DE69600930T2

DE69600930T2 - Zelle mit doppelter luftelektrode

Info

Publication number: DE69600930T2
Application number: DE69600930T
Authority: DE
Inventors: Christopher S. Marietta Ga 30062 Pedicini; William Charles Florida 32666 Thibault; Lawrence Andrew Woodstock Ga 30188 Tinker; Chris Anthony Chamblee Ga 30341 Turner
Original assignee: AER Energy Resources Inc
Current assignee: AER Energy Resources Inc
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: US5569551A; JPH10509555A; EP0823135B1; JP2971581B2; CA2218387A1; DE69600930D1; WO1996034424A1; EP0823135A1; ATE173114T1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen und insbesondere eine eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall-Luft-Zelle mit einer umhüllten Anode und einem eingeschlossenen Elektrolyt.

Allgemeiner Stand der Technik

Metall-Luft-Zellen sind als wünschenswertes Mittel anerkannt, um tragbare elektronische Geräte wie beispielsweise Personal Computer mit Strom zu versorgen. Eine Stromversorgung mit Metall-Luft-Zellen würde von Verbrauchern bevorzugt, da derartige Zellen im Vergleich zu anderen Arten elektrochemischer Zellen eine relativ hohe Leistungsabgabe bei relativ niedrigem Gewicht aufweisen. Metall-Luft-Zellen verwenden als Reaktionspartner bei dem elektrochemischen Prozeß Sauerstoff aus der Umgebungsluft anstatt eines schwereren Materials wie beispielsweise einem Metall oder einer Metallzusammensetzung.
Metall-Luft-Zellen verwenden eine oder mehrere, von einer Metallanode durch einen wäßrigen Elektrolyten getrennte, luftdurchlässige Kathoden. Beim Betrieb der Zelle wie beispielsweise einer Zink-Luft-Zelle wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode in Hydroxidionen umgewandelt, Zink wird an der Anode oxidiert und reagiert mit den Hydroxidionen, so daß Wasser und Elektronen freigesetzt werden, um elektrische Energie zu liefern.
In jüngster Zeit ist die Metall-Luft-Wiederaufladetechnik bis zu dem Punkt fortgeschritten, daß sich Metall-Luft-Zellen wieder aufladen lassen und sich für mehrere Entladezyklen eignen. Eine elektronisch wiederaufladbare Metall-Luft-Zelle wird wieder aufgeladen, indem zwischen der Anode und der Kathode der Zelle eine Spannung angelegt und die elektrochemische Reaktion umgekehrt wird. Sauerstoff wird durch die luftdurchlässige Kathode zurück in die Atmosphäre abgeführt, und aus der Zelle wird Wasserstoff abgegeben.
Metall-Luft-Zellen können in mehrzelligen Bat teriepacks angeordnet werden, um für Vorrichtungen wie beispielsweise Computer eine Leistungsabgabe in ausreichender Größe bereitzustellen. Ein Beispiel einer Metall-Luft-Stromversorgung findet sich in dem eigenen US-Patent Nr. 5,354,625 an Bentz et al. mit dem Titel "Metal-Air Power Supply And Air Manager System, And Metal-Air Cell For Use Therein" [Metall-Luft-Stromversorgung und Luft-Verwalter-System und Metall-Luft-Zelle zur Verwendung darin].
Versuche, die Leistungsabgabe von Metall-Luft- Zellen noch weiter zu steigern, haben zu verschiedenen Ergebnissen geführt. Bei der Erhöhung der Leistungsabgabe einer Zelle wird die Zelle gewöhnlich mit einer höheren Stromentname betrieben. Durch eine derartige höhere Last kann allerdings die Gesamtenergiedichte des Systems wesentlich gesenkt und die Wärmeerzeugung stark erhöht werden, was sich beides nachteilig auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Zelle auswirkt.
Es ist vorgeschlagen worden, daß die Probleme hinsichtlich Energiedichte und Wärme in einer Zelle mit erhöhter Leistung überwunden werden können, indem auf beiden Seiten der Anode eine Luftkathode angeordnet wird, d. h. eine eine doppelte Luftelektrode aufweisende Zelle. (Die vorliegende Erfindung wird richtig als eine eine "doppelte Luftelektrode" aufweisende Zelle anstatt eine eine "doppelte Kathode" aufweisende Zelle beschrieben, da die Funktion der Kathoden und der Anode während des Wiederaufladungsprozesses umgekehrt wird.) Durch eine derartige Auslegung mit doppelter Luftelektrode würde der zur Verfügung stehende Flächeninhalt des Kathodenmaterials erhöht werden und sollte die Impedanz des Systems insgesamt reduziert werden.
Bekannte Auslegungen mit doppelter Luftelektrode sind jedoch mit mehreren Mängeln behaftet, wie beispielsweise, wie die Zelle zu lüften ist, ohne eine übermäßige Selbstentladung zu bewirken, und sogar, wie die Zelle wirksam mit Elektrolyt zu füllen ist. Andere Probleme, die sich ergeben haben, sind zum Beispiel ein begrenztes Halten der Kapazität, Ausströmen von Elektrolyt und übermäßiger Wasserdampfverlust.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an erhöhter Leistungsabgabe von einer Metall-Luft-Stromversorgung ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer der Zelle. Diese Ziele müssen in einer Zelle erreicht werden, die zur weitverbreiteten Verwendung durch Verbraucher in jeglicher Art tragbarer elektronischer Geräte weiterhin geringes Gewicht aufweist und relativ preiswert ist.

Kurze Darstellung der Erfindung

Allgemein beschrieben stellt die vorliegende Erfindung eine eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall-Luft-Zelle bereit mit einem Gehäuse einschließlich einer oberen Kathodenmaskenwand, einer unteren Kathodenmaskenwand sowie mehreren Seitenwänden; einer Metallanode, bei der zumindest die Ober- und Unterseite mit Separatormaterialien bekleidet sind; einer zwischen der oberen Kathodenmaskenwand und den Separatormaterialien auf der Oberseite der Anode angeordneten oberen Luftkathode; einer zwischen der unteren Kathodenmaskenwand und den Separatormaterialien auf der Unterseite der Anode angeordneten unteren Luftkathode; einem auf mindestens einer der Seitenwände des Gehäuses angeordneten Gasabzug; sowie einem zwischen den Separatormaterialien weitgehend eingeschlossenen flüssigen Elektrolyten. Die Separatormaterialien umfasten eine oder mehrere Schichten aus einem saugfähigen Faserlies und eine oder mehrere Schichten aus einer mikroporösen Membran, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist.
Zu spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zählt die Verwendung eines Kunststoffzellengehäuses mit zwei Maskenwänden, die jeweils mehrere kegelförmige Öffnungen bilden. Innerhalb des Gehäuses sind angeordnet: eine Schicht aus einem saugfähigen Diapermaterial, eine erste Luftkathode, eine Separatorschicht, die eine Schicht aus einem saugfähigen Faservlies und eine Schicht aus einer mikroporösen Membran umfaßt, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist, ein Anodenbeutel, der eine Anode umfaßt, die von einer Schicht aus saugfähigem Faservlies und einer Schicht aus einer mikroporösen Membran umgeben ist, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist, eine zweite Separatorschicht, eine zweite Kathode und eine zweite Schicht aus einem saugfähigen Diapermaterial. Die Enden des Zellengehäuses sind mit einem Gasabzug für das Zerstreuen von innerhalb der Zelle erzeugten Gasen umschlossen.
Eine derartige Ausführungsform weist gegenüber dem Stand der Technik bedeutende Vorteile auf. Zunächst wird durch die zweite Kathode der verfügbare Kathodenflächeninhalt stark vergrößert, was im Vergleich zu einer Zelle mit einer einzigen Kathode zu einer beträchtlich höheren Leistungsabgabe führt. Die Energiedichte der Zelle nimmt tatsächlich zu, da das größere Gewicht der zweiten Kathode durch die gestiegene Betriebsspannung der Zelle ausgeglichen wird.
Weiterhin wird durch die Verwendung des Anodenbeutels die Selbstentladung der Zelle effektiv begrenzt, wobei die Kapazität der Zelle aufrechterhalten wird. Durch Einhüllen der Anode in eine mikroporöse Membran, die gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist, muß Sauerstoff aus der Umgebungsluft, der in die Zelle eingedrungen ist, einen Löslichkeitsschritt durchlaufen, bevor er durch den Anodenbeutel gehen kann, um mit der Anode in Berührung zu kommen und sie zu entladen. Dieser Löslichkeitsschritt ist eine relativ langsame Reaktion, so daß die Selbstentladung zum größten Teil eliminiert wird.
Der Anodenbeutel hält auch die Kapazität bzw. Nützlebensdauer der Zelle aufrecht, indem er die Ausbreitung von Zinkoxid durch den Mantel verhindert. An der Anode entstandenes Zinkoxid kann sich in dem Elektrolyt lösen und durch das Zellengehäuse wandern. Die Kapazität der Zelle geht verloren, wenn das Zinkoxid den elektrischen Kontakt mit dem Stromsammler verliert. Durch Einhüllen der Anode in die mikroporöse Membran bleibt das Zinkoxid in engem Kontakt mit dem Stromsammler, da es nicht durch die Membran treten kann.
Analog dazu verhindert die mikroporöse Membran auch das Aufwachsen von Dendriten auf der Metallanode, die in der Zelle zu einem Kurzschluß führen können, wenn sie mit den Kathoden in Berührung gelangen. Indem das Zinkoxid der Anode in ein definiertes Volumen eingehüllt gehalten wird, kann kein Dendrit wachsen und die Kathoden erreichen.
Die Kombination aus den Anodenbeutelmaterialien und den Separatorschichtmaterialien sorgt auch dafür, daß die Lage der Zelle sich nicht auf sie auswirkt. Die Lagenunabhängigkeit wird erzielt, da der Elektrolyt effektiv in den saugfähigen Faservliesen neben der Anode und den Kathoden eingeschlossen ist. Bekannte Zellen werden allgemein mit Elektrolyt geflutet, der sich unter dem Einfluß der Schwerkraft bewegt. Durch die Zelle der vorliegenden Erfindung wird der Elektrolyt zwischen der Anode und den Kathoden über die Separatormaterialien gehalten bzw. "eingeschlossen", so daß die Zelle in jeder Lage arbeiten kann.
Diese Merkmale werden zu einer neuartigen Metall- Luft-Zelle kombiniert, die im Gegensatz zum Stand der Technik bedeutende Vorteile aufweist. Weitere Merkmale der Erfindung sorgen für eine wirksame Füllung der Zelle mit Elektrolyt, begrenzten Wasserdampfverlust mit wirksamer Luftaufnahme und begrenzter oder eliminierter Zellundichte. Diese Merkmale sind in einer Metall-Luft- Zelle ohne Beeinträchtigung der Wirksamkeit und der Lebensdauer der Zelle bereitgestellt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Bereitstellung einer eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle. Bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen und den Ansprüchen werden weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die eine doppelte Luftelektrode aufweisende Zelle.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht der eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle.
Fig. 3 ist eine Endansicht der eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle, die die Abzugskappe zeigt.
Fig. 4 ist eine Endansicht der eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle, die Seitenwände ohne die Abzugskappe zeigt.
Fig. 5 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Elemente der eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle.
Fig. 6 ist eine Seitenschnittansicht der eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die Innenseite des Zellgehäuses.
Fig. 8 ist eine Seitenschnittansicht des Zellgehäuses entlang der Linie 8-8 von Fig. 7.
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die Abzugskappe.
Fig. 10 ist eine Seitenschnittansicht der Abzugskappe entlang der Linie 10-10 von Fig. 9.
Fig. 11 ist eine Seitenschnittansicht der Abzugskappe entlang der Linie 10-10 von Fig. 9 und zeigt die inneren Kappenabzugselemente.
Fig. 12 ist eine Draufsicht auf die Anode.
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf den Anodensamler.
Fig. 14 ist eine Seitenansicht der Anode und des Anodensammlers.
Fig. 15 ist eine Draufsicht auf die auf einer Schicht aus saugfähigem Faservliesmaterial angeordnete Anodenbaugruppe bei dem anfänglichen Schritt der Montage des Anodenbeutels.
Fig. 16 ist eine Seitenansicht, die das Umgeben der Anodenbaugruppe durch die Schicht aus Faservliesmaterial zeigt.
Fig. 17 ist eine Draufsicht, die die mit der Schicht aus Faservliesmaterial bekleidete Anodenbaugruppe zeigt.
Fig. 18 ist eine Seitenansicht, die das Bonden der Schicht aus Faservliesmaterial um die Anodenbaugruppe herum zeigt.
Fig. 19 ist eine Draufsicht auf die Anodenbaugruppe mit der Schicht aus Faservliesmaterial, die auf einer Schicht aus einer mikroporösen Membran angeordnet ist.
Fig. 20 ist eine Seitenansicht, die das Umgeben der Anodenbaugruppe mit der Schicht aus Faservliesmaterial durch die mikroporöse Membran zeigt.
Fig. 21 ist eine Draufsicht, die die vollendete Anodenbeutelbaugruppe zeigt.
Fig. 22 ist eine Draufsicht auf die Kathodenseparatormembran mit Schlitzen.
Fig. 23 ist eine Seitenschnittansicht, die die Trennung der Kathodenfahnen durch die Leckfahnen des Kathodenträgerrahmens zeigt.
Fig. 24 ist eine alternative Ausführungsform der Leckfahnen des Kathodenträgerrahmens.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigen Fig. 1-6 die bevorzugte Ausführungsform einer eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle 10. Zu den hauptsächlichen Elementen der eine doppelte Luftelektrode aufweisenden Zelle 10 gehören ein Zellgehäuse 20, eine oder mehrere Abzugskappen 30, eine Anodenbeutelbaugruppe 40, eine erste bzw. obere Luftkathode 50, eine zweite bzw. untere Luftkathode 60, eine erste bzw. obere Separatorschicht 70 und eine zweite bzw. untere Separatorschicht 80. Das Zellgehäuse 20 ist mit einem Volumen aus einem wäßrigen Elektrolyt 90 gefüllt.
Das Zellgehäuse 20 ist eine mehrstückige Struktur mit einer ersten bzw. oberen Kathodenmaskenwand 21, einer zweiten bzw. unteren Kathodenmaskenwand 22 und mehreren Seitenwänden 23. Das Gehäuse 20 ist vorzugsweise aus einem leichten Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen geformt, obwohl jedes leichte Material verwendet werden kann. Die jeweiligen Elemente des Zellgehäuses 20 werden über ein Heißschmelzverfahren oder andere Abdichtungsverfahren dicht miteinander verbunden. Das Gehäuse 20 hat vorzugsweise eine Breite von etwa 2,68 Zoll (6,80 cm), eine Länge von etwa 4,71 Zoll, (11,96 cm) und eine Tiefe von etwa 0,61 Zoll (1,55 cm), obwohl die Größe der Zelle 10 teilweise von dem Charakter ihres beabsichtigten Einsatzes abhängt. Diese Ausführungsform der Zelle 10 ist zur Verwendung in einem nichtgezeigten Batteriepack für Verbraucherelektronik gedacht.
Wie in Fig. 1, 7 und 8 gezeigt, weist jede Kathodenmaskenwand 21, 22 eine der Atmosphäre zugewandte Außenfläche 24 und eine entgegengesetzte Innenfläche 25 auf. Die Kathodenmaskenwände 21, 22 bilden mehrere konische Öffnungen 26. Bei dem oben beschriebenen Gehäuse 20 liegen vorzugsweise 53 Öffnungen 26 vor, die über jede Kathodenmaskenwand 21, 22 mehr oder weniger gleichmäßig beabstandet sind. Die konischen Öffnungen 26 weisen jeweils an ihrem Gipfelpunkt 28 auf der Außenfläche 24 eine Mündung 27 und auf der Innenfläche 25 der Maskenwände 21, 22 einen Boden 29 auf.
Vorzugsweise weisen die Mündungen 27 einen Durchmesser von etwa 0,047 Zoll (0,12 cm) und die Böden 29 einen Durchmesser von etwa 0,25 Zoll (0,63 cm) auf. Eine derartige Maskenkonfiguration führt zu einer offenen Gesamtfläche der Mündungen 27 auf der Außenfläche 25 der Maskenwände 21, 22 von etwa 0,9 Prozent im Vergleich zu dem insgesamt verfügbaren Flächeninhalt der Kathoden 50, 60. Der annehmbare Bereich für die Größe der Mündungen 27 zu dem Gesamtflächeninhalt der Kathoden liegt zwischen etwa 0,1 und 5 Prozent. Der annehmbare Bereich für den Durchmesser der Mündungen 27 zu dem Durchmesser der Böden 29 kann 1 zu 1 oder darüber betragen.
Die Seitenwände 23 des Gehäuses 20 bilden eine oder mehrere Aperturen 31 zum Lüften und Füllen der Zelle 10 mit Elektrolyt 90. Diese Aperturen 31 sind durch die Abzugskappen 30 bedeckt und werden durch sie abgedichtet. Die Abzugskappen 30 sind in Fig. 9-11 gezeigt. Wie das Gehäuse 20, so sind auch die Abzugskappen 30 vorzugsweise aus einem leichten Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen gebaut. Die Kappen 30 sind so dimensioniert, daß sie die Aperturen 31 bedecken und abdichten, und sie weisen eine Länge von etwa 1,93 Zoll (4,90 cm) und eine Breite von etwa 0,48 Zoll (1,22 cm) auf.
Jede Abzugskappe 30 bildet eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen 32 in ihrer Mitte. Das Gasaustrittsloch 32 weist einen Durchmesser von etwa 0,02 Zoll (0,05 cm) auf und ist von einer im Inneren der Abzugskappe 30 gebildeten kleinen Ausnehmung 33 umgeben. Die Ausnehmung 33 ist allgemein kreisförmig und weist einen Durchmesser von etwa 0,172 Zoll (0,44 cm) und eine Tiefe von etwa 0,012 Zoll (0,03 cm) auf. Die Ausnehmung 33 ist über Ultraschallschweißen oder ein anderes Bondmittel mit einer Sekundärabzugsdichtung 34 gefüllt. Der Sekundärabzug 34 ist vorzugsweise eine hydrophobe, gasdurchlässige Membran wie beispielsweise eine unter dem Warenzeichen Celgard 4599 vertriebene Polypropylenmembran.
Die Ausnehmung 33 ist wiederum von einem rechtwinkligen Gassammelbereich 35 umgeben, der ebenfalls in der Abzugskappe 30 gebildet ist. Der Gassammelbereich 35 ist mit einer Gassammel- oder -diffusionsmembran 36 mit einer Länge von etwa 1,5 Zoll (3,81 cm) und einer Breite von etwa 0,182 Zoll (0,46 cm) gefüllt. Die Gassammelmembran 36 ist über einen Kleber oder andere Bondverfahren an dem Gassammelbereich 35 angebracht. Bei der Gassammelmembran 36 handelt es sich vorzugsweise um ein Polyvinylacetatmaterial, wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Dexter 7487 vertrieben wird, oder um ein Polyethylenmaterial wie beispielsweise das, das unter dem Warenzeichen Porex vertrieben wird.
Der Gassammelbereich 35 und die Gassammelmembran 36 sind wiederum mit einer durch Kleber oder andere Bondverfahren an der Abzugskappe 30 angebrachten Primärabzugsdichtung 37 bedeckt. Bei der Primärabzugsdichtung 37 handelt es sich vorzugsweise um einen mikroporösen Teflon-Film mit einer Länge von etwa 1,8 Zoll (4,57 cm) und einer Breite von etwa 0,35 Zoll (0,89 cm). Eine ähnliche Abzugsstruktur mit einem durch mehrere hydrophobe, gasdurchlässige Membranen definierten Gassammelbereich ist in dem eigenen US-Patent 5,362,577 an Pedicini mit dem Titel "Diffusion Vent for a Rechargeable Metal-air Cell" [Diffusionsabzug für eine wiederaufladbare Metall-Luft-Zelle] beschrieben.
Schließlich wird ein Abzugsträgerrahmen 38 in die Abzugskappe 30 eingesetzt und an dieser durch Kleber oder andere Bondverfahren angebracht. Der Abzugsträgerrahmen 38 hält die Gassammlermembran 36 und die anderen Abzugskappenelemente an ihrer Stelle. Der Abzugsträgerrahmen 38 ist aus den gleichen leichten Kunststoffmaterialien wie beispielsweise Polypropylen konstruiert wie das, Gehäuse 20 und die Abzugskappen 30.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 umfaßt die eigentliche Zelle 10 eine Reihe von innerhalb des Gehäuses 20 geschichteten Elementen, die auf Sandwichweise montiert sind. Die Innenflächen 25 der Kathodenmaskenwände 21, 22 sind mit einer Schicht aus einem saugfähigen Diapermaterial 100 bedeckt. Dieser saugfähige Diaper 100 ist vorzugsweise eine Schicht aus Polyacrylacetat. Der absorbierende Diaper 100 ist durch einen Kleber 110 oder andere Bondverfahren angebracht. Der saugfähige Diaper 100 absorbiert etwaigen Elektrolyt 90, der möglicherweise aus den Maskenwänden 21, 22 ausläuft. Der saugfähige Diaper 100 hilft auch bei der seitlichen Diffusion von Umgebungsluft, die durch die Maskenwände 21, 22 eintritt und sich zu den Kathoden 50, 60 bewegt.
Die erste Kathode 50 ist dann an dem saugfähigen Diaper 100 an der Innenfläche 25 der ersten Kathodenmaskenwand 21 angeordnet, während die zweite Kathode 60 an dem absorbierenden Diaper 100 an der Innenfläche 25 der zweiten Kathodenmaskenwand 22 angeordnet ist. Die Maskenwände 21, 22 sind zur Aufnahme der Diaperschicht 100 und der Kathoden 50, 60 ausgenommen. Bei den Kathoden 50, 60 kann es sich um eine beliebige Art poröser, plattenförmiger Kathoden handeln. Derartige Kathoden enthalten in der Regel eine direkt an eine gasdurchlässige, flüssigkeitsundurchlässige, naßbeständig machende Schicht angeklebte aktive Schicht. Ein Beispiel für eine derartige Kathode ist in dem eigenen US-Patent Nr. 5,306,579 an Shepard, jr., et al., mit dem Titel "Bifunctional Metal-Air Electrode" [Bifunktionale Metall- Luft-Elektrode] offenbart oder wie in den US-Patenten mit den Nummern 4,354,958; 4,444,852; 4,518,705; 4,615,954 und 4,927,514 beschrieben. Diese Kathoden 50, 60 enthalten eine Luftseite 51 einschließlich eines Gemischs aus Rußteilchen und einem hydrophoben Polymer wie beispielsweise Polytetra-fluorethylen oder Teflon, die neben dem saugfähigen Diaper 100 angeordnet ist, und auf der entgegengesetzten Seite eine mit dem Elektrolyt 90 in Berührung stehende Elektrolytseite 52 einschließlich katalysierter Teilchen aus Aktivkohle und Teflon-Teilchen.
Jede Kathode 50, 60 umfaßt weiterhin zur Bereitstellung eines Minuspols für die Zelle 10 eine Kathodenfahne 53, die sich aus dem Gehäuse 20 erstreckt. In den Seitenwänden 23 des Gehäuses 20 sind eine oder mehrere Ausnehmungen 57 gebildet, um die Positionierung der Fahnen 53 aufzunehmen.
Die Kathoden 50, 60 werden durch einen Auftrag von Klebern 110 oder andere Bondverfahren neben den saugfähigen Diapern 100 und den jeweiligen Kathodenmaskenwänden 21, 22 an ihrer Stelle gehalten. Die Kathoden 50, 60 werden weiterhin durch einen Kathodenträgerrahmen 54 an ihre Stelle neben den jeweiligen Maskenwänden 21, 22 gehalten. Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, sind die Kathodenträgerrahmen 54 an den Kathoden 50, 60 und in die Ausnehmungen der jeweiligen Kathodenmaskenwände 21, 22 positioniert, um den Umfang jeder Kathode 50, 60 zu tragen. Die Trägerrahmen 54 werden durch einen Auftrag von Klebern 110 oder andere Bondverfahren an ihrer Stelle gehalten. Jeder Kathodenträgerrahmen 54 weist eine Länge von etwa 4,7 Zoll (11,94 cm) eine Breite von etwa 2,67 Zoll (6,78 cm), eine Tiefe von etwa 0,165 Zoll (0,42 cm) und eine zur Form der Maskenwände 21, 22 passende Kontur auf, Die Kathodenträgerrahmen 54 sorgen für die strukturelle Festigkeit der Zelle 10 und stellen sicher, daß der Elektrolyt 90 nicht um die Ränder der jeweiligen Kathoden 50, 60 dringt und aus der Zelle 10 austritt.
Die Elektrolytseite 52 jeder Kathode 50, 60 wird dann mit einer Separatorschicht 70, 80 bekleidet. Die erste Kathode 50 wird mit einer ersten Separatorschicht 70 und die zweite Kathode 60 mit einer zweiten Separatorschicht 80 bekleidet. Jede Separatorschicht 70, 80 umfaßt eine Schicht aus einem saugfähigen Faservlies 71 und eine Schicht aus einer mikroporösen Membran 72, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist. Das bevorzugte saugfähige Faservlies 71 besteht aus Nylon, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung TR1113H von der Firma Hollingsworth & Vose vertrieben wird, während die bevorzugte mikroporöse Membran 72 aus einer Polypropylenmembran besteht, wie sie beispielsweise unter dem Warenzeichen Celgard 5511 vertrieben wird. Die mikroporöse Membran 72 kann auch in einem mittigen Teil der Membran 72 einen oder mehrere Schlitze 73 enthalten. Es wird zwar der Ausdruck "Schlitze" verwendet, doch kann die Öffnung jede beliebige Form aufweisen und beispielsweise ein Lappen oder ein Spalt in dem Material sein. Die Separatorschichten 70, 80 sind durch Kleber 110 oder andere Bondverfahren an den Kathoden 50, 60 und den jeweiligen Trägerrahmen 54 angebracht.
Die Anodenbeutelbaugruppe 40 ist schließlich zwischen der ersten Separatorschicht 70 und der zweiten Separatorschicht 80 angeordnet. Die Anodenbeutel-baugruppe 40 umfaßt eine Zweiplattenanode 51, die einen Anodensammlerschirm 42 umgibt. Jede Platte der Anode 41 ist über Ultraschall an den Anodensammlerschirm 42 geschweißt. Die Anode 41 ist vorzugsweise eine Metallplatte aus Zink oder einer Zinklegierung, und sie kann perforiert oder gestreckt sein. Jede Platte der Anode 41 ist etwa 0,02 Zoll (0,05 cm) dick. Der Anodenschirm 42 besteht vorzugsweise aus einem Schirm aus gestrecktem Silber mit einer Dicke von etwa 0,003 Zoll (0,007 cm). Der Anodensammlerschirm 42 erstreckt sich in eine Anodenfahne 43, die sich außerhalb des Gehäuses 20 fortsetzt, um einen Pluspol für die Zelle 10 zu bilden. Wie bei den Kathodenfahnen 53 ist in einer der Seitenwände 23 des Gehäuses 20 eine Anodenausnehmung 48 ausgebildet, um die Positionierung der Fahne 43 aufzunehmen.
Die Anode 41 ist in einen zweilagigen Separatorbeutel bzw. Anodenbeutel 44 eingehüllt. Der Separatorbeutel 44 umfaßt eine Schicht aus einem saugfähigen Faservliesmaterial 45, wie beispielsweise Nylon, das unter der Bezeichnung TR1113G von der Firma Hollingsworth & Vose vertrieben wird, und eine Schicht aus einer mikroporösen Membran 46, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist, wie sie beispielsweise unter dem Warenzeichen Celgard 5511 vertrieben wird. Die Materialien des Separatorbeutels 44 sind die gleichen wie die in der ersten und zweiten Separatorschicht 70, 80, abgesehen von der Tatsache, daß das saugfähige Faservlies 45 des Separatorbeutels 44 halb so dick ist wie das Faservlies 71 der Separatorschichten 70, 80.
Wie in den Fig. 15-18 gezeigt, ist die Anode, 41 auf dem saugfähigen Faservliesmaterial 45 angeordnet, und das Vliesmaterial 45 ist über die Anode 41 gefaltet. Die Seitenränder des Vliesmaterials 45 werden dann durch Kleber 110 oder andere Bondverfahren dicht miteinander verbunden. Dann werden die Anode 41 und das saugfähige Faservlies 45 auf der mikroporösen Membranschicht 46 positioniert. Kleber 110 werden auf das saugfähige Faservliesmaterial 45 aufgetragen, um es an seiner Stelle zu halten, und die mikroporöse Membran 46 wird über die Anode 41 und das saugfähige Faservlies 45 gefaltet. Die mikroporöse Membran 46 überlappt die Anode 41 und das saugfähige Faservlies 45 geringfügig, so daß die Seitenränder der mikroporösen Membran 46 heißgesiegelt werden können, um eine Naht 49 zu bilden. Alles überschüssige Material der mikroporösen Membran 46 wird dann abgeschnitten und weggeworfen. In einem Ende des Anodenbaugruppenbeutels 40 können dann eine oder mehrere kleine Beutelaperturen 47 gelassen werden, wie beispielsweise ein nichtversiegelter Teil der Naht 49 von etwa 0,6 Zoll (1,52 cm), um den Eintritt des Elektrolyten 90 in das saugfähige Faservlies 45 zu gestatten. Auf diese Weise bildet die mikroporöse Membran 46 einen im wesentlichen abgedichteten Anodenbeutel 40, der die Anode 42 und das Faservlies 45 umschließt.
Nachdem sich der Anodenbaugruppenbeutel 40 an seiner Stelle befindet, werden die Seitenwände 23 neben den jeweiligen Maskenwänden 21, 22 des Gehäuses 20 miteinander heißversiegelt, um die Zelle 10 einzuschließen. Eine der Abzugskappen 30 wird ebenfalls durch das Heißschmelzverfahren dicht mit dem Gehäuse 20 verbunden. In die Apertur 31 an dem entgegengesetzten Ende des Gehäuses 20 wird dann flüssiger Elektrolyt 90 gegossen. Der Elektrolyt 90 wird von den Faservliesen 45, 71 im wesentlichen aufgesaugt, obwohl auch die mikroporösen Membranen 46, 72 etwas Elektrolyt 90 aufsaugen. Nach dem Ablauf einer Zeitdauer, die ausreicht, damit etwa eingeschlossene Luftblasen aus dem Inneren der Zelle 10 entweichen können, wird die andere Abzugskappe 30 an ihrer Stelle angeschweißt.
Bei dem Elektrolyten 90 kann es sich um eine beliebige geeignete wäßrige Base einschließlich einem Metallhydroxid der Gruppe I handeln. Beispiele dafür sind LiOH, NaOH, KOH, CsOH oder dergleichen, wie in US-Patent Nr. 4,957,826 an Cheiky offenbart. Es werden etwa 55 Gramm des Elektrolyten 90 verwendet, um die Zelle 10 zu füllen.
Es hat sich herausgestellt, daß es günstig ist, die jeweiligen Kathodenfahnen 53 zu trennen, um ein Auslaufen des Elektrolyten 90 aus dem Zellgehäuse 20 zu verhindern. Der Elektrolyt 90 kann entlang dem Metall- Metall-Kontakt der Kathodenfahnen 53 durch Kapillareffekte bewirkt aus der Zelle 10 austreten. Um diesen Metall-Metall-Kontakt zu verhindern, können Leckfahnen 56 in die Kathodenträgerrahmen 54 eingebaut werden.
Wie in Fig. 23 und 24 gezeigt, sind die Kathoden 50, 60 zwischen den jeweiligen Kathodenmaskenwänden 21, 22 und den jeweiligen Kathodenträgerrahmen 54 positioniert. Indem die Trägerrahmen 54 über die Enden der Maskenwände 21, 22 hinaus verlängert werden, können eine oder mehrere dieser Leckfahnen 56 zwischen den jeweiligen Kathodenfahnen 53 positioniert werden und auf diese Weise den Metall-Metall-Kontakt verhindern. Die Leckfahnen 56 können entweder eine horizontale oder vertikale Verlängerung der Kathodenträgerstruktur 54 sein, so daß bei Verbindung der jeweiligen Trägerrahmen 54 die Leckfahnen 56 zwischen die Fahnen 53 gedrückt werden. Alternativ könnte, um die Kathodenfahnen 53 und die Anodenfahne 43 zu trennen, damit beide Sätze von Fahnen 53, 43 das Gehäuse 20 auf der gleichen Seite der Zelle 10 verlassen können, eine ähnliche Struktur der Leckfahne 56 verwendet werden.
Während des Betriebs der Zelle 10 dringt Luft durch die Öffnungen 26 in den Kathodenmaskenwänden 21, 22 ein und durchdringt die Luftseite 51 der Kathoden 50, 60. An den Kathoden 50, 60 beginnt Sauerstoff aus der Umgebungsluft die elektrolytische Umsetzung, was dazu führt, daß die Zelle 10 Strom erzeugt. Die Übertragung von Ionen zwischen der Anode 41 und den Kathoden 50, 60 wird durch den in den Separatorschichten 70, 80 und dem Anodenbeutel 44 absorbierten Elektrolyten 90 bewerkstelligt. Wenn die Materialien naß sind, können die Ionen durch die mikroporösen Membranen 46, 72 und die Faservliese 45, 71 treten.
Durch die Größe, Anzahl und Form der Öffnungen 26 in den Maskenwänden 21, 22 wird die Luftmenge gesteuert, der die Kathoden 50, 60 ausgesetzt werden. Die Kegelform der Öffnungen 26 sorgt für eine vollständige und wirksame Verwendung der Kathoden 50, 60 und verlängert die Nutzlebensdauer der Zelle 10. Die relativ geringe Größe der Mündungen 27 jeder der kegelförmigen Öffnungen 26 fördert eine begrenzte Kohlendioxidaufnahme und einen begrenzten Wasserdampfverlust, während die größere Fläche des Bodens 29 einer guten seitlichen Verteilung von Umgebungsluft zu dem Diapermaterial 100 und der Fläche der Kathode 50, 60 förderlich ist. Durch dieses seitliche Abführen der Umgebungsluft entfällt die Notwendigkeit für eine separate Luftkammer, und auf diese Weise wird die Höhe oder Breite der Zelle 10 reduziert. Durch die Verwendung der kegelförmigen Öffnungen 26 in den Maskenwänden 21, 22 wird weiterhin aufgrund des glatten Übergangs im Kunststoffmaterial für eine einfachere Herstellung gesorgt.
Während bei der idealen Maskenöffnung ein geringer Prozentsatz an freier Fläche Löcher aufweisen würde, die sich auf "Mikrometerebene" befinden würden und so beabstandet wären, daß sie einen gleichförmigen Stromfluß zu den Kathoden 50, 60 darstellen und gleichzeitig nur sehr wenig Wasserdampfverlust gestatten, sorgt die vorliegende Konstruktion für eine ausreichende Luftaufnahme, während sie gleichzeitig die Feuchtigkeit der Zelle 10 aufrechterhält. Obwohl die Fläche der Maskenwände 21, 22 zwischen den Böden 29 sich über eine Fläche des absorbierenden Diapers 100 und der Kathoden 50, 60 erstreckt, hat sich herausgestellt, daß sich Sauerstoff schnell von den Öffnungen 26 aus seitlich und durch die Kathodenbaugruppenelemente des saugfähigen Diapers 100 und die Kathoden 50, 60 selbst ausbreitet. Der bevorzugte Bereich offenen Raums der Mündungen 27 der Öffnungen 26 zu dem Flächeninhalt der Kathoden 50, 60 liegt bei 0,1 bis 5 Prozent, damit sich diese ausreichende Aufnahme von Luft ergibt. Wenn die Größe der Öffnungen 26 unter diesem Bereich liegen würde, würde für eine adäquate Stromerzeugung nicht genügend Sauerstoff die Kathoden 50, 60 erreichen, und es kann zu einer punktförmigen Ausbreitung von Sauerstoff durch die Kathoden 50, 60 kommen. Wenn andererseits die Größe der Öffnungen 26 über diesem Bereich liegen würde, wären die Kathoden 50, 60 einer übermäßigen Feuchtigkeitsübertragung und möglichem vorzeitigem Ausfall der Zelle 10 ausgesetzt.
Nach dem Beginn des Arbeitens der Zelle 10 hält die mikroporöse Anodenmembran 46 das an der Anode 41 erzeugte Zink und Zinkoxid in enger Berührung mit dem Anodensammler 42. Nach der Auflösung in dem Elektrolyten 90 fließt Zinkoxid im allgemeinen unter der Schwerkraft durch die ganz Zelle 10. Wenn allerdings das Zinkoxid den Kontakt mit dem Anodensammler 42 verloren hat, kann die Kapazität der Zelle 10 verlorengehen und die Lebensdauer der Zelle 10 verkürzen. Diese Verteilung von Zinkoxid wird durch die mikroporöse Membranumhüllung 46 zum größten Teil verhindert, da das Zinkoxid nicht durch die Membran 46 gelangen kann. Das Zinkoxid wird in dem Stromfeld gehalten, so daß die Kapazität der Zelle 10 nicht verlorengeht.
Weiterhin wird die Kapazität der Zelle 10 durch die Konfiguration mit doppelter Kathode 50, 60 aufrechterhalten. Da sich auf beiden Seiten der Anode 41 eine Kathode 50, 60 befindet, bleiben das Zink oder das Zinkoxid allgemein zu allen Zeiten in dem Stromfeld.
Die mikroporöse Anodenmembran 46 verhindert auch das nichtgezeigte Aufwachsen von Dendriten auf der Metallanode 41. In Zellen nach dem Stand der Technik können diese Dendriten von der Anode 41 in Richtung der Kathoden 50, 60 wachsen. Jeder Kontakt zwischen den Dendriten und den Kathoden 50, 60 kann zu einem Kurzschluß in der Zelle 10 führen. Die mikroporöse Membran 46 verhindert das Wachsen der Dendriten, indem sie das an der Anode 41 erzeugte Zinkoxid in enger Berührung mit der Anode 41 hält. Das Zinkoxid kann nicht durch die mikroporöse Membran 46 gelangen und die Kathoden 50, 60 berühren.
Die mikroporösen Membranen 72 in den Separatorschichten 70, 80 helfen ebenfalls bei der Verhinderung des Dendritenwachstums, indem sie für den Fall etwaiger Fehler in der Anodenschicht 46 als Sicherheitsschicht dienen. Weiterhin liegen in der Mitte der mikroporösen Membranen 72 der Separatorschichten 70, 80 die Schlitze 73 vor, um bei dem ursprünglichen Füllen der Zelle 10 mit dem Elektrolyten 90 das Entweichen von Gasblasen zu gestatten. Unter den Membranen 72 neben den Kathoden 50, 60 eingeschlossenes Gas kann zur Ungleich förmigkeit in der Stromdichte über die Kathoden 50, 60 hinweg führen und auch bewirken, daß Flächen der Anode 41 nicht genutzt werden. Dies führt zu einem Kapazitätsverlust und schließlichem Versagen der Zelle 10. Da das Dendritenwachstum sich allgemein in der Nähe der Ränder 55 der Anode 41 und der Kathoden 50, 60 ausbildet, gestattet die Anordnung der Schlitze 73 in der Mitte der Membranen 72, daß Gasblasen entweichen, wobei gegenüber der Dendritenbildung eine Sperre aufrechterhalten wird.
Durch die mikroporösen Membranen 46, 72 der Anodenbeutelbaugruppe 40 und die erste und zweite Separatorschicht 70, 80 wird auch die Selbstentladung der Zelle 10 weitgehend eliminiert. Über die Abzugskappen 30 kann Sauerstoff in die Zelle 10 eindringen. Da innerhalb der Zelle 10 als Teil der Aufladungsreaktion sowie während der Lagerung Wasserstoffgas erzeugt wird, sind die Abzugskappen 30 in einer wirksamen Zelle 10 eine Notwendigkeit. Zugang von Umgebungsluft zu der Anode 41 allerdings kann ein Entladen der Anode 41 bewirken. Diese Entladung wird durch Einhüllen der Anode 41 in die mikroporöse Membran 46 weitgehend eliminiert. Wenn die mikroporöse Membran 46 naß ist, ist sie zum größten Teil gasundurchlässig, so daß Sauerstoff aus der Umgebungsluft einen Löslichkeitsschritt durchmachen muß, um durch die Membran 46 zu gehen. Der Löslichkeitsschritt ist ein relativ langsamer Prozeß, so daß die Selbstentladung der Zelle 10 zum größten Teil eliminiert ist.
Durch die Verwendung der saugfähigen Faservliese 45, 71 der Anodenbeutelbaugruppe 40 und der ersten und zweiten Separatorschicht 70, 80 wird die Zelle 10 von ihrer Lage unabhängig. Der Elektrolyt 90 wird von den saugfähigen Faservliesen 45, 71 im wesentlichen absorbiert, die zusammen mit den mikroporösen Membranen 46, 72 im wesentlichen den ganzen Bereich zwischen der Anode 41 und den Kathoden 50, 60 füllen. Die saugfähigen Faservliese 45, 71 absorbieren fast den ganzen Elektrolyten 90, so daß sich, wenn überhaupt, in dem Zellengehäuse 90 nur sehr wenig freifließender Elektrolyt 90 befindet. Der Elektrolyt 90 ist in den saugfähigen Vliesen 45, 71 im wesentlichen an Ort und Stelle eingeschlossen, so daß die Zelle 10 in jeder Lage arbeiten kann. Die mikroporösen Membranschichten 46, 72 der Anodenbeutelbaugruppe 40 und die erste und zweite Separatorschicht 70, 80 wirken wie auf dem Kapillareffekt beruhende Separatoren zwischen den saugfähigen Schichten 45, 71, die die Übertragung von Flüssigkeiten wie beispielsweise Elektrolyt 90 gestatten, gegenüber Gasen aber zum größten Teil undurchlässig sind. Durch das Einschließen des Elektrolyten 90 in den saugfähigen Faservliesen 45, 71 wird auch die Wahrscheinlichkeit eines Austretens aus der Zelle 10 verringert.
Die Abzugskappen 30 des Gehäuses 20 sorgen für Mittel zum Ablassen des Wasserstoffs und anderer, während der Wiederaufladung und der Lagerung erzeugter Gase aus der Zelle 10. Die Abzugskappen 30 sind mit einem oder mehreren Gasaustrittslöchern 32 versehen, die ausreichend klein sind, um eine übermäßige Kohlendioxidaufnahme aus der Atmosphäre und außerdem einen übermäßigen Wasserverlust aus der Zelle 10 zu verhindern. Die Abzugskappe 30 weist auch einen Gassammelbereich 35 mit einer Gassammel- oder -diffusionsmembran 36 auf, die durch eine oder mehrere gasdurchlässige, hydrophobe Membranen 34, 37 definiert wird. Die Membranen 34, 37 halten die Feuchtigkeit innerhalb des Gehäuses 20 aufrecht, während innerhalb der Zelle 10 erzeugter Wasserstoff und andere Gase vor dem Ablassen in die Atmosphäre in dem Gassammelbereich 35 gesammelt werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Metall-Luft-Zelle 10 mit nicht nur stark erhöhter Leistungsabgabe, sondern auch einen wirksameren Mittel, um diese Leistung zu erzeugen, bereit. Die Verwendung der Konfiguration mit doppelter Kathode 50, 60 liefert für den Betrieb der Zelle 10 beträchtliche Vorzüge. Die Zelle 10 kann die doppelte Leistung einer Zelle mit einzelner Kathode erzeugen, d. h. bis zu 3 Watt, im Vergleich zu 1,5 Watt. Weiterhin weist die Zelle 10 eine Energiedichte von etwa 150-230 Wattstunden/Kilogramm auf, im Vergleich zu der Energiedichte einer Zelle mit einer einzigen Kathode von 140-190 Wattstunden/Kilogramm. Die Zelle 10 mit doppelter Kathode läuft bei einer gegebenen Entnahme mit einer höheren Spannung als eine Zelle mit einer einzigen Kathode und weist somit eine erhöhte Energiedichte auf.
Durch die Verhinderung einer Selbstentladung der Zelle durch Aufrechterhaltung der Zellkapazität und durch Verhindern von Dendritenwachstum wird auch die Lebensdauer der Zelle 10 stark verlängert. Weiterhin wird durch die Verwendung eines Systems mit eingeschlossenem Elektrolyten im Gegensatz zu einem gefluteten System eine Zelle 10 bereitgestellt, die in beliebiger Lage betrieben werden kann. Die neuartige und einzigartige Kombination dieser Vorteile ergibt eine beträchtliche Verbesserung bei Auslegung und Betrieb einer Metall-Luft-Zelle.
Man beachte, daß die Ausdrücke "oberer" und "unterer" der Zweckmäßigkeit halber hier zum Definieren eines relativen Bezugsrahmens verwendet werden und keine bestimmte Lage der Zelle 10 insgesamt erfordern.
Das Obengesagte betrifft nur die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und es können daran viele Veränderungen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle mit:

einem Gehäuse einschließlich einer oberen Kathodenmaskenwand, einer unteren Kathodenmaskenwand sowie mehreren Seitenwänden;

einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Metallanode mit einer Oberseite und einer Unterseite;

wobei die Metallanode zumindest auf der Ober- und Unterseite mit Separatormaterialien bekleidet ist;

einer zwischen der oberen Kathodenmaskenwand und den Separatormaterialien auf der Oberseite der Anode angeordneten oberen Luftkathode;

einer zwischen der unteren Kathodenmaskenwand und den Separatormaterialien auf der Unterseite der Anode angeordneten unteren Luftkathode;

einem auf mindestens einer der mehreren Seitenwände des Gehäuses angeordneten Gasabzug; sowie

einem zwischen den Separatormaterialien weitgehend eingeschlossenen flüssigen Elektrolyten.

2. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Separatormaterialien eine oder mehrere Schichten eines die Metallanode umgebenden saugfähigen Faservlieses sowie eine oder mehrere Schichten einer mikroporösen Membran umfassen, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist und das saugfähige Faservlies und die Metallanode umgibt und einen im wesentlichen abgedichteten Beutel um dieselben bildet.

3. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, die außerdem eine zwischen der oberen Luftkathode und den Separatormaterialien auf der Oberseite der Anode angeordnete obere Separatorschicht; sowie

eine zwischen der unteren Luftkathode und den Separatormaterialien auf der Unterseite der Anode angeordnete untere Separatorschicht umfaßt.

4. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der es sich bei der Zelle um eine Zink-Luft-Zelle handelt.

5. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der der eingeschlossene Elektrolyt dafür sorgt, daß die Lage der Zelle sich nicht auf deren Betrieb auswirkt.

6. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Zelle eine Energiedichte von 150 bis 230 Wattstunden/Kilogramm aufweist.

7. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Maskenwände mehrere kegelförmige Öffnungen bilden.

8. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, die außerdem eine zwischen der oberen Kathodenmaskenwand und der oberen Kathode und zwischen der unteren Kathodenmaskenwand und der unteren Kathode angeordnete Schicht aus einem saugfähigen Diaperstoff umfaßt.

9. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der der Gasabzug mindestens eine Gasaustrittsöffnung in demselben bildet, die so klein ist, daß eine übermäßige Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre sowie übermäßiger Wasserverlust aus der Zelle verhindert wird.

10. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Separatormaterialien eine Schicht aus einer mikroporösen Membran umfassen, um ein Zersprengen von Zink oder Zinkoxid von der Anode weg zu verhindern.

11. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Separatormaterialien eine Schicht aus einer mikroporösen Membran umfassen, um das Aufwachsen von Dendriten auf der Anode zu verhindern.

12. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Separatormaterialien eine Schicht aus einer mikroporösen Membran umfassen, die, wenn sie naß ist, gasundurchlässig und flüssigkeitsdurchlässig ist und so verhindert, daß Sauerstoff in einer Gasphase mit der Anode in Berührung kommt.

13. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Separatormaterialien eine Schicht aus mit Elektrolyt gefülltem saugfähigem Material enthalten.

14. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 1, die außerdem sich aus dem Gehäuse heraus von den Kathoden weg erstreckende Kathodenfahnen sowie ferner mindestens einen Kathodenträgerrahmen mit zwischen den Kathoden und den Kathodenfahnen angeordneten verlängerten Leckfahnen zwecks Verhinderung eines durch Kapillareffekte bewirkten Austretens des Elektrolyten aus der Zelle entlang den Kathodenfahnen umfaßt.

15. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 3, bei der besagte erste und zweite Separatorschicht jeweils eine Schicht aus mit Elektrolyt gefülltem saugfähigem Material enthält.

16. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 3, bei der besagte erste und zweite Separatorschicht jeweils eine Schicht aus einer mikroporösen Membran umfaßt, um zu verhindern, daß Dendriten mit den Kathoden in Berührung kommen.

17. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 3, bei der besagte erste und zweite Separatorschicht jeweils eine Schicht aus einem gasundurchlässigen, flüssigkeitsdurchlässigen Material umfaßt, um zu verhindern, daß Sauerstoff in einer Gasphase mit der Anode in Berührung kommt.

18. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 7, bei der die freie Fläche der Öffnungen im Vergleich zum Flächeninhalt der Kathoden zwischen etwa 0,1 und 5% liegt.

19. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 9, die außerdem eine die Gasaustrittsöffnung abdeckende gasdurchlässige, hydrophobe Membran, einen auf einer Innenseite des Gasabzuges abgegrenzten Gassammelraum, ein den Gassammelraum ausfüllendes Begasermaterial sowie eine zweite, das Begasermaterial abdeckende, gasdurchlässige, hydrophobe Membran umfaßt.

20. Eine doppelte Luftelektrode aufweisende Metall- Luft-Zelle nach Anspruch 16, bei der die mikroporöse Membran der ersten und zweiten Separatorschicht einen oder mehrere Schlitze darin aufweist, um ein Entweichen von Gasen im Bereich der ersten und zweiten Luftkathode beim Füllen der Zelle mit dem Elektrolyten zu ermöglichen.