WO2009007056A1 - Elektrochemische energiequelle zum unterwasserbetrieb - Google Patents

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WO2009007056A1
WO2009007056A1 PCT/EP2008/005451 EP2008005451W WO2009007056A1 WO 2009007056 A1 WO2009007056 A1 WO 2009007056A1 EP 2008005451 W EP2008005451 W EP 2008005451W WO 2009007056 A1 WO2009007056 A1 WO 2009007056A1
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energy source
air
electrochemical energy
source according
oxygen
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PCT/EP2008/005451
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Inventor
Mark Fertman
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Neos International Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical energy source of the metal-air type, with an air or Sauerstoffkatode and a metal anode, in which flowing seawater serves as an electrolyte and which is designed for underwater use and provided.
  • US 4,822,698 discloses an energy cell / battery for use in seawater.
  • This battery operates according to the above-mentioned electrochemical reactions using magnesium or zinc as the anode material and an oxygen electrode as the cathode.
  • the oxygen supplied to the cathode is dissolved in the seawater.
  • This seawater battery consists of a cylindrical oxygen electrode cathode.
  • the structure has one or more anode rods containing magnesium or zinc.
  • the oxygen electrode is similar to those used in other types of batteries in many ways, for example, in US 6,372,371 B1.
  • the disclosed battery In seawater saturated with air, the disclosed battery is capable of delivering about 1.5 volts at 50 mA.
  • the cathode has a size of about 800 cm 2 .
  • the battery has a relatively low energy density of about 1 W / m 2 .
  • US Pat. No. 5,405,717 discloses a seawater cell with somewhat increased power compared to US Pat. No. 4,822,698. This increased performance is due to the kung waves, which increases the flow of seawater through the cathode to provide oxygen.
  • the cell structure has Wasserstromleitsch, which cause the flow of water through the cell. Since seawater has little oxygen - approx. 10 g / m 3 at the sea surface and decreasing to lower values depending on the depth and the geographical location - the energy density is comparatively low also with this battery (1 - 1.5 W / m 2 ). This energy density is about one hundred times lower than with classical metal-air cells, which are operated under atmospheric air pressure (and with corresponding oxygen partial pressure).
  • US 5,225,291 discloses a seawater battery that can operate with or without dissolved oxygen due to the use of a hybrid cathode.
  • the power of this cell is about 50 microamps / cm 2 and 1 - 1.35 volts with dissolved oxygen (about 10 g / m 3 ).
  • the non-oxygen based cell responses are observed at cell voltages of about 0.5 volts.
  • This seawater battery is a long-term low-output battery.
  • WO 2004/038828 A2 and the applicant's unpublished European patent application 06009317.6 propose metal-air batteries for submarine use, which are provided by special means for the supply of air or gaseous oxygen and whose performance can therefore be approximated to that of working under atmospheric conditions batteries of the same type.
  • a connection of the air cathode is proposed with an air or oxygen reservoir.
  • the invention is based on the object of providing an electrochemical energy source of the type mentioned above, which has also improved without supply of air or gaseous oxygen and sufficient for a number of typical underwater applications performance parameters and relatively inexpensive to produce and can be operated without problems.
  • This object is achieved by an electrochemical energy source with the features of claim 1.
  • the invention includes the essential idea of equipping an electrochemical energy source of the type described above with an active degassing device for the extraction of oxygen from the surrounding seawater. It further includes the idea of supplying the extracted oxygen via a suitable compound directly to the surface of the air or oxygen cathode where it is needed for the electrochemical process.
  • the energy source is equipped with an active conveying device for supplying seawater to the degassing device, the conveying device being connected to the air or oxygen cathode (s) on the one hand and the metal anode (s) on the other hand. If the energy source is made up of several cells, the connection to only one or a part of these cells can be sufficient for the energy supply of the conveyor.
  • the conveyor comprises a suction pump and an electric motor for driving them.
  • this is a low-voltage direct-current motor with an operating voltage adapted to the output voltage of the energy source.
  • the conveyor comprises a not adapted thereto, but selected according to other criteria electric motor (DC or AC motor) and additionally a DC-AC converter and / or voltage converter for generating a matched operating voltage of the electric motor from the output voltage of the power source.
  • an embodiment with an additional power source for the initial power supply of the conveyor is preferred.
  • This ensures a fast and efficient start-up of the operation of the energy source.
  • it has a capacitive buffer Energy storage or battery, which has an internal charging line connection with the or each air or Sauerstoffkatode and the or each metal anode and in particular additionally an external charging port.
  • a buffer energy storage - advantageously realized as a so-called supercapacitor - can also serve to smooth the voltage delivered by the power source and to bridge short interruptions of the self-sufficient power supply, as they can occur during operation in moving open sea.
  • the additional charging port is optional over an internal charging-wiring connection, but may be particularly advantageous for energy sources that are intended for sporadic use (such as for rescue purposes) and where regular internal charging of the energy storage during operation of the power source is not guaranteed.
  • the air or oxygen cathode has a gas connection to the initial external air or oxygen supply and a control device for closing this gas connection in response to an output signal of the active degassing device.
  • This is also intended to increase the usefulness of the energy source for sporadic operations or under difficult conditions of use. It is conceivable in this embodiment, for example, to connect the energy source for a short time with an oxygen cylinder of a diver to ensure a quick and efficient start-up of their operation, to then operate independently.
  • the energy source has a hollow cylindrical or hollow box-like design for forming a circumferentially closed flow channel for extracted from the sea water oxygen, in which the conveyor and at or near one end of an oxygen separator membrane are arranged.
  • the buffer energy storage In the interior, which does not flow through water in this design, then are also useful electronics components, the buffer energy storage o.a. arranged.
  • the degassing device in the interior of the energy source itself, it can also be accommodated in a separate component, which is referred to below as the satellite of the energy source.
  • the satellite of the energy source a separate component, which is referred to below as the satellite of the energy source.
  • the satellite a circumferentially closed flow channel for extracted from the sea water oxygen, in which the conveyor and at or near one end of an oxygen separator membrane are arranged, and a gas line for connection to the gas-permeable surface of the air or Oxygen cathode of the energy source has.
  • the oxygen separator membrane covers an intake cross section of the delivery device, in particular substantially the entire cross section of the energy source or the satellite.
  • the separator membrane can be designed flat, it is also possible that the oxygen separator membrane covers the output cross-section to increase the effective separation surface hemispherical or funnel-shaped and / or has a wave or wrinkle structure.
  • the energy source has a substantially cylindrical Lucaskatode and a cylindrical surrounding this, replaceable metal anode. While the corresponding replacement part in this embodiment is therefore cylindrical and requires a relatively large amount of space, an embodiment is also possible in which a plurality of strip or cylinder-section-shaped metal anodes together form a cylinder jacket around the air cathode. The replacement parts then require less packaging and transport space, but the exchange is not quite as easy and fast from equip as a one-piece anode.
  • this has an elongated shape, wherein in the longitudinal direction a plurality of electrochemical cells with an air cathode and an associated anode and a support and insulating member for holding and electrically insulating the individual cells is strung together.
  • the number of individual cells lined up can then be matched to the specific performance requirements. ments can be easily adjusted, whereby possibly degassing devices with graduated power depending on the number of cells are installed.
  • each metal anode which is adjacent to the holding and insulating in the assembled state, distributed over the circumference openings for promoting the passage of seawater between the air cathode and the metal anode provided.
  • These openings serve to avoid irregularities in the flow path between the air cathode and the metal anode, as might otherwise be caused by local gas accumulation.
  • FIG. 1 is an external view of a power source according to a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of this energy source
  • Fig. 3 is an external view of another embodiment of the power source.
  • FIG. 1 and 2 show an underwater light 1 with integrated seawater battery 3, in which a (here only schematically illustrated) lamp head 5 is inserted.
  • FIG. 2 shows a longitudinal sectional illustration along the sectional plane B-B in FIG. 1, with some further functional units being shown in sketchy form as hatched blocks in addition to the lamp head 5.
  • the battery component 3 comprises as main components in each case two substantially cylindrical air or oxygen cathodes 7.1 and 7.2 and these, forming an annular gap Rl or R2 therebetween, likewise cylindrical metal anodes 9.1 or 9.2. These components are held by support and insulating rings 11.1 and 11.2 or a bottom and cover plate 13.1, 13.2, the together with the metal anodes 9.1, 9.2 and the said support and insulating rings form a housing of the battery part 3.
  • inlet and outlet openings 15 are provided in the anodes 9.1, 9.2 near the support and insulating ring 11.1.
  • the known hydrophobic outer surfaces of the air cathodes 7.1, 7.2 limit an anhydrous interior I of the battery part 3, in which a control electronics 17 and a capacitive energy storage (supercapacitor) 19 are housed. Their general functions are explained above and will not be described in more detail here, since they do not belong to the invention.
  • FIG. 3 shows schematically as another example a seawater battery 27, which is formed from a battery body 29 and two connected thereto by a holder 31 satellites 33.1 and 33.2, both of which are connected via leads 35.1 and 35.2 with the main body 29 in connection ,
  • this satellite construction is provided for the purpose of providing in the satellites 33.1, 33.2 active degassing devices for the extraction of gaseous oxygen from the surrounding seawater, the oxygen obtained being supplied via the lines 35.1, 35.2 to the actual battery component, which is housed in the base body 29.
  • satellite construction principle can also be used for the realization of other functional combinations, for example between an energy source according to the invention and this associated energy store and / or drive means or the like.

Abstract

Elektrochemische Energiequelle vom Metall-Luft-Typ, mit einer Luft- bzw. Sauerstoffkatode und einer Metallanode, zum Unterwasserbetrieb, wobei hindurchströmendes Meerwasser als Elektrolyt dient, mit einer aktiven Entgasungseinrichtung zur Extraktion von Sauerstoff aus dem Meerwasser und einer Gasverbindung zwischen der Entgasungseinrichtung und einer gasdurchlässigen Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode.

Description

Elektrochemische Energiequelle zum Unterwasserbetrieb
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiequelle vom Metall-Luft-Typ, mit einer Luft- bzw. Sauerstoffkatode und einer Metallanode, bei der hindurchströmendes Meerwasser als Elektrolyt dient und die zum Unterwassereinsatz ausgebildet und vorgesehen ist.
Derartige Energiequellen sind seit längerem bekannt, werden aber kaum genutzt.
Die US 4,822,698 offenbart eine Energiezelle/Batterie zum Einsatz in Meerwasser. Diese Batterie arbeitet gemäß den oben genannten elektrochemischen Reaktionen, wobei Magnesium oder Zink als Anodenmaterial und eine Sauerstoffelektrode als Kathode eingesetzt wird. Der der Kathode zugeführte Sauerstoff ist in dem Meerwasser gelöst. Diese Meerwasserbatterie besteht aus einer zylindrischen Sauerstoffelektrodenkathode. Der Aufbau weist einzelne oder mehrere Anodenstäbe auf, die Magnesium oder Zink beinhalten. Die Sauerstoffelektrode ist denen ähnlich, die in anderen Batterien in vielerlei Arten verwandt werden, beispielsweise in der US 6,372,371 Bl. In mit Luft gesättigtem Meerwasser ist die offenbarte Batterie in der Lage, circa 1,5 Volt bei 50 mA zu liefern. Dabei weist die Kathode eine Größe von ca. 800 cm2 auf. Die Batterie verfügt über eine verhältnismäßig geringe Energiedichte von ca. 1 W/m2.
In der US 5,405,717 ist eine Meerwasserzelle mit gegenüber der US 4,822,698 etwas erhöhter Leistung offenbart. Diese erhöhte Leistung ist bedingt durch die Wir- kung von Wellen, die den Strom des Meerwassers durch die Kathode erhöht, um Sauerstoff zu liefern. Die Zellstruktur weist Wasserstromleitmittel auf, die den Wasserstrom durch die Zelle bewirken. Da Meerwasser über wenig Sauerstoff verfügt - ca. 10 g/m3 an der Meeresoberfläche und abnehmend zu geringeren Werten abhängig von der Tiefe und dem geographischen Ort - ist die Energiedichte auch bei dieser Batterie vergleichsweise gering (1 - 1,5 W/m2). Dies Energiedichte ist ca. einhundertmal geringer als bei klassischen Metall-Luft-Zellen, die unter atmosphärischem Luftdruck (und mit entsprechendem Sauerstoff-Partialdruck) betrieben werden.
Die US 5,225,291 offenbart eine Meerwasserbatterie, die wegen des Einsatzes einer Hybridkathode mit oder ohne gelöstem Sauerstoff arbeiten kann. Die Leistung dieser Zelle ist ca. 50 Mikroampere/cm2 und 1 - 1,35 Volt bei gelöstem Sauerstoff (ca. 10 g/m3). Die nicht-sauerstoffbasierenden Zellreaktionen werden bei Zellspannungen von ca. 0,5 Volt beobachtet. Diese Meerwasserbatterie ist eine Langzeitbatterie mit geringer Ausgangsleistung.
Im Hinblick auf die unbefriedigend geringen absoluten Ausgangsleistungen und vor allem masse- und volumenbezogenen Leistungsdichten dieser Batterien werden in der WO 2004/038828 A2 sowie in der unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung 06009317.6 der Anmelderin Metall-Luft-Batterien für den submarinen Einsatz vorgeschlagen, die über spezielle Mittel zur Zuführung von Luft bzw. gasförmigem Sauerstoff verfügen und deren Leistung daher grundsätzlich derjenigen von unter atmosphärischen Bedingungen arbeitenden Batterien des gleichen Typs angenähert werden kann. In der letztgenannten Patentanmeldung wird auch eine Verbindung der Luftkatode mit einem Luft- bzw. Sauerstoffreservoir vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer elektrochemischen Energiequelle der oben genannten Art zugrunde, die auch ohne Zuführung von Luft bzw. gasförmigem Sauerstoff verbesserte und für eine Reihe typischer Unterwasser-Anwendungen ausreichende Leistungsparameter aufweist und relativ kostengünstig herstellbar und unproblematisch betreibbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine elektrochemische Energiequelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, eine elektrochemische Energiequelle der oben erläuterten Art mit einer aktiven Entgasungseinrichtung zur Extraktion von Sauerstoff aus dem umgebenden Meerwasser auszurüsten. Sie schließt weiter den Gedanken ein, den extrahierten Sauerstoff über eine geeignete Verbindung unmittelbar der Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode zuzuführen, an der er für den elektrochemischen Prozess benötigt wird.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Energiequelle mit einer aktiven Fördereinrichtung zur Zufuhr von Meerwasser zur Entgasungseinrichtung ausgestattet, wobei die Fördereinrichtung zur Energieversorgung an die Luft- bzw. Sauerstoffkato- de(n) einerseits und die Metallanode(n) andererseits angeschlossen ist. Sofern die Energiequelle aus mehreren Zellen aufgebaut ist, kann zur Energieversorgung der Fördereinrichtung auch der Anschluss an nur eine oder einen Teil dieser Zellen ausreichen.
Zweckmäßigerweise umfasst die Fördereinrichtung eine Saugpumpe und einen Elektromotor zu deren Antrieb. In einer ersten Ausgestaltung handelt es sich dabei um einen Niederspannungs-Gleichstrommotor mit an die Ausgangsspannung der Energiequelle angepasster Betriebsspannung. In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Fördereinrichtung einen diesbezüglich nicht angepassten, sondern nach anderen Kriterien ausgewählten Elektromotor (Gleich- oder Wechselspannungsmotor) und zusätzlich einen Gleich-Wechselspannungs-Wandler und/oder Spannungswandler zur Erzeugung einer angepassten Betriebsspannung des Elektromotors aus der Ausgangsspannung der Energiequelle.
Im Hinblick darauf, dass zu Beginn des Betriebes der elektrochemischen Einrichtung praktisch noch kaum selbst erzeugte Energie verfügbar ist, ist eine Ausführung mit einer zusätzlichen Stromquelle zur anfänglichen Stromversorgung der Fördereinrichtung bevorzugt. Diese sichert einen schnellen und effizienten Anlauf des Betriebes der Energiequelle. Sie weist insbesondere einen kapazitiven Puffer- Energiespeicher oder Akku auf, der eine interne Lade-Leitungsverbindung mit der oder jeder Luft- bzw. Sauerstoffkatode und der oder jeder Metallanode und insbesondere zusätzlich einen externen Ladeanschluss auf. Ein solcher Puffer-Energiespeicher - vorteilhaft realisiert als sogenannter Supercapacitor - kann auch zur Glättung der durch die Energiequelle abgegebenen Spannung und zur Überbrückung kurzzeitiger Unterbrechungen der autarken Spannungsversorgung dienen, wie sie beim Betrieb im bewegten offenen Meer auftreten können. Der zusätzliche Ladeanschluss ist gegenüber einer internen Lade-Leitungsverbindung optional, kann aber speziell bei Energiequellen vorteilhaft sein, die für einen sporadischen Einsatz (etwa für Rettungszwecke) bestimmt sind und bei denen eine regelmäßige interne Aufladung des Energiespeichers im laufenden Betrieb der Energiequelle nicht gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Luft- bzw. Sauerstoffkatode einen Gasanschluss zur anfänglichen externen Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr und eine Steuereinrichtung zum Verschließen dieses Gasanschlusses in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der aktiven Entgasungseinrichtung aufweist. Auch hierdurch soll die Brauchbarkeit der Energiequelle für sporadische Einsätze oder unter schwierigen Einsatzbedingungen erhöht werden. Es ist bei dieser Ausführung etwa denkbar, die Energiequelle kurzzeitig mit einer Sauerstoffflasche eines Tauchers zu verbinden, um einen schnellen und effizienten Anlauf ihres Betriebes zu gewährleisten, um sie anschließend autark zu betreiben.
In einer zweckmäßigen konstruktiven Ausführung hat die Energiequelle eine hohl- zylindrische oder hohl kastenartige Bauform zur Bildung eines umfangsseitig geschlossenen Durchströmkanals für aus dem Meerwasser extrahierten Sauerstoff, in dem die Fördereinrichtung und an oder nahe dessen einem Ende eine Sauerstoff- Separatormembran angeordnet sind. Im Innenraum, der bei dieser Bauform nicht wasserdurchströmt ist, sind dann sinnvoll auch Elektronik-Komponenten, der Puffer-Energiespeicher o.a. angeordnet.
Alternativ zur Anordnung der Entgasungseinrichtung im Inneren der Energiequelle selbst kann diese auch in einem separaten Bauteil untergebracht sein, welches im weiteren als Satellit der Energiequelle bezeichnet wird. Insbesondere ist bei einer solchen Ausführung vorgesehen, dass der Satellit einen umfangsseitig geschlossenen Durchströmkanal für aus dem Meerwasser extrahierten Sauerstoff, in dem die Fördereinrichtung und an oder nahe dessen einem Ende eine Sauerstoff-Separatormembran angeordnet sind, und einer Gasleitung zur Verbindung mit der gasdurchlässigen Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode der Energiequelle aufweist.
In beiden Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass die Sauerstoff-Separatormembran einen Ansaugquerschnitt der Fördereinrichtung, insbesondere im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Energiequelle oder des Satelliten, abdeckt. In der einfachsten Ausführung kann die Separatormembran eben ausgeführt sein, es ist auch möglich, dass die Sauerstoff-Separatormembran den Ausgangsquerschnitt zur Vergrößerung der wirksamen Separationsfläche halbkugel- oder trichterförmig abdeckt und/oder eine Wellen- oder Faltenstruktur aufweist.
Was den mechanischen Aufbau der Energiequelle angeht, so ist dieser zweckmäßigerweise im Hinblick auf eine leichte und schnelle Auswechslung der (als "Brennstoff" dienenden) Metallanode(n) einerseits und eine unproblematische Handhabung im Unterwassereinsatz andererseits ausgelegt. In einer unter beiden Aspekten vorteilhaften Ausführung hat die Energiequelle eine im wesentlichen zylindrische Luftkatode und eine diese zylindrisch umgebende, auswechselbare Metallanode. Während das entsprechende Austauschteil bei dieser Ausführung also zylindrisch ist und relativ viel Platz benötigt, ist auch eine Ausführung möglich, bei der mehrere streifen- oder zylinderabschnittsförmige Metallanoden zusammen einen Zylindermantel um die Luftkatode bilden. Die Austauschteile benötigen dann weniger Verpackungs- und Transportraum, der Austausch geht aber nicht ganz so leicht und schnell von statten wie bei einer einstückigen Anode.
Im Hinblick auf die Realisierung verschiedener Ausführungen mit abgestuften Ausgangsspannungen und Leistungen ist eine modulare Bauform der Energiequelle von Vorteil. In einer bevorzugten Ausführung hat diese eine langgestreckte Bauform, wobei in Längsrichtung eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen mit einer Luftkatode und einer zugeordneten Anode und einem Träger- und Isolierelement zum Halten und elektrischen Isolieren der einzelnen Zellen aneinandergereiht ist. Die Anzahl der gereihten einzelnen Zellen kann dann an die konkreten Leistungsanforde- rungen leicht angepasst werden, wobei ggf. Entgasungseinrichtungen mit abgestufter Leistung in Abhängigkeit von der Anzahl der Zellen einzubauen sind.
Zur Optimierung des Durchströmverhaltens der einzelnen Zellen sind bei dieser Ausführung sinnvollerweise nahe einem Ende jeder Metallanode, welches im montierten Zustand dem Halte- und Isolierelement benachbart ist, über den Umfang verteilt Durchbrüche zur Förderung des Hindurchströmens von Meerwasser zwischen der Luftkatode und der Metallanode vorgesehen. Diese Öffnungen dienen zur Vermeidung von Unregelmäßigkeiten im Strömungsverlauf zwischen der Luftkatode und der Metallanode, wie sie ansonsten durch lokale Gasansammlungen entstehen könnten.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden skizzenartigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1 eine Außenansicht einer Energiequelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung dieser Energiequelle und
Fig. 3 eine Außenansicht einer weiteren Ausführungsform der Energiequelle.
Fig. 1 und 2 zeigen eine Unterwasserleuchte 1 mit integrierter Meerwasserbatterie 3, in die ein (hier nur schematisch dargestellter) Leuchtenkopf 5 eingesteckt ist. Fig. 2 zeigt hierbei eine Längsschnittdarstellung längs der Schnittebene B-B in Fig. 1, wobei neben dem Lampenkopf 5 auch einige weitere Funktionseinheiten lediglich skizzenhaft als schraffierte Blöcke dargestellt sind.
Die Batterie-Komponente 3 umfasst als Hauptbestandteile jeweils zwei im wesentlichen zylindrische Luft- bzw. Sauerstoffkatoden 7.1 und 7.2 und diese unter Bildung eines Ringspaltes Rl bzw. R2 dazwischen umgebende, ebenfalls zylindrische Metallanoden 9.1 bzw. 9.2. Gehalten werden diese Komponenten durch Trag- und Isolierringe 11.1 bzw. 11.2 bzw. eine Boden- und Deckplatte 13.1, 13.2, die zu- sammen mit den Metallanoden 9.1, 9.2 und den besagten Trag- und Isolierringen ein Gehäuse des Batterie-Teiles 3 bilden.
Der konstruktive Aufbau und die materialtechnische Zusammensetzung der Luftkatoden 7.1, 7.2 und der Anoden 9.1, 9.2 sind an sich bekannt, so dass hier keine genauere Beschreibung gegeben wird. Die hier beschriebene Anordnung ermöglicht ein leichtes und schnelles Auswechseln der Anodenteile, sobald diese im wesentlichen verbraucht sind, und ihre gleichzeitige Nutzung als Gehäusewandung spart Gewicht und Kosten.
Um eine turbolenzarme und effiziente Durchströmung mit umgebendem Meerwasser der Ringspalte Rl und R2 zu gewährleisten, sind in den Anoden 9.1, 9.2 nahe dem Trag- und Isolierring 11.1 Ein- bzw. Ausströmöffnungen 15 vorgesehen.
Die bekanntermaßen hydrophoben Außenoberflächen der Luftkatoden 7.1, 7.2 begrenzen einen wasserfreien Innenraum I des Batterie-Teiles 3, in dem eine Steuerelektronik 17 und ein kapazitiver Energiespeicher (Supercapacitor) 19 untergebracht sind. Deren allgemeine Funktionen sind weiter oben erläutert und werden hier nicht weiter detaillierter beschrieben, da sie nicht zur Erfindung gehören.
An dem dem Lampen-Teil 5 abgewandten Ende des Batterie-Teiles 3 ist ein als zylindrische Verlängerung des Batteriegehäuses ausgestalteter Gehäusefortsatz 21 vorgesehen, der eine Saugpumpen-Motor-Einheit 23 aufnimmt und dessen freies Ende mit einer - als solche ebenfalls bekannten - Separatormembran 25 zur Abtrennung von Sauerstoff aus dem umgebenden Meerwasser verschlossen ist. Ein Innenraum I* des Fortsatzes 21 ist ebenso wie der Innenraum I des eigentlichen Batterie-Teiles 3 wasserfrei und enthält eine Sauerstoffatmosphäre, die durch die Saugpumpen-Motor-Einheit 23 im Zusammenwirken mit der Separatormembran 25 erzeugt wird. Er steht durch (hier nicht zu erkennende) Überströmöffnungen in Gasverbindung mit dem Innenraum I und somit der Innenoberfläche der Luftkatoden 7.1, 7.2, die auf diese Weise mit aus dem Meerwasser extrahiertem gasförmigem Sauerstoff versorgt werden. Fig. 3 zeigt schematisch als weiteres Beispiel eine Meerwasserbatterie 27, welche aus einem Batterie-Grundkörper 29 und zwei mit diesem durch eine Halterung 31 verbundenen Satelliten 33.1 und 33.2 gebildet ist, die beide über Zuleitungen 35.1 bzw. 35.2 mit dem Grundkörper 29 in Verbindung stehen. Diese Satelliten- Konstruktion ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dazu vorgesehen, dass in den Satelliten 33.1, 33.2 aktive Entgasungseinrichtungen zur Extraktion von gasförmigem Sauerstoff aus dem umgebenden Meerwasser vorgesehen sind, wobei der gewonnene Sauerstoff über die Leitungen 35.1, 35.2 der eigentlichen Batteriekomponente zugeführt wird, die im Grundkörper 29 untergebracht ist.
Grundsätzlich ist das Satelliten-Konstruktionsprinzip aber auch zur Realisierung anderer Funktions-Kombinationen, etwa zwischen einer erfindungsgemäßen Energiequelle und dieser zugeordneten Energiespeichern und/oder Antriebseinrichtungen o.a., nutzbar.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier erläuterten Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Energiequelle vom Metall-Luft-Typ, mit einer Luft- bzw. Sauerstoffkatode und einer Metallanode, zum Unterwasserbetrieb, wobei hindurchströmendes Meerwasser als Elektrolyt dient, mit einer aktiven Entgasungseinrichtung zur Extraktion von Sauerstoff aus dem Meerwasser und einer Gasverbindung zwischen der Entgasungseinrichtung und einer gasdurchlässigen Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode.
2. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 1, mit einer aktiven Fördereinrichtung zur Zufuhr von Meerwasser zur Entgasungseinrichtung, wobei die Fördereinrichtung zur Energieversorgung an die Luft- bzw. Sauerstoffka- tode(n) einerseits und die Metallanode(n) andererseits angeschlossen ist.
3. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 2, wobei die Fördereinrichtung eine Saugpumpe und einen Niederspannungs-Gleichstrommotor mit an die Ausgangsspannung der Energiequelle angepasster Betriebsspannung aufweist.
4. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 2, mit einer Saugpumpe, einem Elektromotor und einem Gleich-Wechselspannungs-Wandler und/oder Spannungswandler zur Erzeugung einer angepassten Betriebsspannung des Elektromotors aus der Ausgangsspannung der Energiequelle.
5. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zusätzlichen Stromquelle zur anfänglichen Stromversorgung der Fördereinrichtung.
6. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 5, wobei die Fördereinrichtung oder zusätzliche Stromquelle einen kapazitiven Puffer-Energiespeicher oder Akku aufweist, der eine interne Lade-Leitungsverbindung mit der oder jeder Luft- bzw. Sauerstoffkatode und der oder jeder Metallanode und insbesondere zusätzlich einen externen Ladeanschluss aufweist.
7. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Luft- bzw. Sauerstoffkatode einen Gasanschluss zur anfänglichen externen Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr und eine Steuereinrichtung zum Verschließen dieses Gasanschlusses in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der aktiven Entgasungseinrichtung aufweist.
8. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer hohlzylindrischen oder hohl kastenartigen Bauform zur Bildung eines umfangsseitig geschlossenen Durchströmkanals für aus dem Meerwasser extrahierten Sauerstoff, in dem die Fördereinrichtung und an oder nahe dessen einem Ende eine Sauerstoff-Separatormembran angeordnet sind.
9. Elektrochemische Energiequelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem Satelliten zur Aufnahme der aktiven Entgasungseinrichtung, mit einem umfangsseitig geschlossenen Durchströmkanal für aus dem Meerwasser extrahierten Sauerstoff, in dem die Fördereinrichtung und an oder nahe dessen einem Ende eine Sauerstoff-Separatormembran angeordnet sind, und einer Gasleitung zur Verbindung mit der gasdurchlässigen Oberfläche der Luft- bzw. Sauerstoffkatode der Energiequelle.
10. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Sauerstoff-Separatormembran einen Ansaugquerschnitt der Fördereinrichtung, insbesondere im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Energiequelle oder des Satelliten, abdeckt.
11. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 10, wobei die Sauerstoff- Separatormembran den Ausgangsquerschnitt zur Vergrößerung der wirksamen Separationsfläche halbkugel- oder trichterförmig abdeckt und/oder eine Wellen- oder Faltenstruktur aufweist.
12. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer im wesentlichen zylindrischen Luftkatode und einer diese zylindrisch umgebenden, auswechselbaren Metallanode oder mehreren die Luftka- tode auf einem Zylindermantel umgebenden, streifen- oder zylinderab- schnittsförmigen Metallanoden.
13. Elektrochemische Energiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer langgestreckten Bauform, wobei in Längsrichtung eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen mit einer Luftkatode und einer zugeordneten Anode und einem Träger- und Isolierelement zum Halten und elektrischen Isolieren der einzelnen Zellen aneinandergereiht ist.
14. Elektrochemische Energiequelle nach Anspruch 12 und 13, wobei nahe einem Ende jeder Metallanode, welches im montierten Zustand dem Halte- und Isolierelement benachbart ist, über den Umfang verteilt Durchbrüche zur Förderung des Hindurchströmens von Meerwasser zwischen der Luftkatode und der Metallanode vorgesehen sind.
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