DE69606423T2

DE69606423T2 - Gerät zur Belüftung von Metall-Luft Batterien

Info

Publication number: DE69606423T2
Application number: DE69606423T
Authority: DE
Inventors: S. Pedicini; D. Witzigrueter
Original assignee: AER Energy Resources Inc
Current assignee: AER Energy Resources Inc
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: CA2234768C; AU7451296A; EP0860032B1; WO1997015090A2; US5919582A; ES2144269T3; DE69606423D1; CA2234768A1; WO1997015090A3; GR3033288T3; JPH11508728A; PT860032E; US6361294B1; EP0860032A2; JP3051455B2; ATE189343T1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Batterien und insbesondere einen Belüftungsapparat für eine Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery).

Allgemeiner Stand der Technik

Metall-Luftsauerstoff-Batteriezellen (metal-air battery cells) enthalten eine luftdurchlässige Kathode und eine metallische Anode, die durch einen wäßrigen Elektrolyten getrennt sind. Während der Entladung einer Metall- Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery), wie beispielsweise einer Zink-Luftsauerstoff-Batterie (zinc-air battery), wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der Kathode in Hydroxid umgewandelt, Zink wird an der Anode durch das Hydroxid oxidiert und Wasser und Elektronen werden freigesetzt, um elektrische Energie zu liefern. Metall-Luftsauerstoff- Batterien (metal-air batteries) weisen eine relativ hohe Energiedichte auf, da die Kathode anstatt eines schwereren Materials, wie beispielsweise eines Metalls oder einer Metallzusammensetzung, als Reaktionspartner in der elektrochemischen Reaktion Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet. Metall-Luftsauerstoff-Batteriezellen (metal-air battery cells) werden innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses oftmals in Batteriepacks aus mehreren Zellen angeordnet, um eine ausreichende Menge an Ausgangsleistung zu liefern. Das Ergebnis ist eine relativ leichte Batterie.
Um eine Metall-Luftsauerstoff-Batteriezelle (metalair battery cell) zu betreiben, ist es deshalb notwendig, den Luftsauerstoffkathoden der Zellen einen Vorrat an Sauerstoff zuzuführen. Bei einigen Systemen nach dem Stand der Technik streicht eine kontinuierliche Strömung aus neuer Umgebungsluft über die Luftsauerstoffkathoden mit einer Strömungsrate, die ausreicht, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erzielen. Eine derartige Anordnung wird in US- Patent 4,913,983 an Cheiky gezeigt. Cheiky verwendet einen Lüfter innerhalb des Batteriegehäuses, um eine Strömung von Umgebungsluft zu einem Pack aus Metall-Luftsauerstoff- Batteriezellen (metal-air battery cells) zu liefern. Wenn die Batterie eingeschaltet wird, werden ein Lufteinlaß und ein Luftauslaß geöffnet, und der Lüfter wird aktiviert, um die Strömung von Luft in und durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse heraus zu erzeugen.
Ein Problem bei einer Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) besteht darin, daß das Umgebungsfeuchtigkeitsniveau zu einem Versagen der Batterie führen kann. Gleichgewichtsdampfdruck der Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) führt zu einer relativen Gleichgewichtsfeuchtigkeit, die in der Regel bei ungefähr 45 Prozent liegt. Wenn die Umgebungsfeuchtigkeit über der Gleichgewichtsfeuchtigkeit innerhalb des Batteriegehäuses liegt, absorbiert die Batterie durch die Kathode Wasser aus der Luft und versagt aufgrund eines als Überflutung bezeichneten Zustands. Überflutung kann zum Bersten der Batterie führen. Wenn die Umgebungsfeuchtigkeit unter der Gleichgewichtsfeuchtigkeit innerhalb des Batteriegehäuses liegt, setzt die Metall- Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) Wasserdampf aus dem Elektrolyten durch die Luftsauerstoffkathode frei und versagt aufgrund von Austrocknen. In der Technik ist es erkannt worden, daß ein von dem Feuchtigkeitsniveau innerhalb des Batteriegehäuses unterschiedliches Feuchtigkeitsniveau der Umgebungsluft insgesamt eine Übertragung von Wasser in die Batterie oder aus der Batterie heraus bewirkt. Diese Probleme fallen besonders dann ins Gewicht, wenn die Batterie nicht verwendet wird, da die Feuchtigkeit im allgemeinen über einen längeren Zeitraum entweder in das Batteriegehäuse einsickert oder aus ihm aussickert.
Ein weiteres mit Metall-Luftsauerstoff-Batterien (metal-air batteries) verbundenes Problem ist die Übertragung von Kohlendioxid aus Umgebungsluft in die Batteriezelle. Kohlendioxid neutralisiert im allgemeinen den Elektrolyten, beispielsweise Kaliumhydroxid. In der Vergangenheit sind zum Einfangen von Kohlendioxid an der äußeren Kathodenfläche kohlendioxidabsorbierende Schichten angeordnet worden. Ein Beispiel für ein derartiges System ist in dem US-Patent Nr. 4,054,725 gezeigt.
Eine Batteriezelle mit ordnungsgemäßen Feuchtigkeitsniveaus aufrechtzuerhalten und Kohlendioxid auszuschließen, hat im allgemeinen ein abgedichtetes Batteriegehäuse erfor dert. Wie oben erwähnt, haben jedoch Systeme nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise das von Cheiky offenbarte, eine Art Lüfter verwendet, um während der Verwendung Umgebungsluft durch das Batteriegehäuse zu zwingen. Große Öffnungen sind vorgesehen, um das Einströmen und Ausströmen von Luft zu gestatten. Diese Öffnungen sind im allgemeinen bei Nichtgebrauch durch eine mechanische Lufttür abgedichtet. Wenn die Lufttür nicht vorliegt oder bei Nichtgebrauch nicht geschlossen ist, würden große Mengen an Umgebungsluft in das Gehäuse einsickern. Diese Luftströmung würde die Probleme hinsichtlich Feuchtigkeit und Kohlendioxid innerhalb des Gehäuses bewirken, wie oben erörtert. Der Sauerstoff in der Umgebungsluft würde auch eine Entladung der Zelle bewirken und auf diese Weise zu einem "Leckstrom" und einer Reduktion des Wirkungsgrads und der Lebensdauer der Zelle führen.
Jedoch selbst bei der Verwendung von Lufttüren sickert im allgemeinen eine bestimmte Menge an Sauerstoff und Verunreinigungen bei Nichtgebrauch in die Zelle. Ein gewisser Leckstrom ist deshalb unvermeidlich. Obwohl die Lufttüren diesen Leckstrom und die anderen oben erörterten Probleme begrenzen, wird durch die Verwendung der Lufttüren das Batteriegehäuse selbst komplizierter, und die Herstellungskosten und die Herstellungszeit der Batterie insgesamt steigen.
Bei einigen Anwendungen von Metall-Luftsauerstoff- Zellen (metal-air cells), wie beispielsweise in dem US-Patent 4,118,54 an Przybyla gezeigt, sind Lufttüren nicht erforderlich. Przybyla beschreibt eine Metall-Luftsauerstoff- Primärknopfzelle (primary metal-air button cell), die in Uhren und Hörgeräten verwendet wird. Derartige Zellen arbeiten während einer einzelnen, kontinuierlichen Entladung mit sehr niedrigen Stromstärken. Przybyla basiert im Grunde auf der Verwendung eines kontinuierlichen "Leckstroms", um Einrichtungen mit sehr niedrigem Stromverbrauch zu betreiben.
Metall-Luftsauerstoff-Zellen (metal-air cells) sind in der Regel so ausgelegt, daß sie eine relativ große Luftelektrodenoberfläche aufweisen, so daß von einer Zelle mit einem gegebenen Volumen und einem gegebenen Gewicht die größtmögliche Ausgangsleistung erhalten werden kann. Nachdem Luft in ein Metall-Luftsauerstoff-Batteriegehäuse eingeführt worden ist, besteht ein Ziel darin, die sauerstofftragende Luft gleichmäßig und effizient an alle Luftelektrodenflächen zu verteilen. Es sind Umluftsteuerungen, einschließlich Lüftern, innerhalb des Batteriegehäuses entwickelt worden, um Luft innerhalb des Gehäuses zu verteilen und gleichzeitig das Volumen der Frischluft so niedrig zu halten, wie dies praktisch möglich ist. In Mehrfachzellensystemen jedoch haben sich Luftverteilungswege in der Regel von einem entlang einer Peripherie des Gehäuses neben einer Lufttür positionierten Lüfter über eine längere Strecke über alle Luftelektrodenflächen erstreckt. Ein Beispiel ist in dem US-Patent Nr. 5,387,477 gezeigt. Dem Luftstrom wird Sauerstoff entnommen, so daß die Sauerstoffkonzentration am Ende des Verteilungswegs oftmals unter ein Niveau gefallen ist, das für eine optimale Leistungsproduktion von allen Zellen gewünscht wird. Systeme, die dieses Problem dadurch lösen, daß sie Außenluft über die Zellen blasen und sie ohne Rückführung sofort ausblasen, unterliegen den oben beschriebenen Problemen der Überflutung und des Austrocknens.
Somit besteht ein Bedarf an einem praktischen Luftsteuerungssystem für eine Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) ohne mechanische Lufttüren oder andere mechanische Abdichtungsverfahren, um bei Nichtgebrauch der Batterie eine Diffusion durch sie hindurch zu verhindern. Das System sollte über die Luftsauerstoffkathode einer Metall- Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) hinweg ein stabiles Wasserdampfgleichgewicht aufrechterhalten und gleichzeitig neuen Sauerstoff zum Betrieb der Zelle bei gewünschten Leistungspegeln in einem vereinfachten Batteriegehäuse durch Konvektion bereitstellen.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Erfindung strebt an, einen verbesserten Belüftungsapparat für eine Metall-Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) bzw. -Batterie bereitzustellen, die über die Luftsauerstoffkathode einer Metall-Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) hinweg ein stabileres Wasserdampfgleichgewicht aufrechterhält und gleichzeitig für den Betrieb der Zelle bei gewünschten Leistungspegeln benötigten neuen Sauer stoff bereitstellt, wobei der Apparat keine mechanische Lufttür erfordert und eine Entlüftungshaube für ein Metall- Luftsauerstoff-Batteriegehäuse enthält, die Diffusion darin im wesentlichen eliminiert, wenn der Lüfter des Belüftungssystems abgeschaltet ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Belüftungsapparat für eine Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) bereitgestellt, mit: einem Gehäuse für mindestens eine Metall-Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) in dem Gehäuse, mindestens einem Belüftungsdurchgang, der den Austausch zwischen dem Inneren des Gehäuses und der äußeren Umgebung des Gehäuses bewirkt, und einer Luftbewegungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Belüftungsdurchgang länglich ist; die Luftbewegungsvorrichtung so positioniert ist, daß, während die Luftbewegungsvorrichtung in Betrieb ist, Luft durch den Belüftungsdurchgang fließt, um die Metall-Luftsauerstoff- Zelle (metal-air cell) mit Luft zu versorgen, so daß die Zelle bei einem gewünschten Leistungspegel betreibbar ist; und der Lüftungsdurchgang unverschlossen ist, wenn die Luftbewegungsvorrichtung nicht in Betrieb ist, und dieser so ausgebildet ist, daß er den Luftdurchfluß durch den Belüftungsdurchgang so beschränkt, daß es kaum eine nennenswerte Beeinträchtigung des Leistungsvermögens oder der Lebensdauer der Zelle gibt.
Das Gehäuse weist vorzugsweise mindestens eine Lufteinlaßöffnung und mindestens eine Luftauslaßöffnung auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Lüfter so angeordnet, daß er Luft in die Lufteinlaßöffnung hineindrückt und aus der Luftauslaßöffnung herausdrückt, wenn der Lüfter eingeschaltet ist. Die Öffnungen sind so bemessen, daß eine Länge in Richtung durch die Dicke des Gehäuses größer ist als eine Breite in der Richtung senkrecht zur Dicke des Gehäuses. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen unversperrt und so bemessen, daß die Luftströmung in die Lufteinlaßöffnung hinein und aus der Luftauslaßöffnung heraus bei ausgeschaltetem Lüfter im wesentlichen eliminiert wird. Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere einen Belüftungsapparat für eine Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) mit einer bevorzugten Ausgangsstromdichte bei eingeschaltetem Lüfter von ungefähr 50 bis 200 mA pro 645 mm² (Quadratzoll) Luftsauerstoffkathodenoberfläche (air cathode surface) bereit. Jede Öffnung weist vorzugsweise ein Längen-Breiten-Verhältnis auf, bei dem die Länge mehr als etwa doppelt so groß wie die Breite ist, wobei jede Öffnung eine Länge von ungefähr 7,6 mm bis 38,1 mm (0,3 bis 1,5 Zoll) und eine Breite von ungefähr 0,76 mm bis 7,6 mm (0,03 bis 0,3 Zoll) aufweist. Die Öffnungen sind vorzugsweise in dem Aggregat bemessen, um bei Drücken durch einen Lüfter mit einer Kapazität von ungefähr 1,64 bis 49,2 Litern pro Minute (100 bis 3000 Kubikzoll pro Minute) eine Durchflußrate von ungefähr 0, 328 bis 1, 312 Litern pro Minute (20 bis 80 Kubikzoll pro Minute) zu gestatten.
Bei abgeschaltetem Lüfter sind die Öffnungen so bemessen, daß sie die Rate der Diffusion dort hindurch derart verlangsamen, daß die Abflußstromdichte unter 1 mA pro 645 mm² (Quadratzoll) Luftsauerstoffkathodenoberfläche (air cathode surface) liegt. Das bevorzugte Verhältnis der Ausgangsstromdichte zu der Abflußstromdichte der Batterie beträgt mindestens 100 zu 1. Die Fließrate beträgt bei abgeschaltetem Lüfter vorzugsweise ungefähr 0,164 bis 3,28 cm³ (0,01 bis 0,2 Kubikzoll) pro Minute oder weniger.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Batterie eine Vielzahl von Metall-Luftsauerstoff-Zellen (metal-air cells) in dem Gehäuse, wobei sich mindestens eine erste Zelle auf einer ersten Seite der Lüfterströmungsachse und mindestens eine zweite Zelle auf einer zweiten Seite der Lüfterströmungsachse befindet; wobei sich ein erster Luftweg von der Überdruckseite des Lüfters entlang einer Luftelektrodenseite der ersten Zelle und zu der negativen Seite des Lüfters erstreckt; und wobei sich ein zweiter Luftweg von der Überdruckseite des Lüfters entlang einer Luftelektrodenseite der zweiten Zelle und zu der negativen Seite des Lüfters erstreckt; wobei der Lüfter sowohl den ersten als auch den zweiten Luftweg gleichzeitig mit Luft versorgt.
Vorzugsweise sind zwei längliche Durchgänge an jeder Seite des Lüfters angeschlossen und weisen eine Länge und einen Durchmesser auf, die so gewählt sind, daß bei ab geschaltetem Lüfter eine Diffusion durch sie hindurch im wesentlichen eliminiert ist.
In dieser Patentschrift wird unter dem Ausdruck "mindestens ein" ein oder mehr als ein verstanden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht auf das die vorliegende Erfindung verkörpernde Batteriegehäuse und zeigt die Position der Zellen, des Lüfters und der Luftöffnungen in Kombination mit der Richtung der Luftströmung bezüglich des Gehäuses.
Fig. 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische bildliche Ansicht einer Belüftungsöffnung.
Fig. 4 ist eine bildliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Batterie, in die die vorliegende Erfindung integriert ist, wobei Teile weggebrochen sind, um Einzelheiten im Innern zu zeigen.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Batterie von Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf das Innere der Batterie von Fig. 4 entlang der Linie 6-6 von Fig. 7.
Fig. 7 ist eine Stirnansicht des Inneren der Batterie von Fig. 4 entlang der Linie 7-7 von Fig. 6.
Fig. 8 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Abdeckungsteils des Gehäuses der Batterie von Fig. 4 entlang der Linie 8-8 von Fig. 6.

Ausführliche Beschreibung

Nunmehr unter ausführlicher Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen sich auf gleiche Teile beziehen, zeigen Fig. 1 und 2 einen die vorliegende Erfindung verkörpernden Metall- Luftsauerstoff-Batteriepack (metal-air battery pack) 10. Die Metall-Luftsauerstoff-Batterie (metal-air battery) 10 enthält eine Vielzahl von in einem Gehäuse 20 eingeschlossenen Zellen 15. Obwohl die Verwendung der Erfindung mit einer Zink- Luftsauerstoff-Batterie (zinc-air battery) offenbart wird, versteht es sich, daß sich die vorliegende Erfindung auf andere Arten von Metall-Luftsauerstoff-Batteriezellen (metalair battery cells) anwenden läßt.
Durch das Gehäuse 20 werden die Zellen 15 von der Außenluft getrennt, mit Ausnahme einer Vielzahl von Belüftungsöffnungen 25. Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform werden eine einzelne Lufteinlaßöffnung 30 und ein einzelner Luftauslaß 35 verwendet. Wie unten beschrieben, ist die Anzahl der Öffnungen 25 nicht so wichtig wie die gemeinsame Größe der Öffnungen 25 in Verbindung mit der Form jeder Öffnung 25. Bei dem Gehäuse 20 kann es sich um jede Art herkömmlicher Struktur handeln, die im wesentlichen luftdicht ist.
Ein zirkulierender Lüfter 40 ist für Konvektionsluftströmung sowohl in das Gehäuse 20 hinein als auch aus diesem heraus und zum Zirkulieren und Vermischen der Gase innerhalb des Gehäuses 20 vorgesehen. Die in Fig. 1 gezeigten Pfeile 45 stellen eine typische Zirkulation der Gase in das Gehäuse 20 hinein, aus diesem heraus und in diesem dar, um Reaktionsluft zu den Zellen 15 zu liefern. Die Kapazität des Lüfters 40 hängt von der Größe des Gehäuses 20 und den Leistungsanforderungen der Batterie 10 ab. Unter dem Ausdruck "Lüfter 40", wie er hier verwendet wird, soll eine beliebige Einrichtung verstanden werden, mit der Luft bewegt wird.
Der Lüfter 40 kann innerhalb des Gehäuses 20 oder neben dem Gehäuse 20 in Verbindung mit einer der Öffnungen 25 positioniert sein. Wenn der Lüfter 40 innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet ist, sind die Belüftungsöffnungen 25 so positioniert, daß die Einlaßöffnung 30 und die Auslaßöffnung 35 auf entgegengesetzten Seiten des Lüfters 40 positioniert sind. Die einzige Anforderung für das Positionieren des Lüfters 40 und der Öffnungen 25 innerhalb des Gehäuses 20 lautet, daß sie ausreichend nahe beieinander liegen müssen, um eine Konvektionsluftströmung in das Gehäuse 20, durch es und aus ihm heraus zu schaffen. Der Lüfter 40 kann auf jede zweckmäßige Art und Weise innerhalb des Gehäuses 20 oder neben ihm angebracht sein. Der Lüfter 40 ist im allgemeinen durch einen Dichtungsring 41 oder ein anderes herkömmliches Mittel an seinem Platz hermetisch angebracht, um sicher zustellen, daß die Tiefdruck- und Hochdruckseite des Lüfters 40 voneinander getrennt sind.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Vielzahl von Zellen 15 innerhalb des Gehäuses 20 derart angeordnet, daß unter den Zellen 15 ein Reaktionsluftplenum 50 positioniert ist. Das Luftplenum 50 definiert im allgemeinen einen Luftplenumeinlaß 55, einen Luftweg 60 und einen Luftplenumauslaß 65. Der Lüfter 40 ist im allgemeinen zwischen dem Luftplenumeinlaß 55 und dem Luftplenumauslaß 65 positioniert und trennt die beiden, um eine effiziente Luftströmung durch das Gehäuse 20 zu erreichen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Belüftungsöffnungen 25 derart bemessen, daß ihre Länge 26, d. h. die Richtung durch die Dicke des Gehäuses 20, größer ist als ihre Breite 27, d. h. die Richtung senkrecht zu der Dicke des Gehäuses 20. Es hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung eines ausreichend großen Verhältnisses zwischen der Länge 26 und der Breite 27 für die Belüftungsöffnungen 25 Diffusion von Luft durch die Öffnungen 25 ohne die Unterstützung des Lüfters 40 im wesentlichen eliminiert wird. Unter "im wesentlichen eliminiert" wird verstanden, daß die Diffusionsrate von Sauerstoff oder Verunreinigungen durch die Öffnungen 25 so langsam ist, daß die Feuchtigkeitsübertragung bzw. der Abflußstrom ausreichend niedrig ist und kaum eine nennenswerte Auswirkung auf das Leistungsvermögen oder die Lebensdauer der Batterie 10 hat. Die Öffnungen 25 sind ausreichend lang und schmal, um bei abgeschaltetem Lüfter 40 eine Barriere für die Diffusion von Gasen durch sie hindurch zu liefern.
Dieses erforderliche Verhältnis zwischen der Länge 26 und der Breite 27 beträgt mindestens etwa zwei zu eins. Diese Verhältnisse reichen aus, um bei abgeschaltetem Lüfter 40 eine nennenswerte Diffusion durch die Öffnungen 25 zu verhindern und gleichzeitig bei eingeschaltetem Lüfter 40 eine Konvektionsluftströmung durch sie hindurch zu gestatten. Die Verwendung von größeren Verhältnissen zwischen der Länge 26 und der Breite 27 ist bevorzugt. Je nach dem Charakter der Batterie 10 kann das Verhältnis über 200 zu 1 liegen.
Die bevorzugte gesamte offene Fläche der Öffnungen 25 hängt von der gewünschten Kapazität der Batterie 10 ab. Jede beliebige Anzahl von Öffnungen 25 kann verwendet werden, so daß die gemeinsame offene Fläche aller Öffnungen 25 gleich dieser bevorzugten gesamten offenen Fläche ist, wobei jede derartige Öffnung 25 die gleichen oder ähnliche Verhältnisse aus Länge 26 zur Breite 27 aufweist, um die Barrierefunktionen zu liefern. Obwohl die Verwendung von kreisförmigen Öffnungen 25 offenbart ist, kann jede beliebige herkömmliche Form mit den erforderlichen Verhältnissen eingesetzt werden. Weiterhin können die Öffnungen 25 eine gerade oder gekrümmte Länge aufweisen.
Bei Gebrauch wird Umgebungsluft bei eingeschaltetem Lüfter 40 durch den Zug des Lüfters 40 in den Lufteinlaß 30 gezogen. Wie durch die Pfeile 45 in Fig. 1 gezeigt, wird die Luft dann durch den Lüfter 40 und in das Luftplenum 50 gezogen. Die Luft tritt in das Luftplenum 50 durch den Luftplenumeinlaß 55 ein, bewegt sich durch den Weg 60, um für die Zellen 15 eine Reaktionsluftströmung zu liefern, und tritt über den Luftplenumauslaß 65 aus. Die Luft wird dann wieder in den Lüfter 40 gezogen, wo sie sich entweder mit frischer eintretender Umgebungsluft vermischt oder über den Luftauslaß 35 aus dem Gehäuse 20 gedrückt wird. Bei abgeschaltetem Lüfter 40 ist die Diffusionsrate von Luft durch die Öffnungen 25 auf annehmbare Pegel reduziert, so daß keine mechanische Lufttür erforderlich ist.
Als Beispiel wird bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Batteriepacks 10, der zum Betreiben eines nicht gezeigten tragbaren Rechners ausgelegt ist, eine 8 Volt-Batterie 10 mit 8 Batteriezellen 15 verwendet (ein nicht gezeigter Hochwandler kann ebenfalls verwendet werden). Jede Zelle 15 weist bei ungefähr 1 bis 4 Ampere eine Ausgabe von ungefähr 1 Volt auf. Jede Zelle 15 weist eine nicht gezeigte freiliegende Kathodenfläche von ungefähr 11612-14194 mm² (18 bis 22 Quadratzoll) für eine insgesamt freiliegende Kathodenfläche von ungefähr 92880-113520 mm² (144 bis 176 Quadratzoll) auf. Die Batterie 10 hat deshalb bei eingeschaltetem Lüfter eine Stromdichte von ungefähr 50 bis 200 mA pro 645 mm² (Quadratzoll) Kathodenoberfläche. Der Lüfter 40 weist eine Kapazität von ungefähr 1,64 bis 49,2 Litern pro Minute (100 bis 3000 Kubikzoll pro Minute) auf.
Um durch das Gehäuse 20 bei eingeschaltetem Lüfter eine Gasströmung von ungefähr 0,328 bis 1,312 Litern pro Minute (20 bis 80 Kubikzoll pro Minute) zu ziehen, sind die Öffnungen 25 mit einer Länge 26 von ungefähr 7,6 mm bis 38,1 mm (0,3 bis 1,5 Zoll), wobei ungefähr 25,4 mm (1,0 Zoll) bevorzugt sind, und einer Breite 27 von ungefähr 0,76 mm bis 7,6 mm (0,03 bis 0,3 Zoll), wobei ungefähr 2,29 mm (0,09 Zoll) bevorzugt sind, bemessen. Die gesamte offene Fläche jeder Öffnung 25 beläuft sich deshalb auf ungefähr 0,45 bis 322,5 mm² (0,0007 bis 0,5 Quadratzoll), bei einem bevorzugten Verhältnis aus Länge 26 zu Breite 27 von ungefähr 10 zu 1.
Wenn der Lüfter 40 abgeschaltet wird, wird die Gasströmungsrate bei einem Leckstrom von unter 1 mA auf ungefähr 0,164 bis 3,28 cm³ (0,01 bis 0,2 Kubikzoll) pro Minute oder darunter reduziert. Es wird erwartet, daß in einer effizienten Batterie 10 das Verhältnis aus Ausgangsstromdichte bei eingeschaltetem Lüfter 40 zu der Abflußstromdichte bei ausgeschaltetem Lüfter 40 mindestens 100 zu 1 beträgt.
Es vesteht sich, daß die jeweiligen Größen, Kapazitäten, Dichten, Strömungsraten und andere oben erörterten Parameter von der Gesamtgröße und den Leistungsanforderungen der Batterie 10 abhängen. Als Beispiel könnte die Ausgangsstromdichte bei einer herkömmlichen Batterie 10 leicht im Bereich von 10 bis 500 mA pro 645 mm² (Quadratzoll) Luftsauerstoffkathodenoberflächeninhalt liegen. Es versteht sich auch, daß durch die Batterie 10 neben Rechnerausrüstung auch andere Arten elektrischer Einrichtungen angetrieben werden können.
Die Öffnungen 25 sind auch vorzugsweise so bemessen, daß sie bei Wiederaufladung Sauerstoff bevorzugt aus dem Gehäuse 20 diffundieren. Bei Wiederaufladung wird an der nicht gezeigten Kathode Sauerstoff erzeugt. Die Öffnungen 25 sind gemeinsam so bemessen, daß sie Sauerstoff aus dem Gehäuse 20 hinausdrücken, wenn der Partialdruck des Sauerstoffs im Gehäuse 20 auf einem Pegel über dem Partialdruck des Sauerstoffs außerhalb des Gehäuses 25 liegt.
Eine zweite Ausführungsform einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Batterie 70 ist in Fig. 4-8 gezeigt. Die Batterie 70 enthält ein Gehäuse 72 in zwei Teilen, die an einer zentralen Fügungsstelle hermetisch miteinander verbunden sind: einen Abdeckungsteil 73 und einen Bodenteil 74. Innerhalb des Gehäuses 72 sind vier Zellen 76-79 in zwei Stapeln aus jeweils zwei Zellen positioniert. Die Zellen 76 und 77 bilden bei Betrachtung in Fig. 7 einen linken Stapel und die Zellen 78 und 79 bilden einen von dem linken Stapel beabstandeten rechten Stapel. Ein Lüfter 80 ist in dem länglichen Raum zwischen dem linken und rechten Stapel positioniert. Der Lüfter ist so orientiert, daß er, wie durch die Pfeile in Fig. 6 gezeigt, Luft entlang dem Raum zwischen den Stapeln von einer Unterdruckseite 81 des Lüfters 80 zu einer Überdruckseite 82 lenkt. Die Richtung der Luftströmung durch den Lüfter wird hier als die Strömungsachse des Lüfters 80 bezeichnet. Somit ist der linke Stapel, Zellen 76 und 77, auf der linken Seite der Strömungsachse angeordnet, und der rechte Stapel, Zellen 78 und 79, ist auf der gegenüberliegenden Seite der Strömungsachse angeordnet. Der Lüfter 80 ist vorzugsweise ungefähr auf halbem Weg entlang der Länge der Zellen angeordnet, und die Räume zwischen dem Lüfter und der Abdeckung 73 und dem Boden 74 des Gehäuses 72 sind mit Dichtungsringen 83 gefüllt.
Wie am besten in Fig. 5 und 8 gezeigt, definiert der Abdeckungsteil 73 des Gehäuses 72 eine zentrale Nut 85, die in der Mitte der Abdeckung 73 tief ist und bei Annäherung der Nut an die entgegengesetzten Kanten der Abdeckung flacher wird. Die Nut 85 verläuft parallel zu der Strömungsachse des Lüfters 80. Wie in Fig. 8 gezeigt, ragt ein periphärer Teil des Lüfters 80 in der Mitte der Nut in die Nut vor. In der Nut liegt ein Paar länglicher Diffusionsröhren 87 und 88, eine auf jeder Seite des Lüfters, so daß ein Ende jeder Röhre an eine Position neben dem Lüfter angeschlossen ist, wobei die Röhren auf gegenüberliegenden Seiten des Lüfters aufeinander ausgerichtet sind. Die Röhren erstrecken sich nach oben entlang der Nut in entgegengesetzte Richtungen von dem Lüfter weg und enden mit ihren anderen Enden in der Nähe der Hauptoberfläche der Abdeckung 73.
Somit liegen die inneren Enden der Röhren 87, 88 neben dem Lüfter im Weg der Lüfterblätter und liegen einander durch einen Außensektor eines aktiven Bereichs des Lüfters gegenüber. Die Querschnittsfläche und die Länge der Röhren 87, 88 sind so gewählt, daß Luftströmung in das Gehäuse bei ausgeschaltetem Lüfter im wesentlichen eliminiert wird, ähnlich wie bei den Belüftungsöffnungen 25 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Bei der in Fig. 4-8 gezeigten Ausführungsform weisen die Röhren jeweils vorzugsweise einen Innendurchmesser von ungefähr 3/16 Zoll (3 bis 6 mm) und eine Länge von ungefähr 7/8 Zoll (18 bis 25 mm) auf. Es können jedoch alle in die oben für die Belüftungsöffnungen 25 beschriebenen Bereiche und Charakteristiken verwendet werden. Der Fachmann erkennt, daß die Länge der durch die Röhren 87, 88 gebildeten Durchgänge erhöht und/oder der Durchmesser gesenkt werden kann, wenn der statische Druck des Lüfters erhöht wird. Zwischen dem statischen Druck des Lüfters und den Abmessungen der Durchgänge kann ein Gleichgewicht gefunden werden, bei dem Luftströmung in das Gehäuse bei abgeschaltetem Lüfter ausreichend reduziert ist.
Es versteht sich außerdem, daß die durch die Röhren 87, 88 gebildeten Durchgänge stattdessen durch in die Abdeckung 73 geformte Öffnungen oder durch Umschließen der Nut 85 gebildet werden können.
Bei den Zellen 76-79 kann es sich um Doppel- Luftelektroden-Zellen des Typs handeln, die Luftsauerstoffkathoden (air cathodes) neben beiden Oberflächen der Zelle und Zinkanoden zwischen den Kathoden aufweisen. Jede Zelle enthält eine Kathodenanschlußfahne 95 und eine Anodenanschlußfahne 96 und eine in der Seite der Zelle ausgebildete Wasserstoffableitung 97. Die Zellen 76-79 sind voneinander in ihren Stapeln und auch von der Abdeckung 73 und dem Boden 74 des Gehäuses durch eine Vielzahl U-förmiger periphärer Dichtungsringe 90, die sich um die Peripherie des Gehäuses erstrecken, mit Ausnahme des zentralen Raums zwischen den Zellenstapeln, und durch zentrale Dichtungsringe 92 und 93 beabstandet. Die linken zentralen Dichtungsringe 92 erstrecken sich von dem Lüfter über die Zelle 76, unter der Zelle 77 und zwischen den Zellen 76 und 77. Die rechten zentralen Dichtungsringe 93 erstrecken sich von dem Lüfter über die Zelle 78, unter der Zelle 79 und zwischen den Zellen 78 und 79. Die Dichtungsringe 92 und 93 erstrecken sich ab dem Lüfter über eine Länge von ungefähr drei Fünfteln der Breite der Zellen. Die Dichtungsringe 90, 92 und 93 stellen sicher, daß Raum zur Luftströmung neben allen Luftsauerstoffkathoden (air cathodes) der Zellen bereitgestellt ist, und lenken auch die Luftströmung in diesen Räumen.
Bei Betrieb zirkuliert der Lüfter Luft gleichzeitig entlang zwei getrennten Luftströmungswegen, wie in Fig. 4 und 6 durch die beiden Kreise aus Pfeilen gezeigt ist. Die auf der positiven Seite des Lüfters unter Druck gesetzte Luft strömt von dem zentralen Raum sowohl nach links als auch rechts in die Räume zwischen den Zellen jedes Stapels und zwischen die Zellen und das Gehäuse. Die zentralen Dichtungsringe 92, 93 führen die Luft zu der Außenkante der Luftsauerstoffkathoden (air cathodes), und die periphären Dichtungsringe 90 beschränken die Luft auf den Bereich der Luftsauerstoffkathoden (air cathodes). Nach dem Passieren der zentralen Dichtungsringe strömt die Luft zur Rezirkulierung zurück um die negative Seite des Lüfters. Neue Luft bzw. Frischluft wird durch die Röhre 87 auf der negativen Seite des Lüfters eingelassen, während eine ähnliche Menge an Luft durch die Röhre 88 auf der positiven Seite des Lüfters ausgestoßen wird. Die Lüfterblätter vermischen die ankommende Luft mit Luft innerhalb des Gehäuses und drücken den größten Teil der ankommenden Luft in die rezirkulierenden Luftströmungswege. Obwohl sich der Lüfter vorzugsweise auf halbem Wege entlang der Länge der Zellen befindet, kann er an jedem beliebigen Punkt entlang dem Raum zwischen den Stapeln positioniert sein, von dem aus die getrennten Luftströmungswege gleichzeitig aufrechterhalten werden können. Bei eingeschaltetem Lüfter kommt es zu einer Luftströmung in den Röhren 87, 88; doch wenn der Lüfter ausgeschaltet ist, ist die Strömung in den Röhren so klein, daß sie zu keiner wesentlichen Entladung der Zellen führt. Als Ergebnis der getrennten Luftströmungswege erhalten alle Zellen von beiden Stapeln von Zellen schnell Luft, und die erhaltene Luft weist eine gleichmäßigere Sauerstoffkonzentration auf, da die Luftwege kürzer sind als in früheren Konfigurationen, bei denen die gleiche Anzahl von Zellen verwendet wurde. Mit anderen Worten, wenn die Luftströmung vor der Rückkehr zu dem Lüfter den Bereich der letzten Luftelektrode erreicht hat, hat die Luft einen kleineren kumulativen Luftelektrodenbereich durchquert und ist deshalb hinsichtlich Sauerstoff nicht so verarmt, wie das bei Systemen nach dem Stand der Technik der Fall war.
Die Zellen sind auf eine dem Fachmann bekannte Weise in Reihe verdrahtet. Der Lüfter ist so angeschlossen, daß er durch die Zellen betrieben wird. Ein Kabel 99 erstreckt sich von dem Gehäuse, um die Zellen und den Lüfter mit einer nicht gezeigten Wiederaufladungsschaltung und einem nicht gezeigten Hochwandler zu verbinden. Der Hochwandler erhöht die Spannungsabgabe der Batterie, beispielsweise etwa vier Volt, auf den zum Betreiben des Lüfters benötigten Pegel von beispielsweise ungefähr 10 Volt.
Obwohl die Ausführungsform von Fig. 4-8 in Verbindung mit Doppel-Luftelektroden-Zellen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung bei Batterien aller Arten von Metall-Luftsauerstoff-Zellen (metalair cells) vorteilhaft ist. Des weiteren kann die Anzahl der Zellen auf jeder Seite der Strömungsachse des Lüfters eins betragen, oder es können soviele sein, wie sie durch den Lüfter adequat unterhalten werden können. Derartige Zellen können, wie gezeigt, gestapelt sein oder in irgendeiner anderen Konfiguration orientiert sein.
Es versteht sich, daß sich das Obengesagte nur auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht und daß daran zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

1. Ein Belüftungsapparat für eine Metall-Luftsauerstoff- Batterie (metal-air battery) (10), mit:

- einem Gehäuse (20) für mindestens eine Metall- Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) (15) in dem Gehäuse, mindestens einem Belüftungsdurchgang (25), der den Austausch zwischen dem Inneren des Gehäuses und der äußeren Umgebung des Gehäuses bewirkt und eine Luftbewegungsvorrichtung (40) dadurch gekennzeichnet, daß

- der Belüftungsdurchgang länglich ist;

- die Luftbewegungsvorrichtung (40) so positioniert ist, daß, während die Luftbewegungsvorrichtung (40) in Betrieb ist, Luft durch den Belüftungsdurchgang (25) fließt, um die Metall-Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) (15) mit Luft zu versorgen, so daß die Zelle (15) bei einem gewünschten Leistungspegel betreibbar ist; und

- der Belüftungsdurchgang (25) unverschlossen ist, wenn die Luftbewegungsvorrichtung (40) nicht in Betrieb ist und dieser so ausgebildet ist, daß er den Luftdurchfluß durch den Belüftungsdurchgang so beschränkt, daß es kaum eine nennenswerte Beeinträchtigung des Leistungsvermögens oder der Lebensdauer der Zelle (15) gibt.

2. Apparat nach Anspruch 1, wobei das Größenverhältnis von Länge zu Breite des Durchgangs größer ist als 2 : 1.

3. Apparat nach Anspruch 2, wobei das Größenverhältnis größer ist als 10 : 1.

4. Apparat nach Anspruch 3, wobei das Größenverhältnis größer ist als 200 : 1.

5. Apparat nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der Durchgang zylindrisch ist.

6. Apparat nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Durchflußmenge durch den Durchgang, beim Betrieb der Luftbewegungsvorrichtung zur Durchflußmenge bei Nichtbetrieb derselben mindestens 100 : 1 ist.

7. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchgang unversperrt ist.

8. Apparat nach Anspruch 1, wobei der Durchgang zylindrisch ist.

9. Apparat nach Anspruch 8, wobei die Länge des Durchgangs ungefähr 7,6 mm und der Durchmesser des Durchgangs ungefähr 0,76 mm beträgt.

10. Apparat nach Anspruch 8, wobei die Länge des Durchgangs ungefähr 18 bis 25 mm und der Durchmesser des Durchgangs ungefähr 3-6 mm beträgt.

11. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftbewegungsvorrichtung ein Lüfter ist, der innerhalb des Gehäuses positioniert ist.

12. Apparat nach Anspruch 1 mit mindestens einem Einlaßdurchgang, mindestens einem Auslaßdurchgang und einer dazwischenliegenden Luftbewegungsvorrichtung.

13. Apparat nach Anspruch 12, wobei die Durchgänge so dimensioniert sind, daß die Durchflußrate 3,28 cm³ pro Minute oder weniger beträgt, wenn die Luftbewegungsvorrichtung nicht in Betrieb ist.

14. Apparat nach Anspruch 13, wobei die Durchgänge so dimensioniert sind, daß die Durchflußrate 0,328 bis 1, 312 Liter pro Minute beträgt, wenn die Luftbewegungsvorrichtung in Betrieb ist.

15. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner eine Metall-Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell) (15) in dem Gehäuse (20) umfaßt.

16. Apparat nach Anspruch 15 mit einer Luftsauerstoffkathode (air cathode), wobei die Abflußstromdichte kleiner ist als 1 mA pro 645 mm² Luftsauerstoffkathodenoberfläche (air cathode surface), wenn die Luftbewegungsvorrichtung nicht in Betrieb ist.

17. Apparat nach Anspruch 15 oder 16 mit einer Luftsauerstoffkathode (air cathode), wobei die Ausgangsstromdichte mindestens 10 mA pro 645 mm² Luftsauerstoffkathodenoberfläche (air cathode surface) beträgt, wenn die Luftbewegungsvorrichtung in Betrieb ist.

18. Apparat nach Anspruch 17, wobei die Ausgangsstromdichte mindestens 50 mA pro 645 mm² beträgt, wenn Luftbewegungsvorrichtung in Betrieb ist.

19. Apparat nach Anspruch 15 mit einer Luftsauerstoffkathode (air cathode), wobei das Verhältnis der Ausgangsstromdichte der Kathode bei Betrieb der Luftbewegungsvorrichtung zur Abflußstromdichte bei Nichtbetrieb der Luftbewegungsvorrichtung mindestens 50 : 1 beträgt.

20. Apparat nach Anspruch 19, wobei das Verhältnis mindestens 100 : 1 beträgt.

21. Apparat nach Anspruch 12, wobei die Luftbewegungsvorrichtung ein Lüfter ist, der eine Strömungsachse definiert und der Apparat weiterhin eine Vielzahl von Metall- Luftsauerstoff-Zellen (metal-air cells) in dem Gehäuse umfaßt, wobei sich eine erste Zelle auf einer ersten Seite der Strömungsachse und eine zweite Zelle auf einer zweiten Seite der Strömungsachse befindet und sich die jeweiligen ersten und zweiten Luftwege von der Hochdruck seite des Lüfters über erste und zweite Zellen bis zu der Tiefdruckseite des Lüfters erstrecken und die Luftwege gleichzeitig von dem Lüfter versorgt werden.

22. Apparat nach Anspruch 21, wobei die Luftwege zwischen den jeweiligen Luftelektroden der Zellen und einer Wand des Gehäuses definiert sind.

23. Apparat nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, welcher weiterhin eine Stapel erster in einer ersten Richtung so voneinander entfernt angeordneter Zellen umfaßt, daß dadurch der erste Luftweg definiert wird und eine Stapel zweiter in der ersten Richtung so voneinander entfernt angeordneter Zellen umfaßt, daß dadurch der zweite Luftweg definiert wird, wobei die Stapel in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist, so getrennt sind, daß ein Raum definiert wird, in dem der Lüfter positioniert ist.

24. Eine Verfahren zum Belüften eines Gehäuses für eine Metall-Luftsauerstoff-Zelle (metal-air cell), die die folgenden Schritte umfaßt:

- Bewegen von Luft in das Gehäuse mit einer Luftbewegungsvorrichtung durch mindestens einen länglichen und unverschlossenen Belüftungsdurchgang, der das Innere des Gehäuses mit der äußeren Umgebung des Gehäuses verbindet, um die Zelle mit einem gewünschten Leistungspegel zu betreiben; und

- Stoppen der Luftbewegung, während der Durchgang unverschlossen gelassen wird, wobei der Durchgang so ausgebildet ist, daß der Luftdurchfluß durch ihn so beschränkt wird, daß es kaum eine nennenswerte Beeinträchtigung des Leistungsvermögens oder der Lebensdauer der Zelle gibt.