DE69305632T2

DE69305632T2 - Metall-luft zelle stromführungssystem und luftverwaltungssystem und metall-luft-zelle für ihren gebrauch

Info

Publication number: DE69305632T2
Application number: DE69305632T
Authority: DE
Inventors: R Dennis Bentz; Christopher S Pedicini; William Scott
Original assignee: AER Energy Resources Inc
Current assignee: AER Energy Resources Inc
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-03-13
Also published as: ATE144653T1; CA2130559C; JP2783462B2; DE69305632D1; WO1993019495A1; EP0630527A1; EP0630527B1; AU3809193A; US5354625A; CA2130559A1; JPH07508370A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen und insbesondere elektrochemische Metall- Luft-Zellen.

Allgemeiner Stand der Technik

Es besteht ein immer größeres Bedürfnis nach leichten Hochleistungsenergieversorgungen zur Speisung des immer grßeren Angebots an tragbaren elektronischen Geräten wie PCS. Als Energieversorgungen für verschiedenartige Anwendungen werden häufig elektrochemische Zellen eingesetzt, deren Verwendung bei tragbaren elektronischen Geräten aber oft nicht möglich ist, da die elektrischen Energiedichten der elektrochemischen Zellen zu niedrig sind. Anders gesagt, herkömmliche elektrochemische Zellen mit der gewünschten Ausgangsleistung sind oft zu schwer für den Einsatz bei tragbaren Geräten.
Eine Ausnahme bei den elektrochemischen Zellen bildet die Metall-Luft-Zelle. Metall-Luft-Zellen weisen eine verhältnismäßig hohe Energiedichte auf, da die Kathode einer Metall-Luft-Zelle als Reaktand in der elektrochemischen Reaktion anstelle eines schwereren Materials wie eines Metalls oder einer metallischen Zusammensetzung Sauerstoff aus der Umgebungsluft nutzt. Daraus ergibt sich eine verhältnismäßig leichte Energieversorgung.
Metall-Luft-Zellen beinhalten eine luftdurchlässige Kathode und eine metallische Anode, umgeben von einem wäßrigen Elektrolyt. Zum Beispiel enthält in einer Zink-Luft-Zelle die Anode Zink, und während des Betriebs wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode in Hydroxid umgewandelt, wird Zink an der Anode durch das Hydroxid oxidiert, und Wasser und Elektronen werden freigesetzt und liefern so elektrische Energie.
Für nur einen einzigen Entladungszyklus geeignete Zellen werden als Primärzellen bezeichnet, und wiederaufladbare, für mehrfache Entladungszyklen geeignete Zellen sind als Sekundärzellen bekannt. Es sind sowohl primäre als auch sekundäre Metall-Luft-Zellen entwickelt worden. Eine elektrisch wiederaufladbare Metall-Luft-Zelle wird wiederaufgeladen, indem zwischen der Anode und der Kathode der Zelle eine Spannung angelegt und die elektrochemische Reaktion umgekehrt wird. Durch die luftdurchlässige Kathode wird Sauerstoff an die Atmosphäre abgegeben.
Metall-Luft-Zellen sind oft in Mehrzellen-Batteriesätzen angeordnet, um eine hinreichend hohe Ausgangsleistung zu liefern. Außerdem ist es oft nötig, die Luftkathoden der Zellen mit einem kontinuierlichen Luftstrom mit zur Erzielung der erwünschten Ausgangsleistung hinreichendem Durchsatz zu beaufschlagen. Eine derartige Anordnung ist aus US-Patent Nr. 4 913 983 bekannt, in der ein Gebläse eingesetzt wird, um einem Satz Metall-Luft-Batteriezellen einen Luftstrom zuzuführen.
Ein Problem bei Metall-Luft-Zellen ist, daß die Umgebungsfeuchtigkeit zum Versagen der Metall-Luft-Zelle führen kann. Der Gleichgewichtsdampfdruck der Metall- Luft-Zelle ergibt einen Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgrad, der typischerweise um 45 Prozent liegt. Ist die Umgebungsfeuchtigkeit höher als der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgrad für die Metall-Luft-Zelle, so absorbiert die Metall-Luft-Zelle durch die Kathode Wasser aus der Luft und fällt infolge eines als Überflutung bezeichneten Zustandes aus. Durch Überflutung kann die Zelle undicht werden. Liegt die Umgebungsfeuchtigkeit unter dem Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgradwert für die Metall-Luft- Zelle, so gibt die Zelle Wasserdampf aus dem Elektrolyt durch die Luftkathode ab und fällt durch Austrocknen aus. Unter den meisten Umgebungsbedingungen, unter denen eine Metall-Luft-Batteriezelle eingesetzt wird, kommt es zum Ausfall durch Austrocknen.
Während des Betriebs einer Metall-Luft-Zelle erzeugt die elektrolytische Reaktion Wärme und erhöht die Temperatur der Zelle. Die durch die elektrolytische Reaktion erzeugte Wärme erhöht die Verdampfungsgeschwindigkeit des in der Zelle befindlichen Wassers. Zur Kühlung der Metall-Luft-Zelle kann die Luftströmungsgeschwindigkeit über die Luftkathode erhöht werden, wie aus US-Patent Nr. 3 395 047 bekannt; durch die erhöhte Luftströmungsgeschwindigkeit über die Luftkathoden wird jedoch die Verdampfungsgeschwindigkeit des Wassers gesteigert, was dem durch den Kühleffekt verringerten Wasserverlust entgegenwirkt.
In einigen herkömmlichen Anordnungen, wie der in US-Patent Nr. 4 913 983 beschriebenen, sind Metall-Luft- Zellen innerhalb eines Gehäuses angeordnet, und wird Luft innerhalb des Gehäuses und um die Zellen im Kreislauf geführt. Dieselbe, innerhalb des Gehäuses im Kreislauf geführte Luft wird zur Kühlung der Zellen und als Reaktionsluft verwendet. Zwar kühlt die Luft die Zellen einigermaßen, doch wird die innerhalb des Gehäuses im Kreislauf geführte Luft durch die Zellen erwärmt und fließt dann als Reaktionsluft durch die Zellen und über die Kathode. Durch die Vermischung von Kühlluft und in die Zellen eintretende Reaktionsluft wird die Verdampfungsgeschwindigkeit des Wassers in den Zellen erhöht, was dem durch den Kühleffekt verringerten Wasserverlust entgegenwirkt.
Als weiteres Problem bei einer Metall-Luft- Batterie ergibt sich, daß durch Verunreinigungen der Luft wie Kohlendioxid, Rauch und Sulfide die Batterieleistung vermindert wird. Zum Beispiel setzt sich Kohlendioxid mit dem Metallhydroxid im Elektrolyt um. Durch die Reaktion zwischen Kohlendioxid und dem Metallhydroxid wird eine Metallcarbonatverbindung gebildet, die die elektrochemische Reaktion stört. Die Einwirkung von Verunreinigungen auf Metall-Luft-Batteriezellen verstärkt sich, wenn man zwecks Kühlung die Luftströmungsgeschwindigkeit über die Kathoden steigert.
Austrocknen und Überflutung stellen für sekundäre Metall-Luft-Zellen sogar noch größere Probleme dar als für primäre Metall-Luft-Zellen. Zwar mag die Umgebungsfeuchtigkeit kein so schwerwiegendes Problem darstellen, daß eine Zelle nach einem einzigen Zyklus überflutet wird oder austrocknet, doch kann es durch kumulative Wasserzunahme oder Wasserabnahme aus einer Reihe von Entladungs- und Ladungszyklen zu vorzeitigem Ausfall einer sekundären Metall-Luft-Zelle kommen.
Ein weiteres Problem bei Metall-Luft-Zellen stellt das Austreten von Elektrolyt dar, durch das der Ausfall von Zellen und die Korrosion der Zellenumgebung bewirkt wird. Wie bereits dargelegt, enthält eine Metall- Luft-Zelle eine Luftkathode, eine Anode sowie Elektrolyt zwischen der Kathode und der Anode. In einer typischen Metall-Luft-Zelle sind diese Bauelemente zwischen Rahmen eines Zellengehäuses eingeschlossen. Die Gehäuserahmen können mechanisch mittels Schrauben oder dergleichen befestigt werden, mit Klebstoff befestigt werden, oder miteinander verschweißt werden. In jedem Fall enthält das Zellengehäuse eine oder mehrere Nähte, durch die früher oder später Elektrolyt austreten kann. Überdies sind zur Sicherstellung der Flüssigkeitsundurchlässigkeit der Nähte einer Metall-Luft-Zelle unternommene Schritte oft zeitaufwendig und teuer.
Elektrolyt kann auch durch oder um die Luftkathode austreten. Es ist bekannt, die Luftseite einer Kathode mit einer flüssigkeitsundurchlässigen, aber gasdurchlässigen Folie abzudecken, um das Austreten von Elektrolyt zu bekämpfen. Ausgetretener Elektrolyt kann jedoch Beulen unter einer solchen Folie bilden und den Luftstrom über die Kathode blockieren oder auf andere Weise hemmen, oder aber am Rand der Folie austreten.
Noch ein Problem, dem man bei Metall-Luft-Zellen begegnet, tritt dann auf, wenn Metall-Luft-Zellen innerhalb eines Luftführungsgehäuses angeordnet sind, und besonders dann, wenn Metall-Luft-Zellen in Batteriesätzen angeordnet sind. Metall-Luft-Zellen müssen in einem Luftführungssystem angeordnet sein, damit eine entsprechende stöchiometrische Menge Luft verhältnismäßig ungehindert über die Luftkathode strömt. Vorzugsweise fließt benachbart der Zelle auch Luft zur Kühlung. Der Durchlaß für Luft über eine Luftkathode wird typischerweise durch einen an das Zellengehäuse angeformten Teil gebildet. Bei Bildung eines Mehrzellenbatteriesatzes werden die Zellen normalerweise auf mechanische Weise miteinander verbunden, oder durch Verkleben oder Verschweißen Die Bildung von Metall-Luft- Zellengehäusen, Batteriesätzen und damit verbundenen Luftströmungsdurchlässen auf solche Weise ist kompliziert, zeitaufwendig und teuer.
Es besteht daher das Bedürfnis nach einer Metall- Luft-Energieversorgung mit einem Luftführungssystem, das eine bessere Steuerung des Luftstroms durch die Energieversorgung vermittelt und dadurch die Auswirkungen von Umgebungsfeuchtigkeit und Verunreinigungen auf die Standzeit der Energieversorgung auf ein Mindestmaß herabsetzt. Überdies besteht ein Bedürfnis nach einer solchen Metall-Luft-Energieversorgung, bei der Leckage unwahrscheinlich ist, und die verhältnismäßig einfach aufgebaut und billig ist.

Darstellung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Metall-Luft-Energieversorgung bereitgestellt, bei der für eine bessere Regelung der Luftströme durch die Energieversorgung gesorgt ist. Die erfindungsgemäße Energieversorgung enthält eine in einem Gehäuse angeordnete Metall-Luft-Zelle. Die Metall-Luft-Zelle enthält eine Luftkathode. Die Energieversorgung enthält ein Luftführungssystem, das einen Luftstrom durch das Gehäuse erzeugt und einen Reaktionsanteil des Luftstroms durch einen Reaktionslufteinlaß zur Luftkathode der Zelle führt und den Reaktionsanteil des Luftstroms aus der Zelle abzieht. Auch leitet das Luftführungssystem einen Kühlanteil des Luftstroms durch einen Kühllufteinlaß zu einem von der Luftkathode isolierten Teil der Zelle und zieht den Kühlanteil des Luftstroms aus dem Gehäuse ab. Der Reaktionslufteinlaß und der Kühllufteinlaß sind voneinander getrennt und von den abgezogenen Reaktionsund Kühlanteilen des Luftstroms isoliert. Das Luftführungssystem beschränkt den Reaktionsluftstrom auf einen Volumendurchsatz, der ausreicht, das etwa 3- bis etwa 10-fache der zur Erzeugung eines vorgegebenen Strompegels aus der Zelle erforderlichen stöchiometrischen Sauerstoffmenge zu liefern, und erzeugt einen so großen Gesamtvolumendurchsatz, daß der Volumendurchsatz des Luftstrom-Kühlanteils das etwa 10- bis 1000-fache des Volumendurchsatzes des Luftstrom-Reaktionsanteils beträgt. Durch Beschränkung des Durchsatzes der Reaktionsluft über die Luftkathode, Isolierung des Kühlluftstroms vom Reaktionsluftstrom und Halten des Kühlluf tdurchsatzes auf einem hinreichend hohen Niveau kann die Temperatur der Metall-Luft-Zelle niedrig gehalten werden, ohne die Luftkathode mit einem übermäßigen Luftdurchsatz zu beaufschlagen. Dadurch wird der Verlust an Wasserdampf aus der Zelle möglichst klein gehalten, die Einwirkung von Verunreinigungen auf die Batteriezelle verringert und so die Standzeit der Zelle maximiert.
Vorzugsweise wird der Volumendurchsatz des Reaktionsanteils des Luftstroms durch die Energieversorgung durch eine Sperrwand beschränkt, die eine Öffnung aufweist, durch die der Reaktionsanteil des Luftstroms hindurchtritt. Die Öffnung ist so bemessen, daß der Volumendurchsatz des Reaktionsanteils des Luftstroms auf ein annehmbares Niveau beschränkt wird. Außerdem enthält die Energieversorgung, um ein Austrocknen oder Überfluten der Zelle, während sich dieselbe nicht entlädt, auszuschalten, vorzugsweise eine Einrichtung zur selektiven Beaufschlagung der Luftkathode der Zelle mit dem Reaktionsanteil des Luftstroms, während die Energieversorgung einen Verbraucher speist, oder aber zur Isolierung der Luftkathode vom Reaktionsanteil des Luftstroms zu Zeiten, wo die Energieversorgung nicht benutzt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Metall-Luft-Energieversorgung bereitgestellt, die für eine verbesserte Luftstromsteuerung durch die Energieversorgung hindurch sorgt. Diese Energieversorgung enthält eine Metall-Luft Zelle mit einer in einem Zellengehäuse angeordneten Luftkathode. Die Metall-Luft-Zelle ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet, und die Energieversorgung enthält eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms durch das Gehäuse. Die Energieversorgung bildet einen Kathodensammelraum benachbart der Luftkathode sowie einen Kathodensammelraumeinlaß und einen Kathodensammelraumauslaß entlang einem Ende der Metall-Luft-Zelle. Auch bildet die Energieversorgung einen Reaktionslufteinlaßsammelraum benachbart dem einen Ende der Metall-Luft-Zelle, um einen Reaktionsanteil des Luftstroms durch den Kathodensammelraumeinlaß in den Kathodensammelraum zu leiten. Uberdies bildet die Energieversorgung einen Reaktionsluftauslaßsammelraum benachbart dem Reaktionslufteinlaßsammelraum, so daß sich der Reaktionslufteinlaßsammelraum zwischen dem Reaktionsluftauslaßsammelraum und der Metall-Luft- Zelle befindet. Ferner bildet die Energieversorgung einen abgesonderten Weg, um den Reaktionsanteil des Luftstroms vom Kathodensammelraum her durch den Kathodensammelraumauslaß über den Reaktionslufteinlaßsammelraum und in den Reaktionsluftauslaßsammelraum zu leiten, wodurch der Reaktionsanteil des Luftstroms aus dem Kathodensammelraum austritt, ohne sich mit dem ersten Anteil des in den Kathodensammelraum eintretenden Luftstroms zu vermischen.
Durch Steuerung des Reaktionsluftstroms durch das Gehäuse und die Metall-Luft-Zelle setzt die erfindungsgemäße Energieversorgung eine Mindestmenge an Reaktionsluft ein. Gesteuert wird der Reaktionsluftstrom, indem eine Vermischung des in den Kathodensammelraum eintretenden Luftstroms mit dem aus dem Kathodensammelraum austretenden Abluftstrom verhindert wird. Ohne Beaufschlagung der Luftkathode mit einem übermäßigen Luftdurchsatz verringert sich durch die erfindungsgemäße Energieversorgung die Wahrscheinlichkeit des Austrocknens der Metall-Luft-Zelle sowie die Einwirkung von Verunreinigungen auf die Metall-Luft-Zelle. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Standzeit der Energieversorgung.
Vorzugsweise leitet diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgung einen Kühlanteil des Luftstroms benachbart einem von der Kathode isolierten Teil des Metall-Luft-Zellengehäuses, um die Zelle zu kühlen. Besonders bevorzugt bildet die erfindungsgemäße Metall-Luft-Energieversorgung einen Luftansaugsammelraum benachbart der Zelle zur Aufnahme der durch das Gehäuse strömenden Luft. Der Reaktionslufteinlaßsammelraum erstreckt sich vom Luftansaugsammelraum und nimmt den Reaktionsanteil des Luftstroms aus dem Ansaugsammelraum auf. Auch wird vorzugsweise der Kühlanteil des Luftstroms vom Ansaugsammelraum entlang einem Weg benachbart einem von der Kathode isolierten Teil der Zelle und aus dem Gehäuse herausgeführt, wodurch der Kühlanteil des Luftstroms nicht mit der Luftkathode in Berührung kommt. Durch Vermeidung einer Berührung des Kühlanteils des die Zelle kühlenden Luftstroms mit der Luftkathode wird die Wahrscheinlichkeit eines Austrocknens der Metall-Luft- Zelle verringert.
Ganz besonders bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Energieversorgung eine Reaktionsluftsammelraumeinlaßöffnung zur Aufnahme des Reaktionsluftanteils des Luftstroms sowie eine Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung zur Abfuhr des Reaktionsanteils des Luftstroms. Überdies enthält die erfindungsgemäße Energieversorgung vorzugsweise eine Klappe zum Verschließen sowohl der Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung als auch der Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung, wobei die Klappe selektiv in eine Stellung gebracht werden kann, in der die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung und die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung geöffnet sind, oder aber in eine andere Stellung gebracht werden kann, in der die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung und die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung geschlossen sind. Vorteilhaft können die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung und die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung im wesentlichen zueinander ausgerichtet sein, so daß die Klappe eine Platte enthalten kann, die über die Öffnungen paßt. Außerdem enthält die Klappe vorzugsweise ein Stück, um den ersten Anteil des Luftstroms vom Ansaugesammelraum in den Reaktionslufteinlaßsammelraum zu führen. Bei dieser Führungseinrichtung kann es sich um ein U-förmiges, sich von einer Abdeckplatte wenigstens teilweise in den Reaktionslufteinlaßsammelraum durch die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung erstreckendes Glied handeln.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgung beinhaltet eine Metall-Luft-Zelle, die ein Zellengehäuse und eine in dem Zellengehäuse angeordnete Luftkathode enthält, wobei die Luftkathode wenigstens teilweise durch eine Seite des Zellengehäuses beaufschlagt wird. Diese Energieversorgung bildet einen der Luftkathode benachbarten Kathodensammelraum, der sich von einer Reaktionslufteinlaßöffnung nahe einem Ende des Zellengehäuses zu einem Reaktionsluftauslaß nahe einem gegenüberliegenden Ende des Zellengehäuses erstreckt. Überdies bildet die erfindungsgemäße Energieversorgung einen einer Seite des Zellengehäuses gegenüber der einen Seite benachbarten Kühlluftsammelraum, der vom Reaktionsluftsammelraum abgesondert ist und sich von einem Kühllufteinlaß nahe dem einen Ende des Zellengehäuses zu einem Kühlluftauslaß nahe dem entgegengesetzten Ende des Zellengehäuses erstreckt.
Auch enthält die Energieversorgung in dieser Ausführungsform ein Gehäuse, durch welches folgendes gebildet wird: eine Zellenkammer, in der die Metall-Luft- Zelle angeordnet ist; ein dem einen Ende des Zellengehäuses benachbarter Luftansaugsammelraum, der eine Luftansaugöffnung aufweist und die Reaktionsluftund Kühllufteinlässe umgibt und so die Reaktionsluft- und Kühllufteinlässe von den Reaktionsluft- und Kühlluftauslässen isoliert; sowie ein Luftabzugssammelraum benachbart dem entgegengesetzten Ende des Zellengehäuses und abgesondert vom Luftansaugsammelraum, wobei der Luftabzugssammelraum eine Luftabzugsöffnung aufweist und die Reaktionsluft- und Kühlluftauslässe umgibt. Ferner enthält diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms, der von der Luftansaugöffnung durch den Luftansaugsammelraum strömt, sich in einen durch den Kathodensammelraum vom Reaktionslufteinlaß zum Reaktionsluftauslaß strömenden Reaktionsluftstrom und einen durch den Kühlluftsammelraum vom Kühllufteinlaß zum Kühlluftauslaß strömenden Kühlluftstrom teilt, sich im Luftabzugssammelraum wieder zu einem einzigen Luftstrom vereinigt und dann durch den Luftabzugssammelraum und durch die Luftabzugsöffnung aus dem Gehäuse herausströmt. Überdies enthält diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Mittel zur selektiven Öffnung der Luftansaug- und Luftabzugsöffnungen zur Beauf schlagung der Luftkathode mit dem Luftstrom oder aber zum Verschließen der Luftansaug- und Luftabzugsöffnungen zwecks Isolierung der Luftkathode von Luft außerhalb des Gehäuses.
Vorzugsweise bildet diese erfindungsgemäße Energieversorgung eine Kammer zur Aufnahme der Metall- Luft-Zelle und richtet die Zelle innerhalb der Kammer registerhaltig aus, so daß bei Aufnahme der Zelle innerhalb der Kammer die Zelle und die Energieversorgung den Kathodensammelraum und den Kühlluftsammelraum bilden. Gebildet wird die Kammer vorzugsweise durch Trennwände, voneinander zwecks Aufnahme des Zellengehäuses zwischen denselben beabstandet, und erste und zweite Platten, die sich zwischen den Trennwänden erstrecken. Die erste Platte bildet wenigstens einen Teil des Kathodensammelraums, und die zweite, von der ersten Platte beabstandete Platte bildet wenigstens einen Teil des Kühlluftsammelraums. Außerdem beabstanden mehrere aus der ersten Platte herausragende beabstandete Rippen das Zellengehäuse und Luftkathode von der ersten Platte und beabstanden mehrere aus der zweiten Platte herausragende beabstandete Rippen das Zellengehäuse von der zweiten Platte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgung enthält eine Energieversorgung mehrere stapelbare Tröge zur Aufnahme mehrerer Metall-Luft-Zellen. Die Troge sind übereinander gestapelt und bilden so eine regelmäßige Anordnung von Kammern zur Aufnahme der Metall-Luft-Zellen. Außerdem richtet der stapelbare Trog die Zelle innerhalb der so gebildeten Kammer registerhaltig aus, so daß die Zellengehäuse und die Tröge einen Kathodensammelraum in jeder Kammer benachbart der jeweiligen Luftkathode sowie einen von der Luftkathode isolierten Kühlluftsammelraum bilden, wodurch Reaktionsluft auf die Luftkathoden und Kühlluft auf einen von der jeweiligen Luftkathode isolierten Teil des jeweiligen Zellengehäuses gerichtet werden kann.
Der erfindungsgemäße stapelbare Trog enthält vorzugsweise gegenseitig beabstandete Trennwände sowie eine sich zwischen den Trennwänden erstreckende Platte. Die Zellengehäuse sind zwischen benachbarten Trennwänden angeordnet, so daß die Platten der Tröge wenigstens einen Teil des jeweiligen Kathodensammelraums und wenigstens einen Teil des jeweiligen Kühlluftsammelraums bilden. Außerdem enthält jeder erfindungsgemäße stapelbare Trog vorzugsweise mehrere aus sowohl den ersten und den zweiten Seiten der Platte herausragende beabstandete Rippen, so daß die aus der ersten Seite der Platte herausragenden Rippen die Platte von den Zellengehäusen und den Luftkathoden beabstanden und die aus der zweiten Seite der Platte herausragenden Rippen die Platte von den Zellengehäusen beabstanden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Metall-Luft-Zelle mit erhöhter Elektrolytleckagebeständigkeit bereitgestellt. Diese Metall-Luft-Zelle enthält ein Zellengehäuse mit einem ersten Glied mit einem äußeren Umgrenzungsrand und einem zweiten Glied mit einem an den äußeren Umgrenzungsrand des ersten Gliedes angrenzenden äußeren Umgrenzungsrand. Eine Anode ist innerhalb des Zellengehäuses benachbart dem ersten Glied angeordnet, und eine im wesentlichen planare Luftkathode ist innerhalb des Zellengehäuses angeordnet, wobei die Luftkathode eine Luftseite und eine Elektrolytseite aufweist und die Luftseite der Kathode benachbart dem zweiten Glied angeordnet ist. In dem Zellengehäuse zwischen der Anode und der Elektrolytseite der Luftkathode befindet sich eine Elektrolytlösung. Die Elektrolytseite der Luftkathode ist innerhalb des Zellengehäuses gelagert, und eine erste gasdurchlässige, flüssigkeitsundurchlässige Membran ist innerhalb des Zellengehäuses zwischen dem zweiten Glied und der Luftseite der Kathode angeordnet. Die erste Membran deckt die Luftseite der Luftkathode ab und weist einen sich über die Luftseite der Luftkathode hinaus erstreckenden Außenrand auf. Der Außenrand der ersten Membran erstreckt sich bis nahe zu den aneinandergrenzenden Umgrenzungsrändem der ersten und zweiten Glieder des Zellengehäuses. Das erste Glied, das zweite Glied und der Außenrand der ersten Membran sind miteinander entlang den aneinandergrenzenden äußeren Umgrenzungsrändern der ersten und zweiten Glieder des Zellengehäuses verschweißt und bilden so eine einzige, einstückige, flüssigkeitsundurchlässige Abdichtung um das Zellengehäuse, so daß Anode, Luftkathode und Elektrolyt vollständig innerhalb einer flüssigkeitsundurchlässigen Umhüllung eingekapselt sind.
Infolge des einfachen Aufbaus der erfindungsgemäßen Zelle und insbesondere der leicht in einem einzigen Schritt durch Verschweißen zu bildenden undurchlässigen Abdichtung ist die erfindungsgemäße Zelle verhältnismäßig billig herzustellen. Überdies stellt, da Elektrolyt normalerweise entlang Nähten eines Metall-Luft-Zellengehäuses austritt, die einzige, verschweißte, einstückige Abdichtung der erfindungsgemäßen Metall-Luft-Zelle ein besonders vorteilhaftes Merkmal dar. Diese neue Abdichtung sorgt für eine im wesentlichen lecksichere Umhüllung für den Elektrolyt. Überdies wird durch das Vorliegen nur einer einzigen Abdichtung um die erfindungsgemäße Zelle herum das mögliche Austreten von Elektrolyt auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
Die erfindungsgemäße Metall-Luft-Zelle enthält vorzugsweise einen Gitterträger auf der Luftseite der Luftkathode. Das zweite Glied des Zellengehäuses enthält dieses Gitter, das benachbart mindestens einem Teil der von der Membran bedeckten Kathode angeordnet ist. Dieses Gitter weist vorzugsweise einen offenen Teil zur Beauf schlagung der ersten Membran mit Luft auf. Überdies enthält die erfindungsgemäße Metall-Luft-Zelle vorzugsweise einen Träger mit einer umlaufenden Seitenwand, die sich im wesentlichen senkrecht vom ersten Glied des Zellengehäuses bis zum Gitter des zweiten Gliedes zur Lagerung der ersten- Membran erstreckt. Ganz besonders bevorzugt wird eine Anordnung, bei der das zweite Glied des Zellengehäuses eine umlaufende Seitenwand enthält, die sich im wesentlichen senkrecht vom Gitter des zweiten Gliedes bis zum Umgrenzungsrand des zweiten Gliedes erstreckt und der Außenrand der ersten Membran sich zwischen der umlaufenden Seitenwand des zweiten Gliedes und der umlaufenden Seitenwand der Trägereinrichtung erstreckt. Der Luftkathodenträger erstreckt sich vorzugsweise bis nahe zu den aneinandergrenzenden Umgrenzungsrändern, wobei sich die erste Membran vorzugsweise zwischen dem Zellengehuse und dem Luftkathodenträger erstreckt, und der Luftkathodenträger ist vorzugsweise auch mit der ersten Membran und dem Zellengehäuse entlang der Abdichtung verschweißt.
Das erste Glied, das zweite Glied, die erste Membran und der Membranträger bestehen jeweils vorzugsweise aus einem polymeren Material, das bei thermischen Schweißen eine einstückige Verbindung ergibt. Das geschweißte polymere Material ist verhältnismäßig leicht thermisch zu schweißen und ergibt eine billige und leichte Metall-Luft-Zelle. Ganz besonders bevorzugt enthalten das erste Glied, das zweite Glied, die erste Membran und der Membranträger der Metall-Luft-Zelle Polypropylen oder andere Polyolefine, die gegen Korrosion durch den Elektrolyt beständig sind und flüssigkeitsundurchlässig und entweder gasdurchlässig oder gasundurchlässig gemacht werden können.
Auch enthält die erfindungsgemäße Metall-Luft- Zelle vorzugsweise eine Öffnung im ersten Glied des Zellengehäuses, die von einer zweiten flüssigkeitsundurchlässigen, gasdurchlässigen Membran abgedeckt wird, um Gas aus der flüssigkeitsundurchlässigen Umhüllung abzugeben. Gas, etwa Wasserstoff, das sich während der elektrolytischen Reaktion innerhalb der Zelle bilden kann, kann durch die zweite Membran hindurch abgegeben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Metall-Luft-Energieversorgung bereitzustellen.
Auch ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte sekundäre Metall-Luft-Energieversorgung bereitzustellen.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metall-Luft-Energieversorgung bereitzustellen, die eine Ausnutzung der maximalen Standzeit der Metall-Luft- Zellen ermöglicht.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wahrscheinlichkeit eines Überflutens oder Austrocknens von Metall-Luft-Zellen auf ein Mindestmaß zu verringern.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Energiedichte einer Metall-Luft-Energieversorgung zu verbessern.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Luftführungssystem für eine Metall-Luft- Energieversorgung bereitzustellen.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Metall-Luft-Zelle bereitzustellen.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leckbeständige Metall-Luft-Zelle bereitzustellen.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metall-Luft-Zelle bereitzustellen, die verhältnismäßig leicht herstellbar und billig ist und sich zwecks Einbau in Mehrzellenbatteriesätze adaptieren läßt.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Anordnung von Metall-Luft-Zellen in Mehrzellenbatteriesätzen bereitzustellen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Metall-Luft-Batteriesatzes zur Verwendung in einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Metall-Luft-Energieversorgung dar. Der Batteriesatz ist teilweise aus dem den Satz umgebenden Polster herausgezogen.
Figur 2 stellt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Metall-Luft-Energieversorgung dar, auf der die Gebläseseite der Energieversorgung zu sehen ist.
Die Figuren 3A und 3B zeigen eine aufgelöste Darstellung der in Figur 2 abgebildeten Energieversorgung.
Figur 4A stellt eine Draufsicht der in Figur 2 abgebildeten Energieversorgung dar, wobei der Oberteil des Gehäuses und die Oberabdeckung einer Batteriezelle weggeschnitten sind.
Figur 4B stellt eine teilweise Draufsicht der in Figur 2 abgebildeten Energieversorgung dar, wobei der Schalter in der "Ein"- Stellung dargestellt ist.
Figur 4C ist eine teilweise Draufsicht wie in Figur 4B, nur daß der Schalter sich in der "Wiederauflade"- Stellung befindet.
- Figur 4D ist eine teilweise Draufsicht wie in Figur 4B, nur daß der Schalter sich in der "Aus"- Stellung befindet.
Figur 5 stellt eine perspektivische Ansicht der in Figur 2 abgebildeten Energieversorgung dar, wobei die Rückwand und der Batteriesatz aus dem Gehäuse entfernt worden sind.
Figur 6 stellt ein das Elektroniksystem für die in Figur 2 abgebildete Energieversorgung veranschaulichendes Blockschaltbild dar.
Figur 7 ist ein Logikablaufplan der von dem Mikroregler des in Figur 6 abgebildeten Elektroniksystems dann befolgten Routine, wenn die Energieversorgung eingeschaltet ist.
Figur 8 ist ein Logikablaufplan der von dem Mikroregler des in Figur 6 abgebildeten Elektroniksystems dann befolgten Routine, wenn die Energieversorgung wiederaufgeladen wird.
Figur 9 stellt eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metall-Luft-Zelle dar.
Figur 10 ist eine Bodenansicht der in Figur 9 abgebildeten Zelle.
Figur 11 ist eine Schnittvorderansicht der in Figur 9 abgebildeten Zelle vor thermischem Schweißen.
Figur 12 ist eine Schnittvorderansicht der in Figur 9 abgebildeten Zelle nach thermischem Schweißen.
Figur 13 ist eine Schnittseitenansicht der in Figur 9 dargestellten Zelle.
Figur 14 ist eine perspektivische Teilansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Metall-Luft-Energieversorgung, wobei ein Teil des Gehäuses und der Elektrodenanschlußplatte entfernt worden ist.
Figur 15 stellt eine teilweise Draufsicht der in Figur 14 abgebildeten Metall-Luft-Energieversorgung dar, wobei die obere Abdeckung des Gehäuses entfernt worden ist.
Figur 16 ist eine teilweise Seitenansicht einer einzelnen Metall-Luft-Zelle des in der Metall-Luft- Energieversorgung der Figur 14 verwendeten Batteriesatzes.
Figur 17 ist eine teilweise Seitenansicht des Inneren der in Figur 16 dargestellten Metall-Luft-Zellenkammer.
Figur 18 ist eine Endansicht der in Figur 14 abgebildeten Metall-Luft-Energieversorgung.
Figur 19 stellt eine perspektivische Ansicht der untersten zwei Tröge des in Figur 14 abgebildeten Batteriesatzes dar.
Figur 20 ist eine Seitenteilansicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall-Luft- Energieversorgung.
Figur 21 ist eine perspektivische Ansicht von vorne der in Figur 14 abgebildeten Metall-Luft-Energieversorgung.
Figur 22A ist eine teilweise Vorderansicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Ein"- Stellung.
Figur 22B ist eine teilweise Draufsicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Ein"- Stellung.
Figur 22C ist eine teilweise Seitenansicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Ein"- Stellung.
Figur 23A ist eine teilweise Vord,eransicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Aus"- Stellung.
Figur 23B ist eine teilweise Draufsicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Aus"- Stellung.
Figur 23C ist eine teilweise Seitenansicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Aus"- Stellung.
Figur 24A ist eine teilweise Vorderansicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Wiederaufladen" - Stellung.
Figur 24B ist eine teilweise Draufsicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Wiederaufladen" - Stellung.
Figur 24C ist eine teilweise Seitenansicht des Gebläsegehäuses der in Figur 14 dargestellten Metall- Luft-Energieversorgung mit dem Schalter in der "Wiederaufladen" - Stellung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Eine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellte Metall-Luft-Energieversorgung 10 ist in den Figuren 2-4 dargestellt. Ein in der Energieversorgung 10 einzusetzender Metall-Luft- Zellenbatteriesatz 13 ist am besten in Figur 1 zu sehen. Wie nachstehend noch näher beschrieben, gehört zu der Energieversorgung 10 ein kastenförmiges Gehäuse 16 mit einem oberen Rahmen 19, einem unteren Rahmen 22, einer Vorderwand 25 und einer Rückwand 28. Innerhalb des Gehäuses 16 bilden Sperrwände 31, 34 und 37 eine Sammelraumanordnung mit dem Zweck, Luft durch die Energieversorgung 10 zu leiten. Das Gehäuse arbeitet als Luftführungssystem für den Batteriesatz 13. Der Batteriesatz 13 paßt in das Gehäuse 16 zwischen die Rückwand 28 und die erste Sperrwand 31.
Der Batteriesatz 13 enthält 12 einzelne, in drei Stapeln zu vier Einzelzellen angeordnete 1 V-Metall-Luft- Batteriezellen 38. Bei den Zellen 38 kann es sich um Zink-Luft-Zellen oder einen anderen Typ einer Metall- Luft-Zelle handeln. Dazu ist zu bemerken, daß die Energieversorgung 10 auf eine Verwendung mit jeder beliebigen Anzahl von einzelnen Metall-Luft-Zellen umgestellt werden kann. Außerdem ist zu bemerken, daß jede Metall-Luft- Zelle aus herkömmlichen Metall-Luft-Zellen-Bauelementen hergestellt werden kann, vorausgesetzt, daß die Luftkathode und das Gehäuse jeder Zelle so strukturiert und die einzelnen Metall-Luft-Zellen so geformt und angeordnet sind, daß sie mit dem Luftführungssystem wie nachstehend beschrieben zusammenwirken.
Wie aus den Figuren 1 und 4A-D zu erkennen ist, gehört zu jeder Einzelzelle 38 des Batteriesatzes 13 ein Zellengehäuse 40, das eine metallische Anode (nicht dargestellt) sowie eine Luftkathode 42 mit Elektrolyt dazwischen enthält. Seitenwände 44 und eine obere Abdeckung 46 eines jeden Zellengehäuses 40 bilden einen Kathodenluftsammelraum über jeder Luftkathode 42. Ein Ende 48 jeder Zelle grenzt Kathodensammelraumeinlaßöffnungen 50 und Kathodensammelraumauslaßöffnungen 52 zwecks Luftströmung in den Kathodensammelraum der jeweiligen Zelle 38 und aus diesem heraus ab. Eine Trennwand 54 erstreckt sich von jeder oberen Abdeckung 46 bis zur entsprechenden Luftkathode 42 und grenzt einen Luftströmungsweg durch den Kathodensammelraum der jeweiligen Zelle 38 ab. Der Luftströmungsweg ist in Figur 48 dargestellt. Der Batteriesatz 13 ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Kathodensammelraumeinlässe und -auslässe 50 und 52 sich entlang der Vorderseite 56 des Batteriesatzes 13 erstrecken.
Jede Zelle 38 des Batteriesatzes 13 weist auch einen abgesetzten Boden 58 auf, so daß bei Stapelung und Verbindung der einzelnen Zellen an entgegengesetzten Enden 48 und 60 die abgesetzten Böden Kühlluftsammelräume 64 abgrenzen, die sich entlang der Längsabmessung des Batteriesatzes erstrecken. Die Kühlluftsammelräume 64 sind von der Luftkathode 42 isoliert.
Das Zellengehäuse 40 jeder Einzelzelle 38 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial wie Polypropylen, das gegen chemische Korrosion beständig ist. Die einzelnen Zellen 38 können mittels herkömmlicher, dem Fachmann bekannten Einrichtungen verbunden werden, werden aber vorzugsweise mit Klebstoff verbunden oder durch Schweißen verschmolzen.
Nicht dargestellte Elektrodenfahnen erstrecken sich von jeder Einzelzelle 38 entlang der Rückseite 66 des Batteriesatzes 13 gegenüber der Vorderseite 56 des Batteriesatzes, die die Kathodensammelraumeinlässe und -auslässe 50 und 52 aufweist. Die Elektrodenfahnen sind an eine Elektrodenanschlußplatte 68 angeschlossen, die sich entlang der Rückseite 66 des Batteriesatzes 13 erstreckt. Die Elektrodenanschlußplatte 68 führt elektrischen Strom zu den einzelnen Zellen 38 hin und von diesen weg. Nicht dargestellte metallische Fahnen erstrecken sich von einem Ende der Elektrodenanschlußplatte 68 weg und schließen die Zellen 38 an die elektronische Schaltungsanordnung für den Batteriesatz an, wie nachstehend erläutert.
Wie am besten aus den Figuren 1 und 3A zu erkennen ist, ist der Batteriesatz 13 vorzugsweise von einer Abdeckung 72, etwa Papier oder Pappe, um alle Seiten des Batteriesatzes herum abgesehen von der Vorderseite 56 umhüllt, die durch ein vorzugsweise aus einem polymeren Schaumwerkstoff bestehendes Dichtungspolster 73 abgedeckt wird. Die Abdeckung 72 weist rechteckige Öffnungen 74 an entgegengesetzten Enden 76 und 77 des Batteriesatzes 13 auf, um Kühlluft durch die Kühlluftsammelräume 64 fließen zu lassen. Das Dichtungspolster 73 weist zu den Kathodensammelraumeinlässen und -auslässen 50 und 52 der Metall-Luft-Zellen 38 ausgerichtete Öffnungen 78 und 79 auf. Der Teil der Abdeckung 72 an einem Ende 77 des Batteriesatzes 13 ist in Figur 1 nicht dargestellt.
Wie in den Figuren 2-5 dargestellt, weist die Energieversorgung 10 einen oberen Rahmen, 19 und einen unteren Rahmen 22 auf, die so befestigt sind, daß sie das kastenförmige Gehäuse 16 bilden. Das Gehäuse 16 und der Großteil der Bauelemente der Energieversorgung 10 bestehen vorzugsweise aus einem leichten, chemisch widerstandsfähigen Kunststoffmaterial wie Polypropylen oder Acrylnitril/Butadien/Styrol (ABS). Gefertigt werden diese Bauelemente vorzugsweise durch Spritzgießverfahren, wie sie dem Fachmann wohlbekannt sind.
Wie am besten in Figur 3A zu sehen ist, weist der obere Rahmen 19 eine Deckplatte 112 und Seitenplatten 115 und 116 auf, die sich einstückig von gegenüberliegenden Enden der Deckplatte erstrecken. Eine Seitenpiatte 115 weist eine Luftansaugöffnung 118 auf, die von Armen 121 abgegrenzt wird, die sich einwärts erstrecken und so einen oberen Rahmen 124 für ein Gebläse 127 bilden. Die gegenüberliegende Seitenplatte 116 des oberen Rahmens 19 besitzt drei waagerechte Schlitze 130, durch die ein Kühlluftauslaß geschaffen wird.
Die Deckplatte 112 des oberen Rahmens 19 weist eine Anordnung von angeformten Rippen auf, die sich von der Innenfläche der Deckplatte 112 weg erstrecken. Zuerst erstreckt sich eine Rippe 132 entlang der Vorderkante der Deckplatte 112 zwischen den Seitenplatten 115 und 116. Eine Gruppe von dichtstehenden parallelen Rippen 134 erstreckt sich beabstandet von der Vorderrippe 132 entlang der Deckplatte 112 und bildet so einen engen Kanal in der Deckplatte. Eine L-förmige Rippe 136 ist von der vorderen Rippe 132 weiter einwärts beabstandet angeordnet als die parallelen Rippen 134, wobei die L-förmige Rippe einen langen Schenkel 137 parallel zur vorderen Rippe aufweist, der sich von der Seitenplatte 116 zu einem kurzen Schenkel 138 erstreckt, der sich im rechten Winkel vom langen Schenkel zur vorderen Rippe 132 hin erstreckt. Eine weitere Rippe 140 erstreckt sich entlang dem hinteren Rand der Deckplatte 112 zwischen den Seitenplatten 115 und 116. Drei zusätzliche, voneinander beabstandete Rippen 142, 143 und 144 erstrecken sich über die obere Platte 112 von der hinteren Rippe 140 zum langen Schenkel 137 der L-förmigen Rippe 136. Diese Rippenanordnung sorgt für eine bauliche Abstützung der Deckplatte 112 und verschafft eine Dichtung zwischen dem den Batteriesatz umgebenden Polster 72 und ergibt auch eine Abstützung für zusätzliche Bauelemente des Luftführungssystems 10, wie nachstehend noch beschrieben wird.
Zu dem oberen Rahmen 19 gehört auch eine L-förmige Wand 147, die sich im rechten Winkel von der einen Seitenplatte 115 zu dem kurzen Schenkel 138 der L-förmigen Rippe 136 erstreckt.
Wie am besten in Figuren 3B und 5 zu erkennen, weist der untere Rahmen 22 eine Bodenplatte 150 und drei Platten, einschließlich zweier Seitenplatten 152 und 153 und einer vorderen Platte 155 auf, die an die Bodenplatte angeformt sind. Der untere Rahmen 22 enthält eine Anordnung von mit diesem einstückigen Rippen auf der Innenfläche der Bodenplatte 150. Diese Rippenanordnung ähnelt sehr der Rippenanordnung auf der Innenfläche des oberen Rahmens 19. Zu dieser Rippenanordnung gehört eine nicht dargestellte Rippe, die den parallelen Rippen 134 in der Deckplatte 112 des oberen Rahmens 19 entspricht. Diese Rippe erstreckt sich von der einen Seitenplatte 153 zur anderen Seitenplatte 152. Auch weist die Bodenplatte 150 eine L-förmige Rippe 158 auf, die der L-förmigen Rippe 136 des oberen Rahmens 19 entspricht. Die L-förmige Rippe 158 erstreckt sich von der Seitenplatte 153 zur Seitenplatte 152 entlang der Bodenplatte 150 und ist von der vorderen Platte 155 beabstandet. Außerdem weist der untere Rahmen 22 eine weitere Rippe 160 auf, die sich zwischen den Seitenplatten 152 und 153 entlang dem hinteren Rand der Bodenplatte 150 erstreckt. Drei zusätzliche Rippen 164, 165 und 166 erstrecken sich über die Bodenplatte 150, mit dieser eine Einheit bildend, zwischen Rippen 158 und 160 und sind voneinander beabstandet. Die Rippenanordnung auf der Bodenplatte 150 sorgt für eine bauliche Abstützung der Bodenplatte.
Arme 170 erstrecken sich einwärts von einer Seitenplatte 152 des unteren Rahmens 19 aufeinander zu und bilden so einen unteren Rahmen 172 zur Lagerung des Gebläses 127. Außerdem erstreckt sich eine L-förmige Wand 180 von der einen Seitenplatte 152 und der Bodenplatte 150 weg auf die L-förmige Rippe 158 zu.
Die unteren und oberen Rahmen 19 und 22 sind aneinander mittels Schrauben 182 befestigt, die sich durch Bohrungen 183 in der Bodenplatte 150 und Abstandshülsen 185 in Schraubenmuttern 187 hinein erstrecken, die sich, an die obere Platte 112 angeformt, von dieser weg erstrecken. Auch sind die oberen und unteren Rahmen 19 und 22 mittels Haken 190 befestigt, die sich von den Seitenplatten 115 und 116 des oberen Rahmens weg erstrecken und in Sperrungen passend eingreifen, die sich von Seitenplatten 152 und 153 des unteren Rahmens weg erstrecken.
Die Rückwand 28 des Gehäuses 16 paßt über die hintere Öffnung des Gehäuses. Die Rückwand 28 weist eine Reihe von Zungen 195 auf, die sich von waagerechten Rändern der Rückwand einwärts erstrecken, um die Hinterränder der oberen und unteren Rahmen 19 und 22 zu erfassen. Eine weitere Zunge 198 erstreckt sich auswärts von einem senkrechten Rand der Rückwand 28 weg und schnappt in eine Aussparung in Seitenwand 152 des unteren Rahmens 22 ein. Die Zungen 195 passen in Nuten in den hinteren Rändern der oberen und unteren Rahmen 19 und 22, so daß ein Entfernen und Austauschen der Rückwand 28 durch Hinund Herverschieben derselben entlang dem hinteren Ende des Gehäuses erfolgt. Ein Polster 200 erstreckt sich von der Rückwand 28 einwärts und bildet so eine Dichtung zwischen der Rückwand und der Hinterseite des Batteriesatzes 13. Das Polster 200 besteht vorzugsweise aus einem polymeren Schaummaterial.
Wie bereits erwähnt, weist die Energieversorgung 10 Sperrwände 31, 34 und 37 auf, die eine Sammelraumanordnung bilden, mittels derer Luft durch das Gehäuse 16 und die Batteriesätze geleitet wird. Am besten sind diese in den Figuren 3A, 3B und 4A-D zu erkennen. Die erste Sperrwand 31 erstreckt sich senkrecht zwischen der Bodenplatte 150 und der Deckplatte 112 nahe der Vorderwand 25 des Gehäuses 16. Insbesondere beinhaltet die erste Sperrwand 31 eine senkrechte Platte 205 und drei langgestreckte Seiten 208, 209 und 210, die sich, an die senkrechte Platte angeformt, vorwärts von dieser weg entlang drei Kanten der senkrechten Platte erstrecken. Keine der Seiten erstreckt sich von einem Ende 212 der senkrechten Platte 205. Die Oberseite 208 der ersten Sperrwand 31 paßt zwischen die L-förmige Rippe 136 der Deckplatte 112 und die parallelen Rippen 134 der Deckplatte, die senkrechte Seite 209 der ersten Sperrwand liegt gegen die Seitenplatten 116 und 153 an, und die Unterseite 210 der ersten Sperrwand paßt zwischen die L- förmige Rippe 158 der Bodenplatte 150 und die davon beabstandete und damit parallele Rippe der Bodenplatte. Das offene Ende 212 der ersten Sperrwand 31 liegt dem kürzeren Schenkel 138 der L-förmigen Rippe 168 an und ist von den L-förmigen Wänden 147 und 180 beabstandet. Das offene Ende 212 der ersten Sperrwand 31 ist im wesentlichen zu den L-förmigen Wänden 147 und 180 ausgerichtet. Die L-förmigen Wände 147 und 180 und die offene Kante 212 der ersten Sperrwand grenzen eine Öffnung 215 ab.
Wie schon erwähnt, paßt der Batteriesatz 13 in das Gehäuse 16 zwischen die Rückwand 28 und die erste Sperrwand 31. Die erste Sperrwand 31 erstreckt sich entlang und benachbart dem Vorderende 56 des Batteriesatzes und den Vorderenden 48 der Metall-Luft-Zellen 38. Gegenüberliegende Seiten 76 und 77 des Batteriesatzes sind von entsprechenden Seitenwänden 115, 116, 152 und 153 beabstandet und bilden so einen Luftansaugsammelraum 218 und einen Kühlluftauslaßsammelraum 221. Wie am besten in Figur 4A zu erkennen ist, liegt der Luftansaugsammelraum 218 zwischen der Seite 76 des Batteriesatzes 13 und den Seitenwänden 115 und 152 benachbart dem Gebläse 127. Der Kühlluftauslaßsammelraum 221 liegt zwischen dem Batteriesatz 13 und Seitenwänden 116 und 153. Die Rückseite 66 des Batteriesatzes 13 sitzt neben dem Rückwandpolster 200, die Vorderseite 56 des Batteriesatzes sitzt neben der senkrechten Platte 205 der ersten Sperrwand 31, die Oberseite des Batteriesatzes sitzt neben den Rippen 142, 143 und 144 der Deckplatte 112, und die Unterseite des Batteriesatzes sitzt neben den Rippen 164, 165 und 166 der Bodenplatte 150. Dadurch kommt das Dichtungspolster 73 zwischen dem Batteriesatz 13 und der ersten Sperrwand 31 zu liegen, so daß eine im wesentlichen luftdichte Abdichtung zwischen dem Batteriesatz und der ersten Sperrwand besteht.
Wie in Figur 5 dargestellt, weist die senkrechte Platte 205 der ersten Sperrwand 31 mehrere Einlaß- und Auslaßöffnungen 224 und 226 auf, die zu den Kathodensammelraumeinlässen und -auslässen 50 bzw. 52 der Batteriezellen 38 ausgerichtet sind. Kanäle 229 grenzen die Auslaßöffnungen 226 der ersten Sperrwand 31 ab und erstrecken sich von der senkrechten Platte 205 vorwärts über die Seiten 208, 209 und 210 der ersten Sperrwand hinaus, wie in Figur 3B dargestellt. Die Kanäle 229 sind voneinander beabstandet und ermöglichen so eine ungehinderte Luftströmung dazwischen.
Die zweite Sperrwand 34 weist mehrere Öffnungen 230 auf, die die Kanäle 229 der ersten Sperrwand 31 dichtend aufnehmen, und liegt an den drei Seiten 208, 209 und 210 der ersten Sperrwand dichtend an, wodurch ein Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 zwischen den ersten und zweiten Sperrwänden gebildet wird. Wie in Figur 4A gezeigt, erstreckt sich die zweite Sperrwand 34 auch von den Seitenwänden 116 und 153 bis zu dem kurzen Schenkel 138 der L-förmigen Rippe 136. Auch weist die zweite Sperrwand 34 eine senkrechte Kante 238 auf, die zusammen mit der offenen Kante 212 der ersten Sperrwand 31 eine Einlaßöffnung 241 in den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 bildet.
Die dritte Sperrwand 37 paßt ebenfalls zwischen die Deckplatte 112 und Bodenplatte 150 und liegt an den Seitenwänden 116 und 153 an. Die dritte Sperrwand 37 ist von der zweiten Sperrwand 34 beabstandet und liegt zwischen der zweiten Sperrwand und der Vorderwand 25. Die dritte Sperrwand 37 erstreckt sich von den Seitenwänden 116 und 153 zu einer Kante 244, die an den kurzen Schenkel 138 der L-förmigen Rippe 136 anstößt und von den Seitenwänden 115 und 152 beabstandet ist. Die zweite und die dritte Sperrwand 34 und 37 grenzen einen Reaktionsluftauslaßsammelraum 247 ab, und die senkrechten Kanten 238 und 244 der zweiten bzw. dritten Sperrwand grenzen eine Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung 248 ab. Die senkrechten Kanten 212, 238 und 244 der ersten, zweiten bzw. dritten Sperrwand 31, 34 bzw. 37 sind vorzugsweise zueinander ausgerichtet. Außerdem bilden Ausnehmungen 249A, 249B und 249C in den Sperrwänden 31, 34 bzw. 37 einen Verdrahtungsweg, um das Gebläse 127 und den Batteriesatz 13 an die Elektronikschaltungsanordnung des Luftführungssystems 10 anzuschließen.
An der Vorderseite der dritten Sperrwand 37 ist mittels Schrauben 253 eine Leiterplatte 250 befestigt. Die obere Kante 255 der Leiterplatte 250 paßt in die Nut zwischen den parallelen Rippen 134 und der Deckplatte 150. Die Bauelemente der Leiterplatte werden nachstehend beschrieben.
Wie am besten aus den Figuren 2, 3A und 4A ersichtlich, paßt die Vorderplatte 25 über die Öffnung im vorderen Ende des Gehäuses 16 und erstreckt sich von einer Seitenwand 152 des oberen Rahmens 19 zur anderen Seitenplatte 153 des oberen Rahmens. Die Vorderplatte 25 weist einen abgesetzten Teil 256 nahe der Gebläseseite 152 des oberen Rahmens 19 auf. Der abgesetzte Teil 256 weist eine rechteckige Öffnung 259 auf, die im wesentlichen zu der Öffnung 215 ausgerichtet ist, sowie eine LED-Anzeigetafel 262 neben der Seite der rechteckigen Öffnung 259 in Richtung der Kühlluftauslaßseite 153 des oberen Rahmens 19. Der der Seite der rechteckigen Öffnung 259 gegenüber der LED-Tafel 262 benachbarte Teil der Vorderplatte 25 bildet einen Kanal 265.
In die rechteckige Öffnung 259 ist ein Schalter 268 eingepaßt, der quer über die rechteckige Öffnung in einer Richtung parallel zur Vorderwand in drei Stellungen bewegt wird, zu denen die folgenden gehören: (1) eine geschlossene oder "Aus"- Stellung für Zeiten, während deren der Batteriesatz nicht benutzt wird, (2) eine Mittel- oder "Wiederaufladen"- Stellung, bei der der Batteriesatz wiederaufgeladen wird, und (3) eine offene oder "Ein"- Stellung, bei der der Batteriesatz 13 elektrische Energie abgibt. Der Schalter 268 ist in den Figuren 4A und 4B in der Ein-Stellung, in Figur 4C in der Wiederaufladestellung und in Figur 4D in der Aus-Stellung abgebildet.
Der Schalter 268 beinhaltet eine Vorderplatte 271, die über die rechteckige Öffnung 259 an der Vorderwand 25 paßt und darin hin und her gleitet. Außerdem beinhaltet der Schalter 268 eine Platte 274, die sich senkrecht von der Vorderplatte 271 weg erstreckt und mit einer innerhalb des Gehäuses 16 gehalterten Luftklappe 275 verschweißt ist. Ein Stützglied 278 erstreckt sich von der senkrechten Platte 274 zur Vorderplatte 271. Die Luftklappe 275 bewegt sich zusammen mit der Vorderplatte 271 parallel zur Vorderwand 25 hin und her.
Die Vorderplatte 271 des Schalters weist einen im wesentlichen planaren Vorderteil 280 mit einer Vorderkante 281 und einer Rückkante 282 auf. Die Unterseite des Vorderteils 280 ist von der Vorderkante nach innen gestuft, so daß, wenn der Schalter 268 in die Aus-Stellung gebracht wird, die Vorderkante über die LED-Tafel 262 gleitet. Der äußere Teil der Vorderplatte 271 ist von der Rückkante nach innen gestuft und bildet einen Zapfen 284, der innerhalb des Kanals 265 der Vorderplatte 25 gleitet. Wenn der Schalter 268 sich in der Ein-Stellung befindet, ist der Zapfen 284 in den Kanal 265 eingepaßt. Die Vorderplatte 271 ist so bemessen, daß die rechteckige Öffnung 259 durch die Vorderplatte verschlossen wird, wenn sich der Schalter in der Aus-Stellung befindet und daß ein Spalt zwischen der Vorderkante 281 und der LED- Anzeigetafel 262 besteht, durch den Luft strömen kann, wenn sich der Schalter in der Ein-Stellung befindet. In der Wiederaufladestellung befindet sich der Schalter 268 zwischen den Ein- und Aus-Stellungen, so daß ein kleiner Spalt zwischen der Vorderkante 281 und der LED-Anzeigetafel 262 verbleibt und noch eine gewisse Luftströmung zwischen der Vorderkante und der LED-Anzeigetafel besteht.
Die Luftklappe 275 beinhaltet eine Deckplatte 287, die mit der rechtwinklig angeordneten Platte 274 des Schalters 268 verschweißt ist, sowie eine U-förmige Strömungsleitplatte 290, die an die Deckplatte angeformt ist und sich in den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 erstreckt. Die U-förmige Strömungsleitplatte 290 steht im gleitenden Eingriff mit dem Reaktionslufteinlaßsammelraum 235. Die Luftklappe 275 bewegt sich über der Öffnung 215 hin und her, während sich die U-förmige Strömungsleitplatte 290 innerhalb des Reaktionslufteinlaßsammelraums 235 hin und her bewegt. Die offene Seite der Strömungsleitplatte 290 ist der Rückwand 28 zugewandt und führt Luft vom Luftansaugsammelraum 218 in den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235. Die Luftklappe 275 ist so bemessen, daß die Abdeckplatte 287 die Einlaßöffnung 241 des Reaktionslufteinlaßsammelraums 235 und die Auslaßöffnung 248 des Reaktionsluftauslaßsammelraums 247 verschließt, wenn sich der Schalter 268 in der Aus-Stellung befindet, so daß der Luftstrom zu den Luftkathoden 42 des Batteriesatzes 13 abgesperrt ist. Auch ist der Schalter 268 so bemessen, daß die Luftklappe 275, wenn sich der Schalter 268 in der Ein-Stellung befindet, einen Luftstrom durch die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung 241 in den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 leitet und eine Luftströmung durch die Lufteinlaßöffnung 215 direkt in den Vorderteil des Gehäuses 16 verhindert.
Eine LED-Platte 293 ist hinter der LED-Anzeigetafel 262 so montiert, daß die LED-Signaleinheiten durch Löcher in der LED-Anzeigetafel herausragen. Die LED- Anzeige kann zur Signalisierung des Zustands des Batteriesatzes dienen. Zum Beispiel kann die LED-Anzeige dazu dienen, anzuzeigen, ob sich der Batteriesatz entlädt oder wiederauflädt sowie auch dazu, noch vorhandene Ladungsmenge in den Batteriezellen anzuzeigen, wie es sich für den Fachmann versteht.
Quer über den oberen Gebläserahmen 160 ist eine Schnurklappe 296 montiert, und an die Schnurklappe ist eine Schnurhalterung 298 montiert, um elektrische Drähte festzuhalten, die den Luftbatteriesatz 13 und das elektronische System mit einer Anschlußstelle und einer Ladebuchse verbinden.
Die Auslegung eines Elektroniksystems zum Betreiben der Energieversorgung 10 ist dem Fachmann möglich. Figur 6 zeigt eine Übersicht eines Elektroniksystems 300 zur Verwendung mit dem Luftführungssystem 10 und Batteriesatz 13. Ein ausführlicher Schaltplan des Elektroniksystems 300 ist im Anhang dargelegt.
Das Elektroniksystem 300 enthält einen Mikroregler 303, der als das Gehirn der Energieversorgung fungiert. Als Mikroregler 303 ist ein 8-Bit-Mikroregler Signetics 87C751 geeignet. Hier handelt es sich um ein 24-poliges CMOS-Bauelement, das 2K x 8 ROM zur Programmspeicherung, einen 64 mal 8 RAM zur Speicherung von Variablen, einen zum Aufwecken des Chips während des Leerlaufs im Abschaitzustand verwendeten 16-Bit-Zähler- Zeitgeber, 19 Eingangs-/Ausgangsleitungen sowie eine I²C- Schnittstelle, die zur Durchgabe von Daten zwecks Datenprotokollierung dient, enthält. Der 87C751-Mikroregler 303 beinhaltet vorzugsweise einen 3,58MHz-Kristall, der einen aktiven Stromverbrauch von nur 4mA aufweist. Damit ergibt sich ein niedriger mittlerer Stromverbrauch. Die Logik des Mikroreglers 303 wird nachstehend noch näher beschrieben.
Ein EPROM-Chip 304 besorgt die Datenprotokollierung für den Mikroregler 303. Die I²C-Schnittstelle des Mikroreglers 303 übermittelt Daten zur und von der Datenerfassungsvorrichtung 304.
Ein Überwachungszeitgeber 306 verhindert, daß der Mikroregler 303 infolge von Stromschwankungen, Störimpulsen, elektrostatischen Entladungen und dergleichen blockiert. Als Überwachungszeitgeber 306 eignet sich ein LMC555-Überwachungszeitgeber. Solange der Mikroregler 303 ordnungsgemäß arbeitet, sendet er periodisch einen Ladeimpuls zum Überwachungszeitgeber 306, damit die Rücksetzleitung des Mikroreglers inaktiv bleibt. Hängt der Mikroregler 303 aber aus irgendeinem Grund, so aktiviert der Überwachungszeitgeber 306 die Rücksetzleitung des Mikroreglers und befreit den Mikroregler aus dem Hängezustand. Dann gibt der Überwachungszeitgeber 306 den Mikroregler 303 aus dem Rücksetzzustand frei. Der Mikroregler 303 sollte dann wieder normal arbeiten und weiterhin periodisch Impulssignale senden, damit die Rücksetzleitung des Mikroreglers inaktiv bleibt.
Der Schalter 268 der Energieversorgung 10 steuert eine Klappenzustandsschaltung 309, einen ersten Mikroschalter 312 und einen zweiten Mikroschalter 315 an. Wie vorstehend erklärt, kann der Schalter 268 in drei Stellungen gebracht werden, und zwar folgende: (1) eine geschlossene oder "Aus"- Stellung, wenn die Luftbatterie nicht verwendet wird; (2) eine Mittel- oder "Wiederaufladen"- Stellung, wenn die Luftbatterie wiederaufgeladen wird; und (3) eine offene oder "Ein"- Stellung, wenn die Energieversorgung zum Speisen eines Verbrauchers wie etwa eines PCs verwendet wird.
Befindet sich der Schalter 268 in der Aus-Stellung, so sind die Klappenzustandsschaltung 309, der erste Mikroschalter 312 und der zweite Mikroschalter 315 nicht betätigt, und der Batteriesatz 13 ist vom Rest des Elektroniksystems 300 abgekoppelt. Befindet sich der Schalter 268 in der Wiederaufladestellung, so ist der erste Mikroschalter 312 betätigt. Dadurch wird der Luftbatteriesatz 13 mit einem Ladegerätsdetektor 318 und einem Ladegerät 321 durch eine Ladegeräteingangsschaltung 324 verbunden. Der Mikroregler 303 kann dann für den Luftbatteriesatz 13 das Aufladen freigeben, wenn das Ladegerät auf nachstehend beschriebene Weise an das Elektroniksystem 300 angeschlossen ist. Befindet sich der Schalter 268 in der Ein-Stellung, so sind sowohl der erste Mikroschalter 312 als auch der zweite Mikroschalter 315 betätigt. Der zweite Mikroschalter verbindet den Luftbatteriesatz 13 mit der Leistungsausgangsschaltung 330 des 12 Volt-Reglers, die den Batteriesatz 13 mit dem Gebläse 127 verbindet, und die Leistungsausgangsschaltung 330 des 12 Volt-Reglers verbindet den Batteriesatz mit dem Gebläse und dem gewünschten Verbraucher 333 und hält die Ausgangsspannung des Batteriesatzes auf 12 Volt.
Bei der Klappenzustandsschaltung 309 handelt es sich um eine zur Anzeige des Klappenzustands an den Mikroregler 303 verwendete Zener-Diodenklemmschaltung. Ist der Schalter 268 in der Aus- oder Wiederauflade- Stellung, so ist die Klappenzustandsschaltung stromlos, und die Ausgangsspannung der Klappenzustandsschaltung beträgt 0 Volt. Diese Ausgabe wird in den Mikroregler 303 eingespeist, der dieses Signal als einen logischen 0- Zustand interpretiert. Befindet sich der Schalter 268 in der Ein-Stellung, so wird die Klappenzustandsschaltung 309 vom Batteriesatz 13 gespeist, und der Ausgang der Klappenzustandsschaltung befindet sich auf einem vorgegebenen Spannungspegel, vorzugsweise 417 Volt für die 12 Volt-Batterie. Dies stellt einen logischen 1- Zustand dar, der in den Mikroregler 303 eingespeist wird. So ist der Mikroregler 303 fähig, eine Entscheidung zwischen der Ein-Stellung des Schalters 268 und entweder der Wiederaufladestellung oder der Aus-Stellung des Schalters zu treffen. Der Mikroregler 303 verwendet diese Informationen, um das Batterieladegerät 321 anzuschalten oder abzuschalten, indem er die Ladegeräteingangsschaltung 324 ein- oder abschaltet, um einen Alarm 336 zu betätigen, wenn kein Verbraucher vorhanden ist, und um festzustellen, ob der Batteriesatz 13 sich entlädt oder aufgeladen wird.
Das Ladegerät 321 macht nicht Teil des Luftverteilersystems 10 aus, ist aber daran über eine herkömmliche elektrische Ladebuchse angeschlossen. Metall-Luft- Zellenladegeräte sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht näher besprochen.
Der Ladegerätsdetektor 318 enthält eine Zenerdioden-Klemmschaltung und dient dazu, die Anwesenheit des Ladegeräts 321 anzuzeigen. Für den 12 Volt-Batteriesatz 13 enthält der Ladegerätsdetektor 318 vorzugsweise eine 4,7 V-Zenerdioden-Klemmschaltung. Der Eingang des Ladegerätsdetektors 318 wird vom ersten Mikroschalter 312 gespeist, der an das Ladegerät 321 durch eine Ladegerätseingangsbuchse verbunden ist. Die Ladegerätseingangsschaltung 324 enthält einen Transistor wie etwa einen HEXFET-Transistor IRF9551, der vom Mikroregler 303 einund ausgeschaltet wird.
Ist der Schalter 268 in der Ein- oder Wiederauflade-Stellung, so wird der erste Mikroschalter betätigt und verbindet das Ladegerät 321 sowohl mit dem Ladegerätsdetektor 318 als auch mit der Ladegerätseingangsschaltung 324. Ist das Ladegerät 321 an das elektronische System 303 angeschlossen und eingeschaltet, so sendet der Ladegerätsdetektor 318 ein Signal an den Mikroregler 303, das die Anwesenheit des Ladegeräts anzeigt. Bei dem 12 V-Batteriesatz 13 ist dieses Signal ein 4,7 V-Signal. Ist das Ladegerät 321 nicht an die Ladebuchse angeschlossen oder nicht eingeschaltet, so sendet der Ladegerätsdetektor ein 0-Signal an den Mikroregler 303, der aus diesem Signal schließt, daß das Ladegerät nicht anwesend ist. Wenn das Ladegerät 321 anwesend ist und sich der Schalter 268 in der Wiederauflade-Stellung befindet, so schaltet der Mikroregler 303 die Ladegerätseingangsschaltung 324 ein, die den Luftbatteriesatz 13 durch die Ladegerätseingangsschaltung elektrisch mit dem Ladegerät 321 verbindet. Der Mikroregler 303 baut auf Eingabe aus der Klappenzustandsschaltung 309, die anzeigt, daß der Schalter 268 sich nicht im Ein-Zustand befindet. Ist der Schalter 268 in Ein-Stellung, so liest der Mikroregler 303 die Eingabe aus der Klappenzustandsschaltung 309 und schaltet die Ladegeratseingangsschaltung 324 nicht ein oder schaltet, wenn nötig, die Ladegerätseingangsschaltung aus, um ein Laden zu verhindern, solange der Luftbatteriesatz 13 eingeschaltet ist.
Befindet sich der Schalter 268 in der Ein-Stellung, so verbindet der zweite Mikroschalter 315 den Batteriesatz 13 mit der Leistungsausgangsschaltung 330 des 12 V-Reglers, die eine Entladung elektrischer Energie aus dem Batteriesatz zum Gebläse 127 und dem gewünschten Verbraucher 333 gestattet. Ein Niederspannungsdetektor 339 überwacht die Batteriesatzspannung und gibt dem Mikroregler 303 ein Signal, sobald diese Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert abfällt. Bei dem 12 V-Batteriesatz 13 liegt der vorgegebene Schwellwert vorzugsweise um 10,8 Volt. Fällt die Luftbatterie unter 10,8 Volt, so sendet der Niederspannungsdetektor ein logisches 0-Signal an den Mikroregler 303, der diese Signalleitung periodisch abtastet, vorzugsweise jede Sekunde. Stellt der Mikroregler 303 diesen niedrigen Spannungspegel fest, so überwacht er das Niederspannungssignal, und wenn das Niederspannungssignal eine vorgegebene Zeitspanne lang anhält, vorzugsweise etwa 30 Sekunden lang, so können das Datum und die Uhrzeit des Niederspannungssignals protokolliert werden, um ein Einleiten der Niederspannungs-Feststellungsmeldung kundzutun, und der Mikroregler aktiviert den Alarm 336, um die Bedienungskraft auf den Niederspannungszustand aufmerksam zu machen. Der Alarm ertönt solange, bis der Niederspannungszustand korrigiert wird, etwa durch Anschließen des Ladegeräts 321 und Wiederaufladen der Batterie.
Von einem Strommeßverstärker 342 werden die Ladeund Entladeströme durch den Batteriesatz 13 gemessen. Der Strommeßverstärker 342 enthält einen Widerstand, der den durch den Batteriesatz 13 laufenden Strom in einen Spannungsabfall umsetzt. Dieser Spannungsabfall wird verstärkt und von einem vorgegebenen Vorspannungspegel abgezogen, was eine negative Ausgangsspannung bezogen auf den vorgegebenen Vorspannungspegel ergibt. Diese negative Ausgangsspannung wird dann in einen Integrator/Vergleicher 345 eingespeist. Das bewirkt ein Hochlaufen des Integrators, bis das Integratorausgangssignal einen vorgegebenen Vergleicherauslösepegel erreicht. Sobald die Integratorausgangsspannung vom ursprünglichen Vorspannungspegel auf den Ansprechpegel des Vergleichers hochgelaufen ist, ändert sich die Ausgabe des Integrators/Vergleichers 345 an den Mikroregler 303 von einem logischen 1-Signal auf ein logisches 0-Signal. Dieses logische 0-Signal veranlaßt den Mikroregler 303, den Integrator kurzzuschließen und auf den nächsten Integrationstakt vorzubereiten, sowie den internen Integratorzählwert des Mikroreglers des Datenprotokollierers 304 um einen vorgegebenen Wert zu erhöhen oder zu vermindern. Der Mikroregler 303 prüft den Klappenzustand, um festzustellen, ob der interne Integratorzählwert zu erhöhen oder zu vermindern ist. Erhöht wird der interne Integratorzählwert, wenn sich der Schalter 268 in der Wiederauflade-Stellung befindet, und vermindert wird der interne Integratorzählwert, wenn sich der Schalter in der Ein-Stellung befindet. Der Mikroregler 303 kontrolliert den Integratorzählwert, um sicherzustellen, daß dieser innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleibt. Überschreitet der Integratorzählwert den vorgegebenen Maximalschwellwert, so schaltet der Mikroregler die Ladegeräteingangsschaltungen 324 aus, um ein Überladen des Batteriesatzes 13 zu verhindern.
Der Mikroregler 303 kann so programmiert werden, daß er Signale an die LED-Anzeige 293 sendet, die aufgrund des Integratorzählwertes den noch in der Batterie vorhandenen Ladungspegel anzeigen. Ein solches Programm kann von einem Fachmann entworfen werden und wird daher hier nicht näher besprochen.
Um die Energieversorgung 10 so zu bedienen, daß damit ein Verbraucher 333 gespeist wird, wird der Schalter 268 in die Ein-Stellung gebracht. Daraufhin werden die Klappenzustandsschaltung 309, der erste Mikroschalter 312 und der zweite Mikroschalter 315 eingeschaltet. Die an den Batteriesatz 13 angeschlossene Klappenzustandsschaltung 309 sendet ein Signal an den Mikroregler 303, daß der Schalter 268 sich im eingeschalteten Zustand befindet und daher nicht in Wiederaufladen- oder Aus-Stellung liegt. Der Mikroregler 303 beginnt dann mit seiner Logikroutine, die in Figur 7 dargelegt ist.
Wie in Figur 7 veranschaulicht, fragt der Mikroregler 303, wenn der Schalter 268 in die Ein-Stellung gelegt wird, wie in Block 1 dargelegt, als nächstes, ob das Ladegerät 321 eingeschaltet ist. Ist das Ladegerät eingeschaltet, so schaltet der Mikroregler 303 die Ladegerateingangsschaltung 324 aus, wie in Block 3 dargelegt. Ist das Ladegerät 321 nicht eingeschaltet, so beginnt der Mikroregler 303, periodische Impulse an den Überwachungszeitgeber 306 zu senden, wie in Block 4 dargelegt. Der Mikroregler 303 fragt dann, ob ein Verbraucher anwesend ist, wie in Block 5 dargelegt. Ist kein Verbraucher anwesend, so aktiviert der Mikroregler 303 den hörbaren Alarm 336, wie in Block 6 dargelegt. So lange sendet der Mikroregler 303 Impulse an den Überwachungszeitgeber und fragt nach der Anwesenheit eines Verbrauchers, bis ein Verbraucher angeschlossen ist. Ist ein Verbraucher anwesend, so fragt der Mikroregler 303 nun, ob die Batteriesatzspannung niedriger ist als ein vorgegebener Mindestschwellwert, wie im Block 7 dargelegt. Diese Information wird dem Mikroregler 303 vom Niederspannungsdetektor 339 geliefert. Liegt die Batteriespannung unter dem vorgegebenen Mindestschwellwert, so aktiviert der Mikroregler 303 den hörbaren Alarm 336 und fragt weiter solange nach, bis die Batteriesatzspannung dem vorgegebenen Mindestschwellwert gleich ist oder ihn übertrifft. Wenn die Batteriesatzspannung dem vorgegebenen Mindestschwellwert gleich ist oder ihn übertrifft, so sendet der Mikroregler 303 weiter Impulse an den Überwachungszeitgeber 306 und überwacht weiter die Anwesenheit eines Verbrauchers sowie die Batteriespannung.
Wird der Schalter 268 in die Ein-Stellung gelegt, so schließt der zweite Mikroschalter 315 den Batteriesatz 13 sofort an die Leistungsausgangsschaltung 330 des 12 V- Reglers an, wodurch der Batteriesatz mit dem Gebläse 127 verbunden wird. Durch Restenergie im Batteriesatz 13 wird das Gebläse 127 angelassen, das Luft durch das Luftverteilersystem 10 und über die Luftkathoden 42 pumpt und so mehr Strom aus dem Batteriesatz 13 erzeugt. Die Leistungsausgangsschaltung 330 des 12 V-Reglers verbindet den Luftbatterieblock 13 auch mit dem Verbraucher 333. Dadurch liefert der Batteriesatz 13 dem Verbraucher 333 elektrische Energie.
Die durch das Gebläse 127 hervorgebrachte Luft strömt durch die Luftansaugöffnung 118 im Gehäuse 16 und in den Luftansaugsammelraum 218. Ein erster; Anteil dieses Luftstroms wird über die Luftkathoden 42 der einzelnen Batteriezellen 38 geleitet. Dieser erste Anteil wird nachstehend als der Reaktionsanteil bezeichnet. Ein zweiter Anteil des Luftstroms strömt durch die Kühlluftkanäle 64 des Batteriesatzes 13 und tritt durch die Schlitze 130 in der Seitenwand 116 des oberen Gehäuserahmens 19 aus. Dieser zweite Anteil wird nachstehend als der Kühlanteil bezeichnet.
Wie bereits erläutert, wird der durch den Kühlluftsammelraum 64 strömende Kühlanteil der Luft von den Luftkathoden 42 der Batteriezellen 38 isoliert und dient zur Kühlung der Metall-Luft-Zellen.
Befindet sich der Schalter 268 in der Ein-Stellung, so besteht eine Lücke zwischen der Vorderkante 281 des Schalters und der LED-Anzeigetafel 262, damit Luft durch die rechteckige Öffnung 259 in der Vorderwand 25 fließen kann. Außerdem ist die Luftklappe 275, die sich zusammen mit dem Schalter 268 bewegt, so angeordnet, daß die Öffnung 215 blockiert ist und der gesamte Reaktionsanteil des Luftstroms mittels der Luftklappe durch die Einlaßöffnung 241 in den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 geleitet wird. In der Ein-Stellung blockiert die Luftklappe 275 die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung 248 nicht.
Demgemäß fließt, wenn sich der Schalter 268 in der Ein-Stellung befindet, der Reaktionsanteil des durch das Gebläse 127 erzeugten Luftstroms aus dem Ansaugsammelraum 218 durch die Einlaßöffnung 241 in den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235, durch die Einlaßöffnungen 224 der ersten Sperrwand 31 und die Einlaßöffnungen 50 der Metall-Luft-Zellen 38, über die Luftkathoden 42 der Zellen, indem er dem durch die Sperrwände 54 abgegrenzten Weg folgt, aus den Zellen heraus durch die Auslaßöffnungen 52 der Zellen, die Kanäle 229 und die Auslaßöffnungen 226 der ersten Sperrwand, in den Reaktionsluftauslaßsammelraum 247, aus der Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung 248 heraus, und dann aus dem Gehäuse 16 heraus durch die rechteckige Öffnung 259 in der Vorderplatte 25. Die Kanäle 229 vermitteln der aus den Kathode nsammelräumen austretenden Luft einen abgesonderten Weg über den Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 hinweg. Überdies isolieren der Luftansaugsammelraum 218 und der Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 die Kühllufteinlässe und Reaktionslufteinlässe von der Reaktions- und Kühlabluft. Dadurch wird verhindert, daß die aus den Kathoden- und Kühlsammelräumen austretende Luft sich mit der in die Kathoden- und Kühlluftsammelräume eintretenden Luft vermischt. Für den Fachmann versteht sich, daß die über die Luftkathoden 42 strömende Luft Sauerstoff für die elektrolytische Reaktion in den einzelnen Metall-Luft- Zellen 38 liefert, wodurch der vom Batteriesatz 13 gelieferte elektrische Strom erzeugt wird.
Die Auslaßöffnungen 226 der ersten Sperrwand 31 sind so bemessen, daß der Reaktionsanteil des durch das Gebläse 127 gelieferten Luftstroms auf einen zur Erzeugung eines vorgegebenen Strompegels aus jeder Batteriezelle 38 hinreichenden Volumendurchsatz bei minimaler Verdampfung von Wasser aus den Batteriezellen durch die Luftkathoden 42 beschränkt wird. Dazu ist zu bemerken, daß zur Regelung des Durchsatzes des Reaktionsanteils des Luftstroms anstelle der Auslaßöffnungen 226 auch die Einlaßöffnungen 224 der ersten Sperrwand 31 verwendet werden könnten. Bei dem hier offenbarten 12 V-Batteriesatz 13 liegt der vorgegebene Strompegel aus jeder Zelle 38 vorzugsweise bei 1,25 A pro Zelle, bei einer Spannung von etwa 1 V je Zelle. Ferner beträgt bei der 12 V-Ausführungsform der Durchmesser der Auslaßöffnungen 226 der ersten Sperrwand 31 vorzugsweise etwa 0,20 cm (0,080 Zoll). Die Auslaßöffnungen 226 beschränken den Reaktionsanteil des Luftstroms vorzugsweise auf einen Volumendurchsatz, der zur Lieferung des 3- bis 10-fachen der zur Erzeugung des vorgegebenen Strompegels aus den Metall- Luft-Zellen 38 erforderlichen stöchiometrischen Menge an Sauerstoff ausreicht. Besonderen Vorzug verdient es, den Reaktionsanteil des Luftstroms auf einen zur Lieferung des 4- bis 5-fachen der stöchiometrischen Menge an Sauerstoff ausreichenden Volumendurchsatz zu beschränken. Bei der Zink-Luft-Zellen verwendenden 12 V- Ausführungsform, bei der der Durchmesser der Auslaßöffnungen 226 etwa 0,20 cm (0,080 Zoll) beträgt, liegt der Durchsatz des Reaktionsanteils des Luftstroms bei etwa 1 Liter pro Minute. Wird ein höherer Strompegel gewünscht, so sollte, wie sich für den Fachmann versteht, der Luftdurchsatz höher liegen.
Das Gebläse 127 erzeugt vorzugsweise einen so großen Luft-Gesamtvolumendurchsatz, daß der Volumendurchsatz des Kühlanteils des Luftstroms ausreicht, die Batteriezellen 38 unterhalb einer Temperatur von weniger als etwa 11ºC (20ºF) über Umgebungstemperatur zu halten. Die Zellen 38 werden vorzugsweise unterhalb etwa 32ºC (90ºF) gehalten. Der Kühlanteil des Luftstroms weist vorzugsweise einen Volumendurchsatz von etwa dem 10- bis 1000-fachen des Durchsatzes der Reaktionsluft auf.
Für die Zink-Luft-Batteriezellen verwendende 12 V-Ausführungsform eignet sich als Geblase ein Gebläse vom Typ MICRONEL US F-62 LM/MM012DNGK. Dieses Gebläse arbeitet mit 1,1 Watt und liefert 0,40 m³/Minute (14 Kubikfuß pro Minute) Luft. Dieses Gebläse braucht verhältnismäßig wenig Stom und liefert einen hinreichenden Luftstrom. Vorzugsweise arbeitet das Gebläse 127 mit einem Strompegel, der etwa 10% des von dem Batteriesatz erzeugten vorgegebenen Strompegels ausmacht. Dadurch wird die durch das Gebläse dem Batteriesatz entzogene Leistung in Grenzen gehalten und die Gesamtenergiedichte der Energieversorgung verbessert.
Ist die Energieversorgung 10 nicht in Gebrauch, so wird der Schalter 268 in die Aus-Stellung gebracht. In der Aus-Stellung wird die rechteckige Öffnung 259 in der Vorderwand 25 durch die Vorderplatte. 271 des Schalters verschlossen, und der Reaktionslufteinlaßsammelraum 235 und der Reaktionsluftauslaßsammelraum 247 werden durch die Abdeckplatte 287 der Luftklappe 275 abgeschlossen. Insbesondere deckt die Abdeckplatte 287 der Luftklappe 275 die Einlaßöffnung 241 des Reaktionsluftsammelraums 235 sowie die Auslaßöffnung 248 des Reaktionsluftauslaßsammelraums 247 ab. Dadurch wird Sauerstoff von den Luftkathoden 42 der Zellen 38 ferngehalten und eine unnötige Entladung des Batteriesatzes sowie das Austrocknen der Zellen zu Zeiten der Nichtbenutzung verhindert.
Wiederaufgeladen wird der Batteriesatz 13, indem ein Batterieladegerät 321 an die mit dem ersten Mikroschalter 312 verbundene Wiederaufladebuchse angeschlossen wird. Dann wird der Schalter 268 in die Wiederauflade- Stellung gebracht, wodurch der erste Mikroschalter 312 betätigt wird. Liegt der Schalter 268 in der Wiederauflade-Stellung, so beginnt der Mikroregler 303 mit der in Figur 8 umrissenen Logikroutine. Zuerst fragt der Mikroregler 303, ob das Ladegerät anwesend ist, wie in Block 2 dargestellt. Die Eingabe aus der Ladegerätsdetektorschaltung 318 zeigt an, ob das Ladegerät anwesend ist. Ist das Ladegerät nicht anwesend, so fragt der Mikroregler 303 solange weiter nach, bis das Ladegerät 321 an die Ladebuchse angeschlossen ist. Ist das Ladegerät anwesend, so fragt der Mikroregler 303, ob der Integratorzählwert unter dem vorgegebenen Maximalzählwert liegt. Wie bereits erklärt, überwachen der Strommeßverstärker 342 und Integrator/Vergleicher 345 den Ladungspegel des Luftbatteriesatzes 13. Liegt der Integrator unter dem vorgegebenen Maximalzählwert, so schließt der Mikroregler 303 die Luftbatterie an das Ladegerät an, wie in Block 5 dargelegt, indem er die Ladegeräteingangsschaltung 324 einschaltet. Der Luftbatteriesatz 13 wird nun wieder aufgeladen, bis der Schalter 268 aus- oder eingeschaltet wird, oder der Integratorzählwert Gleichstand mit dem vorgegebenen Maximalzählwert erreicht oder ihn übertrifft. Ist der Integratorzählwert gleich dem maximalen Integratorzählwert oder übertrifft er ihn, so koppelt der Mikroregler 303 den Luftbatterieblock 13 automatisch von Ladegerät 321 ab, indem er die Ladegerätseingangsschaltung 324 abschaltet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine im wesentlichen lecksichere Metall- Luft-Zelle bereitgestellt. Eine bevorzugte Ausführungsform 400 dieser Metall-Luft-Zelle ist in den Figuren 9-13 dargestellt. Die Metall-Luft-Zelle 400 enthält eine Anode 403, eine Kathode 406 und Elektrolyt 409, in einem Zellengehäuse 412 angeordnet. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben, befinden sich die Anode 403, die Kathode 406 und der Elektrolyt 409 innerhalb einer flüssigkeitsundurchlässigen Umhüllung im Zellengehäuse 412.
Als Anode eignet sich eine umwickelte Zinkanode wie aus US-Patent Nr. 4 957 826 bekannt, auf dessen Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Anode 403 ist mit einer Lage 413 aus saugfähigem, benetzbarem, oxidationsbeständigem Gewebe oder Vliesstoff wie Baumwolle, Rayon, modifizierter CMC oder benetzbare Kunststoffasern umwickelt. Als Elektrolyt eignet sich eine wäßrige Base einschließlich eines Hydroxids eines Metalls der Gruppe I wie LiOH, NaOH, KOH, CsOH oder dergleichen, wie aus US-Patent Nr. 4 957 826 bekannt. Die Anode 403 enthält ein metallisches Stromabnehmergitter, das eine sich von diesem weg erstreckende Leitung 418 aufweist, was einen Pluspol für die Zelle 400 ergibt.
Als Kathode eignet sich eine poröse flächenartige Kathode mit einer direkt an einer gasdurchlässigen, flüssigkeitsundurchlässigen, Nässebeständigkeit vermittelnden Schicht haftenden Aktivschicht, wie sie aus den US-Patenten Nr. 4 354 958, 4 518 705, 4 615 954, 4 927 514 sowie 4 444 852 bekannt ist, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Aktivschicht der Kathode 406 bildet die Elektrolytseite 422 der Kathode und ist dem Elektrolyt 409 zugewandt. Die Aktivschicht enthält katalysierende Teilchen aus Aktivkohle und Teilchen eines hydrophoben Polymers wie Polytetrafluorethylen (TEFLON ). Die Nässebeständigkeit vermittelnde Schicht bildet die Luftseite 423 der Kathode 406 und enthält eine Mischung aus Rußteilchen und TEFLON -Teilchen. Die Kathode 406 enthält einen Streckmetallblech-Stromabnehmer, von dem sich eine Leitung 421 zum Anschluß an einen Pluspol für die Zelle 400 erstreckt.
Das Zellengehäuse 412 beinhaltet ein im wesentlichen planares, rechteckiges, erstes Glied 424 und ein im wesentlichen rechteckiges zweites Glied 427 in der Form eines umgekehrten Troges. Das erste Glied 424 ist mit dem zweiten Glied thermisch verschweißt und bildet so das rechteckige kastenförmige Gehäuse 412.
Das erste Glied 424 des Zellengehäuses 412 weist einen äußeren Umgrenzungsrand 430 auf, der eine im wesentlichen planare Platte 433 umgibt. Der äußere Umgrenzungsrand 430 des zweiten Gliedes ist vor dem thermischen Schweißen leicht erhaben, wie Figur 11 zeigt. Die Platte 433 des ersten Gliedes 424 weist mehrere sich entlang der Längsabmessung des ersten Gliedes erstreckende Kanäle 436 sowie einen weiteren, sich über die Breitenabmessung des ersten Gliedes, senkrecht zu den mehreren Kanälen, erstreckenden Kanal 437 auf. Die Kanäle 436 und 437 machen es möglich, daß das erste Glied 424 während einer Ausdehnung der Metall-Luft-Zelle im wesentlichen planar bleibt. Das erste Glied 424 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial wie Polypropylen, das gegen elektrolytbedingte Korrosion beständig und leicht thermisch zu schweißen ist.
Die Platte 433 des ersten Gliedes 424 weist mehrere Ausnehmungen 440 mit einem mittigen Loch 441 darin auf, das durch eine gasdurchlässige, flüssigkeitsundurchlässige Membran 443 abgedeckt wird. Diese Membran 443 ermöglicht das Entweichen eines sich in der Metall- Luft-Zelle 400 während des Betriebes ansammelnden Gases, gestattet aber nicht das Austreten von Elektrolyt. Bei der Membran handelt es sich vorzugsweise um ein poröses Polypropylenmaterial wie mikroporöse Membranen des Typs CELGARD , vertrieben von Hoechst Celanese Corporation in Charlotte, North Carolina, aber auch ultrafeines Polyethylen 4925, vertrieben von der Porex Corporation in Fairburn, Georgia, in Verbindung mit einem mikroporösen TEFLON -Zapfen, hergestellt von der Fluoroglas Corporation. Bevorzugt werden als mikroporöse CELGARD - Membranen Membranen vom Typ CELGARD 2400 und 2500. Diese Membranen werden auf das erste Glied 424 des Zellengehäuses 412 thermisch aufgeschweißt oder aufgeprägt.
Das zweite Glied 427 des Zellengehäuses 412 wird durch ein im wesentlichen planares Gitter 446 gebildet, das von einer Umgrenzungsseitenwand 449 umgeben ist, die sich vom Gitter bis zu einem an den äußeren Umgrenzungsrand 430 des ersten Gliedes grenzenden äußeren Ungrenzungsrand 453 erstreckt. Das Gitter 446 des zweiten Gliedes 427 paßt über die Luftseite 423 der Kathode 406 und grenzt mehrere Öffnungen 456 ab, durch die die Kathode mit Luft beaufschlagt wird. Auch weist das zweite Glied 427 eine Öffnung 459, durch die die Kathodenleitung 421 herausragt und eine Öffnung 460, durch die die Anodenleitung 418 herausragt, auf.
Auch beinhaltet das Zellengehäuse 412 eine Randabstützung 463, die sich knappsitzend zwischen dem ersten bzw. zweiten Glied 424 bzw. 427 des Zellengehäuses 412 benachbart der Umgrenzungsseitenwand 449 des zweiten Gliedes erstreckt. Die umwickelte Anode 403 paßt in das Zellengehäuse 412 zwischen das erste Glied 424 und die Elektrolytseite 422 der Kathode 406.
Eine weitere gasdurchlässige, flüssigkeitsundurchlässige Membran 475 paßt zwischen das Gitter 446 des zweiten Gliedes 427 und die Luftseite 423 der Kathode 406 und deckt die Luftseite der Kathode ab. Diese Membran 475 weist einen äußeren Rand 478 auf, der sich über die Luftseite 423 der Kathode 406 hinweg, um den Außenumfang der Kathode herum, bis zu einem Punkt nahe den aneinandergrenzenden Umgrenzungsrändern 430 und 453 des ersten Gliedes 424 und des zweiten Gliedes 427 erstreckt. Der Außenrand 478 der Membran 475 erstreckt sich, knappsitzend, zwischen der Umgrenzungsseitenwand 449 des zweiten Gliedes 427 und der Randabstützung 463.
Bevorzugt wird als Membran 475 mikroporöse Polypropylenmembran vom Typ TYVEK , vertrieben von Dupont in Wilmington, Delaware.
Das erste Glied 424, das zweite Glied 427, der Außenrand 478 der Membran 475 und die Randabstützung 463 werden vorzugsweise entlang den aneinandergrenzenden äußeren Umgrenzungsrändern 430 und 453 des ersten bzw. zweiten Gliedes thermisch miteinander verschweißt, wodurch eine einzige einstückige flüssigkeitsundurchlässige, gasundurchlässige Abdichtung 481 um das Zellengehäuse 412 gebildet wird. Figur 11 zeigt die Zelle 400 vor dem thermischen Verschweißen, und Figur 12 zeigt die Zelle 400 nach dem thermischen Verschweißen. Durchgeführt werden kann das thermische Verschweißen mit einer von der Firma Forward Technologies, Minneapolis, Minnesota vertriebenen Heizplattenschweißmaschine. Zusammen mit der Abdichtung 481 bilden das erste Glied 424, das zweite Glied 427, die Randabstützung 463 und die Membran 475 eine flüssigkeitsundurchlässige Umhüllung, die die Anode 403, die Kathode 406 und den Elektrolyt 409 vollständig einkapselt.
Der Elektrolyt 409 wird in das Zellengehäuse 412 durch das erste Glied 424 unter Verwendung einer Spritze eingespritzt. Das von der Spritze erzeugte kleine Loch wird nach Zugabe des Elektrolyts thermisch versiegelt.
Mit nur einer einzigen Abdichtung 481 ist das Zellengehäuse 412 im wesentlichen elektrolytdicht. Sollte Elektrolyt an der Kathode 406 vorbei austreten und sich zwischen der Luftseite 423 der Kathode und der die Kathode abdeckenden Membran 475 ansammeln, so isoliert zusätzlich das Gitter 446 des zweiten Gliedes 427 den ausgetretenen Elektrolyt innerhalb bestimmter, durch das Gitter des zweiten Gliedes abgegrenzten Öffnungen 456. Bildet daher der ausgetretene Elektrolyt eine Beule unter der die Kathode 406 abdeckenden Membran 475, so ist diese Beule lokalisiert und es ist nicht damit zu rechnen, daß sie den Luftstrom über die von der Membran abgedeckte Luftkathode wesentlich behindert.
Eine weitere gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellte Metall-Luft-Energieversorgung 500 ist in den Figuren 14-19 dargestellt. Wie nachstehend noch näher beschrieben wird, gehört zu der Energieversorgung 500 ein 12 der vorstehend beschriebenen Metall-Luft-Zellen 400 enthaltender Batteriesatz 503 sowie ein in einem Gehäuse 506 angeordnetes Gebläse 504. Das Gehäuse 596 beinhaltet einen Batterieteil 507, der den Batteriesatz 503 aufnimmt, und einen Gebläseteil 508, der das Gebläse 504 aufnimmt.
Wie bei der bereits beschriebenen Energieversorgung 10 kann diese bevorzugte Ausführungsform 500 jede beliebige Zahl einzelner Metall-Luft-Batteriezellen 400 enthalten. Zu bemerken ist dazu auch, daß es sich bei den Metall-Luft-Zellen 400 um Zink-Luft-Zellen oder einen anderen Metall-Luft-Zellentyp handeln kann.
Der Batteriesatz 503 und ein Teil des Gehäuses 506 beinhalten vier Tröge 510a, 510b, 510c und 510d, die übereinander gestapelt sind und so eine regelmäßige Anordnung von Zellenkammern 512 bilden. Die Zellenkammern 512 sind in drei Säulen zu je vier Kammern angeordnet. Die vier stapelbaren Tröge 510a-d sind identisch, nur daß der unterste Trog 510a einen nachstehend noch näher zu erklärenden Randteil 513 aufweist. Die Tröge 510a und 510b sind am besten in Figur 19 zu erkennen.
Die Tröge 510a-d beinhalten jeweils eine im wesentlichen planare und rechteckige Platte 515 und vier gegenseitig beabstandete, zueinander parallele, sich von der Platte im rechten Winkel aufwärts erstreckende Trennwände 518. Außer bei der Platte 515 des untersten Trogs 510a ragen von beiden Seiten jeder Platte 515 mehrere Rippen 521 hervor. Auf dem untersten Trog 510a erstrecken sich die Rippen 521 nur von der Oberseite der Platte 515. Die mehreren Rippen 521 sind gegenseitig beabstandet und erstrecken sich parallel zu den Trennwänden 518. Einander ergänzende Vorsprünge 528 und 529 erstrecken sich von den oberen und unteren Längskanten der Trennwände 518, um die Tröge 510a-d gegenseitig auszurichten. Die Trennwände 518 erstrecken sich von einer Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 zu einer Auslaßseite 520 des Batteriesatzes. Von jedem Trog 510a-d ragen Anschläge 531 dort auf, wo die Trennwände 518 die Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 erreichen.
Wie am besten in Figuren 15 und 19 zu erkennen ist, erstrecken sich trichterförmige Ausnehmungen 532 in den Platten 515 jedes Trogs 510a-d von der Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 zum Innern des Batteriesatzes hin. Die trichterformigen Ausnehmungen 532 erweitern sich auswärts auf das Innere des Batteriesatzes 503 zu. Im wesentlichen identische trichterförmige Ausnehmungen 535 in der Platte 515 jeder Trog 510a-d erstrecken sich von der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes 503 zum Innern des Batteriesatzes hin. Eine klebende Sperrwand 543 wie etwa ein Stück Klebstreifen erstreckt sich über einen Teil einer jeden trichterförmigen Ausnehmung 532 und 535. Jeder Sperrstreifen 543 haftet an der Innenfläche der Platte 515 des jeweiligen Trogs 510a-d. Die Sperrstreifen 543 weisen jeweils eine Breite auf, die geringer ist als die Länge der jeweiligen trichterförmigen Ausnehmung 532 bzw. 535, so daß sich die trichterförmigen Ausnehmungen über die Breite der Sperrstreifen hinaus erstrecken und so Luftstromdurchlässe zwischen den Sperrstreifen und der Platte 515 des jeweiligen Trogs bilden.
Die Metall-Luft-Zellen 400 passen so in die durch die Tröge 510a-d gebildeten Kammern 512 hinein, daß eine Seite 548 jedes Zellengehäuses 412, durch die die Luftkathode beaufschlagt wird, nach unten der die abgesetzten Teile 532 und 535 aufweisenden Seite der Platten 515 zugewandt ist. Wie am besten in Figur 17 zu erkennen, liegt die eine Seite 548 jedes Zellengehäuses 412 auf den von den jeweiligen Platten 515 aufragenden Rippen 521 auf. Dadurch wird ein Kathodensammelraum 550 zwischen der einen Seite 548 eines jeden Zellengehäuses 412 und der jeweiligen Platte 515 gebildet. Ein Streifen 552 aus Dichtungsmaterial erstreckt sich im wesentlichen entlang dem Umfang des Kathodensammelraums und liegt dichtend zwischen jedem Zellengehäuse 412 und dem jeweiligen Trog 510a-d. Das Band 552 aus Dichtungsmaterial erstreckt sich jeweils entlang den Sperrstreifen 543, ohne die zwischen den Sperrstreifen und den Platten 515 gebildeten Luftstromdurchlässe zu blockieren. Dadurch kann ein Reaktionsluftstrom durch die der Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 nahen Luftdurchlässe in den Kathodensammelraum 550 eintreten und durch die der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes nahen Luftstromdurchlässe den Kathodensammelraum verlassen.
Die Seite 554 jedes Zellengehäuses 412 gegenüber der Luftkathode liegt den von der benachbarten Platte 515 weg hinabragenden Rippen 521 an. Dadurch wird ein Kühlluftsammelraum 525 zwischen der gegenüberliegenden Seite 554 eines jeden Zellengehäuses 412 und der benachbarten Platte 515 gebildet. Jedes Zelle ngehäuse 412 befindet sich in enger Passung zwischen benachbarten Trennwänden 518 der Tröge 510a-d, so daß keine Luft um die Zellengehäuse 412 herum aus dem Kathodensammelraum 550 in den Kühlluftsammelraum 555 gelangt. Die Kathodensammelräume 550 und Kühlluftsammelräume 555 erstrecken sich von Enden 558 der Zellengehäuse 412 nahe der Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 zu entgegengesetzten Enden 560 der Zellengehäuse 412 nahe der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes. Die Anschläge 531 schließen aus, daß sich die Zellen 400 über die Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 513 hinaus erstrecken.
Die trichterförmigen Ausnehmungen 532 nahe der Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 bilden Reaktionslufteinlässe 563 für den jeweiligen Kathodensammelraum 550. Ebenso bilden die trichterförmigen Ausnehmungen 535 nahe der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes 503 Reaktionsluftauslässe 565 für den jeweiligen Kathodensammelraum 550. Durch Raum zwischen der Seite 554 jedes Zellengehäuses 412 gegenüber der Luftkathode und der benachbarten Trogplatte 515 nahe der Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 werden Kühllufteinlässe 568 für jeden Kühlluftsammelraum 555 gebildet. Platz zwischen der Seite 554 jedes Zellengehäuses 412 gegenüber der Luftkathode und der benachbarten Trogplatte 515 nahe der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes 503 ergibt Kühlluftauslässe 570 für jeden Kühlluftsammelraum 555.
Der Randteil 513 des untersten Trogs 510a erstreckt sich auswärts und dann aufwärts von der Einlaßbzw. Auslaßseite 519 bzw. 520 des Batteriesatzes 503 und aufwärts benachbart der Seite 573 des Batteriesatzes gegenüber dem Gebläseteil 508 des Gehäuses 506. Vier Schraubenhülsen 576 erstrecken sich vom Randteil 513 des untersten Trogs 510a aufwärts, um Schrauben (nicht dargestellt) zum Verschrauben des Batterieteils des Gehäuses 506 aufzunehmen. Wie in den Figuren 14 und 15 dargestellt, ist entlang dem Randteil 513 des untersten Trogs 510a benachbart der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes 503 eine Elektrodenanschlußplatte 577 angeordnet. Mittels der Elektrodenanschlußplatte 577 sind die Elektrodenleitungen 418 und 421 an das Elektroniksystem der Energieversorgung 500 angeschlossen. Auch weist die Elektrodenanschlußplatte 577 zu den Reaktionsluft- und Kühlluftauslässen 565 und 570 ausgerichtete Öffnungen 578 auf, damit Reaktionsabluft und Kühlluft durchfließen können.
Über den Batteriesatz 503 paßt eine Abdeckung 579, die an den Randteil 513 des untersten Trogs 510a stößt und so den kastenförmigen Batterieteil 507 des Gehäuses 506 abschließt. Die Abdeckung 579 weist eine Deckplatte 582 auf, die über die Zellen 400 und den obersten Trog 510d des Batteriesatzes 503 paßt. Mit den Rippen 521 identische Rippen 583 ragen von der Deckplatte 582 hinunter, wodurch die Deckplatte von den benachbarten Zellengehäusen beabstandet und die oberste Reihe von Kühlluftsammelräumen gebildet wird. Eine Seitenwand 584 erstreckt sich von der Deckplatte 582 auswärts und hinunter und bildet so Teile eines Luftansaugsammelraums 587 benachbart der Einlaßseite 519 des Batteriesatzes 503 und einen Teil eines Absaugsammelraums 590 benachbart der Auslaßseite 520 des Batteriesatzes. Der Ansaugsammelraum 587 umgibt die Kühl- und Reaktionslufteinlässe 563 und 568 und isoliert die Reaktions- und Kühllufteinlässe von der aus den Kathoden- und Kühlluftsammelräumen 550 und 555 durch die Reaktions- und Kühlluftauslässe 565 und 570 abgeführten Luft. Der Abzugsammelraum 590 umgibt und isoliert die Reaktions- und Kühlluftauslässe 565 und 570. An den Deckel 579 angeformte Muttern 598 erstrecken sich von diesem abwärts zur Aufnahme der Schrauben, die sich durch die entsprechenden Hülsen 576 erstrecken.
Am offenen Ende 604 des Batteriegehäuses 507 sind Nabenhalter 599 an den untersten Trog 510a des Batteriesatzes 503 angeformt. Die Nabenhalterungen 599 dienen zur Halterung des Gebläseteils 508 des Gehäuses 506, wie nachstehend erklärt wird.
Das Gebläsegehäuse 508 weist einen oberen Teil 600 und einen unteren Teil 603 auf, die miteinander verbunden sind und so die kastenförmige Kammer für das Gebläse 504 und eine Elektronikbaugruppe 606 bilden. Das Gebläsegehäuse 508 bildet eine Hülse 609, die über das offene Ende 604, es umgebend, des Batteriegehäuses 507 paßt. Durch ein Paar Flügelschrauben 612 ist das Gebläsegehäuse 508 am Batteriegehäuse 507 befestigt, womit das gesamte Gehäuse 506 fertiggestellt ist. Die Flügelschrauben 612 passen in durch den unteren Teil 603 des Gebläsegehäuses 508 gebildete versenkte Halterungen 615. Die Flügelschrauben 612 weisen eine Spindel 618 auf, die sich in die in den sich von der untersten Trog 510a des Batteriesatzes 503 erstreckenden Halterungen 599 fixierte Mutter 621 erstreckt. Dazu ist zu bemerken, daß das Gebläse- bzw. Batteriegehäuse 507 bzw. 508 auch mit anderen herkömmlichen Mitteln befestigt werden können, etwa Klebstoff, Schrauben und dergleichen.
Auch bildet der untere Teil 603 des Gebläsegehäuses 508 Führungen 624 neben jeder versenkten Flügelschraubenhalterung 615, um das Gebläsegehäuse 508 und die Flügelschraubenspindel 618 in die richtige Stellung zu führen. Eine O-Ringdichtung 627 erstreckt sich um das offene Ende 604 des Batteriegehäuses 507 zwischen dem Batteriegehäuse und dem Hülsenteil 609 des Gebläsegehäuses 508 und ergibt so eine im wesentlichen luftdichte Abdichtung zwischen dem Gebläse- und dem Batteriegehäuse.
Das Gebläsegehäuse 508 weist eine im wesentlichen rechteckige Luftansaugöffnung 630 und eine im wesentlichen rechteckige Luftabzugsöffnung 633 auf. Die Luftansaugöffnung 630 ist so angeordnet, daß sie Luft aufnimmt und diese in den Ansaugsammelraum 587 leitet, und die Abzugsöffnung 633 ist so angeordnet, daß sie Luft aus dem Abzugsammelraum 590 ausbläst. Auf die Luftansaug- und Luftabzugsöffnungen 630 und 633 sind als Staubfiltersiebe 636 Polster aus offenzelligem Schaum aufgesetzt, um Makroteilchenverunreinigungen aus der in die Energieversorgung 500 eintretenden Luft herauszufiltern.
In das Gebläsegehäuse 508 ist hinter der Luftansaug- und Luftabzugsöffnung 630 und 633 ein Leitblech 639 eingepaßt. Das Leitblech 639 weist an jedem Ende im wesentlichen zu den Luftansaug- und -abzugsöffnungen 630 und 633 ausgerichtete Lufteinlaß- und -auslaßöffnungen 642 und 643 auf. Auch weist das Leitblech 639 eine mittige Öffnung 644 zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung 642 und 643 auf. Das Gebläse 504 ist zwischen Kanälen 646 und 647 montiert, die einen Strömungsweg von der Einlaßöffnung 642 des Leitblechs 639 zum Ansaugsammelraum 587 bilden.
Zwischen der Luftansaug- und -abzugsöffnung 630 bzw. 633 ist ein handbetätigter Schalter 650 angeordnet, der sich zwischen einer "Ein"-Stellung, einer "Aus"- Stellung und einer "Wiederaufladen"- Stellung ähnlich dem Schaltermechanismus der bereits beschriebenen Ausführungsform 10 hin- und herbewegt. Der Schalter 650 ist durch eine Öffnung 653 mit einer rechteckigen Schiebetür 656 verbunden. Die Schiebetür ist zwischen die Luftansaug- und -abzugsöffnung 630 und 633 und dem Leitblech 639 eingepaßt. Die Schiebetür ist auf einem Absatz 659 gelagert, der sich vom Leitblech her erstreckt. Als Reaktion auf Handbetätigung des Schalters 650 bewegt sich die Schiebetür 656 vor dem Leitblech 639 hin und her. Bei ordnungsgemäßer Stellung der Schiebetür sind rechteckige Blöcke 652 und 653 an jedem Ende der Schiebetür 656 in die Einlaß- und Auslaßöffnungen 642 und 643 eingepaßt&sub1; wie in den Figuren 23a, 23b und 23c dargestellt ist.
Von den Ober- und Unterkanten der Schiebetür 656 erestrecken sich Zungen 666, die mit sich von der Oberseite und dem Boden des Gebläsegehäuses 508 erstreckenden Nocken 669 und 670 arbeiten, um die Schiebetür 656 in die "Aus"- Stellung zu schieben. Ein Vorsprung 672, der sich von den Nocken 669 und 670 her erstreckt, drückt die Schiebetür 656 zum Leitbiech 639 hin, wenn die Zunge 666 und Vorsprung 672 zueinander ausgerichtet sind, wie in den Figuren 23a, 23b und 23c dargestellt. In den in den Figuren 22A, 22B, 22C, 24A, 24B und 24C abgebildeten "Ein"- und "Wiederaufladen"- Stellungen sind die Zungen 666 und Vorsprung 672 nicht zueinander ausgerichtet, und die Schiebetür 656 wird nicht vorwärts in das Leitblech 639 gedrückt.
Die Elektronikbaugruppe 606 kann gleich der in der in Figuren 1-5 abgebildeten Energieversorgung 10 verwendeten Elektronikbaugruppe sein. Wie Figur 21 zeigt, weist die Energieversorgung 500 vorzugsweise eine Ladungspegelanzeige 678 und einen Ladungspegelanzeige- Ein/Aus-Schalter 680 ähnlich jenem gemäß der ersten Ausführungsform 10 beschriebenen auf. Außerdem weist die Energieversorgung 500 eine Wiederaufladebuchse 683 auf, die bei einer Wechselspannung von 110 Volt zum Einsatz kommt. Außerdem weist die Energieversorgung 500 eine 12 V-Gleichstromausgangsbuchse 685 zur Verwendung mit der vorstehend offenbarten Ausführungsform sowie eine 9 V-Gleichstromausgangsbuchse 684 bei Verwendung eines 9-Zellenbatteriesatzes auf. Wie schon erklärt, beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine Anzahl von Metall-Luft-Zellen oder irgendeine bestimmte Ausgangsspannung. Bei der vorliegenden Erfindung kann jede beliebige Anzahl von Metall-Luft-Zellen eingebaut werden, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen.
Gearbeitet wird mit der Energieversorgung 500, indem der Schalter 650 in die "Ein"- Stellung gedreht wird, wodurch die Ansaug- und Abzugsöffnungen 630 und 633 geöffnet werden und das Gebläse 504 eingeschaltet wird. Wie aus den Figuren 22A, 22B und 22C ersichtlich, werden bei "Ein"- Stellung des Schalters 650 die Einlaß- und Auslaßöffnungen 642 und 643 des Leitblechs 639 durch die Schiebetür 656 nicht blockiert. Wird der Schalter 650 auf "ein" gedreht, so saugt das Gebläse Luft in den Ansaugsammelraum 587 durch die Ansaugöffnung 630. Die Luft strömt durch den Ansaugsammelraum 587 und teilt sich dann in einen Reaktionsluftstrom, der durch die Reaktionslufteinlässe 563 in die Kathodensammelräume 550, über die Kathoden, aus den Kathodensammelräumen heraus durch die Reaktionsluftauslässe 565 und in den Abzugsammelraum 590 strömt. Der Kühlluftanteil des Luftstroms strömt durch die Kühllufteinlässe 568, durch die Kühlluftsammelräume 555 und durch die Kühlluftauslässe 570 in den Abzugsammelraum 590, wo der Kühlluftstrom wieder mit dem Reaktionsluftstrom vereinigt wird. Der vereinigte Luftstrom strömt dann durch den Abzugsammelraum 590 und durch die Abzugsöffnung 633 aus dem Gehäuse 506 hinaus.
Die Einlaß- und Auslaßseiten 519 bzw. 520 des Batteriesatzes 503 dienen als Sperrwände, die die Volumendurchsätze der Reaktions- und Kühlluftströme beschränken. Die Reaktionsluftauslässe 565 sind so bemessen, daß sie den Reaktionsanteil des von dem Gebläse 127 gelieferten Luftstroms auf einen zur Erzeugung eines vorgegebenen Strompegels aus jeder Zelle 400 bei minimaler Verdampfung von Wasser aus den Zellen durch die Luftkathoden ausreichenden Volumendurchsatz beschränken. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der Reaktionsluftauslässe auch die Reaktionslufteinlässe 563 zur Steuerung des Durchsatzes des Reaktionsanteils des Luftstroms verwendet werden könnten. Bei dem hier offenbarten 12 V-Batteriesatz 503 liegt der vorgegebene Strompegel aus jeder Zelle 400 vorzugsweise bei 1,25 A pro Zelle, bei einer Spannung von etwa 1 Volt pro Zelle, mit Stromspitzen bis zu 2,0 A bei 1,0 V pro Zelle. Außerdem beträgt bei der 12 V- Ausführungsform der Durchmesser der Reaktionsluftauslässe vorzugsweise etwa 0,15 cm (0,060 Zoll). Die Reaktionsluftauslässe 565 beschränken vorzugsweise den ersten Teil des Luftstroms auf einen zur Lieferung des 3- bis 10fachen der zur Erzeugung des vorgegebenen Strompegels aus den Zellen 400 erforderlichen stöchiometrischen Menge Sauerstoff ausreichenden Volumendurchsatz. Besonders bevorzugt ist es, den Reaktionsanteil des Luftstroms auf einen zur Lieferung des 4- bis 5-fachen der stöchiometrischen Menge an Sauerstoff hinreichenden Volumendurchsatz zu beschränken. Bei der Zink-Luft- Batteriezellen verwendenden 12 V-Ausführungsform, bei der der Durchmesser der Reaktionsluftauslässe 565 etwa 0,20 cm (0,080 Zoll) beträgt, liegt der Durchsatz des Reaktionsanteils des Luftstroms bei etwa 1 Liter pro Minute. Wie bei der vorstehend beschriebenen Energieversorgung 10 sollte der Luftdurchsatz höher liegen, wenn ein höherer Strompegel gewünscht wird.
Das Gebläse 504 erzeugt vorzugsweise einen so großen Luft-Gesamtvolumendurchsatz, daß der Volumendurchsatz des Kühlluftanteils des Luftstroms ausreicht, die Zellen 400 unterhalb einer Temperatur zu halten, die weniger als etwa 11ºC (20ºF) über der Umgebungstemperatur liegt. Die Zellen 400 werden vorzugsweise unterhalb etwa 32ºC (90ºF) gehalten. Vorzugsweise ist der Luft-Gesamtvolumendurchsatz so hoch, daß der Kühlluftanteil des Luftstroms einen Volumendurchsatz von etwa dem 10- bis etwa dem 1000-fachen des Volumendurchsatzes des Reaktionsluftstroms aufweist. Bei dem Gebläse 504 für die 12 V-Ausführungsform 500 handelt es sich vorzugsweise um ein Gebläse des Modells MDA120420M, vertrieben von der INDEK Corporation in San Jose, California. Dieses Gebläse liefert 6 Kubikfuß pro Minute und verbraucht 1/4 Watt.
Zu Zeiten der Nichtbenutzung der Energieversorgung wird der Schalter 650 in die "Aus"- Stellung gedreht, wodurch die Ansaug- und Abzugsöffnungen 630 und 633 geschlossen und die Metall-Luft-Zellen 400 von der Außenluft abgeschlossen werden. Befindet sich der Schalter 650 in der "Aus"- Stellung, wie in den Figuren 23A, 23B und 23C dargestellt, so ist die Schiebetür 656, wie bereits erklärt, den Einlaß- und Auslaßöffnungen 642 bzw. 643 dem Leitblech 639 aufgepaßt und dichtet so die Energieversorgung 500 ab.
Da diese Ausführungsform 500 der vorliegenden Erfindung die vorstehend für die andere bevorzugte Ausführungsform 10 offenbarte Elektronikbaugruppe beinhaltet, ist diese Ausführungsform gleichfalls wiederaufladbar. In der "Wiederauflade"- Stellung ist die Schiebetür 656 so angeordnet, daß die Blöcke 662 und 663 der Schiebetür gegenüber den Einlaß- und Auslaßöffnungen 642 und 643 des Leitblechs 639 leicht versetzt sind und so ermöglichen, daß während des Wiederaufladens etwas Luft frei durch die Energieversorgung 500 strömen kann.
Dazu ist noch zu bemerken, daß sich das oben gesagte nur auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht, und daß darin zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne von dem in den folgenden Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Metall-Luft-Energieversorgung mit:

einem Gehäuse;

einer in dem Gehäuse angeordneten Metall-Luft- Zelle, die eine Luftkathode aufweist;

Einrichtungen zur Erzeugung eines Luftstroms durch das Gehäuse;

Einrichtungen, um einen Reaktionsanteil des Luftstroms durch einen Reaktionslufteinlaß zur Luftkathode zu führen und um den Reaktionsanteil des Luftstroms aus der Zelle abzuziehen;

Einrichtungen, um einen Kühlluftanteil des Luftstroms durch einen Kühllufteinlaß zu einem von der Luftkathode isolierten Teil der Zelle zu leiten, den Kühlluftanteil von der Luftkathode und dem Reaktionsanteil zu isolieren, und den Kühlanteil des Luftstroms aus dem Gehäuse abzuziehen, wobei der Reaktionslufteinlaß und der Kühllufteinlaß voneinander getrennt und von den abgezogenen Reaktions- und Kühlanteilen des Luftstroms isoliert sind; sowie

Einrichtungen zur Beschränkung des Reaktionsluftstroms auf einen Volumendurchsatz, der ausreicht, das etwa 3- bis etwa 10-fache der zur Erzeugung eines vorgegebenen Strompegels aus der Zelle erforderlichen stöchiometrischen Sauerstoffmenge zu liefern, wobei die Luftstromerzeugungseinrichtungen einen so großen Gesamtvolumendurchsatz erzeugen, daß der Kühlanteil des Luftstroms einen Volumendurchsatz von etwa dem 10- bis etwa dem 1000-fachen des Volumendurchsatzes des Reaktionsanteils des Luftstroms aufweist.

2. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Begrenzung des Volumendurchsatzes des Reaktionsanteils des Luftstroms eine Sperrwand mit einer Öffnung, durch die der Reaktionsanteil des Luftstroms tritt, beinhaltet, wobei die Öffnung so bemessen ist, daß sie den Volumendurchsatz des Reaktionsanteils des Luftstroms beschränkt.

3. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 1, die außerdem Einrichtungen zur selektiven Beaufschlagung der Luftkathode mit dem Reaktionsanteil des Luftstroms oder aber zur Isolierung der Luftkathode vom Reaktionsanteil des Luftstroms beinhaltet.

4. Metall-Luft-Energieversorgung mit:

einem Gehäuse;

Einrichtungen zur Erzeugung eines Luftstroms durch das Gehäuse;

einer in dem Gehäuse angeordneten Metall-Luft- Zelle, wobei die Zelle eine in einem Zellengehäuse angeordnete Luftkathode enthält;

einem der Kathode benachbarten Kathodensammelraum mit einem Kathodensammelraumeinlaß entlang einem Ende der Zelle und einem Kathodensammelraumauslaß entlang dem einen Ende der Zelle;

einem Reaktionslufteinlaßsammelraum benachbart dem einen Ende der Zelle, um einen Reaktionsanteil des Luftstroms durch den Kathodensammelraumeinlaß in den Kathodensammelraum zu leiten;

einem dem Reaktionslufteinlaßsammelraum benachbarten Reaktionsluftauslaßsammelraum, wobei der Reaktionslufteinlaßsammelraum zwischen dem Reaktionsluftauslaßsammelraum und der Zelle angeordnet ist; sowie

einem sich über den Reaktionslufteinlaßsammelraum vom Kathodensammelraumauslaß zum Reaktionsluftauslaßsammelraum erstreckenden Kanal zur Bildung eines abgesonderten Weges, um den Reaktionsanteil des Luftstroms vom Kathodensammelraum her durch den Kathodensammelraumauslaß über den Reaktionslufteinlaßsammelraum und in den Reaktionsluftauslaßsammelraum zu leiten, wodurch der Reaktionsanteil des Luftstroms aus dem Kathodensammelraum austritt, ohne sich mit dem Reaktionsanteil des in den Kathodensammelraum eintretenden Luftstroms zu vermischen.

5. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 4, die weiter Einrichtungen zur Leitung eines Kühlanteils des Luftstroms benachbart einem von der Kathode isolierten Teil des Zellengehäuses sowie zur Isolierung des Kühlluftanteils von der Luftkathode und dem Reaktionsanteil beinhaltet.

6. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 4, ferner beinhaltend:

einen der Zelle benachbarten Luftansaugsammelraum zur Aufnahme des Luftstroms, wobei der Reaktionslufteinlaßsammelraum sich von Luftansaugsammelraum erstreckt und den Reaktionsanteil des Luftstroms vom Ansaugsammelraum aufnimmt, sowie

Einrichtungen zur Leitung eines Kühlanteils des Luftstroms vom Ansaugsammelraum entlang einem einem von der Kathode isolierten Teil der Zelle benachbarten Weg und aus dem Gehäuse heraus, wodurch der Kühlanteil des Luftstroms nicht mit der Kathode in Berührung kommt und von der Luftkathode und dem Reaktionsanteil isoliert ist.

7. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 4, wobei:

der Reaktionslufteinlaßsammelraum eine Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung zur Aufnahme des Reaktionsanteils des Luftstroms aufweist;

der Reaktionsluftauslaßsammelraum eine Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung zur Abfuhr des Reaktionsanteils des Luftstroms aufweist, ferner beinhaltend:

eine Klappe zum Verschließen sowohl der Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung als auch der Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung; sowie eine Einrichtung, um die Klappe selektiv in eine Stellung zu bringen, in der die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung und die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung offen sind, oder aber die Klappe in eine andere Stellung zu bringen, in der die Reaktionsluftauslaßsammelraumeinlaßöffnung und Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung geschlossen sind.

8. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 7, wobei die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung und die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung im wesentlichen zueinander ausgerichtet sind.

9. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 7, ferner beinhaltend:

einen der Zelle benachbarten Luftansaugsammelraum zur Aufnahme des Luftstroms, wobei der Reaktionslufteinlaßsammelraum sich vom Luftansaugsammelraum erstreckt und den Reaktionsanteil des Luftstroms vom Ansaugsammelraum aufnimmt, wenn die Klappe sich in der Offen- Stellung befindet; und wobei:

die Klappe eine Einrichtung zur Führung des Reaktionsanteils des Luftstroms aus dem Ansaugsammelraum in den Reaktionslufteinlaßsammelraum beinhaltet.

10. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 9, wobei die Klappe eine Abdeckplatte beinhaltet, die die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung und die Reaktionsluftauslaßsammelraumauslaßöffnung verschließt, wenn sich die Klappe in der Geschlossen-Stellung befindet und die Führungseinrichtung ein U-förmiges Glied beinhaltet, das sich von der Deckplatte wenigstens teilweise in den Reaktionslufteinlaßsammelraum durch die Reaktionslufteinlaßsammelraumeinlaßöffnung erstreckt.

11. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 10, die ferner Einrichtungen zur Leitung eines Kühlanteils des Luftstroms vom Ansaugsammelraum entlang einem einem von der Kathode isolierten Teil der Zelle benachbarten Weg und aus dem Gehäuse heraus beinhaltet, wodurch der Kühlanteil des Luftstroms nicht mit der Kathode in Berührung kommt.

12. Metall-Luft-Energieversorgung mit:

einer ein Zellengehäuse und eine in demselben angeordnete Luftkathodenbaueinheit beinhaltenden Metall- Luft-Zelle, wobei die Luftkathode wenigstens teilweise mit Reaktionsluft durch eine Seite des Zellengehäuses beaufschlagt wird;

einem der Luftkathode benachbarten Kathodensammelraum, der sich von einem Reaktionslufteinlaß nahe einem Ende des Zellengehäuses zu einem Reaktionsluftauslaß nahe einem gegenuberliegenden Ende des Zellengehäuses erstreckt;

einem einer Seite des Zellengehäuses gegenüber der einen Seite des Zellengehäuses benachbarten Kühlluftsammelraum, der vom Kathodensammelraum abgesondert ist und sich von einem Kühllufteinlaß nahe dem einen Ende des Zellengehäuses zu einem Kühlluftauslaß nahe dem entgegengesetzten Ende des Zellengehäuses erstreckt;

einem Gehäuse mit:

einer Zellenkammer, in der die Metall- Luft-Zelle angeordnet ist;

einem dem einen Ende des Zellengehäuses benachbarten Luftansaugsammelraum, das eine Luftansaugöffnung aufweist und die Reaktionsluft- und Kühllufteinlässe umgibt und so die Reaktionsluft- und Kühllufteinlässe von den Reaktionsluft- und Kühlluftauslässen isoliert; sowie

einem Luftabzugssammelraum benachbart dem entgegengesetzten Ende des Zellengehäuses und abgesondert vom Luftansaugsammelraum, wobei der Luftabzugssammelraum eine Luftabzugsöffnung aufweist und die Reaktionsluftund Kühlluftauslässe umgibt;

Einrichtungen zur Erzeugung eines Luftstroms, der von der Luftansaugöffnung durch den Luftansaugsammelraum strömt, sich in einen durch den Kathodensammelraum vom Reaktionslufteinlaß zum Reaktionsluftauslaß strömenden Reaktionsluftstrom und einen durch den Kühlluftsammelraum vom Kühllufteinlaß zum Kühlluftauslaß strömenden Kühlluftstrom teilt, sich im Luftabzugssammelraum wieder zu einem einzigen Luftstrom vereinigt und dann durch den Luftabzugssammelraum und durch den Luftabzugsöffnung aus dem Gehäuse heraus strömt; sowie

Einrichtungen zur selektiven Öffnung der Luftansaug- und Luftabzugsöffnungen zur Beaufschlagung der Luftkathode mit dem Luftstrom oder aber zum Verschließen der Luftansaug- und Luftabzugsöffnungen zwecks Isolierung der Luftkathode von Luft außerhalb des Gehäuses.

13. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 12, wobei der Kathodensammelraum und der Kühlluftsammelraum folgendes beinhalten:

eine Kammer zur Aufnahme der Zelle; sowie

eine Einrichtung, um die Zelle innerhalb der Kammer im Register passend auszurichten, so daß bei Aufnahme der Zelle innerhalb der Kammer die Zelle und die Kammer den Kathodensammelraum und den Kühlsammelraum in der Kammer bilden.

14. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 13, wobei:

die Kammer gegenseitig beabstandete Trennwände zur Aufnahme des Zellengehäuses zwischen den Trennwänden beinhaltet, wobei sich eine erste Platte, zwischen den Trennwänden erstreckt, um wenigstens einen Teil des Kathodensammelraums zu bilden, und sich im Abstand von der ersten Platte eine zweite Platte zwischen den Trennwänden erstreckt, um wenigstens einen Teil des Kühlluftsammelraums zu bilden; und

die Einpaßeinrichtung mehrere beabstandete, aus der ersten Platte herausragende Rippen zur Beabstandung des Zellengehäuses und der Luftkathode von der ersten Platte, sowie mehrere beabstandete, aus der zweiten Platte herausragende Rippen zur Beabstandung des Zellengehäuses von der zweiten Platte beinhaltet.

15. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 14, wobei:

die erste Platte eine der einen Seite des Zellengehäuses zugewendete Innenfläche aufweist, die einen abgesetzten Teil nahe dem Reaktionslufteinlaß und einen weiteren abgesetzten Teil nahe dem Reaktionsluftauslaß aufweist, und der Kathodensammelraum eine Peripherie besitzt; weiter beinhaltend:

eine erste an die Innenfläche angeheftete, sich entlang der Innenfläche über den einen abgesetzten Teil erstreckende Sperrleiste, die eine Breite besitzt, wobei sich der eine abgesetzte Teil über die Breite der ersten Sperrleiste hinweg erstreckt und so einen Luftstromdurchlaß zwischen der ersten Sperrleiste und der ersten Platte bildet;

eine zweite an die Innenfläche angeheftete, sich entlang der Innenfläche über den anderen abgesetzten Teil erstreckende Sperrleiste, die eine Breite besitzt, wobei sich der andere abgesetzte Teil über die Breite der zweiten Sperrleiste hinweg erstreckt und so einen Luftstromdurchlaß zwischen der zweiten Sperrleiste und der ersten Platte bildet; sowie

einen Streifen aus Dichtungsmaterial, der sich im wesentlichen entlang dem Umfang des Kathodensammelraums erstreckt und dichtend zwischen das Zellengehäuse und die Kammer paßt, wobei sich der Streifen entlang den ersten und zweiten Sperrleisten erstreckt, ohne den Luftstromdurchlaß zwischen den ersten und zweiten Sperrleisten und der ersten Platte zu blockieren,

wodurch Reaktionsluftstrom durch den Luftstromdurchlaß zwischen der ersten Sperrwand und der ersten Platte in den Kathodensammelraum eintritt und durch den Luftstromdurchlaß zwischen der zweiten Sperrwand und der ersten Platte aus dem Kathodensammelraum austritt.

16. Metall-Luft-Energieversorgung mit:

einer Metall-Luft-Zelle mit einer Luftkathode, Elektrolyt und einer Anode, die in einem Zellengehäuse angeordnet sind;

einer Kammer zur Aufnahme der Zelle; sowie

einer Einrichtung, um die Zelle innerhalb der Kammer im Register passend auszurichten, so daß bei Aufnahme der Zelle innerhalb der Kammer das Zellengehäuse und die Kammer einen Kathodensammelraum in der der Luftkathode benachbarten Kammer und einen Kühlluftsammelraum in der von der Luftkathode isolierten Kammer bilden,

wodurch Reaktionsluft benachbart der Luftkathode geleitet werden kann und Kühlluft auf einen von der Luftkathode isolierten Teil des Zellengehäuses gerichtet werden kann.

17. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 16, wobei:

die Kammer gegenseitig beabstandete Trennwände zur Aufnahme des Zellengehäuses zwischen den Trennwänden beinhaltet, wobei sich eine erste Platte zwischen den Trennwänden erstreckt, um wenigstens einen Teil des Kathodensammelraums zu bilden, und sich eine zweite Platte zwischen den Trennwänden, von der ersten Platte beabstandet, erstreckt, um wenigstens einen Teil des Kühlluftsammelraums zu bilden; und

18. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 17, wobei:

der Kathodensammelraum einen Reaktionslufteinlaß, einen Reaktionsluftauslaß und eine Peripherie aufweist;

die Luftkathode wenigstens teilweise mit Reaktionsluft durch eine Seite des Zellengehäuses beaufschlagt wird;

die erste Platte eine der einen Seite des Zellengehäuses zugewendete Innenfläche aufweist, die einen abgesetzten Teil nahe dem Reaktionslufteinlaß und einen weiteren abgesetzten Teil nahe dem Reaktionsluftauslaß aufweist, weiter beinhaltend:

einen Streifen aus Dichtungsmaterial, der sich im wesentlichen entlang dem Umfang des Kathodensammelraums erstreckt und dichtend zwischen das Zellengehäuse und die Kammer paßt, wobei sich der Streifen entlang den ersten und zweiten Sperrleisten erstreckt, ohne die Luftstromdurchlässe zwischen den ersten und zweiten Sperrleisten und der ersten Platte zu blockieren,

wodurch Reaktionsluftstrom durch den Luftstromdurchlaß zwischen der ersten Sperrwand und der ersten Platte in den Kathodensammelraum eintritt und durch den Luftstromdurchlaß zwischen der zweiten Sperrleiste und der ersten Platte aus dem Kathodensammelraum austritt.

19. Metall-Luft-Energieversorgung mit:

mehreren Metall-Luft-Zellen, die jeweils eine in einem jeweiligen Zellengehäuse angeordnet freiliegende Luftkathode aufweisen;

mehreren aufeinandergestapelten Tröge zur Bildung einer regelmäßigen Kammeranordnung zur Aufnahme der Zellen;

einer Einrichtung zur registerhaltigen Ausrichtung der Zellen innerhalb der gebildeten Kammern, so daß die Zellengehäuse und die Troge in jeder so gebildeten Kammer einen Kathodensammelraum benachbart der jeweiligen Luftkathode und in jeder so gebildeten Kammer einen von der jeweiligen Luftkathode isolierten Kühlluftsammelraum bilden,

wodurch Reaktionsluft benachbart den Luftkathoden geleitet werden kann und Kühlluft auf einen von den Luftkathoden isolierten Teil des jeweiligen Zellengehäuses gerichtet werden kann.

20. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 19, wobei:

jeder Trog gegenseitig beabstandete Trennwände sowie eine sich zwischen den Trennwänden erstreckende Platte aufweist, wobei die Zellengehäuse zwischen benachbarten Trennwänden aufgenommen sind und die Platten wenigstens einen Teil des jeweiligen Kathodensammelraums und wenigstens einen Teil des jeweiligen Kühlluftsammelraums bilden und jede Platte eine erste und eine zweite Seite aufweist; und

die Einrichtung zur registerhaltigen Ausrichtung mehrere beabstandete, aus sowohl den ersten als auch den zweiten Seiten der Platten herausragende Rippen beinhaltet, so daß die aus den ersten Seiten der Platten herausragenden Rippen die ersten Seiten der Platten von den Zellgehäusen und den jeweiligen Luftkathoden beabstanden, und die aus den zweiten Seiten der Platten herausragenden Rippen die zweiten Seiten der Platten von den Zellgehäusen beabstanden.

21. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 20, wobei die Trennwände jeweils Mittel zur gegenseitigen Ausrichtung der Tröge beinhalten.

22. Metall-Luft-Energieversorgung nach Anspruch 21, wobei:

die Kathodensammelräume jeweils einen Reaktionslufteinlaß, einen Reaktionsluftauslaß und eine Peripherie aufweisen;

jede Luftkathode wenigstens teilweise mit Reaktionsluft durch eine Seite des jeweiligen Zellengehäuses beaufschlagt wird;

die ersten Seiten der Platten den einen Seiten der jeweiligen Zellengehäuse zugewendet sind und die einen abgesetzten Teil nahe dem jeweiligen Reaktionslufteinlaß und einen anderen abgesetzten Teil nahe dem jeweiligen Reaktionsluftauslaß aufweisen, weiter beinhaltend:

mehrere erste an den ersten Seiten der Platten angeheftete, sich entlang der ersten Seiten der Platten über die einen abgesetzten Teile erstreckende Sperrleisten, die eine Breite besitzen, wobei sich die einen abgesetzten Teile jeweils über die Breite der jeweiligen ersten Sperrleisten hinweg erstrecken und so einen Luftstromdurchlaß zwischen den jeweiligen ersten Sperrleisten und der jeweiligen ersten Platte bilden;

mehrere zweite an die ersten Seiten der Platten angeheftete, sich entlang den ersten Seiten der Platten über die anderen abgesetzten Teile erstreckende Sperrleisten, die eine Breite besitzen, wobei sich die anderen abgesetzten Teile jeweils über die Breite der zweiten Sperrleisten hinweg erstrecken und so einen Luftstromdurchlaß zwischen dem jeweiligen zweiten Sperrsteg und der jeweiligen ersten Platte bilden; sowie

einen Streifen aus Dichtungsmaterial&sub1; der sich im wesentlichen entlang dem Umfang des jeweiligen Kathodensammelraums erstreckt und dichtend zwischen das jeweilige Zellengehäuse und den Trog paßt, wobei sich jeder Streifen entlang der jeweiligen ersten und zweiten Sperrleiste erstreckt, ohne die Luftstromdurchlässe zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Sperrleisten und den ersten Platten zu blockieren,

wodurch Reaktionsluftstrom durch die Luftstromdurchlässe zwischen den ersten Sperrleisten und den ersten Platten in die Kathodensammelräume eintritt und durch die Luftstromdurchlässe zwischen den zweiten Sperrleisten und den ersten Platten aus den Kathodensammelräumen austritt.