EP0855091A1 - Aussenluftunabhängiger speicher für elektrische energie - Google Patents

Aussenluftunabhängiger speicher für elektrische energie

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EP0855091A1
EP0855091A1 EP96934533A EP96934533A EP0855091A1 EP 0855091 A1 EP0855091 A1 EP 0855091A1 EP 96934533 A EP96934533 A EP 96934533A EP 96934533 A EP96934533 A EP 96934533A EP 0855091 A1 EP0855091 A1 EP 0855091A1
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EP
European Patent Office
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oxygen
battery cells
electrolyte
memory according
battery
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96934533A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen FÜHR
Klaus-Peter Grabisch
Peter Horn
Eitel Kunz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
STN Atlas Elektronik GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an external air-independent storage for electrical energy consisting of a container which contains a battery with battery cells, a control device and the electrolytes and gases required for operating the battery, which flow into the individual battery cells via feed lines, in separate containers .
  • Such stores are suitable for use in an underwater vehicle, in particular for use in a torpedo.
  • the external air-independent memory is intended to provide the electrical energy required for the electrical drive of the underwater vehicle in the underwater vehicle itself. It should be as compatible as possible with battery systems used to date, but should have a higher energy content in order to meet the increased requirements regarding the duration and speed of use of such drives.
  • Hydrogen / oxygen batteries which are operated with sea water and oxygen supplied from oxygen tanks, have been used in particular for driving a submarine.
  • these hydrogen / oxygen batteries are technically too complex and therefore not suitable.
  • these hydrogen / oxygen batteries are designed for a long operating time with constant power, while an external energy-independent energy storage device with a short operating time but high energy output is required for torpedo use, in order to achieve the required torpedo speeds when using an electric drive to be able to.
  • Known torpedo batteries use a silver / zinc electrode system and an electrolyte consisting of potassium hydroxide solution.
  • Such energy storage devices for torpedoes are known in 2 versions, an activatable single-use battery and a rechargeable battery that can be used multiple times, both versions differing in terms of their cell structure and cell size, which results in different behavior when using both batteries.
  • the electrolyte is located in a separate container.
  • the battery When the battery is activated, it is pressed from this container into the actual battery cells with the aid of a pyrotechnic gas generator, so that the galvanic elements contained in these battery cells provide the required voltage after wetting.
  • the electrolyte is permanently located between the individual electrodes of the individual battery cells, as a result of which the storage life of the battery is limited by the self-discharge.
  • the battery is charged by applying an external current and then supplies the energy required to operate the torpedo.
  • Zinc / air cells are known from the literature (eg Jaksch, battery lexicon ISBN 3 - 7905-0650-8), which have one of the highest energy densities of approx. 900 Wh / cm 3 in stationary large cells. These battery cells contain one Zinc electrode and a grid-shaped electrode through which air is blown. Both electrodes are in a housing of the battery cell filled with an electrolyte.
  • the activation of the battery and thus the discharge begins with the opening of the air inlet channel or channels on the battery cell housing and the blowing in of air.
  • the energy is generated by the catalytic oxidation of zinc by the oxygen in the atmosphere. Because of the inexpensive materials used in the cell, the cost per amp hour of this battery is low.
  • the oxygen required for the reaction is removed from the air, excess gas is discharged to the outside.
  • the zinc of the zinc electrode reacts with the hydroxyl ions and forms zinc oxide and water with the release of 2 electrons.
  • the anode is charged negatively and forms the negative pole of the cell:
  • a mechanically rechargeable battery which is composed of individual battery cells, each individual battery cell consisting of three chambers and containing a galvanic element.
  • the first and third chambers are separated from the second chamber by gas permeable membranes.
  • the first and third chambers are filled with air.
  • a metal electrode which, in one embodiment of the invention, is filled with zinc paste.
  • the metal electrode is removed on both sides when the galvanic element is loaded, both gas-permeable membranes are electrically connected in parallel, so that the current yield is doubled compared to a galvanic element with only one gas-permeable membrane.
  • This design of the battery met the requirements of an automobile with regard to high current density and high peak power, as is required when accelerating and when driving on the mountain. It was less a matter of a high voltage output from the battery than a high current yield.
  • This energy store is mechanically rechargeable in a simple manner by removing used metal electrodes from above from the battery cells and replacing them with new, “charged” metal electrodes. The electrolyte remains inside the battery cell and is not replaced.
  • the oxygen required to operate the galvanic element is taken from the ambient air which is blown through the first and third chambers. Due to the high nitrogen content in the air, the efficiency of the battery cell is limited.
  • This energy storage device can therefore not be used in an underwater vehicle due to the use of atmospheric oxygen, which is not sufficiently available in a closed system.
  • Alupower Inc. Warren, NJ, 07059 USA has an energy store with so-called aluminum / oxygen battery cells for use in proposed a torpedo consisting of several battery cells with aluminum electrodes, which are filled with an electrolyte, and an oxygen inlet.
  • This energy store does not contain the energy content of a zinc / air system and that during its operation the oxygen in the electrolyte must be removed again with the aid of a gas separator and released to the outside of the battery. The oxygen released must then be replaced by oxygen which is located in the oxygen storage vessel.
  • the release of oxygen to the outside can undesirably make the presence of a torpedo visible in the form of a bubble trace.
  • Another disadvantage is the operational passivation of the aluminum electrode and that an electrolyte circuit for heat dissipation is present in order to protect the battery from overheating.
  • Object of the invention is therefore to provide an external air-independent storage for electrical energy, with which a much higher energy content can be accommodated in the existing space of a torpedo than with the previously known energy storage devices, so that to achieve the torpedo speed and the operating time energy required for the torpedo can be provided.
  • This energy storage for electrical energy which is independent of outside air, consists of a gas-tight sealed housing, into which several oxygen electrodes and zinc electrodes are installed in chambers that can be filled with electrolyte, and via an oxygen tank connected to a valve, which contains the oxygen required for energy generation, and a control or Control device with which the oxygen can be supplied in a targeted manner.
  • the metal electrodes located in the individual battery cells advantageously consist exclusively of zinc in order to achieve the lowest possible power weight.
  • the first and the second oxygen electrodes divide the battery cell into 3 chambers, of which the first and the third are filled with an electrolyte, and the second chamber is connected to an oxygen container via a valve.
  • the third chamber Analogously to the first chamber, the third chamber has a second zinc metal electrode spaced from the second oxygen electrode.
  • the two galvanic individual elements of the battery cell can be connected in series, so that compared to the cell specified in European patent application EP 0 555 581 A1, which contains oxygen in the first and third chambers and the electrolyte and the metal electrode in the middle, second chamber, the present invention has a double output voltage in a comparable space. This is particularly advantageous when using the external air-independent storage as the drive battery of a torpedo .
  • This construction of the battery makes better use of the space available than known arrangements. This is because the first and the second oxygen electrodes share the second chamber in between, into which oxygen flows during operation. In addition, this gives the possibility of electrically connecting the galvanic elements consisting of the first and third chambers in series in order to double the voltage.
  • the suitable selection of the consumable electrodes used in the energy store according to the invention likewise substantially reduces the cost required for the production and operation of this energy store which is independent of outside air, as a result of which the costs of practicing the torpedo are reduced.
  • a motor-operated and remote-controlled oxygen reduction valve is advantageously provided between the oxygen tank and the second chamber, in order to be able to control the oxygen supply depending on the desired output of the energy store. This allows the power output to the drive speed of the Customize torpedoes.
  • the first and third chambers of the battery cell are also connected to an electrolyte container via a motor-operated and remotely controllable electrolyte reduction valve.
  • the electrolyte reduction valve is opened and the electrolyte is thereby passed into the first and possibly also the third chamber.
  • the electrolyte is preferably passed from below into the first and possibly also into the third chamber.
  • the inflow of the electrolyte from below is particularly advantageous in order to achieve a homogeneous electrolyte distribution without gas inclusions within the first and the third chamber.
  • a heat-dissipating plate is preferably arranged on the back of each metal electrode, which in turn is in contact with a cooling water circuit.
  • the cooling water circuit can contain, for example, a heat exchanger that emits heat to the sea water.
  • the first, second and possibly also third chamber is advantageously filled with an inert gas which is displaced when oxygen or electrolyte is introduced when the battery is started before the battery cell is started up.
  • the advantages of the invention consist primarily in the considerably higher power density compared to an aluminum-oxygen battery, so that the battery according to the invention is considerably lighter compared to an aluminum-oxygen battery of the same capacity.
  • the oxygen in the battery is completely consumed, so that unused oxygen does not have to be discharged to the outside.
  • Fig. 1 a first embodiment of the outside air independent
  • Fig. 6 an embodiment for the arrangement of additional
  • Fig. 7 an outside air independent energy storage with the in
  • FIG. 1 shows an energy storage device which is independent of outside air and has a container 0 which contains an oxygen part with controller 1, a battery 2 and an alkali part 3.
  • the individual battery cells 13 which each contain one or more oxygen electrodes 14 and metal electrodes 15.
  • the individual battery cells 13 are each connected to the container 0 by a cooling device 16.
  • the cooling device dissipates the heat generated during operation of the battery cell to the container 0.
  • the two further cooling devices assigned to the outer battery cells are not shown in the drawing.
  • the oxygen required to operate the battery cells is supplied from the oxygen container 5 in the oxygen part, which can be a rechargeable container or an exchangeable disposable container, to the individual battery cells via the oxygen supply 7 when the battery is activated.
  • the activation of the battery is controlled by the control device 4 via the shut-off valve 6.
  • the electrolyte required to operate the battery cells preferably potassium hydroxide solution KOH, is located in the tub 8 of the tub part.
  • the electrolyte is also controlled by the control device 4 via the shut-off valve 12, from the tub 8 via the tub feed 10 to the individual battery cells 13.
  • the pressure required to supply the electrolyte is obtained from a gas in a compressed gas container 9, e.g. Air or nitrogen, provided via the shut-off valve 11, which is also controlled by the control device 4.
  • a gas in a compressed gas container 9 e.g. Air or nitrogen
  • the shut-off valve 11 which is also controlled by the control device 4.
  • the battery 2 is or the individual chambers of the battery cells are filled with an inert gas which is displaced into a gas discharge 23 when oxygen or electrolyte is introduced when the battery is started up.
  • the individual battery cells 1 3 are connected to the electrical connection 18 of the battery via one or more bus bars 17.
  • the internal connection of the individual electrodes of the battery cells with the busbar is only shown in principle. External control lines are not shown, with which the activation of the energy store can be initiated via the control device 4.
  • a safety valve 19 is present in the container 0, which opens when the pressure inside the container rises unexpectedly and balances the pressure with the external pressure.
  • This safety valve can also be operated manually from the outside, e.g. to to produce a pressure equalization before rescuing an exercise torpedo so as to increase the safety for the rescue personnel.
  • the battery of an energy store is shown schematically in FIG. 2, the battery consisting of a total of 2 battery cells which contain a total of four galvanic elements.
  • a battery cell with two galvanic elements is shown in sections in FIG.
  • the battery cell with two galvanic elements has a common carrier 30, a first and a second oxygen electrode 14, 14 ', which the housing into a first chamber 28 which can be filled with an electrolyte, a second chamber 27 which can be filled with oxygen and a third, again with an electrolyte-fillable chamber 28 '.
  • a metal electrode 15 or 15 'made of zinc is arranged in each case.
  • a copper plate 21 is arranged on the back of the metal electrodes 15, 15 ', via which heat can be given off to the cooling device 16, which in turn can dissipate the heat to the outside via a connected coolant circuit 25.
  • the copper plate 21, 21 ' is laminated on an epoxy material so as to obtain the corresponding mechanical strength of the arrangement.
  • the oxygen electrode is an electrode as described in the European patent application EP 0 555 581 A1. It is permeable to gaseous substances such as oxygen, but impermeable to liquids such as the electrolyte.
  • the battery cell Before activation, the battery cell is filled with an inert gas that reliably prevents the reaction and possibly oxidation within the galvanic elements. Nitrogen can be used as the inert gas.
  • oxygen is supplied via the oxygen supply 7 located in the middle of the battery cell, which displaces the inert gas.
  • the inert gas and possibly excess oxygen escapes from the second chamber into the surrounding space via the gas outlet 23.
  • the oxygen supply is electrically non-conductive.
  • the electrolyte then flows into the cell from below and displaces the oxygen in the first and third chambers.
  • Excess electrolyte is removed from the battery cells via the drain 24. It can be fed to a liquid separating device in order to separate it from any gas which may escape and which escapes into the interior of the container 0.
  • the alkali feed is electrically non-conductive.
  • shut-off valves 22 are provided in the alkali feed lines 10 of the first and third chambers, with which the alkali line 10 can be closed.
  • the lye supply can then be made free of electrolyte by the measures described in more detail below are so that an electrical short circuit caused by the conductive electrolyte between the cells is excluded.
  • the liquor discharge 24 can also be separated from the battery cells via shut-off valves, not shown in FIG. 2.
  • Carrier 30 and Zn carrier 20, 20 'hermetically seal the battery cell.
  • Fig. 4 shows an embodiment for the formation of the alkali feed with the shut-off valves.
  • the alkali feed 10 is designed as a cylindrical tube.
  • the battery cells are also connected via tubes 33, which have a smaller cross section.
  • FIG. 4a there is a folded tube 32 in the alkali feed 10.
  • the electrolyte enters the alkali chamber 36 and flows from there via the connections for battery cells 33 into the individual galvanic elements.
  • the tube When the individual galvanic elements are filled with electrolyte, the tube is inflated as shown in FIG. 4b, displaces the electrolyte from the alkali feed and isolates the individual galvanic elements from one another. This allows the individual elements to be connected in any order without influencing each other. The insulation achieved in this way between the individual galvanic elements is sufficient at an element voltage of approximately 1.5 V.
  • Fig. 5 shows an embodiment for the formation of the oxygen supply.
  • Recesses are provided in the Zn carrier 20, which in conjunction with the feed-through tube 35 produce oxygen channels 34 for supplying oxygen to the individual elements. These recesses can be drilled, pressed or milled around a common center. Then, using the center point, a hole is made for the through-pipe 35.
  • the lead-through tube is provided in order to be able to lead electrical lines through the battery.
  • the efficiency of such a storage independent of air is essentially dependent on the degree of filling of the oxygen space 27 with oxygen. Impurities such as B. by the inert gas with which the battery is filled to prevent chemical reactions before activation, reduce the efficiency of the battery.
  • the inert gas can be removed with the aid of a vacuum pump and temporarily stored in a container in compressed form or released into other sections of the torpedo.
  • the inert gas can also be kept away from the oxygen electrodes with the aid of membranes.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment for the arrangement of additional membranes in the region of the oxygen electrodes.
  • the membranes 37 are placed closely against the oxygen electrodes 14, 14 ', so that no or only slightly inert gas can penetrate between the oxygen electrode and the membrane.
  • oxygen is first introduced via the oxygen supply 7 between the membrane 37 and the oxygen electrode 14, 14 '.
  • the inert gas located in the oxygen space is displaced by the membranes and passed to the outside via the gas outlet 23.
  • the oxygen then flows further into the electrolyte space 28 and displaces the inert gas located there.
  • the electrical compartment 28 is then filled with electrolyte.
  • the gas located in the electrolyte space is conducted to the outside via the liquor discharge 24.
  • FIG. 7 shows an energy storage device independent of outside air with the battery shown in FIG. 2.
  • This energy store is activated by control electronics 4 and controlled or regulated during operation.
  • the first chamber, the second chamber and the third chamber are filled with an inert gas which prevents unintended reactions.
  • This inert gas can e.g. B. be nitrogen. It is introduced by means of the flushing device 44, the air in the individual chambers being flushed out.
  • the connection of the flushing device is arranged in the container 0 and is accessible from the outside.
  • Shut-off valves are provided within the flushing device, which are closed after the individual chambers have been filled with the inert gas and thus enclose the inert gas in the individual chambers.
  • the first stage 1 of the pressure reducer reduces the pressure of the oxygen to such an extent that a cutting unit 42 can be actuated with it and the electrolyte can be pressed out of an electrolyte bottle 41.
  • the pressure of the oxygen is reduced further and is pressed into the second chambers of the individual battery cells via the oxygen supply. There it displaces the inert gas contained flows' through the oxygen electrode in the first and third chambers and displaced there, the inert gas contained.
  • the shut-off valve 6 is open during this process.
  • the oxygen reduced in pressure at the outlet of the first stage of the pressure reducer 43 is fed via a shut-off valve 54b to the cutting unit 42 which, after the control device has generated a corresponding control signal, opens the shut-off valve 54b and triggers a piston located in the cutting unit, which in turn triggers pierces a closure of the electrolyte bottle 41 and thus opens the electrolyte bottle 41.
  • the electrolyte under pressure from the oxygen bottle 41 is pressed into the first and third chambers 28, 28 'of the individual battery cells.
  • the inert gas escaping from the first and third chambers of the individual battery cells is fed via an open shut-off valve 12 'to a gas separator 51 in which there is a mechanical electrolyte trap 55 and a sensor 52. If the sensor detects that the gas separator is filling with electrolyte, that is to say the first and third chambers of the battery cells are filled, it first closes the shut-off valve 22 via the control device 4 and then the shut-off valve 22 '.
  • the electrically conductive connection between the individual elements of the individual battery cells is thus eliminated, so that they can act in accordance with their external electrical connection and provide the required energy at the external electrical connection 50.
  • the heat generated during operation of the battery is dissipated via the cooling devices 16 from the first and third chambers of the individual battery cells.
  • the coolant flowing through the cooling devices 16 flows from a pump 48, moves through a cooling circuit and is fed to a heat exchanger 45, which emits the heat to the outside of the sea water.
  • the temperature of the coolant is measured with a temperature sensor 49, which is located behind the outlet of the coolant from the battery.
  • the pump 48 is controlled so as to produce a tightly tolerated operating temperature of the individual battery cells, as is required for optimum efficiency.
  • the oxygen pressure prevailing in the battery is set as a function of a control signal energy output 56 and controlled by the control device 4 by the pressure reducer 43. This allows the efficiency of the battery and the energy to be delivered to be set.
  • the pressure reducer is equipped with a threshold device which ensures that the oxygen pressure prevailing in the battery does not drop below a minimum value.
  • a suitable control of the oxygen pressure via the pressure reducer 43 which at the same time takes place as a function of the load, ensures that no significant pressure increase is caused within the battery and the energy storage device which is independent of the outside air.
  • the energy output is interrupted by interrupting the oxygen supply to the battery 2 via the control device 4 and the shut-off valve 54. Due to the lack of oxygen supply, the reaction in the galvanic elements comes to a standstill.
  • shut-off valve 22 is additionally closed again.
  • the energy store If the energy store is to be used several times and has been completely discharged, it is returned to its original state by the metal electrodes 15, 15 'located in the individual battery cells and the electrolyte bottles 41 for restoring the original state or the non-activated state can be exchanged for unused parts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen außenluftunabhängigen Speicher für elektrische Energie, welcher aus einem Behälter besteht, der eine Batterie mit Batteriezellen, eine Steuereinrichtung und die für den Betrieb der Batterie erforderlichen Elektrolyte und Gase, die über Zuführungen in die einzelnen Batteriezellen einströmen, in separaten Behältern enthält. Das Besondere an der Erfindung ist, dass in den einzelnen Batteriezellen mindestens zwei Metallelektroden vorhanden sind, die Zink enthalten und das die in den Batteriezellen ablaufende elektrochemische Reaktion durch Einblasen von technisch reinem Sauerstoff eingeleitet und unterhalten wird.

Description

Außenluftunabhängiger Speicher für elektrische Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft einen außenluftunabhängigen Speicher für elektrische Energie bestehend aus einem Behälter, der eine Batterie mit Batteriezel¬ len, eine Steuereinrichtung und die für den Betrieb der Batterie erforderlichen Elektrolyte und Gase, die über Zuführungen in die einzelnen Batteriezellen einströmen, in separaten Behältern enthält.
Derartige Speicher sind geeignet zum Einsatz in einem Unterwasserfahrzeug, insbesondere zum Einsatz in einem Torpedo. Der außenluftunabhängige Speicher soll die für den elektrischen Antrieb des Unterwasserfahrzeugs benötigte elektrische Energie in dem Unterwasserfahrzeug selbst bereitstellen. Dabei soll er möglichst kompatibel zu bislang eingesetzten Batteriesystemen sein, jedoch einen höheren Energieinhalt ausweisen, um so den gesteigerten Anforderungen hinsichtlich Einsatzdauer und Einsatzgeschwindigkeit an derartige Antriebe zu genügen.
Außenluftunabhängige Energiespeicher kommen bei Unterwasserfahrzeugen zum Einsatz, wobei sie in erster Linie für den Antrieb dieser Unterwasserfahrzeuge verwendet werden. Für den Antrieb eines U-Bootes haben insbesondere Wasser¬ stoff/Sauerstoff-Batterien Anwendung gefunden, die mit Seewasser und aus Sauerstoffbehältern zugeführtem Sauerstoff betrieben werden. Für den Einsatz bei kleineren Unterwasserfahrzeugen, wie z. B. Torpedos, sind diese Wasserstoff/Sauerstoff-Batterien jedoch technisch zu aufwendig und daher nicht geeignet.
Gleichfalls sind diese Wasserstoff /Sauerstoff-Batterien für eine lange Betriebsdauer bei konstanter Leistung ausgelegt, während für den Torpedoeinsatz ein außenluft- unabhängiger Energiespeicher mit einer kurzen Betriebsdauer aber hoher Energie¬ abgabe benötigt wird, um so die geforderten Geschwindigkeiten des Torpedos bei Verwendung eines Elektroantriebs erreichen zu können.
Bekannte Torpedobatterien benutzen ein Silber/Zink-Elektrodensystem und einen Elektrolyten, der aus Kalilauge besteht.
Derartige Energiespeicher für Torpedos sind in 2 Ausführungen, einer aktivierbaren Einmalbatterie und einer wiederaufladbaren mehrfach zu verwendenden Batterie, bekannt, wobei sich beide Ausführungen hinsichtlich ihres Zellenaufbaus und ihrer Zellengröße unterscheiden, wodurch sich ein unterschiedliches Verhalten bei der -Anwendung beider Batterien ergibt.
Bei der aktivierbaren Einmalbatterie befindet sich der Elektrolyt in einem separaten Behälter. Er wird bei Aktivierung der Batterie mit Hilfe eines pyrotechnischen Gasgenerators aus diesem Behälter in die eigentlichen Batteriezellen gedrückt, so daß die in diesen Batteriezellen enthaltenen galvanischen Elemente nach Benetzung die erforderliche Spannung liefern.
Bei der mehrfach zu verwendenden Batterie befindet sich der Elektrolyt permanent zwischen den einzelnen Elektroden der einzelnen Batteriezellen, wodurch die Lagerfähigkeit der Batterie durch die Selbstentladung begrenzt ist. Die Batterie wird durch Anlegen eines äußeren Stromes aufgeladen und liefert dann die für den Betrieb des Torpedos erforderliche Energie.
Nachteilig bei diesen Batterien ist die geringe Leistungsdichte und die Verwendung von Silber innerhalb der Elektroden, wodurch diese Batterien sehr kostenintensiv sind.
Aus der Literatur (z.B. Jaksch, Batterie-Lexikon ISBN 3 - 7905-0650-8) sind Zink/Luft-Zellen bekannt, die über eine der höchsten Energiedichten von ca. 900 Wh/cm3 in stationären Großzellen verfügen. Diese Batteriezellen enthalten eine Zinkelektrode und eine gitterförmige Elektrode, durch welche Luft geblasen wird. Beide Elektroden befinden sich in einem mit einem Elektrolyten gefüllten Gehäuse der Batteriezelle.
Die Aktivierung der Batterie und somit die Entladung beginnt mit der Öffnung des oder der Lufteintrittskanälβ am Batteriezellengehäuse und dem Einblasen von Luft. Die Energie wird durch katalytische Oxidation von Zink durch den Sauerstoff der Atmosphäre erzeugt. Aufgrund der in der Zelle verwendeten preiswerten Materialien sind die Kosten pro Amperestunde dieser Batterie gering.
Innerhalb der Zelle läuft bei Entladung an der Luftelektrode (Kathode) folgende Reaktion ab:
Der für die Reaktion benötigte Sauerstoff wird dabei der Luft entnommen, überschüssiges Gas wird nach außen abgeführt.
Das Zink der Zinkelektrode (Anode) reagiert mit den Hydroxylionen und bildet Zinkoxid und Wasser unter Abgabe von 2 Elektronen. Die Anode wird dadurch negativ geladen und bildet den Minuspol der Zelle:
Zn + 2 OH → ZnO + HaO + 2 θ~
Hieraus folgt für die Gesamtgleichung:
Zn + — O - ZnO 2
it einer Zellspannung von ca. 1 ,4 bis 1 ,65 V. Ein Energiespeicher zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, der auf der Verwendung dieser Batteriezellen basiert, ist in der europäischen Patentanmeldung EP 0 555 581 A1 beschrieben.
Er besteht aus einer mechanisch wiederaufladbaren Batterie, die aus einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt ist, wobei jede einzelne Batteriezelle aus drei Kammern besteht und ein galvanisches Element enthält. Die erste und die dritte Kammer sind von der zweiten Kammer durch gasdurchlässige Membranen getrennt. Die erste und die dritte Kammer werden mit Luft gefüllt. In der zweiten Kammer befindet sich der zum Betrieb des galvanischen Elements erforderliche Elektrolyt und von oben eingesetzt eine Metallelektrode, die bei einer Ausführungsform der Erfindung mit Zinkbrei gefüllt ist.
Die Metallelektrode wird bei Belastung des galvanischen Elements beidseitig abgetragen, beide gasdurchlässigen Membranen sind elektrisch parallelgeschaltet, so daß die Stromergiebigkeit gegenüber einem galvanischen Element mit nur einer gasdurchlässigen Membran verdoppelt ist. Durch diese Auslegung der Batterie wurde den Anforderungen eines Automobils hinsichtlich hoher Stromdichte und hoher Spitzenleistung, wie sie beim Beschleunigen und bei Fahrten am Berg benötigt wird, genügt. Hierbei kam es weniger auf eine hohe Spannungsabgabe der Batterie, als auf eine hohe Stromergiebigkeit an.
Dieser Energiespeicher ist auf einfache Weise mechanisch wiederaufladbar, indem verbrauchte Metallelektroden von oben aus den Batteriezellen herausgenommen werden und durch neue, "aufgeladene" Metallelektroden ersetzt werden. Der Elektrolyt verbleibt dabei innerhalb der Batteriezelle und wird nicht erneuert.
Der zum Betrieb des galvanischen Elements erforderliche Sauerstoff wird der Umgebungs-Luft entnommen, die durch die erste und dritte Kammer geblasen wird. Bedingt durch den hohen Stickstoffanteil in der Luft ist der Wirkungsgrad der Batteriezelle eingeschränkt.
Dieser Energiespeicher ist daher durch die Verwendung von Luftsauerstoff, der in einem geschlossenen System nicht in hinreichendem Maße zur Verfügung steht, in einem Unterwasserfahrzeug nicht einsetzbar.
Aus diesem Grunde hat Fa. Alupower Inc. Warren, N. J., 07059 USA, einen Energiespeicher mit sog. Aluminium/Sauerstoff-Batteriezellen für den Einsatz in einem Torpedo vorgeschlagen, der aus mehreren Batteriezellen mit Aluminium- Elektroden, die mit einem Elektrolyten gefüllt werden, und aus einem Sauerstoff¬ einlaß besteht.
Nachteilig bei diesem Energiespeicher wirkt sich aus, daß er nicht den Energieinhalt eines Zink/Luft-Systems enthält, und daß bei seinem Betrieb der im Elektrolyt befindliche Sauerstoff mit Hilfe eines Gasseparators wieder entfernt und nach außen aus der Batterie abgegeben werden muß. Der abgegebene Sauerstoff muß dann durch Sauerstoff, der sich in dem Sauerstoff vorratsgefäß befindet, ersetzt werden.
Die Abgabe des Sauerstoffs nach außen kann in Form einer Blasenspur die Anwesenheit eines Torpedos unerwünschterweise sichtbar machen.
Nachteilig ist weiterhin die betriebsbedingte Passivierung der Aluminiumelektrode und daß ein Elektrolytkreislauf zur Wärmeabfuhr vorhanden ist, um die Batterie vor Überhitzung zu schützen.
-Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen außenluftunabhängigen Speicher für elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, mit dem in dem vorhandenen Raum eines Torpedos ein wesentlich höherer Energieinhalt untergebracht werden kann als mit den bislang bekannten Energiespeichern, damit die zur Erreichung der Torpedogeschwindigkeit und der Betriebsdauer des Torpedos benötigte Energie bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem Energiespeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den einzelnen Batteriezellen mindestens zwei Metallelektroden vorhanden sind, die Zink enthalten und daß die in den Batteriezellen ablaufende elektrochemische Reaktion durch Einblasen von technisch reinem Sauerstoff eingeleitet und unterhalten wird.
Dieser außenluftunabhängige Energiespeicher für elektrische Energie besteht aus einem gasdicht verschlossenen Gehäuse, in das mehrere Sauerstoffelektroden und Zinkelektroden in mit Elektrolyt befüllbare Kammern eingebaut sind und über einen mit einem Ventil verbundenen Sauerstof fbehälter, der den für die Energieerzeugung benötigten Sauerstoff enthält, und einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung, mit der der Sauerstoff gezielt zugeführt werden kann. Die in den einzelnen Batteriezellen befindlichen Metallelektroden bestehen vorteilhafterweise ausschließlich aus Zink, um ein möglichst niedriges Leistungs¬ gewicht zu erzielen.
Die erste und die zweite Sauerstoffelektrode unterteilen die Batteriezelle in 3 Kammern, von denen die erste und die dritte mit einem Elektrolyt gefüllt werden, und die zweite Kammer über ein Ventil mit einem Sauerstoffbehälter verbunden wird. In der 3. Kammer ist analog zur ersten Kammer eine von der zweiten Sauerstoffelektrode beabstandete zweite Metallelektrode aus Zink angeordnet.
Bedingt durch die Anordnung der zweiten Kammer in der Mitte der Batteriezelle und die elektrische Nichtleitfähigkeit des in dieser Kammer befindlichen Sauerstoffs lassen sich die beiden galvanischen Einzelelemente der Batteriezelle in Reihe schalten, so daß gegenüber der in der europäischen Patentanmeldung EP 0 555 581 A1 angegebenen Zelle, die in der ersten und dritten Kammer Sauerstoff enthält und in der mittleren, zweiten Kammer den Elektrolyten und die Metallelektrode, die vorliegende Erfindung eine doppelte Ausgangsspannung auf vergleichbarem Raum " besitzt. Dieses ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung des außenluftunab¬ hängigen Speichers als Antriebsbatterie eines Torpedos.
Durch diesen Aufbau der Batterie wird der zur Verfügung stehende Raum gegenüber bekannten Anordnungen besser genutzt. Es teilen sich hierbei nämlich die erste und die zweite Sauerstoffelektrode die dazwischenliegende zweite Kammer, in die beim Betrieb Sauerstoff einströmt. Zusätzlich wird hierdurch die Möglichkeit gegeben, die aus den ersten und dritten Kammern bestehenden galvanischen Elemente elektrisch in Reihe zu schalten, um somit die Spannung zu verdoppeln.
Durch die geeignete Auswahl der in dem erfindungsgemäßen Energiespeicher verwendeten Verbrauchselektroden wird gleichfalls der zur Herstellung und zum Betrieb dieses außenluftunabhängigen Energiespeichers benötigte Kostenaufwand wesentlich reduziert, wodurch die Kosten des Übungsbetriebs des Torpedos gesenkt werden.
Zur Einstellung des Druckes in der zweiten Kammer wird vorteilhafterweise ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Sauerstoffreduzierventil zwischen Sauerstoffbehälter und zweiter Kammer vorgesehen, um je nach gewünschter Leistungsabgabe des Energiespeichers die Sauerstoffzufuhr steuern zu können. Hierdurch läßt sich die Leistungsabgabe an die Antriebsgeschwindigkeit des Torpedos anpassen.
Ebenfalls ist die erste und dritte Kammer der Batteriezelle über ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Elektrolytreduzierventil mit einem Elektrolytbehälter verbunden. Zur Aktivierung der Batterie wird bei dieser Ausführungsform das Elektrolytreduzierventil geöffnet und hierdurch das Elektrolyt in die erste und ggf. auch dritte Kammer geleitet.
Bevorzugt wird das Elektrolyt von unten in die erste und ggf. auch in die dritte Kammer geleitet.
Das Einströmen des Elektrolyten von unten ist besonders vorteilhaft, um eine homogene Elektrolytverteilung ohne Gaseinschlüsse innerhalb der ersten und der dritten Kammer zu erreichen.
Zur Wärmeabführung ist an der Rückseite jeder Metallelektrode bevorzugt eine wärmeabführende Platte angeordnet, die ihrerseits mit einem Kühlwasserkreislauf - in Kontakt steht. Der Kühlwasserkreislauf kann beispielsweise einen Wärme an das Seewasser abgebenden Wärmetauscher enthalten.
Zur Vermeidung von unbeabsichtigten Reaktionen ist vorteilhafterweise vor Inbetriebnahme der Batteriezelle die erste, zweite und ggf. auch dritte Kammer mit einem Inertgas gefüllt, das beim Einleiten von Sauerstoff bzw. Elektrolyt bei Inbetriebnahme der Batterie verdrängt wird.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in erster Linie in dem gegenüber einer Aluminium-Sauerstoff-Batterie erheblich höheren Leistungsdichte, so daß die erfindungsgemäße Batterie verglichen mit einer Aluminium-Sauerstoff-Batterie gleicher Kapazität erheblich leichter ist. Darüber hinaus wird der Sauerstoff in der Batterie vollständig konsumiert, so daß unverbrauchter Sauerstoff nicht nach außen abgeführt werden muß.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter¬ ansprüche gekennzeichnet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel des außenluftunabhängigen
Energiespeichers;
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der Batterie des außenluftabhängi- gen Energiespeichers;
Fig. 3: zwei sich gegenüberliegende Batteriezellen des Ausfüh¬ rungsbeispiels gemäß Fig. 2;
Fig. 4: ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Laugenzufüh¬ rung mit den Absperrventilen;
Fig. 5: ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Sauerstoff¬ zuführung;
Fig. 6: ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung zusätzlicher
Membranen im Bereich der Sauerstoffelektroden; und
Fig. 7: einen außenluftunabhängigen Energiespeicher mit der in
Figur 2 dargestellten Batterie.
Fig. 1 zeigt einen außenluftunabhängigen Energiespeicher mit einem Behälter 0, der einen Sauerstoffteil mit Steuerung 1 , eine Batterie 2 und einen Laugenteil 3 enthält.
In der Batterie 2 befinden sich die einzelnen Batteriezellen 13 die jeweils eine oder mehrere Sauerstoff elektroden 14 und Metallelektroden 15 enthalten. Die einzelnen Batteriezellen 13 sind jeweils mit einer Kühleinrichtung 16 mit dem Behälter 0 verbunden. Die Kühleinrichtung führt die beim Betrieb der Batteriezelle entstehende Wärme an den Behälter 0 ab. In der Zeichnung sind die beiden weiteren, den äußeren Batteriezellen zugeordneten Kühleinrichtungen nicht dargestellt.
Der zum Betrieb der Batteriezellen benötigte Sauerstoff wird aus dem im Sauerstoff¬ teil befindlichen Sauerstoffbehälter 5, der ein wiederaufladbarer Behälter oder ein austauschbarer Einmalbehälter sein kann, über die Sauerstoffzuführung 7 den einzelnen Batteriezellen zugeführt, wenn die Batterie aktiviert wird. Die Aktivierung der Batterie wird von der Steuereinrichtung 4 über das Absperrventil 6 gesteuert. Derzum Betrieb der Batteriezellen benötigte Elektrolyt, vorzugsweise Kalilauge KOH befindet sich im Laugenbehälter 8 des Laugenteils. Der Elektrolyt wird gleichfalls von der Steuereinrichtung 4 gesteuert über das Absperrventil 12, aus dem Laugenbehälter 8 über die Laugenzuführung 10 den einzelnen Batteriezellen 1 3 zugeführt.
Der zum Zuführen des Elektrolyten benötigte Druck wird von einem in einem Druckgasbehälter 9 befindlichen Gas, z.B. Luft oder Stickstoff, über das Absperr¬ ventil 1 1 bereitgestellt, das gleichfalls von der Steuereinrichtung 4 gesteuert wird.
Die Batterie 2 ist bzw. die einzelnen Kammern der Batteriezellen sind mit einem Inertgas gefüllt, das beim Einleiten von Sauerstoff bzw. Elektrolyt bei Inbetriebnah¬ me der Batterie in eine Gasabführung 23 verdrängt wird.
Die einzelnen Batteriezellen 1 3 sind über eine oder mehrere Stromschienen 1 7 mit dem elektrischen Anschluß 18 der Batterie verbunden. Die interne Verschaltung der einzelnen Elektroden der Batteriezellen mit der Stromschiene ist nur prinzipiell -dargestellt. Nicht dargestellt sind externe Steuerleitungen, mit denen die Aktivierung des Energiespeichers über die Steuereinrichtung 4 initiert werden kann.
Im Behälter 0 ist ein Sicherheitsventil 1 9 vorhanden, das bei einem unerwarteten Druckanstieg innerhalb des Behälters öffnet und einen Druckausgleich mit dem Außendruck herstellt. Dieses Sicherheitsventil kann auch von außen manuell betätigt werden, um z.B. vor dem Bergen eines Übungstorpedos einen Druckaus¬ gleich herzustellen, um so die Sicherheit für das Bergepersonals zu erhöhen.
In Figur 2 ist die Batterie eines Energiespeichers schematisch dargestellt, wobei die Batterie aus insgesamt 2 Batteriezellen besteht, die insgesamt vier galvanische Elemente enthalten.
In Figur 3 ist eine Batteriezelle mit zwei galvanischen Elementen auschnittsweise wiedergegeben.
Die Batteriezelle mit zwei galvanischen Elementen besitzt einen gemeinsamen Träger 30, eine erste und eine zweite Sauerstoff elektrode 14, 14', die das Gehäuse in eine erste mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer 28, eine zweite mit Sauerstoff befüllbare Kammer 27 und eine dritte, wiederum mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer 28' unterteilt. In der ersten Kammer 28 sowie in der dritten Kammer 28' ist jeweils eine Metallelektrode 1 5 bzw. 1 5' aus Zink angeordnet. An der Rückseite der Metallelektroden 1 5, 15' ist jeweils eine Kupferplatte 21 angeordnet, über die Wärme an die Kühleinrichtung 16 abgegeben werden kann, die die Wärme wiederum über einen angeschlossenen Kühlmittelkreislauf 25 nach außen abführen kann.
Die Kupferplatte 21 , 21 ' ist auf einem Epoximaterial auf laminiert, um so die entsprechende mechanische Festigkeit der Anordnung zu erhalten.
Die Sauerstof f elektrode ist eine Elektrode, wie sie in der europäischen Patentanmel¬ dung EP 0 555 581 A1 beschrieben ist. Sie ist durchlässig für gasförmige Stoffe wie Sauerstoff, jedoch undurchlässig für Flüssigkeiten, wie den Elektrolyten.
Die Batteriezelle ist vor der Aktivierung mit einem inerten Gas, das die Reaktion und ggf. Oxidation innerhalb der galvanischen Elemente sicher unterbindet, gefüllt. Als inertes Gas kann Stickstoff verwendet werden.
'Bei der Aktivierung der Batteriezelle erfolgt eine Sauerstoffzufuhr über die in der Mitte der Batteriezelle befindliche Sauerstoffzuführung 7, die das inerte Gas verdrängt. Das inerte Gas und ggf. überschüssiger Sauerstoff entweicht über die Gasabführung 23 aus der zweiten Kammer in den umgebenden Raum. Die Sauerstoffzuführung ist elektrisch nichtleitend ausgeführt.
Anschließend strömt der Elektrolyt von unten in die Zelle und verdrängt in der ersten und der dritten Kammer den Sauerstoff.
Überschüssiger Elektrolyt wird über die Laugenabführung 24 aus den Batteriezellen entfernt. Er kann einer Flüssigkeitsabscheidevorrichtung zugeführt werden, um ihn von ggf. enthaltenem Gas zu trennen, welches in den Innenraum des Behälters 0 entweicht.
Die Laugenzuführung ist elektrisch nichtleitend ausgeführt.
Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Batteriezel¬ len, bedingt durch den Elektrolyten, sind in den Laugenzuführungen 10 der ersten und der dritten Kammer Absperrventile 22 vorgesehen, mit denen die Laugenzu¬ führung 10 geschlossen werden kann. Die Laugenzuführung kann anschließend durch im folgenden näher beschriebene Maßnahmen frei von Elektrolyt gemacht werden, so daß ein durch den leitfähigen Elektrolyten bedingter elektrischer Kurzschluß zwischen den Zellen ausgeschlossen ist.
Sofern erforderlich, kann die Laugenabführung 24 gleichfalls von den Batteriezellen über in Fig. 2 nicht dargestellte Absperrventile abgetrennt werden.
Träger 30 und Zn-Träger 20, 20' schließen die Batteriezelle hermetisch dicht ab.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Laugenzuführung mit den Absperrventilen. In der Darstellung ist die Laugenzuführung 10 als zylindrisches Rohr ausgebildet. Die Anschlüsse der Batteriezellen erfolgen gleichfalls über Rohre 33, die einen geringeren Querschnitt haben.
Wie in Fig. 4a dargestellt, befindet sich in der Laugenzuführung 10 ein zusammen¬ gefalteter Schlauch 32. Der Elektrolyt gelangt bei Aktivierung in den Laugenraum 36 und fließt von dort aus über die Anschlüsse für Batteriezellen 33 in die einzelnen galvanischen Elemente.
Wenn die einzelnen galvanischen Elemente mit Elektrolyt gefüllt sind, wird der Schlauch wie in Fig. 4b dargestellt aufgeblasen, verdrängt den Elektrolyten aus der Laugenzuführung und isoliert die einzelnen galvanischen Elemente voneinander. Damit lassen sich die einzelnen Elemente in beliebiger Folge verschalten, ohne daß sie sich gegeneinander beeinflussen. Die hiermit erreichte Isolation zwischen den einzelnen galvanischen Elementen ist hinreichend bei einer Elementespannung von ca. 1 ,5 V.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Sauerstoffzuführung.
In den Zn-Träger 20 sind Aussparungen vorgesehen, die in Verbindung mit dem Durchführungsrohr 35 Sauerstoffkanäle 34 zur Sauerstoffzuführung für die einzelnen Elemente herstellen. Diese Aussparungen können um einen gemeinsamen Mittelpunkt gebohrt, gepreßt oder gefräst sein. Anschließend wird unter Ver¬ wendung des Mittelpunktes eine Bohrung für das Durchführungsrohr 35 einge¬ bracht. Das Durchführungsrohr ist vorgesehen, um elektrische Leitungen durch die Batterie führen zu können.
Der Wirkungsgrad eines derartigen außenluftunabhängigen Speichers ist im wesentlichen abhängig von dem Füllgrad des Sauerstoff raumes 27 mit Sauerstoff. Verunreinigungen, wie z. B. durch das inerte Gas, mit dem die Batterie zur Verhinderung von chemischen Reaktionen vor Aktivierung gefüllt ist, setzen den Wirkungsgrad der Batterie herab.
Das inerte Gas kann in einem Ausführungsbeispiel des außenluftunabhängigen Energiespeichers mit Hilfe einer Vakuumpumpe entfernt und in einem Behälter in komprimierter Form zwischengespeichert werden oder in andere Sektionen des Torpedos abgegeben werden.
Das inerte Gas läßt sich jedoch auch mit Hilfe von Membranen von den Sauers¬ toffelektroden fernhalten.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung zusätzlicher Membranen im Bereich der Sauerstoffelektroden.
Vor Aktivierung der Batterie sind die Membranen 37 eng an die Sauerstoffel¬ ektroden 14 , 14' angelegt, so daß kein oder nur geringfügig inertes Gas zwischen -Sauerstoffelektrode und Membran eindringen kann.
Bei der Aktivierung der Batterie wird zunächst Sauerstoff über die Sauerstoff¬ zuführung 7 zwischen Membran 37 und Sauerstoff elektrode 14, 14' gebracht. Das in dem Sauerstoffraum befindliche inerte Gas wird von den Membranen verdrängt und über die Gasabführung 23 nach außen geleitet.
Der Sauerstoff strömt dann weiter in den Elektrolytraum 28 und verdrängt das dort befindliche inerte Gas. Anschließend wird der Elektroiytraum 28 mit Elektrolyt gefüllt. Das in dem Elektrolytraum befindliche Gas wird über die Laugenabführung 24 nach außen geleitet.
Fig. 7 zeigt einen außenluftunabhängigen Energiespeicher mit der in Figur 2 dargestellten Batterie.
Dieser Energiespeicher wird über eine Steuerelektronik 4 aktiviert und während des Betriebs gesteuert bzw. geregelt. Vor der Aktivierung der Batterie 2 sind die erste Kammer, die zweite Kammer sowie die dritte Kammer mit einem Inertgas gefüllt, welches unbeabsichtigte Reaktionen verhindert. Dieses Inertgas kann z. B. Stickstoff sein. Es wird mittels der Spüieinrichtung 44 eingebracht, wobei die in den einzelnen Kammern befindliche Luft herausgepült wird. Der Anschluß der Spüleinrichtung ist in dem Behälter 0 angeordnet und von außen zugänglich. Innerhalb der Spüleinrichtung sind Absperrventile vorgesehen, die nach dem Befüllen der einzelnen Kammern mit dem inerten Gas geschlossen werden und somit das inerte Gas in den einzelnen Kammern einschließen.
Beim Aktivieren der Batterie 2, welches durch ein externes Aktivierungs-signal 40 veranlaßt wird, wird nach Öffnen des Absperrventils 54 zunächst Sauerstoff auf einen zweistufigen Druckminderer 43 gegeben. Die erste Stufe 1 des Druckmin¬ derers mindert den Druck des Sauerstoffs soweit, daß mit ihm eine Schneideinheit 42 betätigt werden kann und der Elektrolyt aus einer Elektrolytflasche 41 herausgedrückt werden kann.
In der zweiten Stufe des Druckminderers 43-2 wird der Druck des Sauerstoffs weiter reduziert und über die Sauerstoffzuführung in die zweiten Kammern der einzelnen Batteriezellen gepreßt. Er verdrängt dort das enthaltene inerte Gas, strömt 'durch die Sauerstoffelektroden in die ersten und dritten Kammern und verdrängt auch dort das enthaltene inerte Gas. Das Absperrventil 6 ist während dieses Vorgangs geöffnet.
Der im Druck reduzierte Sauerstoff am Ausgang der ersten Stufe des Druckminde¬ rers 43 wird über ein Absperrventil 54b der Schneideinheit 42 zugeführt, die nachdem die Steuereinrichtung ein entsprechendes Steuersignal erzeugt hat, das Absperrventil 54b öffnet und einen in der Schneideinheit befindlichen Kolben auslöst, der wiederum einen Verschluß der Elektrolytflasche 41 durchstößt und somit die Elektrolytflasche 41 öffnet.
Gleichzeitig wird über eine Verbindung zwischen dem Sauerstoff behälter 5 und dem Laugenbehälter 8 der druckreduzierte Druck über ein Absperrventil 54a auf die in dem Laugenbehälter 8 befindliche Elektroiytflasche, die aus einem Kunststoff wie z. B. Polyurethan bestehen kann, gegeben.
Der unter dem Druck des Sauerstoff stehende Elektrolyt aus der Elektroiytflasche 41 wird in die ersten und dritten Kammern 28, 28' der einzelnen Batteriezellen gepreßt. Das aus den ersten und dritten Kammern der einzelnen Batteriezellen entweichende inerte Gas wird über ein geöffnetes Absperrventil 1 2' einem Gasabscheider 51 zugeführt, in dem sich eine mechanische Elektrolytfalle 55 und ein Sensor 52 befinden. Stellt der Sensor fest, daß sich der Gasabscheider mit Elektrolyt füllt, die ersten und die dritten Kammern der Batteriezellen also gefüllt sind, schließt er über die Steuereinrichtung 4 zunächst das Absperrventil 22 und anschließend das Absperrventil 22'.
Damit wird die elektrisch leitfähige Verbindung zwischend den einzelnen Elementen der einzelnen Batteriezellen aufgehoben, so daß diese entsprechend ihrer äußeren elektrischen Verschaltung wirken können und an dem äußeren elektrischen Anschluß 50 die geforderte Energie bereitstellen.
Die bei dem Betrieb der Batterie entstehende Wärme wird über die Kühleinrichtun¬ gen 16 von den ersten und den dritten Kammern der einzelnen Batteriezellen abgeführt. Das durch die Kühleinrichtungen 16 fließende Kühlmittel fließt von einer Pumpe 48 bewegt, durch einen Kühlkreislauf und wird einem Wärmetauscher 45 zugeführt, der die Wärme nach außen an das Seewasser abgibt. Mit einem Temperaturfühler 49, der sich hinter dem Auslaß der Kühlflüssigkeit aus der Batterie befindet, wird die Temperatur des Kühlmittels gemessen. Abhängig von der Kühlmitteltemperatur wird die Pumpe 48 gesteuert, um so eine eng tolerierte Betriebstemperatur der einzelnen Batteriezellen herzustellen, wie sie für einen optimalen Wirkungsgrad erforderlich ist.
Der in der Batterie vorherrschende Sauerstoffdruck wird abhängig von einem Steuersignal Energieabgabe 56 und gesteuert von der Steuereinrichtung 4 von dem Druckminderer 43 eingestellt. Hiermit kann der Wirkungsgrad der Batterie und die abzugebende Energie eingestellt werden.
Der Druckminderer ist mit einer Schwellwerteinrichtung ausgestattet, die sicherstellt, daß der in der Batterie vorherrschende Sauerstoffdruck nicht unter einen Minimalwert abfällt.
Durch eine geeignete Steuerung des Sauerstoffdrucks über den Druckminderer 43, die gleichzeitig lastabhängig erfolgt, wird sichergestellt, daß keine wesentliche Druckerhöhung innerhalb der Batterie und des außenluftunabhängigen Energiespei¬ chers hervorgerufen wird. Am Ende der Betriebsdauer des außenluftunabhängigen Speichers für elektrische Energie wird die Energieabgabe unterbrochen, indem über die Steuereinrichtung 4 und das Absperrventil 54 die Sauerstoffzufuhr zur Batterie 2 unterbrochen wird. Bedingt durch das Fehlen der Sauerstoffzufuhr kommt die Reaktion in den galvanischen Elementen zum Erliegen.
Um dann die Betriebssicherheit des außenluftunabhängigen Speichers für elektrische Energie zu gewährleisten, wird zusätzlich das Absperrventil 22 wieder geschlossen.
Soll der Energiespeicher mehrfach benutzt werden und ist dabei vollständig entladen worden, so wird er wieder in seinen Ursprungszustand versetzt, indem die in den einzelnen Batteriezellen befindlichen Metallelektroden 1 5, 15' und die Elektrolyt¬ flaschen 41 zur Wiederherstellung des Ursprungszustands bzw. nicht aktivierten Zustands gegen unverbrauchte Teile ausgetauscht werden.
Bei einer Teilentladung ist es dagegen ausreichend, den Elektrolyten aus der Batterie 2 über die Spüleinrichtung 44 und die Gasabführung 53 zu entfernen, mit heißem -inerten Gas zu trocknen, den Sauerstoffbehälter 5 erneut aufzufüllen und den Elektrolyten durch Tausch der Elektroiytflasche zu ersetzen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Außenluftunabhängiger Speicher für elektrische Energie bestehend aus einem Behälter (0), der eine Batterie (2) mit Batteriezellen, eine Steuereinrichtung (4) und die für den Betrieb der Batterie erforderlichen Elektrolyte und Gase, die über Zuführungen (7, 10) in die einzelnen Batteriezellen einströmen, in separaten Behältern (5, 8) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Batteriezellen mindestens zwei Metallelektroden (15) vorhanden sind, die Zink enthalten und daß die in den Batteriezellen ablaufende elektrochemische Reaktion durch Einblasen von technisch reinem Sauerstoff eingeleitet und unterhalten wird.
2. Speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (1 5) aus Zink besteht.
"3. Speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (1 5) aus einer Epoxypiatte mit aufgebrachter erster Metallschicht besteht, auf die eine zweite Zink enthaltende Metallschicht aufgebracht ist.
4. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Batteriezellen nur so viel Sauerstoff zugeführt wird, wie beim Betrieb der Batteriezellen verbraucht wird, so daß kein zusätzlicher Druck in den Batteriezellen entsteht.
5. Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in den Batteriezellen auf maximal etwa 1000 hPa einstellbar ist.
6. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Batteriezellen eine erste und eine zweite Metallelektrode (15, 15') und etwa zentral dazwischen eine erste (14) und eine zweite Sauerstoffelektrode (14' angeordnet sind, und daß die erste und die zweite Sauerstoff elektrode (14, 14') die Batteriezelle in eine erste mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer (28), eine zweite über ein Ventil (6) mit einem Sauerstoffbehälter (5) verbindbare Kammer (27) und eine dritte mit einem Elektrolyt befüllbare Kammer (28') unterteilt.
7. Speicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffelektroden symmetrisch zu den Metallelektroden angeordnet sind.
8. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Sauerstoff¬ reduzierventil zwischen Sauerstoffbehälter (5) und zweiter Kammer (27) der einzelnen Batteriezellen.
9. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste ggf. auch dritte Kammer (28, 28') über ein motorisch betriebenes und fernbedienbares Elektrolytreduzierventil (22) mit einem Elektrolytbehälter verbindbar ist.
*10. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückseite jeder Metallelektrode (15, 1 5') eine wärmeabführende Platte angeordnet ist, die ihrerseits mit einem Kühlkreislauf in Kontakt steht.
1 1 . Speicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf mit Wasser als Kühlmittel gefüllt ist.
12. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kammern (27, 28, 28') der einzelnen Batteriezellen und ihre Zuführungen vor Aktivierung mit einem Inertgas gefüllt sind.
13. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt sich in einer Elektroiytflasche (41 ) befindet, die wiederum in einem Laugenbehälter (8) angeordnet ist und daß der Elektrolyt mit dem in dem Sauerstoffbehälter (5) befindlichen Sauerstoff nach Aktivierung in die Laugenzuführung ( 10) und in die einzelnen Batteriezellen gedrückt wird.
14. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines motorisch betriebenen und fernbedien- 18
baren Reduzierventils zwischen Sauerstoffbehälter (5) und zweiter Kammer (27) der einzelnen Batteriezellen der Sauerstoffdruck in den zweiten Kammern (27) in Abhängigkeit von der von der Batterie abzugebenden elektrischen Energie einstellbar sind.
15. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den einzelnen Batteriezellen befindlichen Metallelektroden (15, 1 5') und die Elektrolytflaschen (41 ) zur Wiederherstellung des Ursprungszustands bzw. nicht aktivierten Zustands gegen unverbrauchte Teile austauschbar sind.
16. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laugenzuführung (10) in ihrem Inneren einen Schlauch (32) aufweist, welcher aufblasbar ist und im aufgeblasenen Zustand den Elektrolyten aus der Laugenzuführung (10) verdrängt.
17. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche,
"dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzuführung (7) sternförmig um ein Durchführungsrohr (35) angeordnete Sauerstoffkanäle (34) zum Transport des Sauerstoffs aufweist.
18. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter hermetisch geschlossen ist und in einem Torpedo einsetzbar ist.
1 9. Verfahren zum Speichern elektrischer Energie in einem Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem gesteuert durch eine Steuereinrichtung
- den Batteriezellen über eine erste Zuführleitung aus einem Sauerstoffbehälter technisch reiner Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird,
- den Batteriezellen über eine zweite Zuführleitung aus einem Elektrolytbehälter Elektrolyt zur Verfügung gestellt wird, und
- mindestens die Zuführung von Sauerstoff derart reguliert wird, daß die zugeführte Menge des Sauerstoffs der in den Batteriezellen verbrauchten Menge des Sauerstoffs im wesentlichen entspricht.
EP96934533A 1995-10-10 1996-10-04 Aussenluftunabhängiger speicher für elektrische energie Withdrawn EP0855091A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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DE19537683 1995-10-10
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