerators aus diesem Behälter in die eigentlichen Batteriezellen gedrückt, so daß die in diesen Batteriezellen enthaltenen galvanischen Elemente nach Benetzung die erforderliche Spannung liefern.

Bei der mehrfach zu verwendenden Batterie befindet sich der Elektrolyt permanent zwischen den einzelnen Elektroden der einzelnen Batteriezellen, wodurch die Lagerfähigkeit der Batterie durch die Selbstentladung begrenzt ist. Die Batterie wird durch Anlegen eines äußeren Stromes aufgeladen und liefert dann die für den Betrieb des Torpedos erforderliche Energie.

Nachteilig bei diesen Batterien ist die geringe Leistungsdichte und die Verwendung von Silber innerhalb der Elektroden, wodurch diese Batterien sehr kostenintensiv sind.

Aus der Literatur (z. B. Jaksch, Batterie-Lexikon ISBN 3-7905-0650-8) sind Zink/Luft-Zellen bekannt, die über eine der höchsten Energiedichten von ca. 900 Wh/cm³ in stationären Großzellen verfügen. Diese Batteriezellen enthalten eine Zinkelektrode und eine gitterförmige Elektrode, durch welche Luft geblasen wird. Beide Elektroden befinden sich in einem mit einem Elektrolyten gefüllten Gehäuse der Batteriezelle.

Die Aktivierung der Batterie und somit die Entladung beginnt mit der Öffnung des oder der Lufteintrittskanäle am Batteriezellengehäuse und dem Einblasen von Luft. Die Energie wird durch katalytische Oxidation von Zink durch den Sauerstoff der Atmosphäre erzeugt. Aufgrund der in der Zelle verwendeten preiswerten Materialien sind die Kosten pro Ampèrestunde dieser Batterie gering.

Innerhalb der Zelle läuft bei Entladung an der Luftelektrode (Kathode) folgende Reaktion ab:

Der für die Reaktion benötigte Sauerstoff wird dabei der Luft entnommen, überschüssiges Gas wird nach außen abgeführt.

Das Zink der Zinkelektrode (Anode) reagiert mit den Hydroxylionen und bildet Zinkoxid und Wasser unter Abgabe von 2 Elektronen. Die Anode wird dadurch negativ geladen und bildet den Minuspol der Zelle:

Zn + 2 OH → ZnO + H₂O + 2 e⁻

Hieraus folgt für die Gesamtgleichung:

mit einer Zellspannung von ca. 1,4 bis 1,65 V.

Ein Energiespeicher zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, der auf der Verwendung dieser Batteriezellen basiert, ist in der europäischen Patentanmeldung EP 0 555 581 A1 beschrieben.

Er besteht aus einer mechanisch wiederaufladbaren Batterie, die aus einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt ist, wobei jede einzelne Batteriezelle aus drei Kammern besteht und ein galvanisches Element enthält. Die erste und die dritte Kammer sind von der zweiten Kammer durch gasdurchlässige Membranen getrennt. Die erste und die dritte Kammer werden mit Luft gefüllt. In der zweiten Kammer befindet sich der zum Betrieb des galvanischen Elements erforderliche Elektrolyt und von oben eingesetzt eine Metallelektrode, die bei einer Ausführungsform der Erfindung mit Zinkbrei gefüllt ist.

Die Metallelektrode wird bei Belastung des galvanischen Elements beidseitig abgetragen, beide gasdurchlässigen Membranen sind elektrisch parallelgeschaltet, so daß die Stromergiebigkeit gegenüber einem galvanischen Element mit nur einer gasdurchlässigen Membran verdoppelt ist. Durch diese Auslegung der Batterie wurde den Anforderungen eines Automobils hinsichtlich hoher Stromdichte und hoher Spitzenleistung, wie sie beim Beschleunigen und bei Fahrten am Berg benötigt wird, genügt. Hierbei kam es weniger auf eine hohe Spannungsabgabe der Batterie, als auf eine hohe Stromergiebigkeit an.

Dieser Energiespeicher ist auf einfache Weise mechanisch wiederaufladbar, indem verbrauchte Metallelektroden von oben aus den Batteriezellen herausgenommen werden und durch neue, "aufgeladene" Metallelektroden ersetzt werden. Der Elektrolyt verbleibt dabei innerhalb der Batteriezelle und wird nicht erneuert.

Der zum Betrieb des galvanischen Elements erforderliche Sauerstoff wird der Umgebungs-Luft entnommen, die durch die erste und dritte Kammer geblasen wird. Bedingt durch den hohen Stickstoffanteil in der Luft ist der Wirkungsgrad der Batteriezelle eingeschränkt.

Dieser Energiespeicher ist daher durch die Verwendung von Luftsauerstoff, der in einem geschlossenen System nicht in hinreichendem Maße zur Verfügung steht, in einem Unterwasserfahrzeug nicht einsetzbar.

Aus diesem Grunde wurde ein Energiespeicher mit sog. Aluminium/Sauerstoff-Batteriezellen für den Einsatz in einem Torpedo vorgeschlagen, der aus mehreren Batteriezellen mit Aluminium-Elektroden, die mit einem Elektrolyten gefüllt werden, und aus einem Sauerstoffeinlaß besteht.

Nachteilig bei diesem Energiespeicher wirkt sich aus, daß er nicht den Energieinhalt eines Zink/Luft-Systems enthält, und daß bei seinem Betrieb der im Elektrolyt befindliche Sauerstoff mit Hilfe eines Gasseparators wieder entfernt und nach außen aus der Batterie abgegeben werden muß. Der abgegebene Sauerstoff muß dann durch Sauerstoff, der sich in dem Sauerstoffvorratsgefäß befindet, ersetzt werden.

Die Abgabe des Sauerstoffs nach außen kann in Form einer Blasenspur die Anwesenheit eines Torpedos unerwünschterweise sichtbar machen.

Nachteilig ist weiterhin die betriebsbedingte Passivierung der Aluminiumelektrode und daß ein Elektrolytkreislauf zur Wärmeabfuhr vorhanden ist, um die Batterie vor Überhitzung zu schützen.

Aus der DE 35 37 526 A1 ist eine Stromerzeugungsanlage bekannt, die zur Verwendung in einem U-Boot vorgesehen ist. Diese Anlage enthält eine Anordnung von Brennzellen, die eine Versorgung mit gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff erfordern, um ausgangsseitig elektrischen Strom zu erzeugen.

Aus der DE 29 30 099 A1 ist ein galvanisches Primärelement bekannt, die eine negative Leichtmetallelektrode enthält und Wasserstoffperoxid als Kothodende­ polarisator verwendet. Der Leichtmetallelektrode ist eine Gasdiffusionselektrode vorgelagert, welche aus einer katalytisch wirksamen Arbeitsschicht und beidseitig auf dieser angebrachten inaktiven Deckschichten besteht, wobei die Deckschichten einen kleineren Porendurchmesser als die Arbeitsschicht besitzen.

Die US-Patentschrift US 5,445,901 A offenbart ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie. Bei diesem Verfahren wird den Batteriezellen über eine erste Zuführleitung Sauerstoff und über eine weitere Zuführleitung ein Elektrolyt zugeführt. Die Zuführung des Sauerstoffs erfolgt in stöchiometrischen Mengen, das heißt entsprechend dem Sauerstoffverbrauch erfolgt die Sauerstoffzufuhr. Diese Druckschrift offenbart auch einen außenluftunabhängigen Speicher für elektrische Energie bestehend aus einem Behälter, der eine Batterie mit Batteriezellen, eine Steuereinrichtung und die für den Betrieb der Batterie erforderlichen Elektrolyte und Gase, die über Zuführungen in die einzelnen Batteriezellen einströmen, in separaten Behältern enthält. Bei dieser Vorrichtung ist jedoch nur eine Anode pro Batteriezelle vorgesehen, die von zwei Kathoden benachbart sind. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, daß die erzielbare Spannung in einem räumlich beschränkten Bereich für viele Anwendungen zu gering ist.

Die US-Patentschrift US 5,429,885 bezieht sich auf ein geschlossenes System mit Aluminium/Sauerstoffbrennstoffzellen, in denen kleine Mengen von Wasserstoff entfernt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen außenluftunabhängigen Speicher für elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, mit dem in dem vorhandenen Raum eines Torpedos ein wesentlich höherer Energieinhalt untergebracht werden kann als mit den bislang bekannten Energiespeichern, damit die zur Erreichung der Torpedoge­ schwindigkeit und der Betriebsdauer des Torpedos benötigte Energie bereitgestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem Energiespeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den einzelnen Batteriezellen mindestens zwei Metallelektroden vorhanden sind, die Zink enthalten und daß die in den Batteriezellen ablaufende elektrochemische Reaktion durch Einblasen von technisch reinem Sauerstoff eingeleitet und unterhalten wird.

Dieser außenluftunabhängige Energiespeicher für elektrische Energie besteht aus einem gasdicht verschlossenen Gehäuse, in das mehrere Sauerstoffelektroden und Zinkelektroden in mit Elektrolyt befüllbare Kammern eingebaut sind und über einen mit einem Ventil verbundenen Sauerstoffbehälter, der den für die Energieerzeugung benötigten Sauerstoff enthält, und einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung, mit der der Sauerstoff gezielt zugeführt werden kann.

Die in den einzelnen Batteriezellen befindlichen Metallelektroden bestehen vorteilhafterweise ausschließlich aus Zink, um ein möglichst niedriges Leistungs­ gewicht zu erzielen.

Die erste und die zweite Sauerstoffelektrode unterteilen die Batteriezelle in 3 Kammern, von denen die erste und die dritte mit einem Elektrolyt gefüllt werden, und die zweite Kammer über ein Ventil mit einem Sauerstoffbehälter verbunden wird. In der 3. Kammer ist analog zur ersten Kammer eine von der zweiten Sauerstoffelektrode beabstandete zweite Metallelektrode aus Zink angeordnet.

Bedingt durch die Anordnung der zweiten Kammer in der Mitte der Batteriezelle und die elektrische Nichtleitfähigkeit des in dieser Kammer befindlichen Sauerstoffs lassen sich die beiden galvanischen Einzelelemente der Batteriezelle in Reihe schalten, so daß gegenüber der in der europäischen Patentanmeldung EP 0 555 581 A1 angegebenen Zelle, die in der ersten und dritten Kammer Sauerstoff enthält und in der mittleren, zweiten Kammer den Elektrolyten und die Metallelektrode, die vorliegende Erfindung eine doppelte Ausgangsspannung auf vergleichbarem Raum besitzt. Dieses ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung des außenluftunab­ hängigen Speichers als Antriebsbatterie eines Torpedos.

Durch diesen Aufbau der Batterie wird der zur Verfügung stehende Raum gegenüber bekannten Anordnungen besser genutzt. Es teilen sich hierbei nämlich die erste und die zweite Sauerstoffelektrode die dazwischenliegende zweite Kammer, in die beim Betrieb Sauerstoff einströmt. Zusätzlich wird hierdurch die Möglichkeit gegeben, die aus den ersten und dritten Kammern bestehenden galvanischen Elemente elektrisch in Reihe zu schalten, um somit die Spannung zu verdoppeln.

Durch die geeignete Auswahl der in dem erfindungsgemäßen Energiespeicher verwendeten Verbrauchselektroden wird gleichfalls der zur Herstellung und zum Betrieb dieses außenluftunabhängigen Energiespeichers benötigte Kostenaufwand wesentlich reduziert, wodurch die Kosten des Übungsbetriebs des Torpedos gesenkt werden.

Zur Einstellung des Druckes in der zweiten Kammer wird vorteilhafterweise ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Sauerstoffreduzierventil zwischen Sauerstoffbehälter und zweiter Kammer vorgesehen, um je nach gewünschter Leistungsabgabe des Energiespeichers die Sauerstoffzufuhr steuern zu können. Hierdurch läßt sich die Leistungsabgabe an die Antriebsgeschwindigkeit des Torpedos anpassen.

Ebenfalls ist die erste und dritte Kammer der Batteriezelle über ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Elektrolytreduzierventil mit einem Elektrolytbehälter verbunden. Zur Aktivierung der Batterie wird bei dieser Ausführungsform das Elektrolytreduzierventil geöffnet und hierdurch der Elektrolyt in die erste und ggf. auch dritte Kammer geleitet.

Bevorzugt wird der Elektrolyt von unten in die erste und ggf. auch in die dritte Kammer geleitet.

Das Einströmen des Elektrolyten von unten ist besonders vorteilhaft, um eine homogene Elektrolytverteilung ohne Gaseinschlüsse innerhalb der ersten und der dritten Kammer zu erreichen.

Zur Wärmeabführung ist an der Rückseite jeder Metallelektrode bevorzugt eine wärmeabführende Platte angeordnet, die ihrerseits mit einem Kühlwasserkreislauf in Kontakt steht. Der Kühlwasserkreislauf kann beispielsweise einen Wärme an das Seewasser abgebenden Wärmetauscher enthalten.

Zur Vermeidung von unbeabsichtigten Reaktionen ist vorteilhafterweise vor Inbetriebnahme der Batteriezelle die erste, zweite und ggf. auch dritte Kammer mit einem Inertgas gefüllt, das beim Einleiten von Sauerstoff bzw. Elektrolyt bei Inbetriebnahme der Batterie verdrängt wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in erster Linie in dem gegenüber einer Aluminium-Sauerstoff-Batterie erheblich höheren Leistungsdichte, so daß die erfindungsgemäße Batterie verglichen mit einer Aluminium-Sauerstoff-Batterie gleicher Kapazität erheblich leichter ist. Darüber hinaus wird der Sauerstoff in der Batterie vollständig konsumiert, so daß unverbrauchter Sauerstoff nicht nach außen abgeführt werden muß.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter­ ansprüche gekennzeichnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des außenluftunabhängigen Energiespeichers;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Batterie des außenluftabhängi­ gen Energiespeichers;

Fig. 3 zwei sich gegenüberliegende Batteriezellen des Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Laugenzufüh­ rung mit den Absperrventilen;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Sauerstoff­ zuführung;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung zusätzlicher Membranen im Bereich der Sauerstoffelektroden; und

Fig. 7 einen außenluftunabhängigen Energiespeicher mit der in Fig. 2 dargestellten Batterie.

Fig. 1 zeigt einen außenluftunabhängigen Energiespeicher mit einem Behälter 0, der einen Sauerstoffteil mit Steuerung 1, eine Batterie 2 und einen Laugenteil 3 enthält.

In der Batterie 2 befinden sich die einzelnen Batteriezellen 13 die jeweils eine oder mehrere Sauerstoffelektroden 14 und Metallelektroden 15 enthalten. Die einzelnen Batteriezellen 13 sind jeweils mit einer Kühleinrichtung 16 mit dem Behälter <rn<0</rn< verbunden. Die Kühleinrichtung führt die beim Betrieb der Batteriezelle entstehende Wärme an den Behälter <rn<0</rn< ab. In der Zeichnung sind die beiden weiteren, den äußeren Batteriezellen zugeordneten Kühleinrichtungen nicht dargestellt.

Der zum Betrieb der Batteriezellen benötigte Sauerstoff wird aus dem im Sauerstoff­ teil befindlichen Sauerstoffbehälter 5, der ein wiederaufladbarer Behälter oder ein austauschbarer Einmalbehälter sein kann, über die Sauerstoffzuführung 7 den einzelnen Batteriezellen zugeführt, wenn die Batterie aktiviert wird. Die Aktivierung der Batterie wird von der Steuereinrichtung 4 über das Absperrventil 6 gesteuert.

Der zum Betrieb der Batteriezellen benötigte Elektrolyt, vorzugsweise Kalilauge KOH, befindet sich im Laugenbehälter 8 des Laugenteils. Der Elektrolyt wird, gleichfalls von der Steuereinrichtung 4 gesteuert über das Absperrventil 12, aus dem Laugenbehälter 8 über die Laugenzuführung 10 den einzelnen Batteriezellen 13 zugeführt.

Der zum Zuführen des Elektrolyten benötigte Druck wird von einem in einem Druckgasbehälter 9 befindlichen Gas, z. B. Luft oder Stickstoff, über das Absperr­ ventil 11 bereitgestellt, das gleichfalls von der Steuereinrichtung 4 gesteuert wird.

Die Batterie 2 ist bzw. die einzelnen Kammern der Batteriezellen sind mit einem Inertgas gefüllt, das beim Einleiten von Sauerstoff bzw. Elektrolyt bei Inbetriebnah­ me der Batterie in eine Gasabführung 23 verdrängt wird.

Die einzelnen Batteriezellen 13 sind über eine oder mehrere Stromschienen 17 mit dem elektrischen Anschluß 18 der Batterie verbunden. Die interne Verschaltung der einzelnen Elektroden der Batteriezellen mit der Stromschiene ist nur prinzipiell dargestellt. Nicht dargestellt sind externe Steuerleitungen, mit denen die Aktivierung des Energiespeichers über die Steuereinrichtung 4 initiiert werden kann.

Im Behälter <rn<0</rn< ist ein Sicherheitsventil 19 vorhanden, das bei einem unerwarteten Druckanstieg innerhalb des Behälters öffnet und einen Druckausgleich mit dem Außendruck herstellt. Dieses Sicherheitsventil kann auch von außen manuell betätigt werden, um z. B. vor dem Bergen eines Obungstorpedos einen Druckaus­ gleich herzustellen, um so die Sicherheit für das Bergepersonals zu erhöhen.

In Fig. 2 ist die Batterie eines Energiespeichers schematisch dargestellt, wobei die Batterie aus insgesamt 2 Batteriezellen besteht, die insgesamt vier galvanische Elemente enthalten.

In Fig. 3 ist eine Batteriezelle mit zwei galvanischen Elementen ausschnittsweise wiedergegeben.

Die Batteriezelle mit zwei galvanischen Elementen besitzt einen gemeinsamen Träger 30, eine erste und eine zweite Sauerstoffelektrode 14, 14', die das Gehäuse in eine erste mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer 28', eine zweite mit Sauerstoff befüllbare Kammer 27 und eine dritte, wiederum mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer 28 unterteilt. In der ersten Kammer 28' sowie in der dritten Kammer 28 ist jeweils eine Metallelektrode 15 bzw. 15' aus Zink angeordnet. An der Rückseite der Metallelektroden 15, 15' ist jeweils eine Kupferplatte 21 angeordnet, über die Wärme an die Kühleinrichtung 16 abgegeben werden kann, die die Wärme wiederum über einen angeschlossenen Kühlmittelkreislauf 25 nach außen abführen dann.

Die Kupferplatte 21, 21' ist auf einem Epoximaterial auflaminiert, um so die entsprechende mechanische Festigkeit der Anordnung zu erhalten.

Die Sauerstoffelektrode ist eine Elektrode, wie sie in der europäischen Patentanmel­ dung EP 0 555 581 A1 beschrieben ist. Sie ist durchlässig für gasförmige Stoffe wie Sauerstoff, jedoch undurchlässig für Flüssigkeiten, wie den Elektrolyten.

Die Batteriezelle ist vor der Aktivierung mit einem inerten Gas, das die Reaktion und ggf. Oxidation innerhalb der galvanischen Elemente sicher unterbindet, gefüllt. Als inertes Gas kann Stickstoff verwendet werden.

Bei der Aktivierung der Batteriezelle erfolgt eine Sauerstoffzufuhr über die in der Mitte der Batteriezelle befindliche Sauerstoffzuführung 7, die das inerte Gas verdrängt. Das inerte Gas und ggf. überschüssiger Sauerstoff entweicht über die Gasabführung 23 aus der zweiten Kammer in den umgebenden Raum. Die Sauerstoffzuführung ist elektrisch nichtleitend ausgeführt.

Anschließend strömt der Elektrolyt von unten in die Zelle und verdrängt in der ersten und der dritten Kammer den Sauerstoff.

Überschüssiger Elektrolyt wird über die Laugenabführung 24 aus den Batteriezellen entfernt. Er kann einer Flüssigkeitsabscheidevorrichtung zugeführt werden, um ihn von ggf. enthaltenem Gas zu trennen, welches in den Innenraum des Behälters 0 entweicht.

Die Laugenzuführung ist elektrisch nichtleitend ausgeführt.

Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Batteriezel­ len, bedingt durch den Elektrolyten, sind in den Laugenzuführungen 10 der ersten und der dritten Kammer Absperrventile 22 vorgesehen, mit denen die Laugenzu­ führung 10 geschlossen werden kann. Die Laugenzuführung kann anschließend durch im folgenden näher beschriebene Maßnahmen frei von Elektrolyt gemacht werden, so daß ein durch den leitfähigen Elektrolyten bedingter elektrischer Kurzschluß zwischen den Zellen ausgeschlossen ist.

Sofern erforderlich, kann die Laugenabführung 24 gleichfalls von den Batteriezellen über in Fig. 2 nicht dargestellte Absperrventile abgetrennt werden.

Träger 30 und Zn-Träger 20, 20' schließen die Batteriezelle hermetisch dicht ab.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Laugenzuführung mit den Absperrventilen. In der Darstellung ist die Laugenzuführung 10 als zylindrisches Rohr ausgebildet. Die Anschlüsse der Batteriezellen erfolgen gleichfalls über Rohre 33, die einen geringeren Querschnitt haben.

Wie in Fig. 4a dargestellt, befindet sich in der Laugenzuführung 10 ein zusammen­ gefalteter Schlauch 32. Der Elektrolyt gelangt bei Aktivierung in den Laugenraum 36 und fließt von dort aus über die Anschlüsse für Batteriezellen 33 in die einzelnen galvanischen Elemente.

Wenn die einzelnen galvanischen Elemente mit Elektrolyt gefüllt sind, wird der Schlauch wie in Fig. 4b dargestellt aufgeblasen, verdrängt den Elektrolyten aus der Laugenzuführung und isoliert die einzelnen galvanischen Elemente voneinander. Damit lassen sich die einzelnen Elemente in beliebiger Folge verschalten, ohne daß sie sich gegeneinander beeinflussen. Die hiermit erreichte Isolation zwischen den einzelnen galvanischen Elementen ist hinreichend bei einer Elementespannung von ca. 1,5 V.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Sauerstoffzuführung.

In den Zn-Träger 20 sind Aussparungen vorgesehen, die in Verbindung mit dem Durchführungsrohr 35 Sauerstoffkanäle 34 zur Sauerstoffzuführung für die einzelnen Elemente herstellen. Diese Aussparungen können um einen gemeinsamen Mittelpunkt gebohrt, gepreßt oder gefräst sein. Anschließend wird unter Ver­ wendung des Mittelpunktes eine Bohrung für das Durchführungsrohr 35 einge­ bracht. Das Durchführungsrohr ist vorgesehen, um elektrische Leitungen durch die Batterie führen zu können.

Der Wirkungsgrad eines derartigen außenluftunabhängigen Speichers ist im wesentlichen abhängig von dem Füllgrad des Sauerstoffraumes 27 mit Sauerstoff. Verunreinigungen, wie z. B. durch das inerte Gas, mit dem die Batterie zur Verhinderung von chemischen Reaktionen vor Aktivierung gefüllt ist, setzen den Wirkungsgrad der Batterie herab.

Das inerte Gas kann in einem Ausführungsbeispiel des außenluftunabhängigen Energiespeichers mit Hilfe einer Vakuumpumpe entfernt und in einem Behälter in komprimierter Form zwischengespeichert werden oder in andere Sektionen des Torpedos abgegeben werden.

Das inerte Gas läßt sich jedoch auch mit Hilfe von Membranen von den Sauers­ toffelektroden fernhalten.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung zusätzlicher Membranen im Bereich der Sauerstoffelektroden.

Vor Aktivierung der Batterie sind die Membranen 37 eng an die Sauerstoffel­ ektroden 14, 14' angelegt, so daß kein oder nur geringfügig inertes Gas zwischen Sauerstoffelektrode und Membran eindringen kann.

Bei der Aktivierung der Batterie wird zunächst Sauerstoff über die Sauerstoff­ zuführung 7 zwischen Membran 37 und Sauerstoffelektrode 14, 14' gebracht. Das in dem Sauerstoffraum befindliche inerte Gas wird von den Membranen verdrängt und über die Gasabführung 23 nach außen geleitet.

Der Sauerstoff strömt dann weiter in den Elektrolytraum 28 und verdrängt das dort befindliche inerte Gas. Anschließend wird der Elektrolytraum 28 mit Elektrolyt gefüllt. Das in dem Elektrolytraum befindliche Gas wird über die Laugenabführung 24 nach außen geleitet.

Fig. 7 zeigt einen außenluftunabhängigen Energiespeicher mit der in Fig. 2 dargestellten Batterie.

Dieser Energiespeicher wird über eine Steuerelektronik 4 aktiviert und während des Betriebs gesteuert bzw. geregelt. Vor der Aktivierung der Batterie 2 sind die erste Kammer, die zweite Kammer sowie die dritte Kammer mit einem Inertgas gefüllt, welches unbeabsichtigte Reaktionen verhindert.

Dieses Inertgas kann z. B. Stickstoff sein. Es wird mittels der Spüleinrichtung 44 eingebracht, wobei die in den einzelnen Kammern befindliche Luft herausgespült wird. Der Anschluß der Spüleinrichtung ist in dem Behälter <rn<0</rn< angeordnet und von außen zugänglich. Innerhalb der Spüleinrichtung sind Absperrventile vorgesehen, die nach dem Befüllen der einzelnen Kammern mit dem inerten Gas geschlossen werden und somit das inerte Gas in den einzelnen Kammern einschließen.

Beim Aktivieren der Batterie 2, welches durch ein externes Aktivierungssignal 40 veranlaßt wird, wird nach Öffnen des Absperrventils 54 zunächst Sauerstoff auf einen zweistufigen Druckminderer 43 gegeben. Die erste Stufe 1 des Druckmin­ derers mindert den Druck des Sauerstoffs soweit, daß mit ihm eine Schneideinheit 42 betätigt werden kann und der Elektrolyt aus einer Elektrolytflasche 41 herausgedrückt werden kann.

In der zweiten Stufe des Druckminderers 43-2 wird der Druck des Sauerstoffs weiter reduziert und über die Sauerstoffzuführung in die zweiten Kammern der einzelnen Batteriezellen gepreßt. Er verdrängt dort das enthaltene inerte Gas, strömt durch die Sauerstoffelektroden in die ersten und dritten Kammern und verdrängt auch dort das enthaltene inerte Gas. Das Absperrventil 6 ist während dieses Vorgangs geöffnet.

Der im Druck reduzierte Sauerstoff am Ausgang der ersten Stufe des Druckminde­ rers 43 wird über ein Absperrventil 54b der Schneideinheit 42 zugeführt, die, nachdem die Steuereinrichtung ein entsprechendes Steuersignal erzeugt hat, das Absperrventil 54b öffnet und einen in der Schneideinheit befindlichen Kolben auslöst, der wiederum einen Verschluß der Elektrolytflasche 41 durchstößt und somit die Elektrolytflasche 41 öffnet.

Gleichzeitig wird über eine Verbindung zwischen dem Sauerstoffbehälter 5 und dem Laugenbehälter 8 der druckreduzierte Druck über ein Absperrventil 54a auf die in dem Laugenbehälter 8 befindliche Elektrolytflasche, die aus einem Kunststoff wie z. B. Polyurethan bestehen kann, gegeben.

Der unter dem Druck des Sauerstoff stehende Elektrolyt aus der Elektrolytflasche 41 wird in die ersten und dritten Kammern 28, 28' der einzelnen Batteriezellen gepreßt.

Das aus den ersten und dritten Kammern der einzelnen Batteriezellen entweichende inerte Gas wird über ein geöffnetes Absperrventil 22' einem Gasabscheider 51 zugeführt, in dem sich eine mechanische Elektrolytfalle 55 und ein Sensor 52 befinden. Stellt der Sensor fest, daß sich der Gasabscheider mit Elektrolyt füllt, die ersten und die dritten Kammern der Batteriezellen also gefüllt sind, schließt er über die Steuereinrichtung 4 zunächst das Absperrventil 22 und anschließend das Absperrventil 22'.

Damit wird die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den einzelnen Elementen der einzelnen Batteriezellen aufgehoben, so daß diese entsprechend ihrer äußeren elektrischen Verschaltung wirken können und an dem äußeren elektrischen Anschluß 50 die geforderte Energie bereitstellen.

Die bei dem Betrieb der Batterie entstehende Wärme wird über die Kühleinrichtun­ gen 16 von den ersten und den dritten Kammern der einzelnen Batteriezellen abgeführt. Das durch die Kühleinrichtungen 16 fließende Kühlmittel fließt von einer Pumpe 48 bewegt, durch einen Kühlkreislauf und wird einem Wärmetauscher 45 zugeführt, der die Wärme nach außen an das Seewasser abgibt. Mit einem Temperaturfühler 49, der sich hinter dem Auslaß der Kühlflüssigkeit aus der Batterie befindet, wird die Temperatur des Kühlmittels gemessen. Abhängig von der Kühlmitteltemperatur wird die Pumpe 48 gesteuert, um so eine eng tolerierte Betriebstemperatur der einzelnen Batteriezellen herzustellen, wie sie für einen optimalen Wirkungsgrad erforderlich ist.

Der in der Batterie vorherrschende Sauerstoffdruck wird abhängig von einem Steuersignal gesteuert und von der Steuereinrichtung 4 von dem Druckminderer 43 eingestellt. Hiermit kann der Wirkungsgrad der Batterie und die abzugebende Energie eingestellt werden.

Der Druckminderer ist mit einer Schwellwerteinrichtung ausgestattet, die sicherstellt, daß der in der Batterie vorherrschende Sauerstoffdruck nicht unter einen Minimalwert abfällt.

Durch eine geeignete Steuerung des Sauerstoffdrucks über den Druckminderer 43, die gleichzeitig lastabhängig erfolgt, wird sichergestellt, daß keine wesentliche Druckerhöhung innerhalb der Batterie und des außenluftunabhängigen Energiespei­ chers hervorgerufen wird.

Am Ende der Betriebsdauer des außenluftunabhängigen Speichers für elektrische Energie wird die Energieabgabe unterbrochen, indem über die Steuereinrichtung 4 und das Absperrventil 54 die Sauerstoffzufuhr zur Batterie 2 unterbrochen wird. Bedingt durch das Fehlen der Sauerstoffzufuhr kommt die Reaktion in den galvanischen Elementen zum Erliegen.

Um dann die Betriebssicherheit des außenluftunabhängigen Speichers für elektrische Energie zu gewährleisten, wird zusätzlich das Absperrventil 22 wieder geschlossen.

Soll der Energiespeicher mehrfach benutzt werden und ist dabei vollständig entladen worden, so wird er wieder in seinen Ursprungszustand versetzt, indem die in den einzelnen Batteriezellen befindlichen Metallelektroden 15, 15, und die Elektrolyt­ flaschen 41 zur Wiederherstellung des Ursprungszustands bzw. nicht aktivierten Zustands gegen unverbrauchte Teile ausgetauscht werden.

Bei einer Teilentladung ist es dagegen ausreichend, den Elektrolyten aus der Batterie 2 über die Spüleinrichtung 44 und die Gasabführung 53 zu entfernen, mit heißem inerten Gas zu trocknen, den Sauerstoffbehälter 5 erneut aufzufüllen und den Elektrolyten durch Tausch der Elektrolytflasche zu ersetzen.

Claims (18)

1. Außenluftunabhängiger Speicher für elektrische Energie bestehend aus einem Behälter (0), der eine Batterie (2) mit Batteriezellen, eine Steuereinrichtung (4) und die für den Betrieb der Batterie erforderlichen Elektrolyte und Gase, die über Zuführungen (7, 10) in die einzelnen Batteriezellen einströmen, in separaten Behäl­ tern (5, 8) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Batteriezellen mindestens zwei in Reihe schaltbare Metallanoden (15) vorhanden sind, die Zink enthalten und daß mindestens eine Sauerstoffelektrode vorgesehen ist, die mit technisch reinem Sauerstoff betreibbar ist.

2. Außenluftunabhängiger Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (15) aus Zink besteht.

3. Außenluftunabhängiger Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (15) aus einer Epoxyplatte mit aufgebrachter erster Metallschicht besteht, auf die eine zweite Zink enthaltende Metallschicht aufgebracht ist.

4. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Sauerstoffs zu den einzelnen Batteriezellen derart regelbar ist, daß nur so viel Sauerstoff zugeführt wird, wie beim Betrieb der Batteriezellen verbraucht wird, so daß kein zusätzlicher Druck in den Batteriezellen entsteht.

5. Außenluftunabhängiger Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffdruck in den Batteriezellen durch bedarfsgerechte Sauerstoffzufuhr auf maximal etwa 1000 hPa einstellbar ist.

6. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Batteriezellen eine erste und eine zweite Metallelektrode (15, 15') und etwa zentral dazwischen eine erste (14) und eine zweite Sauerstoffelektrode (14') angeordnet sind, und daß die erste und die zweite Sauerstoffelektrode (14, 14') die Batteriezelle in eine erste mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer (28'), eine zweite über ein Ventil (6) mit einem Sauer­ stoffbehälter (5) verbindbare Kammer (27) und eine dritte mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer (28) unterteilen.

7. Außenluftunabhängiger Speicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffelektroden symmetrisch zu den Metall­ elektroden angeordnet sind.

8. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Sauerstoffreduzierventil zwischen Sauerstoffbehälter (5) und zweiter Kammer (27) der einzelnen Batteriezellen angeordnet ist.

9. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die erste oder die dritte Kammer (28, 28') über ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Elektrolytreduzierventil (22) mit einem Elektrolytbehälter verbunden ist.

10. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückseite jeder Metallelektrode (15, 15') eine wärmeabführende Platte angeordnet ist, die ihrerseits mit einem Kühlkreislauf in Kontakt steht.

11. Außenluftunabhängiger Speicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf mit Wasser als Kühlmittel gefüllt ist.

12. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kammern (27, 28, 28') der einzelnen Batteriezellen und ihre Zuführungen vor Aktivierung mit einem Inertgas gefüllt sind.

13. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt sich in einer Elektrolytflasche (41) befindet, die wiederum in einem Laugenbehälter (8) angeordnet ist und daß der Elektrolyt mit dem in dem Sauerstoffbehälter (5) befindlichen Sauerstoff nach Aktivierung in eine Laugenzuführung (10) und in die einzelnen Batteriezellen drückbar ist.

14. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines motorisch betriebenen und fernbedien­ baren Reduzierventils zwischen Sauerstoffbehälter (5) und zweiter Kammer (27) der einzelnen Batteriezellen der Sauerstoffdruck in den zweiten Kammern (27) in Abhängigkeit von der von der Batterie abzugebenden elektrischen Energie einstell­ bar ist.

15. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in den einzelnen Batteriezellen befindlichen Metallelektroden (15, 15') und die Elektrolytflasche (41) zur Wiederherstellung des Ursprungszustands oder nicht aktivierten Zustands gegen unverbrauchte Teile austauschbar sind.

16. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laugenzuführung (10) in ihrem Inneren einen Schlauch (32) aufweist, welcher aufblasbar ist und im aufgeblasenen Zustand den Elektrolyten aus der Laugenzuführung (10) verdrängt.

17. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sauerstoffzuführung (7), die sternförmig um ein Durch­ führungsrohr (35) angeordnete Sauerstoffkanäle (34) zum Transport des Sauer­ stoffs aufweist.

18. Außenluftunabhängiger Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter hermetisch geschlossen ist und in einem Torpedo einsetzbar ist.