DE3876065T2

DE3876065T2 - Metall-luft-batterie mit umlaufendem elektrolyten.

Info

Publication number: DE3876065T2
Application number: DE8888308796T
Authority: DE
Inventors: Wilfrid Bernard O'callaghan
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Yardney Technical Products Inc
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-22
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2008-09-23
Also published as: EP0311275B1; ATE82647T1; AU2272588A; EP0311275A2; US4908281A; CA1331482C; CA1309134C; DE3876065D1; ES2035310T3; AU638360B2; KR890005917A; JPH01163977A; EP0311275A3; AU4748693A; US5093213A; AU657872B2; IN174789B; JPH0638347B2; AU8606091A; AU613405B2

Description

Die Erfindung betrifft Metall-Luft-Batterien und sie betrifft im einzelnen solche Batterien, die einen im Kreislauf umgepumpten Elektrolyten aufweisen.
Metall-Luft-Batterien erzeugen Elektrizität dadurch, daß eine reaktionsfähige Metallanode durch einen geeigneten Elektrolyt in einer Zelle elektro-chemisch mit einer Luft-Kathode verbunden wird. Die Luft-Kathode ist üblicherweise ein blechähnliches Teil, dessen einander gegenüberliegende Seiten jeweils der Atmosphäre und einem wässrigen Elektrolyt in der Zelle ausgesetzt sind. Während des Betriebes der Zelle wird innerhalb der Kathode Sauerstoff reduziert, während Metall der Anode oxidiert wird, so daß ein brauchbarer elektrischer Strom erzeugt wird, der durch einen äußeren Verbraucherschaltkreis fließt, der sowohl mit der Anode als auch mit der Kathode verbunden ist. Die Luft-Kathode muß luft-durchlässig, aber im wesentlichen undurchlässig für den wässrigen Elektrolyt sein; sie muß jedoch ein elektrisch leitfähiges Element umfassen, an das der äußere Verbraucherschaltkreis angeschlossen werden kann. Heutzutage im Handel erhältliche Luftkathoden bestehen üblicherweise aus Aktiv-Kohle (mit oder ohne einem beigefügten zerfalls-fördernden Katalysator) in Verbindung mit einem fein verteilten hydrophoben Polymermaterial, die ein Metallnetz als leitendes Element einschließen. Es sind bereits eine große Vielzahl von Anoden-Metallarten verwendet oder vorgeschlagen worden; unter ihnen werden Zink, Legierungen von Aluminium und Legierungen von Magnesium fuhr besondere Anwendungen als besonders vorteilhaft angesehen, und zwar aufgrund ihrer geringen Kosten, ihres leichten Gewichts und ihrer Fähigkeit, in Metall-Luft-Batterien, bei denen verschiedene Elektrolyte verwendet werden, als Anoden zu fungieren.
Eine typische Aluminium-Luft-Zelle umfaßt die Substanz eines wässrigen Elektrolyten, eine blechähnliche Luft-Kathode mit einer Oberfläche, die dem Elektrolyten ausgesetzt ist und einer anderen Oberfläche, die der Luft ausgesetzt ist sowie eine Aluminium-Legierungs-Anode (z.B. ein ebenes Blech), die in den Elektrolyten in einem gewissen Abstand zur ersterwähnten Kathodenfläche eintaucht.
Es gibt zwei verschiedene Grundarten von wässrigen Elektrolyten für Metall-Luft-Batterien, nämlich einen pH-neutralen Elektrolyten und einen hochalkalischen Elektrolyten. Der pH-neutrale Elektrolyt enthält überlicherweise Halid-Salze und dieser Elektrolyt wird wegen seiner relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit und der virtuellen Unlöslichkeit des Aluminiums in ihm für Anwendungen mit relativ geringer Leistung verwendet. Der hochalkalische Elektrolyt besteht üblicherweise aus einer Na-OH- oder KOH-Lösung und liefert eine höhere Zellenspannung als der pH-neutrale Elektrolyt.
Bei dem pH-neutralen Elektrolyten kann die Zellen-Entladungsreaktion wie folgt beschrieben werden:
4Al + 30&sub2; + 6H&sub2;0 T 4Al(OH)&sub3; (fest).
Bei einem alkalischen Elektrolyten kann die Zellenentladungsreaktion wie folgt beschrieben werden:
4Al + 3O&sub3; + tH&sub2;0 + 4 KOH T 4Al(OH) + K&spplus; (flüssige Losung); nachdem das gelöste Kalium-(oder Natrium-)Aluminat das Sättigungsniveau übersteigt, folgt dann
4Al(OH)&sub4; + 4K&spplus; T 4Al(OH)&sub3; (fest) + 4KOH.
Zusätzlich zu den obigen, sauerstoffreduzierenden Reaktionen findet also eine unerwünschte, nicht vorteilhafte Reaktion von Aluminium in beiden Elektrolytarten statt, um Wasserstoff zu bilden und zwar wie folgt:
2Al + 6H&sub2;O T 2Al(OH)&sub3; + 3H&sub2; (Gas).
Es besteht ein Bedarf an Metall-Luft-Batterien, die als Notstromquellen an Orten verwendet werden konnen, an denen elektrische Leitungen nicht existieren. Eine solche Batterie muß eine hohe Energie-Kapazität haben und eine hohe Leistungsdichte und sie muß in der Lage sein, während einer langen Zeitspanne unter hoher Belastung in Betrieb zu sein. Wenn die Batterie unter hoher Belastung betrieben wird, dann sammeln sich nicht nur große Mengen von Aluminium-Hydroxid im Elektrolyten an, sondern aus der Oberfläche des Elektrolyten treten auch erhebliche Mengen von Wasserstoff aus. Wie bei anderen Batterien kann dieser Wasserstoff leicht explosive Konzentrationen erreichen. Es wird auch eine beträchtliche Wärme entwickelt, die dazu führt, daß durch Verdampfung ein Elektrolyt-Verlust eintritt.
Eine Batterie, die als Notstromquelle dienen kann, ist in dem US-Patent 44 90 443 beschrieben, das am 25. Dezember 1984 ausgegeben worden ist. Die dortige Batterie benutzt mehrere einzelne Metall-Luft-Zellen mit einem Elektrolyten, der mit Hilfe einer Zentrifugal- oder Flügelradpumpe umgepumpt wird. Diese Batterie ist in der Lage, unter hoher Belastung betrieben zu werden, sie hat jedoch bestimmte größere Nachteile, beispielsweise insofern, daß sie keine Vorrichtung zum Handhaben der angesammelten Feststoffe bietet; die gesamte Batterie ist ferner abhängig von einer einzelnen Pumpe und sie bietet keine ausreichende Möglichkeit, um den Aufbau von Wasserstoff in dem Elektrolyt-Behälter zu verhindern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie zu entwickeln, die in der Lage ist, über eine lange Zeitspanne hinweg unter hoher Belastung betrieben zu werden und die die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Batterie gelöst, die folgende Teile aufweist:
(a) einen Tank, der einen Behälter für einen flüssigen Elektrolyten darstellt;
(b) eine im wesentlichen horizontal oberhalb des Elektrolyt-Behälters angeordnete Tragplatte;
(c) mehrere einzeln entfernbare Metall-Luft-Zellen, die Seite an Seite senkrecht auf der Tragplatte mit allgemein vertikalen Luftlücken zwischen sich angeordnet sind, wobei jede Zelle ein Paar von im Abstand voneinander liegenden, ebenen Seitenwänden aufweist, die durch Endwände, eine obere und eine Bodenwand miteinander verbunden sind, wobei die Seitenwände Luft-Kathoden umfassen und wobei sich eine vertikale, innere Trennwand quer zwischen den Seitenwänden und von der Bodenwand bis kurz unterhalb der Oberwand erstreckt und dabei eine erste, innere Kammer auf einer Seite der Trennwand und eine zweite, innere Kammer auf der anderen Seite der Trennwand bildet, wobei in der ersten inneren Kammer zwischen der Trennwand und einer Endwand der Zelle eine Metallanode senkrecht angeordnet ist, und zwar in einem Abstand von der ersten ebenen Seitenwand und wobei mit der ersten (Anoden-)Kammer unterhalb der unteren Kante der Anode ein Elektrolyt-Einlaß-Anschluß verbunden ist und sich abnehmbar durch die Tragplatte hindurcherstreckt und wobei mit der zweiten, inneren Kammer ein Elektrolyt-Auslaßanschluß verbunden ist und sich abnehmbar durch die Tragplatte erstreckt, um den Elektrolyten in den Behälter zurückzuführen; und
(d) Anschlußmittel zum Verbinden der Zellen mit einem äußeren Verbraucher.
Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die Elektrolyt-Einlaß- und -Auslaßanschlüsse kurze, rohrförmige Teile, die sich durch Löcher in der Tragplatte hindurch erstrecken. Die Einlaß-Rohre umfassen vorzugsweise O-Ringe, um innerhalb der Löcher in der Tragplatte eine enge Passung zu ermöglichen und die Rohre ragen in eine Verteilerkammer hinein, die direkt unterhalb der Tragplatte liegt. Diese Verteilerkammer ist an eine Pumpvorrichtung angeschlossen, die den Verteiler auffüllt und den Elektrolyten durch die Einlaßrohre nach oben in die Metall-Luft-Zellen hineindrückt. Die Auslaß-Rohre erstrecken sich durch die Tragplatte an Stellen hindurch, die außerhalb des Verteilers sind, so daß der rücklaufende Elektrolyt aus den Auslaßrohren direkt in den Elektrolytbehälter fließen kann.
Gemäß der Erfindung umfaßt jede Zelle eine vertikale Trennwand, die sich von der Bodenwand nach oben bis zu einem kurzen Abstand unterhalb der oberen Wand erstreckt. Diese Trennwand schafft eine Elektrolyt-Kammer, die mit dem Elektrolyt-Einlaßrohr verbunden ist und eine Überströmkammer, die mit dem Elektrolyt-Auslaßrohr verbunden ist. Das obere Ende der Trennwand bildet ein Elektrolyt-Überström-Wehr und ist am oder oberhlb des oberen Endes der Metallelektrode angeordnet. Bei einer solchen Anordnung fließt der Elektrolyt durch die Metall-Luft-Zellen nach oben und hat eine starke Spül-Wirkung, um die aus Metall-Hydroxyden bestehenden Reaktionsprodukte zu entfernen, die in dem Raum zwischen der Anode und der Kathode gebildet werden. Das Metall-Hydroxyd-Produkt wird auf diese Weise nach oben getragen und über das Wehr zum Auslaß zurück in den Behälter. Dieses Reaktionsprodukt setzt sich auf dem Boden des Behälters ab und die Batterie kann für einen erheblichen Zeitraum betrieben werden, bevor es notwendig ist, das gesammelte, feste Reaktionsprodukt vom Boden des Behälters zu entfernen. Es ist wünschenswert, den Behälter mit Partikeln aus Al(OH)&sub3; zu impfen.
Gemäß einem weiteren, bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Batterie umfaßt der Elektrolyt-Behälter auch eine Trennwand, die sich auf einem Teil der Höhe des Behälters nach oben erstreckt, um ein weiteres Überströmwehr zu bilden. Der Elektrolyt, der über das innere Wehr des Behälters fließt, ist im wesentlichen frei von festen Reaktionsprodukten und auf der stromabwärtigen Seite des Wehrs sind im Behälter die Pumpeneinlässe angeordnet.
Die Elektrolyt-Pumpe kann in Form einer einzigen Pumpe vorhanden sein, es können aber auch mehrere, kleinere Zentrifugalpumpen verwendet werden. Durch Verwendung mehrerer, kleiner Pumpen kann die Batterie kompakter gemacht werden und ein weiterer Vorteil besteht darin, daß er Ausfall einer Pumpe nicht den Ausfall der Batterie bedeutet. Die Pumpen sind vorzugsweise Zentrifugal-Tauchpumpen, die im Behälter auf der stromabwärtigen Seite des Wehrs angebracht sind. Diese Pumpen fördern vorzugsweise in einen ersten Halte-Tank oder Verteiler hinein, von dem aus mehrere Verbindungsrohre zu den unter den Einlässen zu den Metall-Luft-Zellen angeordneten Verteiler führen. Vorzugsweise haben einige, aber nicht alle Pumpenauslässe Rückschlagventile, um einen Rückfluß des Elektrolyten zu verhindern.
Wenn eine einzige Pumpe benutzt wird, dann hat sie vorzugsweise die Form einer Säulen-Pumpe mit einem Flügelrad, das in den Elektrolyten eintaucht und einem Motor, der oberhalb des Elektrolyten befestigt ist. Die einzige Pumpe kann mit einem größeren Auslaßrohr und ohne Verteiler verwendet werden.
Um die Zufuhr von Luft zu den Lücken zwischen den Metall-Luft-Zellen zu intensivieren, ist vorzugsweise ein Gebläse und ein Luftverteiler neben den Zellen angebracht, um Luft durch die Lücken zu blasen. Gemäß einem bevorzugten Merkmal wird diese Luft auch noch für den weiteren Zweck des Spülens der Oberfläche des Elektrolyten im Behälter benutzt. Es ist gefunden worden, daß bei Hochleistungsbatterien dieser Art auf der Oberfläche des Elektrolyten eine Ansammlung von Wasserstoff erfolgen kann und diese Ansammlung kann eine explosive Höhe erreichen. Um dieses Problem zu vermeiden und die Wasserstoff-Konzentration im Behälter zu verdünnen, sind vorzugsweise Öffnungen in der Tragplatte zwischen den Metall-Luft-Zellen an der Seite der Zellen vorgesehen, die vom Gebläse entfernt liegt. Auf diese Weise wird die Luft, die in einer Richtung durch die Lücken zwischen den Zellen hindurchgeht, durch die Öffnungen in der Tragplatte nach unten und in umgekehrter Richtung quer über die Oberfläche des Elektrolyten geleitet, wodurch der Wasserstoff verdünnt wird. Diese Luft kann durch einen Entnebler und einen Kondensor in die Atmosphäre abgelassen werden.
Um die Temperatur des Elektrolyten zu steuern, kann ferner ein Wärmetauscher vorgesehen sein, durch den hindurch der Elektrolyt von dem Behälter umgepumpt wird. Wenn hohe Stromabgaben von der Batterie gefordert werden, dann kann der Kondensor durch einen zweiten Wärmetauscher ersetzt werden und die Luft kann direkt in die Atmosphäre abgeblasen werden.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nun im einzelnen beschrieben, wobei die oben erwähnten und viele andere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervortreten werden. Es zeigen:
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Metall-Luft-Batterie mit entfernten Abdeckungen;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung für die Metall-Luft-Zellen;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung für den Kondensor und den Wärmetauscher;
Fig. 4 ist eine weitere schematische Darstellung der Batterie;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Batterie, wobei die Abdeckung entfernt ist;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer Entnebelungsvorrichtung;
Fig. 7 ist eine Schnittansicht einer Metall-Luft-Zelle;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7;
Fig. 9 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Zellen-Einlasses; und
Fig. 10 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Einlaß-Verteilers.
Gemäß den Zeichnungen ist ein Gehäuse 10 mit Seitenwänden 13 vorgesehen, das aus einem geeigneten Material besteht, das gegen ätzende Lösungen bei Temperaturen bis zu 95ºC beständig ist, wie z.B. aus Polypropylen oder 316 rostfreiem Stahl und das als Elektrolyt-Behälter dient. Quer über den oberen Abschnitt des Innenraums des Gehäuses 10 erstreckt sich eine Tragplatte oder Plattform 11. Auf einer Seite des Gehäuses 10 sind in der Tragplatte 11 Lücken 36 vorgesehen, die als Luftöffnungen in den Elektrolyt-Behälter hinein dienen.
Getragen durch die Tragplatte 11 erstrecken sich mehrere Metall-Luft-Zellen nach oben, wobei sich zwischen diesen Zellen Luft-Lücken befinden. Diese Zellen 12 haben eine lange, flache und rechteckige Form mit Seitenwänden 21, die Fensteröffnungen zum Zurückhalten der Luftkathoden 22 aufweisen.
Die Luftkathoden 22 sind im allgemeinen rechteckige blattähnliche Teile, die aus aktiviertem Kohlenstoff hergestellt sind und ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. ein Drahtgitter, enthalten. Jede Kathode 22 erstreckt sich vollständig über eine Öffnung in der Wand 21, wobei ihre Kanten dichtend mit der Innenoberfläche der Wand rund um den Umfang der Öffnung herum verbunden sind. Die Kathoden in den beiden Seitenwänden sind vorzugsweise elektrisch so miteinander verbunden, daß sie wirkungsmäßig eine einzig Kathode bilden, die die zwischen ihnen angeordnete Anode umgeben. Die Kathoden sind gegen eine hydrostatische Verformung empfindlich, die von der Lücke zwischen der Anode und der Kathode herrührt. Um dieses Problem zu vermeiden, liegt über der Öffnung in der Wand 21 ein Stützgitter 71 und an den äußeren Kanten des Gitters 71 sind kleine Vorsprünge 72 vorgesehen. Diese Vorsprünge 72 sind so angeordnet, daß die Vorsprünge von benachbarten Paaren von Zellen miteinander in Eingriff sind, wodurch ein steifer Aufbau gebildet wird, während ein freier Luft-Durchfluß zwischen den Zellen möglich ist.
Die Seitenwände 21 sind mit Hilfe eines abnebmbaren oberen Deckels 23, eine Paares von Endwänden 24 und einer Bodenwand 25 miteinander verbunden, wobei der Deckel 23 innerhalb der Wände 21 und 24 dichtend befestigt ist. Die Anode 26 hat einen sich vertikal erstreckenden Streifen 75, der sich durch einen Schlitz im Deckel 23 hindurch nach oben erstreckt und in ähnlicher Weise hat die Kathode eine Verbindungsleitung 76, die sich von derjenigen Seite der Zelle aus erstreckt, wo zwei Kathoden miteinander verbunden sind. Der Streifen 75 und die Leitung 76 sind mit geeigneten, nicht dargestellten Schaltkreis-Vorrichtungen verbunden, um die Zellen in Serie miteinander und mit einem äußeren Verbraucher zu verbinden.
Zwischen den Seitenwänden 21 ist nahe an einer Endwand 24 eine Trennwand 30 vorgesehen, um eine enge Auslaßleitung 32 nahe der Seitenkante zu bilden. Diese Trennwand 30 endet mit ihrer Oberkante 31 kurz unterhalb des oberen Deckels 23, wobei die Kante 31 ein Überlauf-Wehr darstellt. In der Trennwand 30 und in der Endwand 24 sind vertikale Schlitze vorgesehen, um die Aluminium-Anode 26 festzuhalten. Diese Anode endet kurz unterhalb der Oberkante 31 der Trennwand 30. Mit der Bodenwand 25 steht unterhalb der Anode 26 ein Einlaßrohr 27 in Verbindung und ein Auslaßrohr 33 steht mit der Bodenwand 25 direkt unterhalb der Auslaßleitung 32 in Verbindung. Diese Rohre 27, 33 gehen jeweils durch Löcher 29 und 29a in der Tragplatte 11 hindurch. Das Rohr 27 ist vorzugsweise mit ringförmigen Nuten versehen, die O-Ringe 28 enthalten, die ihrerseits das Rohr 27 innerhalb des Loches 29 dicht abdichten. Das Auslaßrohr 33 ist in seinem Durchmesser geringfügig kleiner ausgebildet als das Loch 29a, um auf diese Weise das Einschieben und Herausziehen der Metall-Luft-Zelle 12 zu erleichtern. Um eine Leckage von Luft durch die Löcher 29a hindurch zu verhindern, kann ein dünnes Schaum- oder Gummikissen mit kleinen Löchern auf der Platte 11 über den Löchern 29a aufgelegt werden. Die Auslaßrohre reichen durch die kleinen Löcher in dem Kissen hindurch und dann durch die größeren Löcher 29a.
Unmittelbar unterhalb der Einlaßrohre 27 ist ein oder mehrere Verteiler 15 angeordnet, die sich unterhalb der Trageplatte 11 quer erstrecken. Vorzugsweise teilt eine Trennwand 50 zwei Verteiler, von denen jeder mit einer Reihe von Metall-Luft-Zellen ausgerichtet ist. Wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, leiten vier Einlaß-Rohre 16 in den Verteiler 15 hinein, wobei zwei dieser Rohre in eine Hälfte des Verteilers einleiten und zwei in die andere. Das Einlaßende der vier Rohre 16 ist mit einem zweiten Verteiler 17 verbunden, der wiederum über Auslaßrohre 18 mit drei Zentrifugal-Tauchpumpen 19 verbunden ist. Zwei der drei Auslaßrohre 18 sind mit Rückschlagventilen 49 versehen. Die Pumpen 19 haben Einlässe 20, die vorzugsweise etwas oberhalb des Bodens des Elektrolyt-Behälters angeordnet sind. Alle Rohre, Verbindungsstücke und Verteiler bestehen vorzugsweise aus einem nicht-leitfähigen Material, um mögliche Nebenschluß-Ströme zu vermindern.
Der Elektrolyt-Behälter hat vorzugsweise eine Trennwand 14 mit einer oberen Kante 14a, die ein Überlauf-Wehr bildet. Wie dies aus Fig. 1 hervorgeht, hat der Elektrolyt, nachdem eine gewisse Auslaß-Zeit verflossen ist, auf der rechten Seite des Wehrs ein höheres Niveau und auf der linken Seite des Wehrs ein niedrigeres Niveau. Teilweise gereinigtes Elektrolyt strömt von der rechten Seite zur linken Seite des Wehrs hinüber.
Die Einlässe 20 der Pumpen 19 sind an der stromabwärtigen Seite des Behälters angeordnet, um den teilweise gereinigten Elektrolyt über Verteiler 17 und 15 und durch die Metall-Luftzellen 12 hindurchzupumpen. Der Elektrolyt fließt vom Verteiler 15 aus in Richtung nach oben durch die Lücken zwischen der Anode und den Kathoden hindurch und nimmt dabei gleichzeitig das gesamte Reaktionsprodukt mit, das in den Lücken gebildet worden ist. Der Elektrolyt mit den Reaktionsprodukten wird über das Wehr 31 hinwegbefördert und durch die Auslaßleitung 32 und den Auslaß 33 zurück auf die stromaufwärtige Seite des Elektrolyt-Behälters. Das Reaktionsprodukt S setzt sich auf dem Boden der stromaufwärtigen Seite des Behälters ab, während der teilweise gereinigte Elektrolyt über das Wehr hinüberfließt zu einer Wiedergewinnung durch die Metall-Luft-Zellen.
Neben den Metall-Luft-Zellen 12 ist eine Luftverteiler-Wand 35 vorgesehen, die gegenüber den Lücken Öffnungen 66 zwischen den Zellen hat, um die Luft durch die Lücken hindurch herauszulassen. Ein Gebläse 34 führt der Verteilerwand 35 Luft zu, wobei dieses Gebläse durch elektrische Energie angetrieben wird, die durch die Batterie erzeugt wird. Im Betrieb ist der Raum, der die Metall-Luft-Zellen enthält, innerhalb einer Abdeckung abgedichtet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, allerdings mit Ausnahme der Luft-Einlässe 66 und der Lücken 36 in der Tragplatte. Diese Raum-Abdeckung umfaßt die Luftverteilungswand 35, ein Paar von Seitenwänden 56, eine Endwand 57 gegenüber der Wand 35 und einen entfernbaren Deckel 58. Die Wände 35, 56 und 57 sind dichtend miteinander verbunden und die Bodenkanten der vier Wände sind dichtend mit der Oberseite des Gehäuses 10 verbunden, während der Deckel 58 fest mit den oberen Kanten der vier Wände verbunden ist. Alternativ kann der Deckel 58 auch abdichtend mit den Wänden verbunden sein und die gesamte Raumabdeckung kann abnehmbar sein. Wenn das Gebläse in Betrieb ist, dann wird auf diese Weise Luft quer durch die Lücken zwischen den Metall-Luft-Zellen 12 hindurchgeblasen und nach unten durch die Öffnungen 36 in der Trageplatte hindurch in den Behälter. Die Luft streicht dann in umgekehrter Richtung über die Oberfläche des Elektrolyts im Behälter hinweg, nimmt dabei Wasserstoff auf und wird nach oben durch mehrere Metallrohre 38 des Kondensors 37 in die Atmosphäre abgeblasen. Der Wärmeaustausch im Kondensor wird mit Hilfe von mehreren mechanisch angebrachten Metallrippen verstärkt, durch welche die Luft von den Gebläsen 41 hindurchgeblasen wird. Alternativ kann der Kondensor auch wassergekühlt sein.
Die feuchte Luft, die über den Behälter hinwegstreicht, sammelt ätzenden Nebel und Wasserstoff an. Es ist wünschenswert, den ätzenden Nebel zu entfernen, bevor die Luft in die Kondensorröhren 38 eintritt und dies kann mit Hilfe eines Entnebler-Netzes 70 durchgeführt werden, das über dem Behälter oberhalb des Elektrolyts liegt sowie mit Hilfe einer Entnebler-Einheit 40. Die Entnebler-Einheit 40 ist direkt unterhalb der Einlässe zu den Kondensorrohren 38 angeordnet und umfaßt Schichten, die aus Kunststoff-Faserkissen bestehen. Diese Kissen sind an einer Neigung befestigt, um die Ableitung des gesammelten ätzenden Nebels zurück in den Behälter zu erleichtern.
Der Elektrolyt kann mit Hilfe eines Wärmetauschers 42 gekühlt werden, wobei der Wärmetausch zwischen den Metallrohren und den Metall-Rippen mit Hilfe von Luftgebläsen 48 stattfindet. Der Elektrolyt wird mit Hilfe einer Pumpe 45 durch das Rohr 46 nach oben durch den Wärmeaustauscher gepumpt und über das Auslaßrohr 47 zurück in den Behälter. Der Betrieb der Wärmetauscher-Gebläse wird durch einen Wärme-Schalter gesteuert, der auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt worden ist.
Der Kondensor und der Wärmetauscher können durch eine Abdeckung 60 geschützt sein, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist; diese Abdeckung kann aus zwei Seiten 61, einer Endwand 63 und einer oberen Wand 64 bestehen. Die Seitenwände 61 enthalten Öffnungen 62, um einen freien Fluß der Luft um den Kondensor herum sowie um den Wärmetauscher und das Umlaufgebläse herum zu ermöglichen. Die obere Wand 64 hat einen Auslaß 65, der als Auslaß von den Kondensorröhren 38 dient. Dieser Auslaß kann mit einer Auslaß-Entlüftung verbunden sein.
Zum Starten der erfindungsgemäßen Batterie wird eine kleine Hilfs-Batterie verwendet, die mit den Pumpen 19 verbunden ist. Wenn die Pumpen 19 auf diese Weise aktiviert werden, dann beginnen sie damit, den Elektrolyt durch die Verteiler 17 und 15 nach oben zu pumpen. Da sich in den Verteilern Gas ansammeln kann, ist es wünschenswert, in den oberen Abschnitten der Seitenwände 51 des Verteilers 15 kleine Löcher zum Entlüften des Gases vorzusehen, bevor es nach oben durch die Metall-Luft-Zellen hindurchgeht. Nachdem das Gas aus dem Verteiler vollständig ausgeschieden ist, stellt sich ein geringer Ausfluß von Elektrolyt durch die Löcher ein. Sobald der Elektrolyt einen Kontakt zwischen der Anode und der Kathode herstellt, beginnt die Erzeugung von Elektrizität und die Hilfsbatterie wird nicht länger benötigt. Die Pumpen 19 und 45, das Gebläse 34 sowie die Lüfter 41 und 48, werden durch die Überschuß-Energie aus der erfindungsgemäßen Batterie getrieben. Es ist auch möglich, eine Handpump-Vorrichtung vorzusehen, um die Batterie zu starten, wobei es dann nicht nötig ist, eine Hilfsbatterie vorzusehen.
Die drei Pumpen 19 haben eine so große Überschußkapazität daß zwei von diesen drei Pumpen ausfallen können und daß dennoch genügend Elektrolyt gepumpt wird, um die Metall-Luft-Zellen mit Elektrolyt zu füllen und die Batterie in Betrieb zu halten. Um einen Fließ-Kurzschluß durch eine ausgefallene Pumpe zu verhindern, sind an allen Pumpen mit Ausnahme von einer Rückschlagventile 49 vorgesehen.
Wenn es gewünscht wird, die Batterie aus irgendwelchem Grunde außer Betrieb zu setzen, z.B. wegen der Notwendigkeit, die Metall-Luft-Zellen zu ersetzen, dann brauchen in einfacher Weise nur die Pumpen angehalten werden, wodurch der Elektrolyt aus den Metall-Luft-Zellen aus läuft und die Zellen ersetzt werden können. Die Batterie kann auf diese Weise in einen Zwischenzustand zurückversetzt werden und einzelne Zellen können in einer normalen Zeit geöffnet und die Anoden ersetzt werden.
Um das System zu spülen, kann an einer Seitenwand 13 des Gehäuses 10 ein Einweg-Auslaßventil vorgesehen sein, und zwar in einer Höhe oberhalb der höchstzulässigen Ansammlung von festen Reaktionsprodukten S und unterhalb des Niveaus des Wehrs 14a. Wenn das Einweg-Ventil sich in seiner offenen Stellung befindet, dann kann auf diese Weise Wasser in die Pumpenseite des Elektrolyt-Behälters eingefüllt werden und dann durch die Pumpen und Zellen in die stromaufwärtige Seite des Elektrolytbehälters in Umlauf gesetzt werden. Gleichzeitig fließt Flüssigkeit durch das Einweg-Ventil aus dem Behälter aus. Auf diese Weise kann die gesamte Beize mit Ausnahme derjenigen, die innerhalb der Festteilablage S enthalten ist, aus der Batterie ausgespült werden.
Eine Batterie der Konstruktion, wie sie in den Fig. 1 bis 8 dargestellt ist, ist mit zwanzig abnehmbaren Aluminium-Luft-Zellen hergestellt worden. Jede Aluminium-Anode hatte eine Dicke von 13 mm, eine Höhe von 18,2 cm und eine Breite von 11,1 cm. Die verwendeten Kathoden waren Gas-Diffusionskathoden der Bauart AE-20, wie sie von der Electromedia Inc. hergestellt werden. Die Zellen hatten jeweils eine Dicke von 1,2 cm, eine Höhe von 23,0 cm und eine Breite von 13,0 cm.
Der Elektrolyt war 5 M KOH mit 0,005 M Natrium-Stannat und er wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von 15 l/min durch die Aluminium-Luft-Zellen gepumpt. Zwischen den Zellen und durch den Behälter hindurch wurde Luft mit einer Fließmenge von 28 l/min umgepumpt. Diese Batterie erzeugte ununterbrochen für mehr als 60 Stunden über 500 Watt mit einem Ausgangsstrom von etwa 18 Ampere. Die Batterie hatte eine Netto-Energieabgbe von über 300 Watt-Stunden pro Kilogramm Batteriegewicht.

Claims

1. Batterie mit

(a) einem Tank (10), der einen Behalter für einen flüssigen Elektrolyt bildet,

(b) einer im wesentlichen horizontal oberhalb des Elektrolyt-Behalters angebrachten Tragplatte (11),

(c) mehreren, einzeln entfernbaren Metall-Luft-Zellen (12), die Seite an Seite senkrecht auf der Tragplatte (11) so angebracht sind, daß zwischen ihnen im allgemeinen senkrechte Luft-Lücken vorhanden sind, wobei jede Zelle ein Paar von im Abstand voneinander angeordneten ebenen Seitenwanden (21) aufweist, die durch Endwände, eine obere und eine Bodenwand (23, 25) miteinander verbunden sind, wobei die Seitenwände Luft-Kathoden 22 umfassen und eine senkrechte, innere Trennwand (30), die sich quer zwischen den Seitenwänden (21) und von der Bodenwand (25) bis kurz unterhalb der oberen Wand (23) erstreckt und dabei eine erste, innere Kammer auf einer Seite der Trennwand und eine zweite innere Kammer auf der anderen Seite der Trennwand bildet, wobei in senkrechter Richtung in der ersten inneren Kammer zwischen der Trennwand (30) und einer Endwand der Zelle und in einem Abstand von den ebenen Seitenwänden (21) eine Metallanode (26) angebracht ist und wobei ferner mit der ersten (Anoden-)Kammer unterhalb der unteren Kante der Anode (26) ein Elektrolyt-Einlaßrohr verbunden ist, das sich abnehmbar durch die Tragplatte (11) hindurch erstreckt und daß ferner mit der zweiten inneren Kammer ein Elektrolyt-Auslaßrohr (33) verbunden ist, das sich abnehmbar durch die Tragplatte (11) hindurch erstreckt um den Elektrolyt in den Behälter zurückzuführen, und

(d) Schaltkreis-Mittel (75, 76) zum Verbinden der Zellen mit einem äußeren Verbraucher.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkante (31) der Trennwand (30) ein Elektrolyt-Überström-Wehr bildet und oberhalb des oberen Endes der Metallanode (26) angeordnet ist.

3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyteinlaß- und -auslaßanschlüsse (27, 33) Rohre sind, die sich von der Bodenfläche der Zellen aus nach unten erstrecken.

4. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Elektrolyt-Verteiler (15) umfaßt, der unterhalb der Tragplatte (11) angebracht ist und mit den Einlaßrohren (27) verbunden ist.

5. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt-Behälter eine Trennwand (14) enthält, die ein Überström-Wehr (14a) bildet, wobei die Zellen-Auslaßanschlüsse (33) zum Auslassen des Elektrolyts in den Behälter auf der stromaufwärtigen Seite des Wehrs (14a) angeordnet sind.

6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Pumpen des Elektrolyts aus dem Behälter heraus zu den Einlaß-Anschlüssen Pumpvorrichtungen umfaßt, die ihrerseits aus mehreren, Zentrifugal-Tauchpumpen (19) bestehen, die im Behälter auf der stromabwärtigen Seite des Wehrs angeordnet sind.

7. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßrohre von wenigstens einigen der Pumpen (19) Rückschlagventile (49) aufweisen.

8. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gebläsevorrichtung (34) und Luftverteilungsvorrichtungen (35) umfaßt, mit deren Hilfe Luft durch die Luft-Lücken geblasen werden kann und danach nach unten durch Öffnungen (36) auf einer Seite der Tragplatte (11), quer durch den Behälter oberhalb des Elektrolyts und dann durch einen Kondensor (27) in die Atmosphäre.

9. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor (37) ein luftgekühlter Kondensor ist, der auf der Tragplatte (11) oberhalb des Behälters auf der stromabwärtigen Seite des Wehrs angeordnet ist.

10. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entnebelungsvorrichtung (40) zum Entfernen des ätzenden Nebels aus der Luft vorgesehen ist, die in den Kondensor eintritt.

11. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (42) zum Kühlen des Elektrolyts vorhanden ist.

12. Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (42) ein luftgekühlter Wärmetauscher ist, der auf der Tragplatte (11) oberhalb des Behälters auf der stromabwärtigen Seite des Wehrs angebracht ist.

13. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Luft-Kathode (22) die Form eines Bleches hat, das dichtend innerhalb der Öffnung in der Seitenwand (21) liegt, wobei sich quer über die Öffnung ein Kathoden-Stützgitter (71) erstreckt, das kleine, nach außen gerichtete Vorsprünge (72) hat, die so angeordnet sind, daß die Vorsprünge von benachbarten Paaren von Zellen miteinander in Eingriff sind, um eine steife Lagerung für die Kathode (22) zu bilden, dabei jedoch einen freien Luftfluß zwischen den Zellen zu ermöglichen.