DE69210604T2

DE69210604T2 - Brennstoffbeladungssystem

Info

Publication number: DE69210604T2
Application number: DE69210604T
Authority: DE
Inventors: Joseph Biran; Jonathan R Goldstein; Eugeni Pecherer
Original assignee: Electric Fuel EFL Ltd
Current assignee: Electric Fuel EFL Ltd
Priority date: 1992-09-15
Filing date: 1992-09-15
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2012-09-16
Also published as: EP0589101A1; ES2090524T3; US5405713A; DE69210604D1; EP0589101B1; ATE137890T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffbeladungssystem für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffbeladungssystem für das automatische Neuladen von Zink-Luft-Batterien.
Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Vorschläge für elektrisch betriebene Fahrzeuge gemacht. Heute werden aus einer Anzahl von Gründen elektrische Fahrzeugsysteme bereits für städtische Hauptstraßenanwendungen kommerziell interessant. Es hat Vorschläge gegeben, Zink-Luft-Batterien für den Antrieb von Stadtfahrzeugen zu verwenden. Ein Beispiel ist die folgende Veröffentlichung: "Improved slurry zinc-air systems as batteries for urban vehicle propulsion" von P.C. Foller, Journal of Applied Electrochemistry 16 (1986), Seiten 257-543.
In der Publikation "Machine Design" vom 21. September 1989 wurde ein Rückblick auf elektrische Batterien und Fahrzeuge gegeben, und es wurde herausgefunden, daß wahrscheinlich Lieferwagen die ersten kommerziell hergestellten elektrisch betriebenen Fahrzeuge waren.
Der Lieferwagen CF der Firma Bedford, der eine Blei-Säure- Batterie verwendet, wird in Großbritannien hergestellt. Er hat eine Reichweite von 80 bis 86 km (50 bis 60 Meilen) und eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h, wie dies im Standardhandbuch für elektrische Ingenieure angegeben ist.
In den folgenden Publikationen sind Metall-Luft-Batteriestrukturen beschrieben: US-PS 4,842,963 mit dem Titel "Zinc Electrode and Rechargeable Zinc-Air Battery"; US-PS 4,147,839 mit dem Titel "Electrochemical Cell with Stirred Slurry"; US-PS 4,908,281 mit dem Titel "Metal-air Battery with Recirculating Electrolyte"; US-PS 3,847,671 mit dem Titel "Hydraulically Refuelable Metal-Gas Depolarized Battery System"; US-PS 4,925,744 mit dem Titel "Primary Aluminium-Air Battery"; US-PS 3,716,413 mit dem Titel "Rechargeable Electrochemical Power Supply". In der US-PS 3,592,698 mit dem Titel "Metal Fuel Battery with Fuel Suspended in Electrolyte", ist unter anderem ein Verfahren zum Zirkulierenlassen eines Elektrolyt/Metall-Kraftstoffpulvergemisches durch die Batterie beschrieben. Die US-PS 4,126,733 mit dem Titel "Electrochemical Generator Comprising an Electrode in the Form of a Suspension" bezieht sich auf einen ähnlichen Gegenstand, bei dem eine zirkulierende Suspension von Inertkernen, die mit einem elektrochemisch aktiven Metall beschichtet sind, verwendet wird. In der US-PS 4,341,847 mit dem Titel "Electrochemical Zinc-Oxygen Cell" ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Elektrolyt im Ringraum zwischen konzentrischen Elektroden zirkuliert.
Elektrische Energie-Speichersysteme sind in den folgenden Publikationen beschrieben: US-PS 4,843,251 mit dem Titel "Energy Storage and Supply"; "Energy on Call" von J.A. Casazza et al., IEEE Spectrum, Juni 1975, Seiten 44-47; US-PS 4,275,310 mit dem Titel "Peak Power Generation"; US-PS 4,124,805 mit dem Titel "Pollution-Free Power Generating arnd Peak Power Load Shaving System"; US-PS 4,797,566 mit dem Titel "Energy Storing Apparatus".
Die Wiederherstellung verbrauchten zinkhaltigen, alkalischen Elektrolyts wird in einer Anzahl von früheren Patenten beschrieben. Beispielsweise in der US-PS 3,847,671 (vorstehend bereits erwähnt), bei der der gesamte verbrauchte Elektrolyt einer Elektrolyse unterzogen wird, wenn Zink, das sich an der Kathode abgeschieden hat, mit einem Wischerblatt entfernt wird. Das so entfernte Zink ist dasjenige, welches im wesentlichen schwerer als der Elektrolyt ist (35 - 40% KOH) und fällt daher auf den Boden jeder Zelle. In der US-PS 3,981,747 wird vorgeschlagen, das verbrauchte Zink in einem alkalischen Elektrolyt durch die Reaktion mit einem stark elektronegativen Metall, wie beispielsweise Magnesium oder Aluminium, welches Zink ersetzt, zu regenerieren. In der US-PS 4,341,847 (ebenfalls vorstehend erwähnt) wird verbrauchtes Zink in dem alkalischen Elektrolyt entweder durch Umkehren des Stroms und Plattieren von Zink auf der Anode oder lediglich durch mechanisches Ersetzen der Zinkoxidteilchen durch aktive Zinkteilchen, wie beispielsweise in der israelischen Anmeldung 100903 (nicht vorveröffentlicht) beschrieben, regeneriert.
Metall-Luft- und insbesondere Zink-Luft-Batteriesysteme sind infolge ihrer hohen Energiedichten, relativen Betriebssicherheit und der Möglichkeit des leichten mechanischen Neuladens allgemein bekannt, wobei solche Systeme als Stromquelle für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge vorgeschlagen wurden. Heute zeigen aus verschiedenen Gründen solche Systeme schon signifikanten, kommerziellen Erfolg.
Zur Verwendung als Fahrzeugantrieb ist es sehr zu wünschen, daß eine Batterie eine hohe spezifische Energie relativ zu ihrem Eigengewicht hat. Die Blei-Säure-Batterien erzeugen nur 30 - 40 Wh/kg, und selbst der Hochtemperatur-Natrium- Schwefel-Typ wird mit nur 100 Wh/kg bewertet. Hierin liegt ein zentraler Vorteil der Zink-Luft-Batterie, die mit 150 - 250 Wh/kg bewertet wird, was höher als bei jeder an deren zur Verfügung stehenden, wiederaufladbaren Batterie ist.
Einer der prinzipiellen Nachteile von Batteriesystemen als Antriebsquelle für den Antrieb von Kraftfahrzeugen und insbesondere von Zink-Luft-Batteriesystemen liegt in der Schwierigkeit, die Kombination aus sowohl einem hohen fortlaufenden Strombedarf, wie er beispielsweise für das Fahren auflangen Steigungen benötigt wird, und einer kurzzeitigen Leistungsabgabe mit hoher Spitze, wie er beispielsweise für schnelles Beschleunigen benötigt wird, zu erzielen, wobei gleichzeitig eine hohe Energiedichte und eine Vereinfachung der schnellen Ladbarkeit erhalten sein soll.
Um andererseits eine hohen fortlaufenden Stromabgabe zu erzielen, wird ein großes Reservoir an aktivem Anodenmaterial benotigt. Infolge des Raums und anderer in Betracht zu ziehender Gründe wird dieses im allgemeinen am besten durch Einbauen eines hochporösen aktiven Anodenelementes mit einer großen Oberfläche des aktiven anodischen Materials erzielt.
Um im Gegensatz hierzu einen honen Spitzenleistungsausgang zu erzielen, d.h. das Vermögen, einen sehr hohen Leistungspegel für eine kurze Zeitdauer zu schaffen, haben Untersuchungen ergeben, daß eine enge interpartikuläre Struktur des aktiven anodischen Materials von Vorteil ist. Dies führt zu einer geringen Porösität bei den bekannten Pulveranoden und kann zu einer drastischen Verringerung der Stromkapazität der Batterie führen.
Bei den bekannten Batteriesystemen wurde bis heute sehr viel Energie darauf verwendet, eine hohe Kapazität zu erzielen. Zink-Anoden für verschiedene Batteriesysteme werden im allgemeinen gemäß einer von zwei großen Familien von Prozessen hergestellt: Gemäß einer Familie, insbesondere bei alkalischen Primärbatterien anwendbar, werden die Anoden aus feinpulverisiertem Zink, das typischerweise durch einen thermischen Atomisierungsprozeß erzeugt wird, aufgebaut. Das resultierende Zinkpulver hat typischerweise eine Teilchengrößenverteilung zwischen 0,0075 bis 0,8 mm und eine Oberfläche zwischen 0,2 bis 0,4 m²/g, wird allgemein mit Quecksilber, Natriumkarboxymethyl-Zellulose und KOH-Lösung kombiniert, um eine gelierte Masse zu bilden, die einfach in eine Anodenform extrudiert werden kann. Alternativ kann das pulverisierte Zink gesintert werden oder mit Quecksilber angefeuchtet und dann zu einer Platte gepreßt werden. Die Porösität der Anode kann durch die Verwendung von entfernbaren, porenbildenden Materialien, wie beispielsweise NH&sub4;Cl, gesteuert werden. Die Dichte des Zinkanodenmaterial-Zwischenstoffes, der bei solchen Verfahren verwendet wird, liegt typischerweise im Bereich von 2,5 bis 3,5 g/cm³.
Gemäß der zweiten Familie der Herstellverfahren, wie durch eine Anode exemplifiziert, die in der US-PS 4,842,963 von Ross vorgeschlagen wurde, die insbesondere für elektrisch wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien als geeignet angesehen wird, wird die Elektrode durch elektrolytisches Abscheiden von Zink auf der internen Fläche der Schaumstoff-Elektrodenunterlage gebildet, um eine Zinkelektrode herzustellen. Dieses Patent beansprucht jedoch eine verbesserte Zinkelektrode für eine wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie, die aufweist einen Außenrahmen, eine poröse Schaumstoff-Elektrodenunterlage innerhalb des Rahmens, auf welcher Zink abgeschieden ist und die vor dem Abscheiden des Zinks auf derselben behandelt worden ist, um die Bildung von Zink- Dendriten auf der Außenfläche derselben zu unterbinden, und Mittel innerhalb des Außenrahmens zum Zirkulierenlassen eines alkalischen Elektrolyten durch das Innere des behandelten zinkbeschichteten porösen Schaumstoffes, und ein Batteriesystem, welches Mittel zum Zirkulierenlassen eines zirkulierenden alkalischen Elektrolyten durch das Innere desselben einschließt, ist nicht praktisch oder wünschenswert.
Bei typischen Stromdichten wurde herausgefunden, daß Zink- Luft-Batterien, in welchen die Anoden gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren konstruiert sind, bei der Schaffung einer Kombination aus schneller Nachladefähigkeit, hoher Stromkapazität und hohem Spitzenleistungsausgang versagen. Daher wäre es wünschenswert, eine Anode zu schaffen, die eine Batterie schaffen kann, die all diese Eigenschaften hat, d.h. hohe Stromdichte, schnelle Wiederladefähigkeit, hohe Stromkapazität und hoher Spitzenleistungsausgang.
Gemäß einer Anstrengung zur weiteren Erhöhung der Vorteile der Verwendung von Zink-Luft-Batteriesysternen für einen Elektroauto-Antrieb, wurde nun in einer schwebenden Anmeldung vorgeschlagen, ein mechanisch wiederaufladbares Batteriesystem zu verwenden, das eine starre Anode aufweist, die so konstruiert ist, daß sie an bestimmten Servicestationen, die für diesen Zweck speziell ausgerüstet sind, in regelmäßigen Abständen schnell ausgebaut und ausgetauscht werden kann. Das verbrauchte anodische Material, das nach dem Gebrauch oxidiert ist, kann dann außerhalb der Batterie für spätere Wiederverwendung in anderen Batterien recycelt werden. Um das Recyceln des aktiven anodischen Materials zu erleichtern, ist es notwendig, das verbrauchte anodische Material von den anderen Anodenbestandteilen zu trennen.
In der israelischen Anmeldung 100903 (nicht vorveröffentlicht) ist eine verbesserte Zink-Batterie-Anode, insbesondere für Zink-Luft-Batterien, beschrieben und beansprucht, die gekennzeichnet ist durch einen im wesentlichen ebenen Skelettrahmen, der elektrisch leitfähiges Metall aufweist, wobei ein Teil seiner Oberfläche als offene Räume ausgebildet ist und ein aktives Zink-Anodenelement, das den Skelettrahmen umgreift, und das aktive Anodenelement aus einem Schlamm aus porösen Körnchen, die Zink enthalten, imprägniert mit einem Elektrolyten und in diesem suspendiert, gebildet ist, der unter Druck auf den Skelettrahmen gepreßt ist.
Diese Schrift gibt jedoch keine Lehre für oder schlägt kein Verfahren zum automatischen Neuladen derartiger Anoden vor.
Angesichts dieses Standes der Technik wird nun gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffbeladungssystem für automatisches Neuladen von Zink-Luft-Batterien, wie im Anspruch 1 beansprucht, vorgeschlagen.
Obwohl sich die folgende Beschreibung hauptsächlich auf eine Beladungs- und Wiederherstellungsstation bezieht, wie sie in der Fig. 12 gezeigt ist, wo eine verbrauchte Batterie aus dem Fahrzeug herausgenommen wird und durch eine neue oder neu geladene Batterie ersetzt wird, sind viele der beschriebenen Komponenten für die Verwendung in einem System geeignet, bei dem die Batterie ohne Herausnehmen aus dem Fahrzeug neu geladen wird. Das erstere System ist für eine Situation geeignet, bei der die hereinkommenden Fahrzeuge, die sofort gefahren werden, an der Beladungsstation schnell bedient werden müssen, während das zuletzt genannte System für das Bedienen von beispielsweise Lieferwagen geeignet ist, die nur am Tag in Betrieb sind und während der Nacht neu geladen werden.
Es ist auch zu ersehen, daß das Beladen und Wiederherstellen nicht notwendigerweise am selben Ort durchgeführt werden muß. Beispielsweise kann eine einzige zentrale Wiederherstellstation gut für eine Vielzahl von Beladungsstationen dienen. Die zuletzt genannten werden die Elektrofahrzeuge in ihrem eigenen Bereich warten, um die verbrauchten Batterien (oder die verbrauchten Batteneanoden) zusammen zu der erstgenannten im Austausch für neu geladene Batte rien (oder wiederhergestellte Anoden) zu transportieren. Dadurch wird die Wiederherstellstation in der Lage sein, ihre automatische Ausrüstung zu verwenden, während jede Beladungsstation nur die einfache Ausrüstung benötigt, um die Batterien (oder Anoden) in den Fahrzeugen auszubauen und zu ersetzen.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit gewissen bevorzugten Ausführungsformen anhand der folgenden der Erläuterung dienenden Figuren beschrieben, so daß diese vollständig verständlich wird.
Es wird nun spezifisch auf die Figuren im einzelnen Bezug genommen und es ist darauf hinzuweisen, daß die gezeigten Einzelheiten nur ein Beispiel darstellen und zum Zweck der erläuternden Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen und als Fall präsentiert werden, von dem angenommen wird, daß er die nützlichste und am einfachsten zu verstehende Beschreibung der Prinzipien und der konzeptuellen Aspekte der Erfindung schafft. Diesbezüglich wurde nicht versucht, strukturelle Einzelheiten der Erfindung mehr als notwendig für das grundsätzliche Verstehen der Erfindung im Detail zu zeigen, die Beschreibung anhand der Figuren macht dem Fachmann klar, wie verschiedene Formen der Erfindung in der Praxis ausgeführt sein können.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Beladungssystems gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Maschine zum Herausnehmen und Ersetzen der Anoden in einem Batteriegehäuse;
Fig. 3 die Maschine gemäß Fig. 2 in einer Vorderansicht, die die Anoden-Klemmeinrichtung zeigt;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Entfernen und Ersetzen von Elektrolyt in einem Batteriegehäuse, teilweise weggebrochen;
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Elektrolyt;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Zwei- Schritt-Verarbeitungseinheit zum Umwandeln von Zinkoxid in aktives Zink;
Fig. 7 und 8 jeweils eine Maschine zum Entfernen des Zinkoxids aus einem leitfähigen Rahmen im Schnitt;
Fig. 9 die obere und untere Platte einer Verdichtungspresse für Anoden im Schnitt;
Fig. 10 die untere Platte dieser Presse in der Draufsicht;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für Inertgasspülen; und
Fig. 12 eine anschauliche Darstellung einer Beladungsstation für Elektrofahrzeuge.
In der Fig. 1 sind die meisten Komponenten eines Beladungssystems für automatisches Neuladen von Zink-Luft-Batterien von dem Typ gezeigt, der eine Vielzahl von aktiven Zink-Anodenelementen hat, die aus aktivem Zinkmaterial gebildet sind und die an einem Halterahmen befestigt in einen wäßrigen, alkalischen Elektrolyten in einem Batteriegehäuse getaucht sind, wobei jedes Anodenelement in einer alternierenden Reihe mit einer Luftkathode angeordnet ist. Diese Batterien sind in der heute eingereichten, zugehörigen, schwebenden Anmeldung derselben Anmelderin beschrieben.
Das System 10 hat eine automatische Einrichtung 12 zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von verbrauchten Anoden 145 von dem Batteriegehäuse 16, wobei diese Einrichtung 12 im einzelnen anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wird.
Der Einrichtung 12 ist eine Einrichtung 18 zum Entfernen verbrauchten Elektrolyts 20 aus dem Gehäuse 16 zugeordnet; diese wird im einzelnen anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben.
Es ist auch eine Transporteinrichtung 22 zum Fördern verbrauchter Anoden 14 zu einer Anodenverarbeitungsstation 24 zu sehen. Die Zeichnung zeigt eine Zwischenspeicherstation 26, die verwendet wird, um einen gleichmäßigen Strom verbrauchter Anoden 145 zur Bearbeitungsstation 24 zu erzielen, die anhand der Fig. 7 und 8 beschrieben wird. An der Station 24 wird das zumindest teilweise oxidierte Zink von dem Trägerrahmen 28 entfernt.
Es sind auch ein Lösungstank 30 und elektrolytische Extraktionsbäder 32 zu sehen, die anhand der Fig. 6 beschrieben werden.
Das System 10 hat auch eine Einrichtung 34 zum Befestigen von neuem oder wieder aufgearbeitetem aktivem Zinkmaterial an einem gesäuberten Trägerrahmen 28, um eine aktive Zinkanode zu bilden, wobei diese Einrichtung 34 in der Fig. 9 und 10 zu sehen ist.
Fig. 1 zeigt eine Stromwandlungs- und Steuereinheit 36 und Puffertanks 38 für das Speichern von Elektrolyt oder elektrischem Kraftstoff.
Das System 10 hat weiterhin eine automatische Einrichtung zum gleichzeitigen Einsetzen einer Anzahl von aktiven Zinkanoden in das Batteriegehäuse. Zu diesem Zweck kann die Einrichtung 12, wie sie anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben ist, verwendet werden. Es ist daher vorteilhaft, wenigstens zwei solche Einrichtungen zu verwenden, eine zum Ausbauen und eine zum Einbauen. Ähnlich kann die Einrichtung 18 zum Entfernen von verbrauchtem Elektrolyt 20 auch die Einrichtung zum Einleiten von frischem Elektrolyt 20 in das Batteriegehäuse 16 aufweisen. Wiederum ist es zweckmäßig, für das Entfernen und Einfüllen separate Einheiten zu verwenden.
Fig. 2 zeigt die automatisierte Einrichtung 12 zum gleichzeitigen Trennen einer Anzahl von verbrauchten Anoden 145 aus einem Batteriegehäuse 16. Die gleiche Einrichtung kann so angeordnet sein, daß sie für den umgekehrten Zweck als automatisierte Einrichtung zum gleichzeitigen Einsetzen einer Anzahl von aktiven Zinkanoden 14a in das Gehäuse 16 dient.
Die zu beladende Batterie 40 wird auf einem horizontalen Tisch 42 festgeklemmt, nachdem vorher ihre obere Abdeckung entfernt worden ist. Eine Mehrfachanoden-Klemmeinrichtung 44, die anhand der Fig. 3 beschrieben wird, ist an einer Säule 46 verschiebbar montiert und kann an dieser entweder nach oben oder nach unten angetrieben werden; sie ist in ihrer oberen Position dargestellt, in der ein Satz verbrauchter Anoden 145 gehalten ist, der aus dem Gehäuse 16 gehoben worden ist.
Auf mittlerer Höhe unterhalb der verbrauchten Anoden 145, die in der Einrichtung 44 gehalten sind, ist ein Behälter 48 für verbrauchte Anoden 145 gezeigt. Der Behälter 48 kann in eine Position unter der Einrichtung 44 mit dieser fluchtend geschwenkt werden, um die verbrauchten Anoden 145 von dieser aufzunehmen. Ein zweiter Behälter 50, der aktive Anoden 14a hält, kann abwechselnd unter die Einrichtung 44 geschwenkt werden, die so ausgebildet ist, daß sie die Anoden 14a ergreifen und herausheben kann. Nachdem der Behälter 50 zurückgeschwenkt worden ist, um den Weg für die Einrichtung 44 freizumachen, werden die neuen Anoden 14a in die zu beladende Batterie 40 gesenkt.
Fig. 3 zeigt eine Einzelheit der Klemmvorrichtung 44 und auch Teile der behandelten Batterie.
Die Vorrichtung 44 bildet die Mittel zum Trennen einer Anzahl von verbrauchten Anoden 14s aus dem Batteriegehäuse 16; sie hat einen Mechanismus 52, der gleichzeitig eine Anzahl von verbrauchten Anoden 14s ergreift und diese aus dem Gehäuse 16 hebt.
Die gezeigten Batterieteile sind der Anodenträger- und -sammelrahmen 28, das poröse Zinkblatt 56, vorstehende Kontaktelemente 58, der obere horizontale Leiterstab 60 und eine untere elastische Dichtung 62, die an einem Kunststoffträger 64 montiert ist.
Um die verbrauchten Anoden 14s aus dem Gehäuse 16 zu entfernen, wird der Mechanismus 52 nach unten gebracht und in Stellung geschwenkt, wobei er unter die vorstehenden Vorsprünge 66 eingreift. Ein Paar beschwerter Druckhebel 68 bewirkt, daß die Haken 70 mit den Vorsprüngen 66 eingerastet bleiben, wenn der Mechanismus 52 an einer Öse 72 angehoben wird und die Zughebel 74 anhebt. Eine Anzahl von Klemmvorrichtungen 44 arbeiten gleichzeitig, um einen Teil oder die gesamte Batterie zu warten.
In der Fig. 4 ist eine Einrichtung 18 zum Entfernen und Einfüllen von Elektrolyt 20, üblicherweise KOH, in das Batteriegehäuse 16 gezeigt.
Die Einrichtung 18 hat eine Pumpe (nicht dargestellt), die mit mehreren Einlaßleitungen 76 und Ausgangsleitungen 78 versehen ist, die jeweils in eine Zelle des Gehäuses 16 einführbar sind, nachdem die verbrauchten Anoden 145 aus diesem entfernt sind. Der Elektrolyt 20 läuft durch eine Leitung 79. Die Einrichtung 18 kann zusätzlich zum Entfernen und Einfüllen von Elektrolyt zum Tanken oder zum Ausspülen von irgendwelchen Festkörpern, die sich im Gehäuse 16 angesammelt haben, verwendet werden. Die Einrichtung 18 arbeitet, nachdem sie in ein Gehäuse 16 abgesenkt worden ist, und wird nach Beendigung der durchgeführten Aufgabe angehoben. Obwohl die Einrichtung 18 in der Figur als eine unabhängige Einheit erscheint, ist es von Vorteil, diese mit der automatisierten Einrichtung 12, wie in der Fig. 2 gezeigt, zu kombinieren. Eine derartige Anordnung spart einen Transportvorgang des Gehäuses 16.
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung 80 zum Entfernen von verbrauchtem Elektrolyt 20 aus einem Batteriegehäuse 16, das hierbei in Zellen 82 unterteilt gezeigt ist.
Die Einrichtung 80 hat ein Gestell 84, eine angelenkte Plattform 86 zum Kippen des Gehäuses 16 und eine Klemmeinrichtung 88 zum Halten des Gehäuses 16. Ein Ablaufdruck 90 nimmt den verbrauchten Elektrolyt 20 zur Erneuerung oder Entsorgung auf. An einer Station, wo es nur erforderlich ist, den verbrauchten Elektrolyt 20 zu entfernen, ist die Einrichtung 80 schneller und billiger als die Einrichtung 18.
Fig. 6 zeigt eine zweistufige Anodenbearbeitungseinheit zum Wiederaufbereiten von oxidiertem Zink, um aktives Zink zu erzeugen.
In einem ersten Schritt wird Zinkoxid, das zuvor von verbrauchten Anoden 148 mittels einer Einrichtung, wie sie anhand der Fig. 7 und 8 beschrieben wird, entfernt worden ist, in einen Lösungstank 30 geführt, wo es in überschüssigem KOH zersetzt wird, um eine Zinkatlösung zu erzeugen. Die Zinkatlösung wird darauffolgend in ein Elektrogewinnungsbad 32 transferiert, um teilchenförmiges aktives Zink zu erzeugen.
Fig. 7 zeigt eine Maschine 92 zum Entfernen von Zinkoxid vom Anodenträgerrahmen 28.
Zink, das wenigstens teilweise oxidiert ist, wird mechanisch von dem Trägerrahmen 28 in der Maschine 92 entfernt, die mit einer Anzahl von Achsen 95 versehen ist, die jeweils mit drehbar angetriebenen, flexibel aufgehängten Körpern 96 versehen sind. Die Maschine 92 ist mit Mitteln 97, beispielsweise einem hin- und herverschiebbaren Luftzylinder versehen, um den Trägerrahmen 28 mit den Körpern 96 in Berührung zu bringen, was so wirkt, daß das relativ spröde Zinkoxid vom Rahmen 28 abgeschält wird. Wie zu ersehen ist, können alternative Mittel, wie beispielsweise eine Zangeneinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um das ausgetragene Material der Anode 94, das im Rahmen 28 zurückgeblieben ist, zu pulverisieren. Ein Behälter 98 ist an einem oberen Führungsschlitz 100 vorgesehen, um eine verbrauchte Anode 145 einzusetzen. Das ausgetragene Produkt, hauptsächlich ZnO mit etwas metallischem Restzink, und KOH wird in dem Behälter 98 gesammelt und darauffolgend in den Lösungstank 30 transferiert. Der Anodenträgerrahmen 28 wird zum Reinigen mittels eines KOH-Spül- und Tränk-Vorganges transportiert.
Fig. 9 zeigt die oberen und unteren Platten 102, 104 einer eine Verdichtungspresse aufweisenden Einrichtung 34 zum Herstellen aktiver Anoden 14a, und die Fig. 10 zeigt die untere Platte 104 dieser Presse. Beide Platten können zweckmäßigerweise aus PVC hergestellt sein, das gegenüber dem KOH beständig ist, welches in dem Schlamm 108 enthalten ist.
Ein Behälter 106 ist so geformt, daß er einen Anodenträgerrahmen 28 halten kann, der in einen vorab gewogenen Zinkschlamm 108 eingetaucht wird. Die Presse ist mit Mitteln zum Ausüben eines Druckes von wenigstens 20 kg/cm² vorzugsweise 30 kg/cm² auf die Oberfläche des Schlamms 108 versehen. Der Behälter 106 ist mit Ablaufmitteln 110 versehen, um ein Entweichen des überschüssigen KOH zu ermöglichen.
Im Betrieb wird neues oder wiederaufbereitetes aktives Zinkmaterial an einem gereinigten Trägerrahmen 28 befestigt, um eine aktive Zinkanode 14a zu bilden, die ein starres Blatt von KOH-imprägniertem, porösem Zink auf dem Stromkollektor hat. Nach dem Entfernen aus der Presse wird die Anode 14a in einen gereinigten Trennsack (nicht dargestellt) eingesetzt und ist für die Verwendung beim Beladen bereit. Zinkanoden oder Anodenmaterial können in einem Transportgefäß transportiert oder gelagert werden.
Fig. 11 zeigt eine Einrichtung 112 zum Inertgasspülen von Behältern für Anoden oder Anodenmaterial. Der Behälter 52 wird durch Befestigung einer gasdichten Abdeckung 114 abgedichtet, und es wird die Luft entfernt und durch ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, ersetzt. Eine Quelle 116 für komprirniertes Inertgas ist an eine Öffnung 118 des Behälters 52 angeschlossen, während Luft durch ein Einwegventil 120 in einer zweiten Öffnung entweichen kann. Der Behälter steht dann für Transport oder Speicherung zur Verfügung.
Fig. 12 zeigt eine Beladungsstation für Elektrofahrzeuge 122. Ein erstes Unterboden-Förderband 124 nimmt ausgebaute Batterien 40 auf, die von Roboter-Hebeeinrichtungen 126 aus den Fahrzeugen 122 ausgebaut worden sind. Ein zweites Unterboden-Förderband 128 trägt neu geladene Anoden in Behältern 52, und diese werden durch die Einrichtungen 126 aufgenommen und in den Fahrzeugen 122 positioniert und abgesenkt. Ein Lastwagen 130 ist dargestellt, der Behälter 48, die ausgebaute Anoden oder ausgebaute Batterien 40 hatten, vom Förderband 124 aufnimmt, und zwar mittels einer weiteren Robotereinrichtung 132, um diese zu einer Neuladevorrichtung zu transportieren. Darauffolgend wird der Lastwagen 130 neu geladene Batterien 40 oder Behälter 52 mit frischen Anoden von der Neuladevorrichtung laden, um das Förderband 128 zu bestücken.
Für den Fachmann ist klar zu ersehen, daß die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden erläuterten Ausführungsformen begrenzt ist. Die vorliegenden Ausführungsformen werden daher bezüglich aller Aspekte als erläuternd und nicht begrenzend betrachtet, wobei der Umfang der Erfindung durch die anhängigen Patentansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben ist.

Claims

1. Brennstoffbeladungssystem für automatisches Neuladen von Zink-Luft-Batterien der Bauart mit einer Anzahl von aktiven Zinkanodenelementen, die aus einem Schlamm aus porösen Körnchen gebildet sind mit Zink, das mit einem Elektrolyt imprägniert und in ihm suspendiert ist, kompakt in einen Trägerrahmen gepreßt ist, der in einen wässrig alkalischen Elektrolyten in einem Batteriegehäuse eingetaucht ist, wobei jedes Anodenelement in einer alternierenden Reihe mit einer Luftkathode ist, wobei das System aufweist

a) automatisierte Mittel zum gleichzeitigen Trennen einer Anzahl von verbrauchten Anoden von dem Gehäuse, wobei die verbrauchten Anoden Trägerrahmen aufweisen, an denen Zink anhaftet, das zumindest teilweise oxidiert ist,

b) Mittel zum Entfernen gebrauchten Elektrolyts aus dem Gehäuse,

c) Transportmittel zum Fördern verbrauchter Anoden zu einer Anodenverarbeitungsstation,

d) die Anodenverarbeitungsstation, bei der das zumindest teilweise oxidierte Zink von dem Trägerrahmen entfernt wird,

e) Mittel zum Anbringen neuen oder wieder aufgearbeiteten aktiven Zinkmaterials, das aus einem Schlamm poroser Körnchen aus Zink, das mit einem Elektrolyten imprägniert ist und darin suspendiert ist, gebildet ist, an einem gereinigten Trägerrahmen, mit einer Presse mit einem Behälter, der ausgebildet ist zum Halten des Rahmens eingetaucht in einen vorgewogenen Zinkschlamm, wobei die Presse mit Mitteln zum Anlegen eines Drucks von zumindest 20 kg/cm² an die Oberfläche des Schlamms versehen ist, zur Bildung einer aktiven Zinkanode mit aktivem Zinkmaterial, das mit einem Elektrolyten impragnlert ist und kompakt an den Trägerrahmen gepreßt ist,

f) automatische Mittel zum gleichzeitigen Einbringen einer Anzahl von aktiven Zinkanoden in das Gehäuse und

g) Mittel zum Einbringen von frischem Elektrolyten in das Gehäuse.

2. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1,

wobei die Mittel zum Trennen einer Anzahl von verbrauchten Anoden von dem Gehäuse einen Mechanismus aufweisen, der gleichzeitig eine Anzahl verbrauchter Anoden ergreift und sie aus dem Gehäuse hebt.

3. Brennstoffbefüllungssystem für das automatische Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1,

wobei die Mittel zum Entfernen gebrauchten Elektrolyts eine Pumpe aufweisen, die mit mehreren Einlaßöffnungen versehen ist, wobei die Öffnungen jeweils in eine Zelle des Gehäuses nach der Entfernung der Anode daraus einbringbar sind.

4. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1,

wobei die Mittel zum Entfernen gebrauchten Elektrolyts eine Vorrichtung aufweisen zum Kippen des Gehäuses und einen Ablauftrog zum Aufnehmen des Elektrolyten zur Erneuerung oder zur Entsorgung.

5. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1,

wobei die Anodenverarbeitungsstation ferner mit Mitteln versehen ist zum Aufbereiten oxidierten Zinks zur Erzeugung aktiven Zinks.

6. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 5,

wobei das vorher von den Anoden entfernte Zinkoxid in überschüssigem KOH gelöst wird, um eine Zinkatlösung zu erzeugen und wobei die Zinkatlösung anschließend in ein Elektrogewinnungsbad übertragen wird, um teilchenförmiges aktives Zink zu erzeugen.

7. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1, wobei Zink, das zumindest teilweise oxidiert ist, aus dem Trägerrahmen in einer Maschine entfernt wird, die mit einer Anzahl von drehbar getriebenen flexibel aufgehängten Körpern versehen ist, wobei die Maschine mit Mitteln versehen ist, um den Trägerrahmen in Kontakt mit den Körpern zu bringen.

8. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1,

wobei der Behälter mit Ablaufmitteln versehen ist, um überflüssiges KOH abfließen zu lassen.

9. Brennstoffbefüllungssystem zum automatischen Neuladen von Zink-Luft-Batterien nach Anspruch 1,

mit weiterhin Mitteln zum Entfernen von Luft und Ersatz durch ein Inertgas in Anodentransport- oder -speicherbehältern, die nicht für den sofortigen Gebrauch gedacht sind.

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