JP6626456B2 - 空気電池 - Google Patents

Description

本発明は、空気電池に関し、特にアルミニウム空気電池に関する。本発明は更に、少なくとも２つのそのような電池を有する電池システムに関する。加えて、本発明は、少なくとも１つのそのような電池又は１つのそのようなシステムが装備された電気モーター装備車両に関する。最後に、本発明はそのような電池を動作させる方法に関する。

空気電池は、一般に一次電池、すなわち、電気で充電することができない化学電池であり、これは大気中の酸素との各金属の化学反応によってある一定の電圧を発生する。そのような一次電池は、燃料電池とも呼ばれ得る。一次電池とは対照的に、二次電池、いわゆる蓄電池は、充電可能である。

空気亜鉛電池の例示的な構成が、WO 2012/156972 A1から知られている。

WO 2013/150519 A1から、充電式の電池における再利用のための亜鉛電極が知られている。

WO 2013／128445 A1から、消費される燃料、すなわち亜鉛が、液化剤の助けを借りて放出される空気電池が知られている。

WO 2013／150520 A1から、スタンバイモードに移るために、空気電池が洗浄液で電解液を洗い流すことが知られている。

WO 2013／150521 A1から、必要に応じて空気電池が電解液を交換することが知られている。

WO 2014／009951 A1から、変動する電力需要が、対応して電力要求を空気電池及び各々の蓄電池に分配することによって満たされるように、空気電池を充電可能な電気エネルギー蓄積ユニット、すなわち、蓄電池に結合することが知られている。このため、空気電池は蓄電池で緩衝され、電力変動が蓄電池によって相殺され得るので空気電池は比較的安定して動作することができる。

充電式の電池の制御が、DE 11 2010 002 707 T5、DE 11 2009 000 223 T5、DE 10 2011 002 549 A1、DE 10 2013 107 033 A1、及びDE 24 17 571 Aから知られている。

レドックスフロー形電池が、WO 99/39397 A1から知られており、その中では、セルスタックとなるように組み合わされた複数の電池セルのイオン交換膜が、一方では正の半電池の電解液に、他方では負の半電池の電解液にさらされている。

空気電池は、非常に高い化学エネルギー密度を有しているので、電気自動車（Elektrofahrzeugen）での使用に高い関心が持たれ得る。そのような空気電池の助けを借りると、電気自動車の航続距離は、蓄電池と比べると大きく増加し得る。

空気電池の場合の問題は、空気電池の助けを借りて提供され得る電気エネルギーの車両を、その車両によって現在必要とされている電気エネルギーに適応させる、動的な適応を可能にする電力制御の実現である。電気モーターによる駆動装置を有する車両の場合、必要とされる電気エネルギーは、通常の非定常状態の運転操作から生ずる大きな変動を受ける。もし空気電池が高出力用に設計されていれば、特に、比較的小さな出力しか必要とされていないときでさえ、電池の寿命が短くなる。したがって、複雑な電力制御、例えば電力バッファとしての蓄電池との組み合わせが、通常は必要である。

本発明は、特に電池の高効率及び長寿命によって特徴付けられた、空気電池、関連する運転方法、又はそれを装備する車両のための改善された実施形態を提供する問題に対処する。更に、変動する電力要求への電池の簡単な適応性が望まれる。

本発明によると、この問題は独立請求項の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

空気電池に関して、本発明は、金属アノードとカソードとを、アノード及びカソードの電解液側が電解液と作用し、カソードの空気側が空気と作用するように、電池のハウジング内に配置するという、一般的な思想に基づいている。これにより、高い電力密度を有しコンパクトな構造が得られる。好都合なことに、カソードが、一方では空気室内に位置する空気によって、他方では電解液室に位置する電解液によって作用されるようにするために、カソードが電解液室から空気室を分離するように、アノード及びカソードはハウジング内に配置されている。よってカソードは、電池の流体の作用媒体に直接さらされる。

カソードが中空の胴体を有する実施形態が好ましい。これは例えば、円筒形又は四角形であり得、よって丸い、例えば楕円形、卵形、又は円形の、又は多角形、例えば長方形、方形又は他の多角形の断面を有する。

好ましい実施形態によると、この点では、中空のカソードは、円周方向に電解液室を囲み、それ自身は円周方向に空気室によって囲まれている。アノードは中空のカソードの中に配置され、ハウジングが空気室を円周方向に囲んでいる。ここで、円周方向はカソードの縦方向の中心軸に関係する。これに関しては、アノードがカソードに対して、カソードの縦方向の中心軸とアノードの縦方向の中心軸とが互いに並列に、特に互いに同軸に走り、すなわち一致するように、アノードがカソードに関して配置される実施形態が特に有利である。この場合、アノードとカソードとの間の電解液室は、環状であり得る。カソードとハウジングとの間の空気室も、環状であり得る。この点で、本発明は、金属アノードを、電池のハウジングに配置された中空の円筒形のカソード内に配置するという、一般的な思想に基づいている。電解液室が、アノードとカソードとの間の半径方向に位置している。空気室が、カソードとハウジングとの間の半径方向に位置している。このため、非常にコンパクトな電池構造が得られ、その結果として高い電力密度が実現され得る。更に、この構造は、一方では電解液の、他方では空気の、特に好ましく流れを案内することが可能になる。したがって、ハウジングを通る空気路を備え、それが、空気室に流体的に接続されているハウジングの空気流入口から、空気室に流体的に接続されているハウジングの空気排出口まで通じている。空気供給デバイスの助けを借りて、空気路に沿って流れカソードに当たる空気流が、したがって生成され得る。更に、ハウジングを通る電解液路を備え、それが、電解液室に流体的に接続されているハウジングの電解液流入口から、電解液室に流体的に接続されているハウジングの電解液排出口まで通じている。電解液供給デバイスの助けを借りて、電解液路に沿って流れアノード及びカソードに当たる電解液流が、今度は生成され得る。ハウジング、空気室、カソード、電解液室、及びアノードが同軸に配置されているので、一方では空気路に沿った空気の、他方では電解液路に沿った電解液の、特に大容積の流れが実現され得るように、空気路及び電解液路の流れに対する抵抗を小さくすることが実現され得る。したがって、十分な酸素が、カソードに特に簡単に供給され得る。更にアノードでは、十分な未使用の電解液が供給され得、使用済みの電解液が排出され得る。この文脈において、流体が物体に「当たる」ということは、流体が正の圧力によって供給されるか、負の圧力によって吸引されるかに関わらず、それぞれの流体が当たられる物体に接触することを意味する。

更に、空気路に沿って流れる空気の流量が比較的大きな範囲で調整可能、すなわち可変であるように、空気供給デバイスを構成することが特に可能である。同様に、電解液の流量が比較的大きな範囲で調整可能、すなわち可変であるように、電解液供給デバイスは容易に構成され得る。このようにして、空気電池から利用され得る電力は、電解液流を変えることによって液的に、及び／又は空気流を変えることによって空気的に、特に容易に調整され得る。

中空のカソードには、その縦方向の中心軸に垂直な基本的には任意の断面、例えば丸い又は円筒形の断面、又は三角形、四角形、又は多角形の断面があり得る。好ましくは、それは円形の円筒形の断面である。

その縦方向の中心軸に垂直な基本的には任意の断面は、例えば円筒形又は多角形の断面のように、アノードにもあり得る。好ましくは、円形の円筒形の断面がここでは使用される。

同様のことがハウジングにも当てはまる。ハウジングも、基本的には任意の断面を有し得る。好都合なことに、それはカソードに対応して形成される。よって、ハウジングは、好ましくは丸い、特に円形の断面を有する円筒形である。代替として、多角形、すなわち複数又は多くの角を有する断面があり得る。

アノードは、固体のアノードを、例えば液体のアノードではなく固体のアノードを有するように、固形物として構成されている。この固体のアノードは、電池の運転中に消費されるので、これは消耗品のアノードである。

好ましい実施形態による空気電池は、アルミニウム空気電池として構成され、電解液にさらされアルミニウム合金を有する又はそれから成るアノード本体を、アノードは有する。

有利な実施形態によると、空気電池を運転するための制御デバイスを備え、それは一方では空気供給デバイスに、他方では電解液供給デバイスに、電気的に接続されている。制御デバイスは、空気電池における現在の電力需要に応じて、この電力需要に適合する空気流を生成するために空気供給デバイスを作動させ、及び／又はこの電力需要に適合する電解液流を生成するために電解液供給デバイスを作動させるように、構成され及び／又はプログラムされ得る。電解液及び／又は空気の流量を変えることによって、空気電池から利用され得る電力は変えられ得る。空気及び／又は電解液の流量は、比較的広い範囲において、比較的簡単にかつ比較的すばやく変えられ得るので、空気電池から利用され得る電力は、ここで示された手順によって、比較的すばやく現在要求されている電力に適合させられ得る。特に、空気電池から利用され得る提供電力は、空気流及び／又は電解液流を減少させることによって、より低い電力需要に短い時間で適合させられ得る。それによって、空気電池の寿命を大きく伸ばすことができる。ここで示された電力制御又は電力調整は、液式又は液気体併用式で行われる。

特に、制御デバイスは、現在の電力需要を設定値として、かつ、空気電池の電気的又は直流電気的電力接続において測定された電力を実際の値として、考慮して、電力制御を実現し得る。設定値と実際の値との比較によって、それに応じて、制御デバイスは、電解液及び／又は空気に流量を割り当て得る。

他の有利な更なる改良によると、前記制御デバイスは、現在の電力需要に応じて、この電力需要に適合する電解液流を生成するために前記電解液供給デバイスを作動させ、かつ、この電力需要に適合する空気流を生成するために前記空気供給デバイスを作動させるように、構成され及び／又はプログラムされ得る。言い換えると、前記制御デバイスは、最初に第１ステップにおいて、現在の電力需要に必要な電解液の流量を求め、それに応じて前記電解液供給デバイスを作動させる。第２ステップにおいて、これは上述の第１ステップと半ば同時に起こり得るが、前記制御デバイスは、求められた電解液の流量に応じて、この目的のために必要な空気の流量を求め、それに応じて前記空気供給デバイスを作動させる。

他の有利な更なる改良において、前記制御デバイスは、前記空気電池を停止させるために、電解液を抜いて前記電解液路を空にするために前記電解液供給デバイスを作動させるように、構成され又はプログラムされることがあり得る。電解液路、特に電解液室をそのように空にすることによる結果として、空気電池におけるアノードと電解液との間の化学反応が完全に妨げられ、それによってアノードの分解又は溶解が大きく減少する。したがって、電池の寿命が長くなる。

他の有利な実施形態において、前記アノードは、その縦方向の中心軸について回転可能なように、前記ハウジングに取り付けられ得る。アノードがハウジングに関して回転可能であることによって、固定されたハウジングに関するアノードの回転が実現され得る。ここで、アノードはカソードに対しても回転する。カソードはハウジングに関して回転が固定されている。回転するアノードは、アノードの周りの電解液の流れを改善する。同時に、遠心力のおかげで反応生成物がアノードからよりよく切り離され得る。それが電気分解に利用可能なアノードの表面積を増大させる。

アノードがハウジングに回転可能に配置されているならば、例えば電気モーターによる、対応する回転駆動装置を、アノードを回転させるために基本的に備え得る。代替として、アノードは、アノードの回転が電解液路における電解液を駆動するように構成されているということがあり得る。これによりアノードは更なる機能を獲得している。ここで、前記アノードは、前記電解液室にさらされているその外側に、前記アノードが回転するときに前記電解液を駆動する流れガイド構造を有するという更なる改良が特に有利である。特に、らせん状に（スクリュー状に）配置された回転ブレードが考えられる。

他の実施形態によると、前記アノードは、前記電解液流によって、すなわち、液によって駆動されることがあり得る。この目的のために、前記電解液路は、前記電解液流が前記アノードを回転駆動するように、前記アノードのそばを通り過ぎて案内される。よって、電解液流の運動エネルギーが、アノードを回転させるために利用される。よって、エネルギーを消費する余分な電動駆動装置なしで済ますことができる。

有利な更なる改良によると、前記電解液流入口は、前記電解液室の第１端部領域において前記電解液室に対して接線方向に配置され得、前記電解液排出口は、前記電解液室の第２端部領域に、特に軸上に、配置されている。電解液流入口と電解液排出口とが離れて配置されているので、電解液が電解液室の軸上をほぼ貫流することが実現される。電解液流入口が接線方向に配置されているので、旋回流とも呼ばれ得るらせん状の（スクリュー状の）貫流が電解液室において得られる。表面摩擦により、旋回流はアノードの回転運動をもたらす。この場合の接線方向の配置は、カソードの縦方向の中心軸に垂直になっている、空気室又はカソードの断面において見られ得る。

付加的に又は代替として、前記アノードは、前記電解液室にさらされているその外側に、前記アノードが前記電解液流に当たられているときにトルクを前記アノードに伝える流れガイド構造を有し得る。よって、電解液流の運動エネルギーがアノードの駆動のために使用され得る。

対応する電解液の流量によって、反応生成物がアノードから切り離されることを可能にする十分な遠心力が生成されるほど高い速度であるように、特に選択され得る比較的高い回転速度で、アノードの回転が生じ得る。例えば、毎分３００回転までの回転速度が考えられる。

ハウジングは、実質的に、絶縁され、又は電気的に絶縁された物質、例えば合成樹脂から製造されている。ハウジングにおけるアノードの配置は、有利なことに、電池の使用時の状態において、アノードの縦方向の中心軸が、よって更にカソードの縦方向の中心軸が、垂直方向に伸びるように、行われる。

他の有利な実施形態によると、前記アノード又はアノード本体は、円筒形に構成され得、機械的かつ電気的に金属製の支持プレートに接続され得る。この設計によると、アノードはハウジングにより簡単に、例えばカソードと同軸に、配置され得る。

有利な実施形態によると、特に円形の前記支持プレートは、前記アノードの縦方向の中心軸について回転可能なように、アキシャル軸受を介して前記ハウジングに取り付けられ得る。よって、アノードは、その支持プレートの領域において、ハウジングに回転可能に取り付けられる。支持プレートは、アノードとは異なる金属から作られ得る。その結果、支持プレートの領域における適切な取り付け具の設計が簡単になる。アキシャル軸受によって、軸方向の力がアノードとハウジングとで特に簡単に支持され得る。アキシャル軸受は、電池の運転状態において頂上に配置される、ハウジングの端部の軸面上に配置され得る。

他の更なる改良において、前記空気電池のアノード側の直流電力接続部は、電気的な陰極を表すのであるが、前記アキシャル軸受の上に形成され得る。アキシャル軸受は、ハウジングに強固に接続されている領域を有し、それは固定領域としても表わされ得るが、それは特にアノード側の電力接続を形成するのに適している。このため、アノード自身はハウジングに対して回転可能であるが、前記アノード側の電力接続は固定されている。これによって、電池における電力の取り出しが簡単になる。

他の更なる改良によると、前記アキシャル軸受は、スライディング軸受として構成され得、ハウジング側の環状ベアリングシェル内にあるスライディングメタルリングを有し、その上において前記支持プレートが支持され、その上において前記支持プレートが、前記アノードが回転するときにスライドする。アキシャル軸受をスライディング軸受として構成することによって、支持プレートとアキシャル軸受又はスライディングメタルリングとの間で比較的大きな接触面積を実現することができ、これがアノードとアキシャル軸受との間の動力伝達を簡単にする。

前記スライディングメタルリングが、スライディングメタル合金で構成された環状体と、前記環状体内に配置され、それによって前記環状体が加熱され得る、少なくとも１つの好ましくは金属製の加熱導体とを有する実施形態が、特に有利である。環状体を加熱することによって、スライディングメタルリングと支持プレートとの間の動力伝達が改善され得る。

前記加熱導体が前記環状体を、前記スライディングメタル合金の融点より低いが、前記環状体に表面溶融が生じる程度に前記スライディングメタル合金の融点に近い、所定の運用温度に加熱するように、前記加熱導体の電源が構成されている更なる改良が、特に有利である。この場合、スライディングメタル合金は、その融点が例えば５０℃と３００℃との間にあり得る低融点合金である。所定の運転温度は、融点より例えば１０％から３０％低く、特に融点よりおよそ４０℃低い。このようにしてもたらされた表面溶融によって、スライディングメタルリングの表面に液体金属被膜が形成され、その上で支持プレートが液軸受風になめらかに滑る。一方で、これは支持プレートとスライディングメタルリングとの間の摩擦を大きく減少させる。他方では、液体金属被膜によって大きく改善された電気的接触が実現される。例えば、互いに接触している面の酸化層の形成が、液体金属被膜において減少し得る。ここで示された構成の結果、支持プレートとアキシャル軸受との間の非常に低損失な電気的接触が実現され得、それによって強い電流が低電圧で実現され得る。

加熱導体の電源の制御は、その助けで所望の運転温度が環状体において調整され得るのであるが、例えば温度計測によって達成され得る。それぞれの加熱導体をＰＴＣ素子と直列に接続することが同様にあり得る。ＰＴＣは正の温度係数を表す。この場合、それぞれのＰＴＣ素子は所望の運転温度に調整されている。このようにして、それぞれの加熱導体の自己調節する加熱が、大きな電子機器に大きな経費をかけることなく行われ、これによって、環状体が特に所定の運転温度に加熱され得る。

それぞれの加熱導体の電源は、実際にはアノードとアノード側の直流電流接続との間の電流経路に組み入れられ得る。

他の有利な実施形態において、前記空気供給デバイスは、前記空気流入口の上流に、前記空気流における酸素の割合を増加させる濃縮デバイスを有し得る。よって、運ばれた酸素に関しての空気流の濃縮がおこなわれ、それがしたがってカソードにおける電解液の機能を向上させる。そのような濃縮デバイスには、例えば適切なフィルター膜又は適切な分子ふるいが装備され得る。それによって、一方の側では窒素の割合が増加し、酸素の割合が減少し、他方の側では窒素の割合が減少し、酸素の割合が増加する。例えば、そのような濃縮デバイスの助けを借りて、自然の酸素含有量は空気中のおよそ２０％から９０％以上に増加し得る。

もし定期的に再生される必要があるフィルター媒体が使用されるならば、少なくとも１つの濃縮ユニットによる酸素の割合の増加が、同時にもう１つの濃縮ユニットが再生されている間に、連続的に行われるように、濃縮デバイスは２つ以上の濃縮ユニットを有する。

他の有利な実施形態において、電解液供給デバイスは、往路及び復路を有する電解液回路を有し得る。往路は電解液タンクから電解液流入口に至り、復路は電解液排出口から電解液タンクに至る。そのような閉じた電解液回路を使用することによって、電解液は永久に使用され得る。特に、電解液路を流れる間に電解液が完全には使用できない訳ではないほどの、電解液のより大きな流量がよって可能である。

有利な更なる実施形態によると、電解液を駆動する往路ポンプが往路に配置され得る。例えば、往路ポンプによって、電解液路を案内される現在の電解液流量が、調整され得る。

他の実施形態において、電解液を駆動する帰路ポンプが帰路に配置され得る。帰路ポンプは、電解液を電解液排出口から電解液タンクに運ぶために使用される。特に、電解液室又は電解液路を空にするためにも、例えば電解液回路の制御可能な換気及び抜き取りとともに、帰路ポンプは使用され得る。

他の実施形態において、反応生成物を前記電解液から取り除く電解液清掃デバイスが前記帰路に配置され得る。そのような電解液清掃デバイスは実際には帰路ポンプの下流に配置され、例えば膜を有する遠心分離機として構成され得る。電解液清掃デバイスの助けにより、調整された電解液が電解液室に再び供給され得るように、電解液室から来る電解液の調整が実現され得る。このため、電解液の消費が最小化される。

他の有利な実施形態において、気体を前記液体電解液から取り除く気体分離デバイスが前記帰路に配置され得る。空気電池における電気分解反応の間、気体、特に水素が生成され得る。例えば電気分解の作用の効率を向上させるために、液体電解液から気体が分離されなければならない。特に、電解液における泡の形成も避けるべきである。気体分離デバイスは、例えばノズルを用いて動作し得る。その結果、比較的簡単に分離され得る特に大きな気体の気泡が生成される。

有利な更なる改良によると、前記気体分離デバイスは、前記分離された気体の化学エネルギーを電気エネルギー及び／又は熱エネルギーに変換する変換デバイスに、気体ラインを経由して、流体的に接続され得る。よって、廃棄物としてもたらされた気体の化学エネルギーが、空気電池の全体のエネルギー効率を向上させるために利用され得る。

有利な更なる改良によると、前記変換デバイスは、例えばプラチナの網を有する触媒燃焼器であり得る。気体水素が空気中の酸素と反応して水に変換される。このときに生成された熱は、電池を加熱するために利用され得る。これの代替として、水素ガスが酸素ガスと反応して電流及び熱に変換される水素−空気燃料電池によって、変換デバイスは形成され得る。熱はブロックを加熱するために再び利用される。電気エネルギーも、空気電池内で利用され、又は追加の電力として利用され得る。好適な水素−空気燃料電池が、低温度燃料電池又はＰＥＭ燃料電池として構成され得る。ＰＥＭは、水素イオン交換膜（proton exchange membrane）を表す。基本的には、高温燃料電池として、特にＳＯＦＣ燃料電池としての実施形態もあり得る。ＳＯＦＣは、固体酸化物燃料電池（solid oxide fuel cell）を表す。

変換デバイスと残りの空気電池との間の伝熱は、例えば電解液回路に適切に組み込まれた熱交換器の助けを借りて行われ得る。過剰な熱も、この熱交換器の助けを借りて電解液から取り出され得る。その熱は、電気分解反応を促進するために、アノード及び／又はカソードの加熱に特に利用され得る。

他の有利な実施形態において、前記空気流入口は、前記空気室に対して接線方向に配置され得る。加えて又は代替として、前記空気排出口は、前記空気室に対して接線方向に配置され得る。空気流入口又は空気排出口の接線方向の配置は、空気室内に空気流を螺旋状に、すなわち旋回流として形成するために使用され得る。その結果、空気室内における空気流の滞在時間を延ばすことが実現される。このため、空気流とカソードとの間の酸素の移動が改善される。

他の有利な実施形態によると、前記アノードを加熱する誘導加熱装置を備え得る。そのような誘導加熱装置は、例えば、静止した、空間的に均一ではない電磁界をアノードの領域において生成する少なくとも１つの誘導コイルによって動作する。この電磁界の中でアノードを動かす又は回転させることによって、アノードに、特に電解液室に面する壁領域に、熱が引き起こされ、これが電気分解反応を大きく改善する。

それぞれの前記誘導加熱装置は、前記カソードの領域に配置され得る。その結果、特にコンパクトな設計が実現され得る。誘導加熱の助けを借りて、アノードは、特に電解液室に面する壁領域において、加熱され得る。このため、実際に反応が行われる区域を加熱するためには比較的小さなエネルギーしか必要でない。反応が行われる区域における温度の上昇は、空気電池のエネルギー効率を向上させる。

本発明による電池システムは、上述のタイプの複数の空気電池を有し、前記電池の空気路を通るそれぞれの空気流を生成する共通の空気供給デバイス、及び／又は、前記電池の電解液路を通るそれぞれの電解液流を生成する共通の電解液供給デバイス、及び／又は、前記電池を運転する共通の制御デバイスを有することを特徴とする。ここで、電池は、それらの空気路及び／又はそれらの電解液路と直列又は並列に、流体的に接続され得る。この設計により、効率のよい電池システムの実現が容易になる。特に、共通の空気搬送デバイスが複数の電池のために利用され得る。加えて又は代替として、電解液搬送デバイスが複数の電池のために利用され得る。加えて又は代替として、電池システムの制御又は調整も、共通の制御デバイスが複数の電池のために利用され得るので、簡単になる。

本発明による車両は、好ましくは路上走行車であり得るが、電気モーターによる駆動装置を有し、少なくとも１つの上述のタイプの空気電池、又は上述のタイプの電池システムを装備している。前記車両は、特に、前記各空気電池又は前記電池システムにバッファなしで結合されている、前記車両の電動駆動装置の電力供給のための電力機器によって特徴付けられている。電気的にバッファされていない結合は、電気エネルギー蓄積ユニットが中間において接続されていない、すなわち、特に蓄電池が中間において接続されていない、直接的な電気接続に対応する。本発明はよって、車両に関して、例えば蓄電池のような付加的な電気エネルギー蓄積装置が中間において接続されることが省かれ得るように、電動駆動装置の電力供給のために各空気電池を直接利用するという一般的な思想に基づいている。

本方法に関して、本発明は、前記空気電池の電力出力に、液式又は液気体併用式の、電力制御又は電力調整をするという一般的な思想に基づいている。言い換えると、空気電池の電力制御又は電力調整は、前記電解液及び／又は前記空気の流量の特定の変化によって達成される。そのような液式又は液気体併用式の、電力調整又は制御は、例えばファン及び／又はポンプのような従来の構成要素で特に簡単に達成され得る。

よって、有利な実施形態によると、前記電解液流を適合させるために、少なくとも１つの電解液搬送デバイス、例えば適切なポンプが、その搬送能力を増加又は減少するように適切に作動させられるということがあり得る。付加的に又は代替として、前記空気流を適合させるために、少なくとも１つの空気搬送デバイス、例えば適切な送風機が、その搬送能力を増加又は減少するように適切に作動させられるということがあり得る。

本発明の他の局面又は他の有利な実施形態に対応して、前記アノードは、ナトリウムの母材の中にアルミニウム合金の粒子を含んでいるアノード本体を有し得る。水を含む電解液に関連して、ナトリウムが水と接触すると、激しい反応が通常生じるが、それはこの場合アルミニウム粒子によって安定化される。それにもかかわらず、アノード又はアノード本体のそれぞれの電解液への溶解性は実現され、これによって、大きな電力出力が可能になる。

粒子が、１０μｍから１００μｍまでの粒子サイズ、好ましくは４０μｍから６０μｍまでの粒子サイズを有する実施形態が好ましい。粒子がおよそ５０μｍの粒子サイズを有する実施形態が特に有利である。選択された粒子サイズによって、比較的大きな表面積がアルミニウム合金に得られ、それが望ましい電気分解反応に有利である。

他の有利な実施形態において、アノード本体における粒子の割合は、４０％から８０％まで、好ましくは６０％から７０％までの範囲にあり得る。この場合、アノード本体における粒子の割合がおよそ６５％である実施形態が特に有利である。上述のパーセンテージの情報は、重量パーセントに基づいている。アノード本体の残りの割合は、ナトリウム母材によって構成されている。６５％の粒子割合において、よって、母材はアノード本体内で３５％の割合を有する。

アルミニウム合金がジルコニウムを含む実施形態が特に重要である。ジルコニウムをアルミニウムに混ぜて合金にすることによって、電解液にさらされているアノードの表面上におけるパッシブ層の形成が、水素の形成が望まれず同時に通り抜けのための過電圧（Durchtrittsueberspannung）による損失が大きく減少する程度に、防止され得る。アノード表面における電気分解は、通り抜けのための過電圧を規定するアノード表面のパッシベーションにつながる。パッシブ層が大きくなるほど、パッシブ層を突き抜けるのに必要な通り抜けのための過電圧が高くなる。ジルコニウムを加えることによって、パッシブ層の形成が低減され得、それが通り抜けのための過電圧を低下させる。ジルコニウム混ぜて合金にすることによってパッシブ層の形成は完全には抑制されない、ということは重要である。アルミニウムの場合、パッシブ層がなければ、アルミニウムは水と接触すると分解して水素を形成する、という結果となるであろう。しかしながら、電解液においてそのように水素が激しく形成されることは、空気電池内においては望ましくない。

有利な更なる改良によると、アルミニウム合金は０．０１％から１．００％までのジルコニウムを含み得る。０．０５％から０．８０％までのジルコニウムの含有量が好ましい。およそ０．５％のジルコニウムの含有量が特に有利である。特に、アルミニウム合金の残りは、通常の避けることのできない不純物以外は、アルミニウムによって形成されている。ここでも、パーセンテージの情報は、重量パーセントに基づいている。

そのようなアノードを製造するために、アルミニウム合金を有する粒状の材料がナトリウム溶融物の中に投入され、ナトリウム溶融物を有するアノード又はアノード本体が、そこに投入されたアルミニウムの粒状の材料とともに鋳造される、という方法が更に提案されている。特に、棒状の円筒形のアノード本体がしたがって得られる。

本発明の更なる独立した局面、又は他の有利な実施形態によると、上述の空気電池用の電解液は、酸の水溶液又はアルカリの水溶液によって形成され得、それは少なくとも１つのハロゲン及び少なくとも１つの界面活性剤を含む。好ましいのはアルカリの水溶液である。ハロゲンを加えることによって酸又はアルカリの溶液がそれぞれの金属アノードのパッシブ層をよりよく突き抜けることができるので、それぞれのハロゲンの助けを借りて、アノード表面における化学反応が改善され得る。界面活性剤はアノード表面における電解液との電子の交換を改善するので、それぞれの界面活性剤を加えることによって、電気化学反応が改善され得る。更に、界面活性剤は、反応中に形成された気体の溶解に改善をもたらし、それが同様に電気化学反応を改善する。

有利なことに、それぞれの酸又はアルカリの溶液は、水において１０％から４０％までの割合を有する。２０％±５％の酸又はアルカリの溶液が好ましい。この場合のパーセンテージの情報も、重量パーセントに関係している。

有利な実施形態によると、ハロゲンは酸又はアルカリの溶液内において、０．１％から４％まで、好ましくは０．５％から２％までの割合になり得る。この情報も、重量パーセントに関係する。好ましくは、ハロゲンは、フッ化物、特に五フッ化カリウムアルミニウムである。

他の実施形態において、酸又はアルカリの溶液は、０．１％から２％までの濃度、好ましくは０．２％から１％までの濃度の界面活性剤を含み得る。好ましくは、界面活性剤はラウリル硫酸ナトリウムである。

更なる重要な特徴及び本発明の有利な点が、従属項、図面、及び関連する図の説明から、図面を参照することによって得られる。

上述の及び以下で説明されるべき特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、述べられたそれぞれの組合せにおいてのみではなく、他の組合せにおいて又はそれら単独でも使用され得る、ということが理解されるべきである。

本発明の好ましい例としての実施形態が、図面に示され、以下の明細書においてより詳細に説明される。同一の参照符号は、同一の、類似の、又は機能的に同一の構成要素を参照する。

空気電池の大きく簡略化された図による表現を、回路図の形で周辺の構成要素なしで示す。 周辺の構成要素とともに図１と同様の図を示す。

図１及び２に対応して、空気電池１は、好ましくはアルミニウム空気電池であり、電気的に絶縁され好ましくは電気的絶縁材料、例えばプラスチックで構成されるハウジング２を有する。示された例におけるハウジング２は、円筒形の容器として構成されており、円筒形シェル３と、板状の、特に円形の、底部４とを有する。以下では電池１とも略記される空気電池１の設置状態又は動作準備のできた状態において、ハウジング２は、ハウジング２の縦方向の中心軸５が実質的に垂直方向に向くように、すなわち、図１において矢印で示されている重力６の方向に実質的に平行であるように配置される。電池１は、少なくとも１つの中空の円筒形カソード７を更に有し、これは、特に好ましくは、電池１の動作準備のできた状態においてカソード７の縦方向の中心軸８が実質的に重力６と平行に伸びるように、ハウジングに配置される。示された例において、ハウジング２及びカソード７は、２つの縦方向の中心軸５，８が一致するように、同軸にかつ互いに同心に配置される。カソード７は、ハウジング２において空気室９を電解液室１０から分離する。カソード７は、通常は多孔質材料で構成されており、その結果、大きな表面積が、空気に含まれるガス状の酸素と接触することを可能にする通常は液体の電解液に利用可能となる。例えばカソードは、透過膜で形成され、又はそのような膜を有する。

例において、カソード７は、
カソード７の円周方向に内部を囲む中空の胴体を有する。この内部は電解液１０を形成する。カソード７は、好ましくは中空の円筒形であり、円筒形の、好ましくは円形の円筒形の断面を有する。例えば、三角形、四角形、特に長方形及び正方形、五角形の又は一般的に複数角の又は多角形の断面のような、他の断面形状もあり得る
更に、電池１は、少なくとも１つの金属製のアノード１１を有し、これは電解液室１０内に配置される。例では、アノード１１は、縦方向の中心軸１３を有する円筒形のアノード本体１２を有し、カソード７と同軸に、特にカソード７に同心に配置される。したがって、ここで縦方向の中心軸５，８，１３は一致する。アノード１１は、固体のアノードとして、又は電池１の運転中に分解又は消費される固体材料のアノードとして、好ましくは構成される。

例におけるように、ここでもし、それ自身が円筒形のハウジング２内に配置された円筒形の中空のカソード７内の円筒形のアノード１１が使用されると、電解液室１０及び空気室９はほとんど環状になり、同心の配置が好ましい。

図１において矢印によって示されている空気路１４がハウジング２を通っており、空気路１４は、ハウジング２の空気流入口１５を、ハウジング２内で空気室９を通って、ハウジングの空気排出口１６に流体的に接続する。更に、図１において矢印によって示されている電解液路１７がハウジング２を通っており、電解液路１７は、ハウジング２の電解液流入口１８を、電解液室１０を通って、ハウジング２の電解液排出口１９に流体的に接続する。

更に、電池１には空気供給デバイス２０が装備されており、その助けにより、電池１の動作のために空気流が生成されることが可能であり、これが、電池１の動作中に空気路１４を流れ、それによってカソード７に作用する、すなわち、カソード７に当たって流れ又はその周りを循環する。更に、電解液供給デバイス２１が設けられており、その助けにより、電池１の動作のために電解液流が生成されることが可能であり、これが、電池１の動作中に電解液路１７を流れ、それによって一方ではアノード１１に他方ではカソード７に作用する、すなわち、アノード１１に当たって流れ又はその周りを循環する。

図２によると、電池１の動作のために制御デバイス２２が、例えば制御ユニットの形で設けられている。制御デバイス２２は、空気供給デバイス２０及び電解液供給デバイス２１に、例えば適切な制御線２３によって、電気的に接続されている。制御デバイス２２は、更に、適切な信号線２４によって、ここではより詳しくは示されていない電池１のセンサシステムに電気的に接続され得る。電気エネルギーを供給するために、電池１が一次システムにおいて、特に車両において使用されていれば、制御デバイス２２は、システム又は車両の現在の電力要求を知ることができるように、そのような制御線２４を経由してここでは示されていないシステム又は車両の制御に更に接続される。この現在の電力要求は、電池１への現在の電力需要に対応する。

制御デバイス２２は、空気供給デバイス２０が、現在の電力需要に適応する空気流を生成するように、及び／又は、電解液供給デバイス２１が現在の電力需要に適応する電解液流を生成するように、電池１における現在の電力需要に応じて、空気供給デバイス２０及び電解液供給デバイス２１を駆動するように、現在、構成又はプログラムされている。好ましくは、制御デバイス２２の構成又はプログラミングは、最初に第１ステップにおいて、現在の電力需要に応じて、前記電力需要に適する電解液流を、例えば特性曲線若しくは特性マップによって、又は適切な計算式によって求め、次に電解液供給デバイス２１が求められた電解液流を生成するように、電解液供給デバイス２１を駆動するようなやり方で行われる。第２ステップにおいて、これは擬似的に平行して行われ得るのであるが、制御デバイス２２は、求められた電解液流に必要な空気流を、同様に特性曲線若しくは特性マップによって、又は適切な計算式によって求め得る。その後、求められた空気流を生成する空気供給デバイス２０を、制御デバイス２２が駆動し得る。

よって、制御デバイス２２は、電池１の、液式又は液気体併用式の、電力制御又は電力調整を可能にする。電力需要が増加する場合、電解液及び空気の流量が適切に増加する。これとは対照的に、電力需要が減少する場合、電解液及び空気の流量が適切に減少する。したがって、電池１の消耗、すなわち、アノード１１の溶解が最小限に抑えられる。このため、電池１は、比較的長い寿命を有する。

更に、制御デバイス２２は、例えば電池１を停止させるために、電解液室１０又は電解液の電解液路１７の全体を空にするように、電解液供給デバイス２１を駆動するようプログラム又は構成され得る。これは更にその後、適切な中性又は不活性の排出媒体で排出することによって行われ得る。

特に図１から明らかなように、アノード１１は、好ましい実施形態によると、その縦方向の中心軸１３に関して回転可能に、ハウジング２に取り付けられ得る。対応する回転運動が、回転矢印２５によってこの図に示されている。アノード１１の回転運動によって、アノード１１と電解液との間の接触がよくなり、これが電流生成のための電解液の反応を向上させる。同時に、適切な回転速度でのアノード１１の回転は、反応生成物をアノード１１から引き離すことを可能にし得る遠心力を生成し得る。これは、電解液反応の効率を同様に向上させる。アノード１１又はそのアノード本体１２は、金属製の支持板２６に配置され、それに機械的及び電気的に接続されている。これに関しては、支持板２６はアノード１１の範囲の一部としても見なされ得る。支持板２６は、アキシャル軸受２７によって、アノード１１の縦方向の中心軸１３に関して回転可能にハウジング２上に取り付けられている。この端部のアキシャル軸受２７は、底部４から離れたハウジングシェル３の端面２８に配置されている。

電池１は、２つの直流の又は電力接続２９，３０、言い換えると、アノード１１に電気的に接続されている負端子を表す第１電力接続２９と、カソード７に電気的に接続されている正端子を表す第２電力接続３０とを有する。

ここで示される好ましい例において、アノード側の直流電力接続２９は、アキシャル軸受２７上に、又はそこに固定して接続されており、その結果、ハウジング２に関して位置が固定されており、静止せず回転するアノード１１とは対照的に、静止して回転が固定されている。

アキシャル軸受２７は、基本的に転がり軸受として構成され得る。しかし、好ましいのは、アキシャル軸受２７が滑り軸受として構成されている実施形態である。特に、この端部のアキシャル軸受２７は、スライディングメタルリング３１と、環状のベアリングシェル３２とを有し得る。ベアリングシェル３２は、ハウジング２上に固定して配置されている。スライディングメタルリング３１は、ベアリングシェル３２に挿入されている。このために、この例のベアリングシェル３２は、軸方向に開いた環状溝３３を有している。スライディングメタルリング３１は、環状溝３３に入っている。支持板２６は、スライディングメタルリング３１の上で支持されており、その上を電池１の動作中に摺動することが可能である。スライディングメタルリング３１は、摺動合金からなる環状体３４と、環状体３４に配置されている少なくとも１つの金属発熱導体３５とを有する。発熱導体３５の助けにより、環状体３４が加熱され得る。ここでは図示されていない発熱導体３５の電源は、発熱導体３５が環状体３４を所定の動作温度まで加熱するように、構成され得る。所定の動作温度は、一方では摺動合金の融点より下にあり、しかし他方では摺動合金の融点に非常に近いので環状体３４には表面溶融が生じる。例えば、動作温度は、摺動合金の融点より約１０％〜２０％低い。摺動合金として、２５０℃〜３００℃の最大融点を有する低融点の合金が便宜的に用いられる。環状体３４を所定の動作温度まで加熱することによって、環状体３４上の前記表面溶融が生じ、外側に位置する環状体３４の表面が、少なくとも支持板２６の領域において融解する。一方では、これは非常に低摩擦の液式の滑り軸受となる。他方では、これによってスライディングメタルリング３１と支持板２６との間の電気的接触が著しく改善され、その結果、低電圧で大電流が伝送され得る。

上述の発熱導体３５の電源は、環状体３４において所望の動作温度を調整するために、例えば温度センサを併用して、制御デバイス２２の助けを借りて制御又は調節され得る独立した電源によって実現され得る。簡単化された場合には、電源は、また、適切な点で発熱導体３５と直列に接続された少なくとも１つのＰＣＴ素子の助けを借りて実現され得る。特に、発熱導体３５を、適切な場合には各ＰＣＴ素子を含めて、支持板２６とアキシャル軸受３２との間の電流パスに、並列して導入することも可能である。

同様にここに示される他の有利な実施形態によると、電解液路１７は、電池１の動作中の電解液流が回転可能に取り付けられたアノード１１を回転駆動するように、アノード１１又はアノード本体１２を通り過ぎるように案内される。このために、電解液流入口１８は、電解液室１０に対して接線方向に向くように配置され得る。したがって、電解液の電解液室１７への流入は、カソード７の近くで起こる。更に、電解液流入口１８が、電解液室１０の第１端部領域に、ここでは底部４から遠位に又は取り付け状態での頂部に、配置され、電解液排出口１９が、第１端部領域から離れた電解液室１０の第２端部領域に配置されるということが、規定され得る。図１の例において、又は取り付け状態において、電解液排出口１９は、底部４の近くに、すなわち底部に配置される。示された例において、電解液排出口１９は更に、軸方向を向き、底部４を貫通する。電解液室１０の反対側の軸端に電解液流入口１８と電解液排出口１９とが配置されていることにより、電解液が電解液室１０を軸方向に貫流するようになる。電解液流入口１８が接線方向に向くように配置されていることにより、電解液室１０に旋回流又は螺旋流が生成され、これが、摩擦効果のためアノード１１を回転駆動する。しかし、電解液室１０内の旋回流は、電解液室１０内の電解液に、比較的長い滞留時間を有する比較的高い流速をも可能にする。

例において、アノード１１又はアノード本体１２には、電解液室１０に露出した外側３６において、流れ案内構造３７が装備されている。ここで、流れ案内構造３７は、アノード１１が電解液流に衝突されるときにアノード１１にトルクを伝達することができるように、構成されている。よって、流れ案内構造３７は、電解液流の運動エネルギーを、アノード１１を駆動するために利用する。流れ案内構造３７は、例えば螺旋状の羽根又は羽根の断片によって形成されている。流れ案内構造３７は、ここでは接線方向に向く電解液流入口１８に対して累積的に設けられているが、それに対して選択的にも設けられ得る。

上述の例では、適切な方法で生成された電解液流がアノード１１を回転駆動するために利用されるが、他の実施形態によると、アノード１１の回転を電解液の駆動のため、すなわち、電解液流の生成のために使用することも行われ得る。このために、図２において破線で示されている回転ドライブ５６を備えることが可能であり、これはアノード１１を回転駆動する。例において、回転ドライブ５６は、例えば電気モーターであり得るが、アノード本体１２を支持する支持板２６を駆動する。この場合、流れ案内構造３７は、軸流機械の動く羽根のように、例えばプロペラのように動作する。この場合の駆動されるアノード１１は電解液搬送デバイスを形成する。制御デバイス２２は、要求に応じて回転ドライブ５６を作動させることができるように、適切な制御線２３を経由して回転ドライブ５６に電気的に接続され得る。

図２によると、空気供給デバイス２０は、空気流入口１５の上流に濃縮デバイス３８を有し得る。その助けを借りて、空気流中の酸素の割合が増加され得る。濃縮デバイス３８は、適切なフィルター構造、特に膜等によって、動作し得る。したがって、濃縮デバイス３８の下流の空気流は、濃縮デバイス３８の上流の空気流と比べて酸素の割合が非常に高くなっている。排気ライン３９によって、酸素の割合が適切に低下した、又は窒素の割合が上昇した空気流が、濃縮デバイス３８から排出され得る。この場合の空気供給デバイス２０は、空気流を駆動又は生成する送風機４０を更に有する。送風機４０は、制御デバイス２２によって作動させられ得る。更に、ここでは示されていない「普通の」エアフィルターが、空気供給デバイス２０に含まれ得る。それによって、液状又は固体の汚染物質が空気から濾過して除去され得る。

図２による電解液供給デバイス２１には、往路４２と帰路４３とを有する、電解液の閉回路４１が装備されている。往路４２は、電解液を貯蔵する電解液タンク４４を電解液流入口１８に流体的に接続する。往路４２には、制御デバイス２２の助けを借りて作動させられ得る往路ポンプ４５が配置されている。帰路４３は、電解液排出口１９を電解液タンク４４に流体的に接続し、かつ、制御デバイス２２の助けを借りて作動させられ得る帰路ポンプ４６を含んでいる。この場合の往路ポンプ４５及び帰路ポンプ４６は、電解液搬送デバイスを形成している。

帰路４３において、電解液清掃デバイス４７が帰路ポンプ４６の下流に更に配置されており、その助けを借りて反応生成物が電解液から除去され得る。よって、清掃された又は消費されていない電解液が電解液タンク４４に供給され得るように、電解液清掃デバイス４７内で電解液の状態の調整が行われる。電解液清掃デバイス４７は、例えば遠心分離機として、特に膜とともに、構成され得る。ここで、遠心分離機は、電解液流の運動エネルギーによって駆動される、帰路ジェット遠心分離機として構成され得る。

帰路４３において、ガス分離デバイス４８が更に配置され得る。その助けを借りて、ガスが液状の電解液から分離され得る。例においては、ガス分離デバイス４８は、帰路ポンプ４６の下流又は電解液清掃デバイス４７の下流に配置される。分離されたガスは特に水素ガスであり、これは電解液の反応中に電解液室１０において生成される。ガス分離デバイス４８は、ガス分離を改善するために複数のノズルを有し得る。これらを通して液状の電解液が加圧される。ノズルが、液状の電解液からのガスの分離を簡単にする気泡の形成を増強するということが、証明されている。

ガス分離デバイス４８は、ガスライン４９を経由して、変換デバイス５０に流体的に接続されている。その助けを借りて、分離されたガスの化学エネルギーが電気及び／又は熱エネルギーに変換され得る。変換デバイス５０は、可燃性のガスが、熱を生成するために発熱を伴って変換され得るように、例えば触媒による燃焼装置である。代替として、変換デバイス５０は、水素−空気燃料電池であり得る。これは、分離された水素ガスを、空気中の酸素の助けを借りて熱及び電気エネルギーに変換する。分離されたガスから、変換デバイス５０の助けを借りて変換されたエネルギーは、矢印５１に従って、電池１又はそれぞれの一次システム、すなわち特に車両に、供給される。

更に、熱交換器５５が帰路４３に配置され得る。その助けを借りて、送り返された電解液が冷却され得る。その工程において放出される熱は、電解液室１０内の反応区域、又は電池１の一次システム、特に車両、のいずれかに供給される。図２の例において、熱交換器５５は、ガス分離デバイス４８と一体化されている。

図１によると、空気室９内での空気流の滞在時間を増加させるために、少なくとも空気流入口１５を、空気室９の接線方向に向くように配置することが行われ得る。更に、空気流入口１５及び空気排出口１６は、空気室９の互いに離れた端部に配置される。ここで、電解液路１７と空気路１４とに対していわゆるカウンターフロー原理が実現されるように、電解液路１７と比べて反転した配置が好ましい。したがって、この例における空気流入口１５は底部４の近傍に配置され、空気排出口１６は底部４からは離れて配置される。

アノード１１又はアノード本体１２を加熱するために、例えばカソード７の領域に配置される誘導加熱装置５７を、備え得る。誘導加熱装置５２の助けを借りて、アノード１１又はアノード本体１２は無接点で加熱され得るが、他方では加熱は特に電解液室１０に面し電解液流にさらされてもいる外側３６の領域において生じる。よって、加熱は、電解液反応を向上させるために温度を上昇させることが望まれるところで特に生じる。誘導加熱装置５２は、特に、円周方向に磁極を交互に有する電磁界が生じるように構成されており、これはアノード１１又はアノード本体１２の所望の表面加熱に対するアノード１１の相対的な動きにおいてのみ誘導によって生じる。この場合のアノード１１の相対的な動きは、アノード１１の、その縦方向の中心軸１３についての回転によってもたらされる。誘導加熱は回転速度で制御され、アノード１１の回転速度は電解液の流量に依存する。

ここで示される好ましい例においては単一のカソード７のみ及び単一のアノード１１のみがハウジング２に配置されているが、他の実施形態において、複数のカソード７及び複数のアノード１１を、同じハウジング２に配置することが示され得る。同じカソード７内に複数のアノード１１を配置することも同様に考えられる。

図２において包括的に示された電池システム５７は、上述のタイプの少なくとも２つの空気電池１を有するが、周辺のユニット又は構成要素は、共通して利用される。例えば、複数の電池１には、共通の空気供給デバイス２０によってそれぞれの空気流が供給され得る。更に、複数の電池１には、共通の電解液供給デバイス２１によってそれぞれの電解液流が供給され得る。特に、共通の制御デバイス２２が、複数の電池１又は電池システム５７を運転するために使用され得る。特に、個々の電池のための空気流又は電解液流を生成するための共通の供給デバイスが、使用され得る。これらの電池１は、電気的に直列又は並列に接続され得る。これとは独立して、これらの電池１の電解液路１７は、流体的に並列又は直列に配列され得る。例えば、共通の電解液回路４１が設けられ得るが、その中に複数の電池１が流体的に組み入れられており、例えば電解液クリーニングデバイス４７及び／又は気体分離デバイス４８のような、電解液回路４１のさらなる構成要素が共通に利用され得る。同様に、電池１の空気路１４は、流体的に並列又は直列に配列され得るが、例えば濃縮デバイス３８又は空気フィルターのような、空気供給デバイス２０の更なる構成要素もここでは共通して利用され得る。

電気モーターによる駆動装置を有する車両には、それぞれの電気モーターに電気エネルギーを供給するために、上述のタイプの少なくとも１つの電池又は上述の電池システム５７が装備され得る。ここで導入された電池１が、その液式又は液気体併用式の電力制御又は電力調整のため、原則としてバッファされておらず、特に重い蓄電池等が省かれるように、車両のそれぞれの電流消費部又は対応する電力システムに電気的に接続され得ることは、特に有利である。

そのような空気電池１又はそのような電池システム５７の運転のために、空気電池１又は電池システム５７の現在の電力需要に応じて、この目的に適した電解液流及び／又はこの目的に適した空気流が、それぞれの電池１のために生成されることが行われ得る。特に、電解液流を適合させるために、それぞれの電解液搬送デバイス、すなわち好ましくは電解液ポンプ４７，４６又は回転駆動されるアノード１１が、その供給能力を増加又は減少させるために適切に作動させられること、及び／又は、空気流を適合させるために、それぞれの空気搬送デバイス、すなわち好ましくは送風機４０が、その供給能力を増加又は減少させるために適切に作動させられることが、実際にこの目的のために行われ得る。

図１、及び特に有利な実施形態によると、アノード１１は、そのアノード本体１２がナトリウムの母材５３を有し、その中にアルミニウム合金の粒子５４が埋め込まれるように、製造され得る。したがって、これはアルミニウム−ナトリウム合金ではなく、アルミニウム−ナトリウム複合材である。これは、粒子５４を形成するアルミニウム合金の粒がナトリウムの溶融物の中に投入され、これがその過程で母材５３を形成することによって得られる。アルミニウム合金の粒子５４を含んでいるこのナトリウム溶融物の助けを借りて、アノード１１又はアノード本体１２が鋳造され得る。

粒子５４は、例えば１０μｍから１００μｍまでの粒子サイズを有し得る。４０μｍから６０μｍまでの粒子サイズが好ましい。およそ５０μｍの粒子サイズが特に好ましい。アノード本体１２における粒子５４の割合は、好ましくは４０％から８０％までの範囲である。６０％から７０％までの粒子割合が有利である。重量パーセントで表現して、およそ６５％の粒子割合が特に好ましい。

アルミニウムであって、それから粒子５４が製造されるアルミニウムは、有利な実施形態によるとジルコニウムを含み得る。アルミニウムが水とともに酸化アルミニウムと水素へ直接変換されることが大部分阻止される限り、アルミニウム合金内のジルコニウムは、アノード本体１２の外側３６におけるバリア層の形成を抑えるということが証明されている。好ましくは、アルミニウム合金は０．０１％から１．００％までのジルコニウムを含む。ジルコニウムの割合が０．０５％から０．８％までであることが好ましい。ジルコニウムの割合がおよそ０．５％であることが特に有利である。上述のパーセンテージの情報は、重量パーセントとして表現されている。アルミニウム合金は、その他の点では、製造のため避けることのできない不純物以外は、アルミニウムのみから成る。

好ましくはここで利用される電解液は、酸の水溶液又はアルカリの水溶液から成り、それに、少なくとも１つのハロゲン及び少なくとも１つの界面活性剤が加えられる。ハロゲンは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、及びテネシン（ununseptium）である。電解液として考えられ得るのは、特にフッ素、塩素、臭素、及びヨウ素である。この場合好ましいのはフッ素である。ここで、ハロゲンは純粋な形では使用されず、フッ素化合物の形で、特にフッ素含有塩、いわゆるフッ化物の形で利用される。界面活性剤は、液体の表面張力、又は２つの相の間の界面張力を低くし、分散の形成を可能に又は促進し、又は可溶化剤として働く物質である。

電解液に使用される酸又はアルカリの溶液は、水において１０％から４０％までの濃度を有する。ここで好ましいのは、１５％から２５％までの範囲の濃度である。特に有利なのは、およそ２０％の濃度である。酸又はアルカリの溶液内において、ハロゲンは０．１％から４．０％までの割合を有する。好ましいのは、０．５％から２．０％までのハロゲンの割合である。この場合における好ましいハロゲンは、五フッ化カリウムアルミニウムである。酸又はアルカリの溶液において、界面活性剤は、０．１％から２．０％までの割合を有する。好ましいのは、０．２％から１．０％までの界面活性剤の割合である。ラウリル硫酸ナトリウムが界面活性剤として好ましい。上述のパーセンテージの情報は、それぞれの場合において、重量パーセントとして表現されている。

Claims (34)

1. ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）において空気室（９）と電解液室（１０）との間に配置された少なくとも１つのカソード（７）と、
   前記電解液室（１０）に配置された少なくとも１つの金属製のアノード（１１）と、
   前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気流入口（１５）から、前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気排出口（１６）まで、前記ハウジング（２）を通る空気路（１４）と、
   前記空気路（１４）に沿って進み、前記カソード（７）に当たる空気流を生成する空気供給デバイス（２０）と、
   前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液流入口（１８）から、前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液排出口（１９）まで、前記ハウジング（２）を通り電解液が流れる電解液路（１７）と、
   前記電解液路（１７）に沿って進み前記アノード（１１）及び前記カソード（７）に当たる電解液流を生成する電解液供給デバイス（２１）と、
   を有し、
   前記カソード（７）は中空の胴体であり、
   前記カソード（７）は、前記電解液室（１０）を囲んでおり、前記空気室（９）によって囲まれており、
   前記アノード（１１）は前記カソード（７）の内部に位置しており、
   前記ハウジング（２）は前記空気室（９）を囲んでいる
   空気電池。
2. ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）において空気室（９）と電解液室（１０）との間に配置された少なくとも１つのカソード（７）と、
   前記電解液室（１０）に配置された少なくとも１つの金属製のアノード（１１）と、
   前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気流入口（１５）から、前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気排出口（１６）まで、前記ハウジング（２）を通る空気路（１４）と、
   前記空気路（１４）に沿って進み、前記カソード（７）に当たる空気流を生成する空気供給デバイス（２０）と、
   前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液流入口（１８）から、前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液排出口（１９）まで、前記ハウジング（２）を通り電解液が流れる電解液路（１７）と、
   前記電解液路（１７）に沿って進み前記アノード（１１）及び前記カソード（７）に当たる電解液流を生成する電解液供給デバイス（２１）と、
   を有し、
   前記アノード（１１）は、その長手方向の中心軸（１３）について回転可能なように、前記ハウジング（２）に取り付けられており、
   前記電解液路（１７）は、前記電解液流が前記アノード（１１）を回転駆動するように、前記アノード（１１）のそばを通り過ぎて案内される
   空気電池。
3. 前記電解液流入口（１８）は、前記電解液室（１０）の第１端部領域において前記電解液室（１０）に対して接線方向に配置され、前記電解液排出口（１９）は、前記電解液室（１０）の第２端部領域に配置されている
   ことを特徴とする請求項２の電池。
4. 前記アノード（１１）は、前記電解液室（１０）にさらされているその外側（３６）に、前記アノード（１１）が前記電解液流に当たられているときにトルクを前記アノード（１１）に伝える流れガイド構造（３７）を有する
   ことを特徴とする請求項２又は３の電池。
5. 前記アノード（１１）を回転駆動する回転駆動装置（５６）を備える
   ことを特徴とする請求項２の電池。
6. 前記アノード（１１）は、前記アノード（１１）の回転が前記電解液路（１７）における前記電解液を駆動するように構成されている
   ことを特徴とする請求項５の電池。
7. 前記アノード（１１）は、前記電解液室（１０）にさらされているその外側（３６）に、前記アノード（１１）が回転するときに前記電解液を駆動する流れガイド構造（３７）を有する
   ことを特徴とする請求項６の電池。
8. ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）において空気室（９）と電解液室（１０）との間に配置された少なくとも１つのカソード（７）と、
   前記電解液室（１０）に配置された少なくとも１つの金属製のアノード（１１）と、
   前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気流入口（１５）から、前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気排出口（１６）まで、前記ハウジング（２）を通る空気路（１４）と、
   前記空気路（１４）に沿って進み、前記カソード（７）に当たる空気流を生成する空気供給デバイス（２０）と、
   前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液流入口（１８）から、前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液排出口（１９）まで、前記ハウジング（２）を通り電解液が流れる電解液路（１７）と、
   前記電解液路（１７）に沿って進み前記アノード（１１）及び前記カソード（７）に当たる電解液流を生成する電解液供給デバイス（２１）と、
   を有し、
   前記アノード（１１）は、円筒形に構成されており、機械的かつ電気的に金属製の支持プレート（２６）に接続されており、
   前記支持プレート（２６）は、前記アノード（１１）の長手方向の中心軸（１３）について回転可能なように、アキシャル軸受（２７）を介して前記ハウジング（２）に取り付けられている
   空気電池。
9. 前記空気電池（１）のアノード側の電力接続部（２９）は、前記アキシャル軸受（２７）の上に形成されている
   ことを特徴とする請求項８の電池。
10. 前記アキシャル軸受（２７）は、ハウジング側の環状ベアリングシェル（３２）内にあるスライディングメタルリング（３１）を有し、その上において前記支持プレート（２６）が支持され、その上において前記支持プレート（２６）が、前記アノード（１１）が回転するときにスライドする
    ことを特徴とする請求項８又は９の電池。
11. 前記スライディングメタルリング（３１）は、スライディングメタル合金で構成された環状体（３４）と、前記環状体（３４）内に配置され、それによって前記環状体（３４）が加熱され得る、少なくとも１つの加熱導体（３５）とを有する
    ことを特徴とする請求項１０の電池。
12. 前記加熱導体（３５）の電源は、前記加熱導体（３５）が前記環状体（３４）を、前記スライディングメタル合金の融点より低いが、前記環状体（３４）に表面溶融が生じる程度に前記スライディングメタル合金の融点に近い、所定の運用温度に加熱するように、構成されている
    ことを特徴とする請求項１１の電池。
13. ハウジング（２）と、
    前記ハウジング（２）において空気室（９）と電解液室（１０）との間に配置された少なくとも１つのカソード（７）と、
    前記電解液室（１０）に配置された少なくとも１つの金属製のアノード（１１）と、
    前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気流入口（１５）から、前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気排出口（１６）まで、前記ハウジング（２）を通る空気路（１４）と、
    前記空気路（１４）に沿って進み、前記カソード（７）に当たる空気流を生成する空気供給デバイス（２０）と、
    前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液流入口（１８）から、前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液排出口（１９）まで、前記ハウジング（２）を通り電解液が流れる電解液路（１７）と、
    前記電解液路（１７）に沿って進み前記アノード（１１）及び前記カソード（７）に当たる電解液流を生成する電解液供給デバイス（２１）と、
    を有し、
    前記空気流入口（１５）は、前記空気室（９）に対して接線方向に配置され、及び／又は、
    前記空気排出口（１６）は、前記空気室（９）に対して接線方向に配置されている
    空気電池。
14. ハウジング（２）と、
    前記ハウジング（２）において空気室（９）と電解液室（１０）との間に配置された少なくとも１つのカソード（７）と、
    前記電解液室（１０）に配置された少なくとも１つの金属製のアノード（１１）と、
    前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気流入口（１５）から、前記空気室（９）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の空気排出口（１６）まで、前記ハウジング（２）を通る空気路（１４）と、
    前記空気路（１４）に沿って進み、前記カソード（７）に当たる空気流を生成する空気供給デバイス（２０）と、
    前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液流入口（１８）から、前記電解液室（１０）に流体的に接続されている、前記ハウジング（２）の電解液排出口（１９）まで、前記ハウジング（２）を通り電解液が流れる電解液路（１７）と、
    前記電解液路（１７）に沿って進み前記アノード（１１）及び前記カソード（７）に当たる電解液流を生成する電解液供給デバイス（２１）と、
    前記アノード（１１）を加熱する誘導加熱装置（５２）と、
    を有する空気電池。
15. 前記誘導加熱装置（５２）は、前記カソード（７）の領域に配置されている
    ことを特徴とする請求項１４の電池。
16. 前記カソード（７）が、一方では前記空気室（９）に位置する空気によって、他方では前記電解液室（１０）に位置する電解液によって当たられるように、前記カソード（７）は、前記空気室（９）を前記電解液室（１０）から分離する
    ことを特徴とする請求項１〜１５のうちのいずれか１項の電池。
17. 前記アノード（１１）は、前記カソード（７）の長手方向の中心軸（８）と前記アノード（１１）の長手方向の中心軸（１３）とが互いに平行になるように、前記カソード（７）に関して配置されている
    ことを特徴とする請求項１〜１６のうちのいずれか１項の電池。
18. 前記アノード（１１）は、固形物として構成されている
    ことを特徴とする請求項１〜１７のうちのいずれか１項の電池。
19. 前記空気供給デバイス（２０）及び前記電解液供給デバイス（２１）に電気的に接続され、前記空気電池（１）を運転するための制御デバイス（２２）を有し、
    前記制御デバイス（２２）は、前記空気電池（１）における現在の電力需要に応じて、この電力需要に適合する空気流を生成するために前記空気供給デバイス（２０）を作動させ、及び／又は、この電力需要に適合する電解液流を生成するために前記電解液供給デバイス（２１）を作動させるように、構成され及び／又はプログラムされている
    ことを特徴とする請求項１〜１８のうちのいずれか１項の電池。
20. 前記制御デバイス（２２）は、前記現在の電力需要に応じて、この電力需要に適合する電解液流を生成するために前記電解液供給デバイス（２１）を作動させ、かつ、前記適合する電解液流に適合する空気流を生成するために前記空気供給デバイス（２０）を作動させるように、構成され及び／又はプログラムされている
    ことを特徴とする請求項１９の電池。
21. 前記制御デバイス（２２）は、前記空気電池（１）を停止させるために、前記電解液を抜いて前記電解液路（１７）を空にするために前記電解液供給デバイス（２１）を作動させるように、構成され及び／又はプログラムされている
    ことを特徴とする請求項１９又は２０の電池。
22. 前記空気供給デバイス（２０）は、前記空気流入口（１５）の上流に、前記空気流における酸素の割合を増加させる濃縮デバイス（３８）を有する
    ことを特徴とする請求項１〜２１のうちのいずれか１項の電池。
23. 前記電解液供給デバイス（２１）は、電解液タンク（４４）から前記電解液流入口（１８）に至る往路（４２）と、前記電解液排出口（１９）から前記電解液タンク（４４）に至る帰路（４３）とを有する、電解液回路（４１）を備える
    ことを特徴とする請求項１〜２２のうちのいずれか１項の電池。
24. 前記電解液を駆動する往路ポンプ（４５）が前記往路（４２）に配置されている
    ことを特徴とする請求項２３の電池。
25. 前記電解液を駆動する帰路ポンプ（４６）が前記帰路（４３）に配置されている
    ことを特徴とする請求項２３又は２４の電池。
26. 反応生成物を前記電解液から取り除く電解液清掃デバイス（４７）が前記帰路（４３）に配置されている
    ことを特徴とする請求項２３〜２５のうちのいずれか１項の電池。
27. 気体を前記電解液から取り除く気体分離デバイス（４８）が前記帰路（４３）に配置されている
    ことを特徴とする請求項２３〜２６のうちのいずれか１項の電池。
28. 前記気体分離デバイス（４８）は、前記気体分離デバイス（４８）によって分離された気体の化学エネルギーを電気エネルギー及び／又は熱エネルギーに変換する変換デバイス（５０）に、気体ライン（４９）を経由して、流体的に接続されている
    ことを特徴とする請求項２７の電池。
29. 前記変換デバイス（５０）は、触媒燃焼器である
    ことを特徴とする請求項２８の電池。
30. 前記変換デバイス（５０）は、水素−空気燃料電池である
    ことを特徴とする請求項２８の電池。
31. 複数の、請求項１〜３０のうちのいずれか１項の空気電池（１）を有する電池システムであって、
    前記電池（１）の空気路（１４）を通るそれぞれの空気流を生成する共通の空気供給デバイス（２０）、及び／又は、前記電池（１）の電解液路（１７）を通るそれぞれの電解液流を生成する共通の電解液供給デバイス（２１）、及び／又は、前記電池（１）を運転する共通の制御デバイス（２２）を有する
    ことを特徴とする電池システム。
32. 電気モーターによる駆動装置と、少なくとも１つの、請求項１〜３０のうちのいずれか１項の空気電池（１）、又は請求項３１の電池システム（５７）とを有する車両であって、
    前記車両の電動駆動装置の電力供給のための電力機器は、前記各空気電池（１）又は前記電池システム（５７）にバッファなしで結合されている
    車両。
33. 請求項１〜３０のうちのいずれか１項の空気電池（１）を運転する方法であって、
    前記空気電池（１）における現在の電力需要に応じて、適切な電解液流及び／又は適切な空気流が生成される
    方法。
34. 前記電解液流を適合させるために、少なくとも１つの電解液搬送デバイス（４５，４６；１１）は、その搬送能力を増加又は減少するように制御され、及び／又は、
    前記空気流を適合させるために、少なくとも１つの空気搬送デバイス（４０）は、その搬送能力を増加又は減少するように制御される
    請求項３３の方法。

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