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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mechanisch
wiederaufladbare elektrische Batterien und, genauer
ausgedrückt, in elektrischen Fahrzeugen verwendbare mechanisch
wiederaufladbare elektrische Batterien, verbesserte Anoden
zur Verwendung darin und ein dieselben verwendendes
mechanisch wiederaufladbares elektrisches Batteriensystem.
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Im Laufe der Zeit sind verschiedene Vorschläge für
elektrisch betriebene Fahrzeuge gemacht worden. Zum heutigen
Zeitpunkt werden elektrische Fahrzeugsysteme aus einer
Anzahl von Gründen noch nicht kommerziell im Stadt- und
Überlandverkehr eingesetzt.
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Metall/Luft- und insbesondere Zink/Luft-Batteriesysteme
sind im Stand der Technik bekannt, und aufgrund ihrer hohen
Energiedichten, relativen Betriebssicherheit und der
Möglichkeit eines einfachen mechanischen Wiederaufladens sind
solche Systeme als eine Energiequelle für elektrisch
angetriebene Kraftfahrzeuge vorgeschlagen worden. Momentan
erzielen solche Systeme jedoch aus verschiedenen Gründen noch
keinen bedeutenden kommerziellen Erfolg.
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Einer der grundlegenden Nachteile von Batteriesystemen als
Energiequelle für Kraftfahrzeugantrieb und insbesondere von
Zink/Luft-Batteriesystemen liegt in der Schwierigkeit
begründet, die Kombination aus sowohl einer hohen
Dauerstromabgabe, wie sie bei verlängertern Bergauffahren benötigt
wird, als auch kurzzeitiger Spitzenleistungsabgabe, wie sie
für schnelle Beschleunigung benötig wird, unter
gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Energiedichte und
Vereinfachung schneller Wiederaufladbarkeit zu erreichen.
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Einerseits wird zum Erreichen einer hohen Dauerstromabgabe
ein großer Vorrat von aktivem Anodenmaterial benötigt.
Aufgrund von Raum- und anderen Erwägungen wird dies allgemein
am besten durch Einbau eines stark porösen aktiven
Anodenelements mit aktivem anodischen Material großer Oberfläche
erreicht.
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Im Gegensatz hierzu haben Studien ergeben, daß zum
Erreichen von Spitzenleistungsabgabe, d.h. der Fähigkeit, eine
sehr große Menge Energie für kurze Zeitabschnitte
bereitzustellen, eine dichte Teilchenstruktur des aktiven
anodischen Materials vorteilhaft ist. Dies hat bei bekannten
pulverförmigen Anoden eine niedrige Porosität zur Folge und
kann die Stromkapazität der Batterie drastisch verringern.
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Momentan ist bei im Stand der Techik bekannten
Batteriesystemen großer Wert auf das Erreichen hoher Kapazität
gelegt worden. Zinkanoden in verschiedenen Batteriesystemen
werden allgemein nach einem von zwei großen Gruppen von
Verfahren gebildet: Gemäß einer Gruppe, die insbesondere
auf primäre Alkalibatterien anwendbar ist, werden die
Anoden aus fein gepulvertem Zink aufgebaut, der
typischerweise durch ein thermisches Zerstäubungsverfahren
hergestellt wird. Das resultierende Zinkpulver weist
typischerweise eine Teilchengrößenverteilung von zwischen 0,0075 bis
0,8 mm und eine Oberfläche von zwischen 0,2 - 0,4 m²/g auf;
es wird allgemein mit Quecksilber,
Natriumcarboxymethylcellulose und KOH-Lösung kombiniert, um eine einfach in
eine Anodenform zu extrudierende gelierte Masse zu bilden.
Alternativ kann das pulverförmige Zink gesintert oder mit
Quecksilber benetzt und in eine Platte gepreßt werden. Die
Porosität der Anode kann durch Verwendung von entfembaren
porenbildenden Materialien wie NH&sub4;Cl gesteuert werden. Die
Dichte des Zinkanodenmaterialvorprodukts liegt für solche
Verfahren typischerweise innerhalb des Bereichs von 2,5
- 3,5 g/cm³.
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Gemäß der zweiten Gruppe von Verfahren, für die eine von
Ross im US-Patent Nr. 4,842,963 vorgeschlagene Anode ein
Beispiel darstellt, die besonders geeignet für elektrisch
wiederaufladbare Zink/Luft-Batterien sein soll, wird die
Elektrode durch elektrolytisches Abscheiden von Zink auf
der Innenfläche eines Schaumstoff-Elektrodenträgers zum
Bilden einer Zinkelektrode hergestellt. Das genannte Patent
beansprucht jedoch eine verbesserte Zinkelektrode für eine
wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie, die einen Außenrahmen,
einen porösen Schaumstoff-Elektrodenträger innerhalb des
Rahmens, auf dem Zink aufgebracht ist und der vor dem
Aufbringen von Zink auf seiner Außenfläche zum Hemmen der
Bildung von Zinkdendriten behandelt worden ist, und Mittel
innerhalb des Außenrahmens zum Zirkulieren eines
Alkalielektrolyten durch den Innere des behandelten zinkbeschichteten
porösen Schaums aufweist; ein Batteriesystem, das den
Einschluß von Zirkulationsmitteln für einen zirkulierenden
Alkalielektrolyten durch das Innere desselben benötigt, ist
aber nicht praktisch oder erwünscht.
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Bei typischen Stromdichten ist festgestellt worden, daß
Zink/Luft-Batterien, in denen die Anoden gemäß den oben
aufgeführten Verfahren hergestellt werden, keine
Kombination aus schneller Wiederaufladbarkeit, hoher
Stromkapazität und Spitzenenergieabgabe gewährleisten. Es wäre daher
wünschenswert, eine Batterie mit allen diesen Eigenschaften
zu schaffen, d. h. hohe Stromdichte, hohe Stromkapazität
und Spitzenenergieabgabe, und die einfach, schnell und
leicht wiederaufladbar ist.
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Es hat Vorschläge gegeben, Zink/Luft-Batterien für
Fahrzeugantrieb im Stadtbereich zu verwenden. Ein Beispiel
hierfür stellt die folgende Veröffentlichung dar:
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"Improved slurry zinc/air systems as batteries for urban
vehide propulsion" (Verbesserte Schlamm-Zink/Luftsysteme
als Batterien für Fahrzeugantrieb im Stadtbereich), von P.
C. Foller, Journal of Applied Electrochemistry 16 (1986),
527-543.
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Metall/Luft-Batteriestrukturen sind in den folgenden
Veröffentlichungen beschrieben:
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US-Patent 4,842,963 mit dem Titel "Zinc Electrode and
Rechargeble Zinc-Air Battery" (Zinkelektrode und
wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie);
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US-Patent 4,147,839 mit dem Titel "Electrochemical Cell
with Stirred Slurry" (Elektrochemische Zelle mit gerührtem
Schlamm);
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US-Patent 4,908,281 mit dem Titel "Metal/air Battery with
Recirculating Electrolyte" (Metall/Luft-Batterie mit
rezirkulierendem Elektrolyten);
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US-Patent 4,925,744, mit dem Titel "Primary Aluminum-Air
Battery" (Aluminium-Luft-Primärbatterie);
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US-Patent 3,716,413 mit dem Titel "Rechargeable
Electrochemical Power Supply" (Wiederaufladbare elektrochemische
Energieversorgung);
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US-Patent 4,925,744 mit dem Titel "Primary Aluminum-Air
Battery" (Aluminium-Luft-Primärbatterie).
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Elektrische Energiespeichersysteme sind in den folgenden
Veröffentlichungen beschrieben:
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US-Patent 4,843,251 mit dem Titel "Energy Storage and
Supply Recirculating Elektrolyt" (Energiespeicher- und
versorgung rezirkulierender Elektrolyt);
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"Energy on Call" (Energie auf Abruf), von John A. Casazza
et al, IEEE Spectrum Juni, 1976, S. 44-47.
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US-Patent 4,275,310 mit dem Titel "Peak Power Generation"
(Spitzenenergieerzeugung);
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US-Patent 4,124,805 mit dem Titel "Pollution-Free Power
Generating and Peak Power Load Shaving System"
(Umweltfreundliches Energieerzeugungs- und
Spitzenenergierasiersystem);
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US-Patent 4,797,566 mit dem Titel "Energy Storing
Apparatus" (Energiespeichergerät).
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US-Patent 3,847,671 mit dem Titel "Hydraulically-Refuelable
Metal-Gas Depolarized Battery System" (depolarisiertes
hydraulisch nachladbares Metall/Gas-Batteriesystem)
beschreibt ein Metall-Gas-Batteriesystem, das so konstruiert
ist, daß sowohl der feste als auch der flüssige Inhalt aus
der Batterie nach der Entladung abgezogen wird. konstruiert
ist. Ein negatives Gitter und eine depolarisierte
Gaselektrode sind vorgesehen, die zusammen eine Kammer definieren,
die wieder mit einem Schlamm aus Elektrolyt und einem
aktiven Metallpulver gefüllt werden kann, wodurch die Batterie
in einer verhältnismäßig kurzen Zeit wiederaufgeladen wird.
Es sind weiter Mittel zum Ausspülen der Batterie mit einer
Elektrolytlösung vor dem Wiederauffüllen mit einer frischen
Schlammcharge vorgesehen.
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Die Lehren der vorgenannten Veröffentlichungen werden
hiermit durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Beschreibung
gemacht.
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Wie zum Beispiel in US-Patent Nr. 3,847,671 beschrieben,
erfordert die Auswechselung eines entladenen, auf Metall
basierenden Schlamms in einem
Metall-Luft-Energiespeichersystem gewöhnlich das Herauspumpen von entladenem Schlamm
aus dem System und das Hineinpumpen von frischem Schlamm in
das System.
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Beim Schaffen von Batterien, die leistungsstark genug zum
Antreiben verhältnismäßig schwerer Gegenstände wie
Fahrzeuge sind, ist es ein Ziel, die Stromdichte der Batterie
zu maximieren. Beim Erreichen dieses Ziels werden die
Metall-Luft-Batteriesysteme jedoch zu Systemen mit zunehmend
leichterem Aufbau und sie können deshalb den
Druckbelastungen schlechter standhalten, die durch das Pumpen des
Schlamms sowohl in die Batterie als auch aus derselben
heraus bewirkt werden können.
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Die folgenden zusätzlichen Fundstellen beschreiben
verschiedene Energiespeichersysteme: US-Patente Nr. 3,414,437;
3,647,542; 3,979,222; 3,849,202; 4,136,232; 4,166,885 und
4,517,248.
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Das US-Patent Nr. 4,294,891 mit dem Titel "Intermittently
Refuelable Implantable Bio-Oxidant Fuel Cell"
(diskontinuierlich nachladbare implantierbare Bio-Oxidationsmittel-
Brennstoffzelle" beschreibt die Verwendung eines löslichen
flüssigen Brennstoffs, der zwischen einer Kathoden- und
einer Anodenanordnung gehalten wird, die jeweils einen aus
expandiertem Goldsieb bestehenden Stromkollektor enthalten.
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Die vorliegende Erfindung will eine verbesserte
wiederaufladbare elektrische Batterie schaffen, die ein zentrales
Stromkollektoeelement umfaßt, welches von einer statischen
Masse aus Partikeln aus aktivem Material umgeben ist, die
mit einer geeigneten, als ein elektrischer Brennstoff in
einer Metall-Gas-Batterie verwendbaren Elektrolytlösung
gesättigt sind, welche statische Masse von Teilchen primär
durch das zentrale Stromkollektorelement getragen wird,
wodurch die strukturelle Integrität der festen Masse
aufrechterhalten wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine
mechanisch wiederaufladbare elektrische Batteriezelle zu
schaffen, die einen aktive Metallteilchen und eine
Elektrolytlösung enthaltenden Schlamm verwendet, wobei die Zelle
mechanisch durch andere Mittel als Pumpen wiederaufladbar
ist.
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Es wird daher in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der Erfindung eine mechanisch wiederaufladbare elektrische
Batterie mit mindestens einer Zink-Luft-Batteriezelle
geschaffen, die aufweist:
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zwei allgemein ebene äußere Elektrodenelemente von solcher
Form, daß sie zwischen sich einen Innenraum für ein
elektrisches Energiespeichermedium definieren; und
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innere Elektrodenelemente mit einem in wesentlichen ebenen,
skelettförmigen Rahmen aus leitfähigem Metall, der auf
einem Teil seiner Oberfläche als offene Räume ausgebildet
ist, und mit einem den skelettförmigen Rahmen
einschließenden und das elektrische Energiespeichermedium bildenden
aktiven Zinkschlamm, wobei der Schlamm aus mit Elektrolyt
imprägnierten und darin suspendierten porösen Zinkkörnchen
gebildet und unter Druck auf den skelettförmigen Rahmen
verdichtet ist und eine zusammenhängende Platte mit dichter
Teilchenstruktur aus aktivem Anodenmaterial bildet, wobei
die inneren Elektrodenelemente in elektrisch leitfähigem
Kontakt mit dem darauf verdichteten elektrischen
Energiespeichermedium stehen, zwischen je zwei äußeren
Elektrodenelementen herausnehmbar befestigt sind, und so ausgebildet
sind, daß sie eine mechanische Stütze für das elektrische
Energiespeichermedium bilden und mit diesem als eine
Einheit bewegbar sind,
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wobei die zwei äußeren Elektrodenelemente eine mit dem
Innenraum kommunizierende Öffnung definieren und die inneren
Elektrodenelemente so ausgebildet sind, daß sie durch die
Öffnung aus dem Innenraum herausnehmbar sind, wodurch das
gleichzeitige Herausnehmen des von ihnen gehaltenen
entladenen Schlamms aus dem Innenraum ermöglicht wird.
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Es wird weiter in Übereinstimmung mit einem zusätzlichen
Gesichtspunkt der Erfindung eine Anode zur Verwendung in
der erfindungsgemäßen mechanisch wiederaufladbaren
elektrischen Batterie geschaffen, wobei die Anode einen im
wesentlichen ebenen skelettförmigen Rahmen aus leitfähigem
Metall, der auf einem Teil seiner Oberfläche als offene Räume
ausgebildet ist, und einen den skelettförmigen Rahmen
umschließenden aktivem Zinkschlamm aufweist, wobei der
Schlamm aus mit einem Elektrolyten imprägnierten und darin
suspendierten porösen Zinkkörnchen gebildet und unter Druck
auf den skelettförmigen Rahmen verdichtet ist.
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Darüberhinaus wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung jetzt ein mechanisch wiederaufladbares
elektrisches Batteriesystem geschaffen mit:
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a) einer mechanisch wiederaufladbaren elektrischen
Batterie, wie oben definiert; und
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b) Mitteln zum Austauschen eines entladenen Volumens des
elektrischen Energiespeichermediums gegen ein geladenes
Volumen des elektrischen Energiespeichermediums, wobei die
Mittel aufweisen:
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Mittel zum Herausnehmen der inneren Elektrodenelemente aus
dem Innenraum, um das entladene Volumen des elektrischen
Energiespeichermediums aus dem Innenraum zu entfernen, und
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Mittel zum Einbringen von inneren Elektrodenelementen gemäß
voriger Definition und daran gehaltenem, aufgeladenem
elektrischem Energiespeichermedium in dem Innenraum.
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Das US-Patent 4,003,753 Hall bezieht sich auf
wiederaufladbare Hochtemperatur-Lithiumbatterien mit geschmolzenem
Salzelektrolyten, in denen mindestens eine Elektrode in
einem zellenförmig strukturierten Stromkollektor gehalten
wird. Die Erfindung gemäß diesem Patent unterscheidet sich
von der der vorliegenden Erfindung im wesentlichen darin,
daß keine Vorkehrung für die mechanische Herausnahme der
zellenförmigen Elektrode nach Entladung vorhanden ist, der
die Auswechselung durch eine frisch aufgeladenen Elektrode
zu folgen hätte. Angesichts der sehr reaktiven
Beschaffenheit der Zellkomponenten bei Hall (Elektrolyt -
geschmolzene Halogenide bei 240 - 350ºC (siehe unteren Teil von
Spalte 7), Anode -Lithiumlegierung, Kathode -
Übergangsmetallchalcogenid) und möglicher starker Reaktion mit Luft
oder Wasser, wenn diesen ausgesetzt, ist es klar, daß sich
dieses Patent nur auf ein für die Betriebslebendauer
abgedichtetes Zellensystem ohne Merkmale des Wiederaufladens
durch Anodenauswechselung beziehen kann, was ein
wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen mechanisch
wiederaufladbaren Batterien darstellt.
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US-Patent 2,597,116 Marsal et al beschreibt ein
Luftsauerstoffelement mit einer Zinkanode, einem (gelierten)
Alkalielektrolyten und einer Luftkathode. Weiter ist in dem
Patent die Zinkanode nicht ausgeführt, um nach Entladung
mechanisch gegen eine frische Anode ausgewechselt zu
werden. Darüberhinaus wird die Anode (Spalte 2, Zeilen 22, 36)
nicht durch eine stromabnehmende Struktur gehalten, die die
gesamte Masse der Anode umschließt, sondern sie liegt
selbsttragend in (perforierter) Blatt- oder Blechform vor,
an deren einem Ende ein stromabnehmender Streifen befestigt
ist.
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Das britische Patent 1,439,756 Bant et al beschreibt eine
Zink-Luft-Zelle mit einer auf einem Metallgitter
verdichteten porösen Zinkpulveranode, einem Elektrolyten aus KOH und
einer Luftkathode. Es ist jedoch kein Mittel zum
mechanischen Auswechseln dieser Anode gegen eine aufgeladene nach
Entladung der Zelle wie in der vorliegenden Erfindung
vorhanden. Die Erfindung von Bant ist weiter auf einen
reserveartigen einzelnen Entladungsvorgang beschränkt, da der
Elektrolyt anfangs in konzentrierter verfestigter
Waferform in der Zelle vorliegt und vor Einstufenverwendung
durch Hinzugeben von Wasser zu der Zelle aktiviert wird.
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US-Patent 3,758,342 Baba beschreibt eine Zink-Luft-Zelle
mit einer Luftkathode, einem Alkalielektrolyten und einer
Anode, die einen feststehenden Stromkollektor aufweist,
über dem in dem Alkalielektrolyten ein Schlamm aus
Zinkteilchen zirkuliert wird. Es ist der Aufprall von Zink-
Brennstoffteilchen auf den Anodenstromkollektor, der die
Entladeenergie der Zelle liefert, und die Aufenthaltszeit
der Teilchen wird verlängert, indem Hohlraumstrukturen in
den Anodenstromkollektoren eingebaut werden, die zeitweise
Zinkteilchen nahe der Anode einfangen. Im Gegensatz hierzu
ist bei der vorliegenden Erfindung das Zink in einer Masse
eines Energiespeichermediums integriert, die entweder
primär getragen wird oder einteilig mit dem
Anodenstromkollektor verbunden ist, was die Einfachheit eines statischen
Elektrolyten zuläßt. Darüberhinaus verwendet Baba kein
Mittel
zum mechanischen Entfernen der gegen eine frische Anode
auszuwechselnden Zinkanode aus der Zelle nach Entladung.
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US-Patent 4,950,561 Niksa beschreibt eine
Metall-Luft-Batterie (bevorzugte Ausführungsform Aluminium-Luft) mit einer
herausnehmbaren Anode. Es wird jedoch aus Spalte 4, Zeilen
19-47 dieses Patents deutlich, daß die Anode von Niksa eine
feste Platte mit einem verbrauchbaren Ende und einem von
Hand ergreifbaren Ende darstellt, wobei die beiden Bereiche
durch eine Dichtung getrennt sind und wobei das von Hand
ergreifbare Ende gewöhnlich 5-30% der Länge der
Plattenanode darstellt (siehe auch Beispiel, Zeile 16). Das
verbrauchbare Ende wird allgemein vollständig in dem
Zellenelektrolyten durch den Entladungsvorgang aufgelöst. Die
vorliegenden Erfindung beschreibt ein durch eine
Stromkollektorstruktur verdichtetes und gehaltenes aktives
Teilchenmaterial aus Zink, das vollständig in den Elektrolyten
eingetaucht ist und bei Entladung reagiert. Diese gesamte
Anodenstruktur, die weiterhin durch den Stromkollektor
festgehalten wird und in ihrer entladenen Form als Zinkoxid
im wesentlichen weiterhin in fester Form durch den
Stromkollektor umschlossen vorliegt, wird anschließend gegen
eine frische verdichtete Zinkteilchen-Anodenstruktur für
anschließende Entladung ausgewechselt. Anhand von Figur 7
ist festzustellen, daß Niksa wesentliche Systemkomplexität
benötigt, z. B. fließenden Elektrolyt durch Zellen und
einen äußeren Behälter zum Wegtragen der Abfallprodukte aus
seinen verbrauchbaren Anoden, wohingegen bei der
vorliegenden Erfindung das Abfallprodukt als ein festes Produkt
innerhalb der Anodenstruktur enthalten ist und keine
Zirkulierung von Elektrolyt in dem System erforderlich ist.
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Die Erfindung soll jetzt in Verbindung mit bestimmten
bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die
folgenden erläuternden Figuren beschrieben werden, so daß sie
vollständiger verstanden werden kann.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die Figuren im Detail wird
jetzt betont, daß die gezeigten Einzelheiten lediglich zum
Aufzeigen eines Beispiels und zum Zwecke darstellender
Erörterung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung vorgesehen sind und daher dargestellt sind, um
aufzuführen, was als die nützlichste und am einfachsten zu
verstehende Beschreibung der Grundlagen und konzeptionellen
Gesichtspunkte der Erfindung angesehen wird. In dieser
Hinsicht wird nicht versucht, strukturelle Einzelheiten der
Erfindung detaillierter, als für ein grundlegendes
Verständnis der Erfindung erforderlich, zu zeigen, wobei die
Beschreibung gemeinsam mit den Zeichnungen den Fachleuten
deutlich macht, wie die verschiedenen Formen der Erfindung
in der Praxis realisiert werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird vollständiger aus der
folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den
Zeichnungen verstanden und erkannt werden, in denen:
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Fig. 1 eine schematische fragmentarische Darstellung einer
für Verwendung in elektrischen Fahrzeugen geeigneten
Mehrzellen-Metall-Luft-Batterie ist;
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Fig. 2 eine bildliche Darstellung einer einzelnen Zelle der
in Fig. 1 dargestellten Mehrzellen-Batterie ist;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht der in Fig. 2 dargestellten
Batteriezelle entlang Linie A-A darin ist, und wobei der
zentrale Stromkollektor in Übereinstimmung mit einer ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform aufgebaut ist;
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Fig. 4 eine Explosionsansichtsdarstellung der in Fig. 2
darstellten einzelnen Batteriezelle ist, die in
Übereinstimmung mit der Ausführungsform von Fig. 3 aufgebaut ist;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung des in der
Batteriezelle der Fig. 3 und 4 verwendeten zentralen
Stromkollektors ist;
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Fig. 6A-6D schematische Darstellungen von Stadien bei der
Auswechselung von entladenem Schlamm gegen aufgeladenen
Schlamm sind;
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Fig. 7 eine Schnittdarstellung ist, die das Reinigen von
entladenem Schlamm von einer Anordnung zentraler
Stromkollektoren entlang der Richtung von Linie 7-7 in Fig. 6C
zeigt;
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Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Details der in
Fig. 6D dargestellten Vorrichtung ist, die in
Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung
aufgebaut ist;
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Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer anderen
bevorzugten einzelnen Zelle der in Fig. 1 dargestellten Mehrzellen-
Batterie ist;
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Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der in der Zelle von
Fig. 9 enthaltenen bevorzugten Anode ist;
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Fig. 11 eine Seitenansicht der Anode von Fig. 10 ist;
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Fig. 12 eine Explosionsansicht der Anode von Fig. 10 gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung ist;
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Fig. 13 eine Explosionsansicht einer zweiten
Ausführungsform der Anode von Fig. 10 ist;
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Fig. 14 ein schematischer Querschnitt einer bei der
Herstellung der Anode von Fig. 12 oder 13 verwendeten
Formstanze ist; und
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Fig. 15 eine schematische Darstellung eines alternativen
Verfahrens zum Herstellen der Anode von Fig. 13 ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Kurz bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine wiederaufladbare
Mehrzellen-Metall-Gas-Batterie 10 gezeigt, die einen
Schlamm aus aktiven Metallteilchen und eine
Elektrolytlösung enthält und die zum Antreiben eines elektrischen
Fahrzeugs geeignet ist. Die Batterie 10 enthält einen
Stapel von in Reihe verbundenen elektrischen Zellen 12.
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Die Reihenverbindung der Zellen wird mittels positiver und
negativer Anschlüsse vereinfacht, die mit 110 bzw. 112
gekennzeichnet sind, wobei die positiven und negativen
Anschlüsse benachbarter Zellen wie gezeigt über elektrisch
leitfähige Wege, gezeigt in Fig. 1 in verstecktem Detail
unter Bezugsziffer 114, miteinander verbunden sind.
Typischerweise sind die Wege 114 in das mit 116 gekennzeichnete
Batteriegehäuse eingebaut.
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Fig. 2 ist eine bildliche Darstellung einer allgemein mit
12 gekennzeichneten einzelnen Batteriezelle, deren Aufbau
im folgenden ausführlich beschrieben ist.
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Typischerweise stellt die Batterie 10 spezifisch eine Zink-
Luft-Batterie dar, die einen eine Mischung aus Zinkteilchen
und eine geeignete Elektrolytlösung wie beispielsweise
alkalisches Kaliumhydroxid enthaltenden Schlamm verwendet.
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Jetzt bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 ist eine einzelne
Batteriezelle 12 dargestellt, die zwei typischerweise aus
Polypropylen gebildete Rahmenelemente 13 (Fig. 3)
einschließt, welche jeweils eine zugeordnete äußere
Elektrodeneinheit 14 halten.
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Jetzt genauer bezugnehmend auf Fig. 4 enthält jede äußere
Elektrodeneinheit einen äußeren Halterahmen 16, einen
typischerweise aus einem Nickelsieb gebildeten äußeren
Stromkollektor 18; eine Gaselektrode 10, typischerweise eine
Luftelektrode, die aus einer auf dem Nickelsieb gebildeten
feuchtigkeitsdichten, katalysierten Kohlenstoffschicht
gebildet ist; ein typischerweise aus porösem Nylonvlies
gebildetes Trennelement 22 zum Verhindern von Kontakt
zwischen den Metallteilchen im Schlamm und der Gaselektrode;
sowie einen inneren Halterahmen 24, ähnlich dem äußeren
Halterahmen 16.
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In zusammengebauter Form, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt,
wirken mit 25 bzw. 27 (Fig. 2) gekennzeichnete obere und
seitliche Dichtungselemente mit den Rahmenelementen 13
(Fig. 3) zusammen, die die äußeren Elektrodeneinheiten 14
so halten, daß ein Innenraum, allgemein mit 29
gekennzeichnet (Fig. 3), zum Speichern eines Energiespeicherschlamms,
wie oben beschrieben, vorzugsweise in Form eines statischen
Betts aus mit einer geeigneten Elektrolytlösung gesättigten
aktiven Metallteilchen definiert wird. Das gesättigte
statische Bett ist allgemein durch die Bezugsziffer 26
gekennzeichnet (Fig. 3).
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Die aktiven Metallteilchen des Schlamms werden in dem
Innenraum 29 der Zelle in einem mit Elektrolytlösung
gesättigten statischen Bett gehalten.
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Ein zentraler Stromkollektor 28 ist innerhalb des Innenraum
29 der Batteriezelle so angebracht, daß er von dem
gesättigten
statischen Bett umgeben ist. In den unten in
Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Ausführungsformen arbeitet
der zentrale Stromkollektor, um einzelne Teile des
statischen Betts zu halten. Dies hat zahlreiche Vorteile, wie im
folgenden in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben werden soll.
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Jetzt auch bezugnehmend auf Fig. 5 umfaßt der zentrale
Stromkollektor 28 einen Grundteil 30, durch den der
Stromkollektor 28 aus der Zelle 12 entfernt werden kann, um die
Auswechselung von elektrisch entladenem Schlamm gegen ein
äquivalentes Volumen aufgeladenen Schlamm zu ermöglichen.
Der Grundteil 30 ist weiter ausgeführt, um mit den
Rahmenelementen 13 so zusammenzupassen, daß er mit denselben eine
flüssigkeitsdichte Dichtung bildet. Ein Verfahren der
Schlammauswechselung, bei dem der zentrale Stromkollektor
28 herausgenommen und anschließend ausgewechselt wird, ist
im folgenden ausführlich in Verbindung mit den Fig. 6A-7
gezeigt und beschrieben.
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Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist der hier in Form eines
Streifens gezeigte negative Anschluß 112 innerhalb des
oberen Dichtungselements 25 angebracht und so angeordnet, daß
er in einen benachbarten elektrischen Weg 114 (Fig. 1)
eingreift. Der Anschluß 112 steht nach unten in den Innenraum
der Zelle 12 derart vor, daß, wenn der zentrale
Stromkollektor 28 darin angeordnet wird, ein oberer Teil 31 des
Stromkollektors den Anschluß ergreift, um so eine
elektrische Verbindung mit demselben zu bilden.
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Der positive Anschluß 110 (Fig. 1) ist mit äußeren
Stromkollektoren 18 (Fig.4) durch ein beliebiges geeignetes
Mittel verbunden, jedoch typischerweise über ein elektrisch
leitfähiges Bandelement 33 (Fig. 2 und 3) , das geeignet mit
den äußeren Stromkollektoren 18 verbunden ist.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist der
zentrale Stromkollektor 28, der aus einem beliebigen
geeigneten Material, wie Kupfer, Stahl oder Nickel,
fakultativ mit Blei, Zinn oder Cadmium plattiert gebildet wird,
eine dreidimensionale Struktur vom wabenförmigen Typ auf.
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Der zentrale Stromkollektor 28 definiert vorzugsweise eine
Anordnung hohler Volumen 32 mit offenem Ende, die jeweils
eine Symmetrieachse 34 (Fig. 3 und 5) aufweisen. Die
Symmetrieachse 34 erstreckt sich durch mit 36 und 28
gekennzeichnete gegenüberliegende offene Enden und überschneidet
sich mit äußeren Elektrodeneinheiten 14 typischerweise bei
einem Winkel von 90º.
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Die Länge jedes Volumens 32, wie an rechten Winkeln zu den
äußeren Elektrodeneinheiten 14 gemessen, ist etwas kleiner
als die Breite W (Fig. 3) des Innenraums 29 der
Batteriezelle 12, so daß der zentrale Stromkollektor im Grunde
genommen den gesamten Innenraum der Batteriezelle einnimmt.
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In dem vorliegenden Beispiel sind die Volumen 32 achteckig.
Obwohl diese geometrische Konfiguration eine größere
mechanische Festigkeit als wabenförmige Anordnungen alternativer
Konfigurationen aufweist, soll sie nicht die Verwendung von
Volumen ohne achteckige Konfigurationen ausschließen.
Alternative Konfigurationen schließen einen zentralen
Stromkollektor mit kreisförmigem, quadratischem bzw.
rechteckigem Volumen ein.
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Unter einigen Vorteilen der wabenförmigen oder
zellenförmigen Konfiguration des zentralen Stromkollektors 28 befinden
sich die folgenden:
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1. Energiespeicherschlamm muß nicht, wie bei einigen
nichtzellenförmigen Stromkollektoren, in die Batteriezellen
gepumpt werden. Wie besser aus der folgenden Beschreibung
verstanden werden wird, werden anstelle dessen Volumen 32
des zentralen Stromkollektors durch einfaches Eintauchen in
ein aufgeladenen Schlamm enthaltendes Bad und
Hineinfließenlassen des aufgeladenen Schlamms in die Volumen
gefüllt. Schnelles anschließendes Wiedereinsetzen des
zentralen Stromkollektors in die Batteriezelle stellt sicher, daß
der Schlamm in jedem der Volumen 32 verbleibt.
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2. Der Wegfall der Notwendigkeit, Schlamm in die
Batteriezellen zu pumpen, verhindert unnötige Abnutzung der Zellen
angesichts dessen, daß die äußeren Elektrodeneinheiten 14
mechanisch nicht widerstandsfähig sind. Darüberhinaus birgt
Pumpen die Gefahr, daß sich die äußeren Elektrodeneinheiten
14 jeweiliger benachbarter Batteriezellen biegen, wodurch
sie sich berühren und elektrisches Kurzschließen bewirken.
Selbst wenn kein Kurzschließen erfolgt, verringert nur ein
Begrenzen des verfügbaren Raums für Luftströmung zwischen
benachbarten Batteriezellen die Leistung der Batterie.
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3. Wenn der Schlamm elektrisch entladen wird, lösen sich
die aktiven Metallteilchen desselben auf und/oder bilden
ein festes Abgabeprodukt, wie im Stand der Technik bekannt
ist. Die Anhäufung von verhältnismäßig dichtem festen
Material zusammen mit dem Verlust struktureller Integrität des
Betts von Metallteilchen bewirkt, daß das Teilchenmaterial
in dem Schlammbett nach unten rutscht. Die Verteilung des
Schlammbetts zwischen der Anordnung von Volumen 32 schafft
örtlichen mechanischen Halt für Teilvolumen des
Schlammbetts, um so ein gesamtes Abrutschen des Teilchenmaterials
zum Boden der Batteriezelle zu verhindern, und vermeiden
auf diese Weise eine weitere mechanische Belastung der
Zelle.
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Jetzt erneut bezugnehmend auf Fig. 4 enthält jede äußere
Elektrodeneinheit 14 vorzugsweise eine "innere"
Schutzschicht 40, die zwischen dem normalen Trennelement 22 und
dem zentralen Stromkollektor 28 angeordnet ist.
Typischerweise stellt die Schicht 40 ein Kunststoff- oder Metallsieb
dar, das mechanischen Schutz für das Trennelement 22 bei
Herausnahme und Auswechselung des zentralen Stromkollektors
28 gewährleistet. Typischerweise ist das normale
Trennelement 22, wie hierin vorhergehend beschrieben, aus
nicht-gewebtem porösem Nylon hergestellt und könnte daher ohne die
Schutzschicht 40 leicht übermäßig abnutzen oder sogar nach
einer verhältnismäßig kurzen Zeit zerreißen.
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Ein Beispiel für die Schutzschicht 40 stellt ein
extrudiertes Kunststoffnetz dar, zum Beispiel Produkt Nr. ON3330 mit
einer Strangdicke von 0,013 Zoll (0,033 cm) und einer
offenen Fläche von 78%, das von Conwed Plastics aus Belgien
hergestellt und unter dem Warenzeichen Vexar (R) vertrieben
wird.
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In Übereinstimmung mit einer weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsform kann weiter ein mit 42 gekennzeichnetes
selektives Trennelement zwischen dem normalen Trennelement 22
und der Luftelektrode 20 vorgesehen werden. Das selektive
Trennelement, das ein mikroporöses Blattmaterial aus
beispielsweise Polypropylen oder Polyethylen darstellen kann,
dient zum Verhindern von Kontakt zwischen der Gaselektrode
20 und aufgelösten Metallarten im Schlamm. In dem
vorliegenden Beispiel dient das selektive Trennelement 42 daher
dazu, ein Bewegen der aufgelösten Zinkart ZnO&sub2;= zu der
Luftelektrode zu verhindern.
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In Übereinstimmung mit noch einer weiteren
erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine "äußere" Schutzschicht 44,
ähnlich der "inneren" Schutzschicht 40 zwischen der
Luftelektrode 20 und dem normalen Trennelement 22 vorgesehen.
Wenn das selektive Trennelement 42 auch vorhanden ist, ist
die äußere Schutzschicht 44 zwischen der Luftelektrode 20
und dem selektiven Trennelement 42 vorgesehen. Die äußere
Schutzschicht 44 schafft mechanischen Halt für die
Trennelemente 22 und 42, um ein "Hängenbleiben" derselben an der
Luftelektrode 20 zu verhindern. Dies erleichtert sowohl die
Luftzufuhr zu der Luftelektrode als auch die Berieselung
des Schlammbetts mit destilliertem Wasser oder einer
Elektrolytlösung.
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Jetzt bezugnehmend auf die Fig. 6A-7 wird im folgenden ein
Verfahren zum Entfernen von entladenem Schlamm aus einer
Mehrzellen-Batteriereihe, die in einem Gehäuse 48 einer der
Batteriesätze 120 oder 122 oder dem Fahrzeugkörper
angebracht ist, und zum anschließenden Reinigen und Füllen
jeder der Batteriezellen in Übereinstimmung mit einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben.
Typischerweise wird dies an einer Füllstationseinrichtung
durchgeführt werden.
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Eine erste Stufe besteht in dem Herausziehen des zentralen
Stromkollektors 28 aus jeder Zelle 12 über den zentralen
Stromkollektorgrundteil 20. Gemäß einer Ausführungform
werden die Grundteile 30 jeder der einzelnen Zellen verbunden
oder einteilig gebildet, um ein einzelnes Grundelement zu
bilden, wodurch die gleichzeitige Entfernung aller
zentralen Stromkollektoren vereinfacht wird.
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Jetzt werden unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 68 die
Grundteile 30 der jeweiligen zentralen Stromkollektors 28
über erste reversible Betätigungsmittel 50 an einem
Plattformelement 52 befestigt. Das Plattformelement 52 wird auf
zweiten reversiblen Betätigungsmitteln 54 angebracht,
wodurch die Entfernung der zentralen Stromkollektoren aus
einer Mehrzahl von Batteriezellen gleichzeitig ermöglicht
wird. Da die Masse des Schlamms an dem Rahmen von
Stromkollektor-Entfernungselementen der zentralen Stromkollektoren
anhaftet, wird die gleichzeitige Entfernung des Hauptteils
des in den genannten Volumen enthaltenen und durch sie
gehaltenen entladenen Schlamms bewirkt.
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Abhängig von der Viskosität des entladenen Schlamms, kann
ein Teil desselben auf den Batteriezellenwänden und auf den
zentralen Stromkollektoren 28 verbleiben, wenn sie aus den
Batteriezellen herausgezogen werden. Dementsprechend
werden, wie schematisch in den Fig. 6C und 7 gezeigt, Strahle
46 aus einer Flüssigkeit, typischerweise Wasser, KOH oder
Luft, zwischen die zentralen Stromkollektoren gerichtet, um
den Schlamm davon abzuspülen. Flüssigkeitsstrahle können
auch nach oben in die Zellen 12 gerichtet werden, um
jeglichen entladenen Restschlamm von denselben abzuwaschen.
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Es wird jetzt auf Fig. 6D Bezug genommen, in der der
Schritt des Wiederauffüllens der Zellen mit geladenem
Schlamm dargestellt ist. Ein Plattformelement 52 hält eine
Mehrzahl zentraler Stromkollektoren 28, wie gezeigt, und
darauf ist eine Mehrzahl von Bädern 58 angebracht. Das
Plattformelement 52 ist typischerweise auf dem Boden eines
Gehäuses 60 über zweite reversible Betatigungsmittel 54
angeordnet.
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Anfangs werden die Bäder 58 mit einem Volumen von geladenem
Schlamm 62 gefüllt, das eine zum Wiederauffüllen der Zellen
12 ausreichende Menge Schlamm enthält. In der vorliegenden
Ausführungsform, in der die zentralen Stromkollektoren eine
zellenförmige Konfiguration aufweisen, werden die Bäder bis
zu einer solchen Tiefe gefüllt, daß die gesamte Mehrzahl
von Volumen 32 der zentralen Stromkollektoren in geladenem
Schlamm eingetaucht werden, um damit gefüllt zu werden.
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Anschließend werden zweite Betätigungsmittel 54 betätigt,
um das Plattformelement 52 nach oben in Richtung der Zellen
12 zu bewegen, bis auf den Rändern der Bäder 58 angeordnete
Dichtungselemente 64 die untere Oberfläche 66 der
Batteriereihe
ergreifen, um eine Dichtung damit zu bilden.
Anschließend werden erste Betätigungsmittel 50 betätigt, um
die zentralen Stromkollektoren 28 zu den Batteriezellen 12
zu bewegen.
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Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der ein einzelnes
Bad 58 dargestellt ist, das Bädern 58 (Fig. 6D) mit der
Ausnahme ähnelt, daß Rührer 59 verwendet werden, um eine
Zirkulierung des Schlamm innerhalb des Bades zu bewirken.
Die Zirkulierung des Schlamms auf diese Weise unterstützt
das Füllen jedes der einzelnen Volumen 32 des zentralen
Stromkollektors 28. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn
der Schlamm eine verhältnismäßig hohe Viskosität hat.
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Es wird erkannt werden, daß, obwohl in dem vorliegenden
Beispiel eine durch Rührer bewirkte Zirkulierung
beschrieben ist, dies lediglich ein Beispiel darstellt und
alternativ durch beliebige andere geeignete Mittel zum Vibrieren
oder Rühren des Schlamms bewirkt werden kann.
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Noch einmal bezugnehmend auf Fig. 6D werden Bäder 58
mittels der Dichtungselemente 64 gegen die untere Oberfläche
66 der Batteriereihen abgedichtet, während die zentralen
Stromkollektoren 28 zusammen mit einer frischen Charge von
aufgeladenemn Schlamm wieder in ihre jeweiligen Zellen 12
eingesetzt werden. Vorzugsweise werden auch Dichtungsmittel
68 vorgesehen, um ein Lecken von Schlamm aus den Zellen 12
zu verhindern, nachdem die zentralen Stromkollektoren 28 in
diese wieder eingesetzt worden sind. Geeignete
Dichtungsmittel können Gummidichtungselemente wie O-Ringe
darstellen.
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Jetzt bezugnehmend auf Fig. 9, ist dort eine einzelne Zelle
70 der Mehrzellen-Batterie 10 von Fig. 1 dargestellt.
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Die Zelle 70 weist allgemein ein aus einem
korrosionsbeständigem Material, geeigneterweise
Polypropylen-Kunststoff, gebildetes Gehäuse 72 auf. Teile der Seiten des
Gehäuses 72 sind entfernt. Eine Luftkathode 74 mit einem
metallischen Haltesieb, einer luftdurchlässigen, aber
flüssigkeitsundurchlässigen Imprägnierungsschicht und einem
Sauerstoffreduktionskatalysator, typischerweise auf
Kohlenstoff basierend, ist an mindestens einer der Seiten des
Gehäuses 72 zum Bilden einer flüssigkeitsdichten Kammer
angebracht. Ein positiver elektrischer Kontaktanschluß 76 ist
vorgesehen.
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Die Zelle 70 weist zusätzlich eine allgemein mit 80
bezeichnete auswechselbare ebene Metallanode auf, die einen
skelettartigen Rahmen 82, eine Dichtungskrone 84, ein
aktives Zinkanodenelement 86 und einen negativen elektrischen
Kontakt 88 enthält, wie im folgenden ausführlicher
beschrieben werden soll. Ein Satz Schutzsiebe (nicht
gezeigt), die physikalische Trennelemente und fakultativ
ionenselektive Membrane aufweisen, ist entweder in der
Zelle befestigt oder an den Seiten der Anode zum Bilden
einer herausnehmbaren Cassetteneinheit angebracht. Die
Krone 84 ist so aufgebaut, daß bei Einsetzung einer Anode
80 in das Gehäuse 72 eine flüssigkeitsdichte Kammer
gebildet wird.
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In Betrieb werden die Anode 80 und ein geeignter Elektrolyt
in dem Gehäuse 72 angeordnet. Wenn unter elektrische
Belastung gesetzt, schließt der Elektrolyt einen elektrischen
Strom erzeugenden Kreislauf zwischen der Luftelektrode 74
und der Zinkanode 80. Nachdem das aktive Zinkmaterial
verbraucht ist, kann die Anode 80 einfach herausgenommen und
gegen eine frisches aktives Material aufweisende neue Anode
ausgewechselt werden.
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Wie am besten in Fig. 12 zu sehen ist, stellt der
skelettartige Rahmen 82 geeigneterweise ein allgemein ebenes Blech
aus einem leitfähigen Metall, zum Beispiel Kupfer, Nickel,
Titan oder Stahl dar, das fakultativ mit Zinn, Blei,
Cadmium, Silber oder ihren Legierungen beschichtet und mit
einer Mehrzahl von offenen Bereichen oder Löchern 90
ausgebildet ist. Die Löcher 90 bilden mindestens 50% der
Oberfläche der Stirnseite des skelettförmigen Rahmens 82. Es
sollte verstanden werden, daß der skelettförmige Rahmen 82
verschiedene, nicht unbedingt auf ein ebenes Blech oder
Blatt beschränkte Konfigurationen aufweisen kann, wie
solche auf der Basis von gewebten Filamenten, gedehnten
Siebmaschen oder einer zellenförmigen Struktur wie der in Fig.
5 gezeigten wabenförmigen. Die Löcher 90 können durch
beliebige bekannte Verfahen einschließlich Stanzen,
Schneiden, Bohren, Weben oder Gießen des Materials, aus dem der
Rahmen 82 gebildet wird, eingebracht werden.
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Alternativ kann der skelettförmige Rahmen 82', wie in Fig.
13 dargestellt, aus einer Reihe starrer Stäbe oder
Vorsprünge 92 bestehen, die von der Krone 84' wie dargestellt
vorstehen. Die Stäbe oder Vorsprünge 92 können geeignet aus
einem beliebigen der oben genannten leitfähigen Metalle
konstruiert werden. Als ein gewichtssparendes Merkmal
können die Stäbe 92 alternativ aus inertern Kunststoff,
geeigneterweise Polypropylen, Nylon oder Polyvinylchlorid
gebildet werden, wobei fakultativ alle oder einige davon mit
den genannten leitfähigen Metallen beschichtet sind. Eine
Kombination von Metall- und Kunststoffstäben kann ebenfalls
eingebaut werden.
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Das aktive Anodenelement 86 (oder 86') wird aus einem
Schlamm aus porösen Zinkkörnchen gebildet, die mit einem
beliebigen geeigneten Elektrolyten imprägniert und darin
suspendiert sind. Der Schlamm wird unter Druck bei
Raumtemperatur kaltverdichtet, bis Haftung der Körnchen zu einem
starren statischen Bett aus aktivem Anodenmaterial erreicht
ist. Ein Schlamm, der aus Zink enthaltenden porösen
Körnchen hergestellt ist, die mit einem Elektrolyten
imprägniert und darin suspendiert sind, welcher eine wässrige
Lösung eines Hydroxids eines Metalls der Gruppe Ia aufweist
und bedarf sgemäß anorganische Korrosionshemmstoffe (z. B.
PbO, CdO, ZnO, HgO, In&sub2;O&sub3;, SnO oder eine Kombination
daraus), organische Korrosions-hemmstoffe (z. B. Phosphatester
oder Tetramethylammonium-hydroxid), Gelliermittel (z. B.
Carboxymethylcellulose), Elektrolytstreckmittel (z. B.
Natriumsilicat), Füllstoffe (z. B. Graphit) und
Markierungsmittel (z. B. Kresolrot) einschließt, die gemäß den
Lehren unserer ebenfalls angemeldeten Europäischen
Patentanmeldung (hierdurch durch Verweis eingeschlossen)
hergestellt werden, hat sich als besonders geeignet
herausgestellt.
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Es ist diese Verwendung eines höchst porösen anodischen
Materials, das zu einem Zustand einer dichten
Teilchenstruktur verdichtet ist, jedoch weiterhin poröser als die im
Stand der Technik bekannten Anodenvorprodukte ist, das die
kombinierten Merkmale von hoher Energiedichte schafft,
während es gleichzeitig hohe Stromkapazität und Spitzenenergie
gewährleistet.
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Eine Formstanze 100 zum Verdichten der Anode 86 (oder 86'),
die eine untere Schicht 86a und eine obere Schicht 86b
einschließt, ist in Fig. 14 gezeigt. Die Stanze weist ein
unteres negatives Element 102 mit einer Ausnehmung 104 und
ein passendes positives Element 106 auf. Kanäle 108 sind
vorgesehen, um das Ablaufen von überschüssigem Elektrolyt
zuzulassen, wenn der Schlamm verdichtet wird. Es sollte von
den Fachleuten verstanden werden, daß viele Formen von
Formstanzen verwendet werden können und die gezeigte
Formstanze sollte lediglich als Beispiel betrachtet werden.
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Die in dem Rahmen 82 vorgesehenen offenen Räume, d. h.
Löcher 90 in dem Stromkollektor 86, und die Zwischenräume
zwischen den Stäben oder Vorsprüngen des Stromkollektors
86' sind sehr wichtig und dienen einem dreifachen Zweck.
Erstens fördern die Räume in dem skelettförmigen Rahmen die
Haftung des Schlammbetts auf beiden Seiten des
skelettförmigen Rahmens, wodurch eine zusammenhängende Platte
gebildet wird. Zweitens weist an der Fläche nahe der Löcher das
Schlammbett eine größere Tiefe im Verhältnis zu der Kathode
auf, wodurch das Stromerzeugungsvermögen der Zelle
vergrößert wird; je mehr offene Räume vorhanden sind, desto
größer ist die effektive Tiefe des aktiven Anodenelements
86 und daher desto größer ist eine theoretische Leistung.
Schließlich vereinfachen die offenen Räume ein Trennen des
aktiven Anodenelements 27 von denselben zum
Wiederaufbereiten des anodischen Materials im Anodenelement 86 für
spätere Wiederverwendung. Die in Fig. 13 dargestellte
Ausführungsform hat sich als besonders vielversprechend in dieser
Hinsicht herausgestellt, da das Anodenbett einfach von den
den skelettförmigen Rahmen 82' bildenden geraden
Vorsprüngen 92 abgezogen werden kann.
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Wie bekannt ist, führt die Erzeugung von Elektrizität zu
einer Oxidation des aktiven anodischen Materials im
Anodenelement 86 zu einem weniger leitfähigen Oxidzustand. Es
wurde jedoch gefunden, daß wenn ein stark poröses
leitfähiges Anodenmaterial verwendet wird, z. B. gemäß unserer
erwähnten ebenfalls angemeldeten europäischen Patentanmeldung
hergestelltes Zink, solange mindestens 10% Zink (nicht mehr
als 90% Oxid) in dem aktiven Anodenelement verbleibt, daß
die verkleinerte Oberfläche des skelettförmigen Rahmens 82
(oder 82'), aufgrund von Löchern 90, offenen Räumen
zwischen Vorsprüngen 92 oder teilweisern Einbau von nicht
elektrisch leitfähigen Vorsprüngen die stromerzeugende Leistung
der Zelle nicht verschlechtert.
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Die Herstellung der Anode 80 (oder 80') wird wie folgt
bewirkt: Zuerst wird der skelettartige Rahmen 82 (oder 82')
gebildet und ein Schlamm aus aktivem anodischen Material 86
wird hergestellt. Die Körnchen eines geeigneten Schlamms
aus Zink und fakultativ wie oben beschriebenen Zusätzen
haben eine Anfangsdichte von Zink zwischen 0,2 und 2,0 g/cm³
und eine aktive Oberfläche zwischen 0,5 - 6,0 m²/g und sind
mit einem Elektrolyten imprägniert und darin suspendiert,
der geeigneterweise eine wässrige Lösung von Hydroxiden
eines Metalls der Gruppe Ia, z. B. KOH aufweist.
Fakultative Zusätze können wie oben ausgeführt in den Schlamm
eingeschlossen werden.
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Eine erste Schicht 86a aus aktivem anodischern Material 86
wird in die Ausnehmung 104 des negativen
Formstanzenelements 102 geschichtet. Der skelettförmige Rahmen 82 (82')
wird über die erste Schicht und darüber eine zweite Schicht
86b aus aktivem anodischem Material gegeben. Alternativ
kann der Schlamm zuerst in die Ausnehmung 104 geschichtet
und der skelettförmige Rahmen 82 (82') anschließend vor dem
Verdichten eingebracht werden.
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Die Schlammschichten des aktiven anodischen Materials und
der skelettförmige Rahmen werden bei Raumtemperatur unter
dem positiven Element 106 verdichtet, wobei die
Druckbeaufschlagung in dem Bereich von 1,0 bis 15,0 kg/cm² liegt und
der überschüssige Elektrolyt durch Kanäle 108
ablaufengelassen wird. Verdichten wird bewirkt, bis die aktive Anode
86 eine starre Platte bildet, wobei der Schlamm an sich
selbst und dem skelettformigen Rahmen 82 anhaftet und
typischerweise eine Dichte im Bereich von
0,5 - 3,0 g/cm³) aufweist.
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Durch ein alternatives Verfahren kann die Anode 80' wie
folgt aufgebaut werden: Eine dicke Schicht Schlamm wird in
die Ausnehmung 104 des negativen Elements 102 eingebracht
und das Schlammbett wird anschließend wie oben aufgeführt
verdichtet, bis ein statisches Bett aus Schlamm 86'
gebildet wird. Der aus Stäben oder Vorsprüngen 92 gebildete
skelettförmige Rahmen 82' wird in die Mitte des statischen
Betts 86' entweder vor, oder, wie in Fig. 15 gezeigt, nach
Verdichten zum Bilden der Anode eingesetzt.
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Es wird für Fachleute offensichtlich sein, daß die
Erfindung nicht auf die Details der vorhergehend dargestellten
Ausführungsformen begrenzt ist und daß die vorliegende
Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden
kann. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in
jeder Hinsicht als erläuternd und nicht begrenzend anzusehen,
wobei der Umfang der Erfindung durch die anliegenden
Patentansprüche und nicht durch die vorhergehende
Beschreibung gegeben ist und alle Abänderungen, die innerhalb die
Bedeutung und den Bereich von Äquivalenz der
Patentansprüche fallen, sollen daher in denselben eingeschlossen sein.