用于金屬空氣電池的陽極和電解質的制作方法

本發明涉及一種用于金屬空氣電池、尤其鋁空氣電池的陽極。本發明進一步涉及一種用于金屬空氣電池、尤其鋁空氣電池的電解質。本發明額外地涉及一種裝備有至少一個這種陽極和/或一個這種電解質的金屬空氣電池。

背景技術：

金屬空氣電池通常是主要電池，即不可充電原電池，其由于相應的金屬與大氣氧氣的化學反應而產生特定電壓。這種原電池還能夠指代燃料電池。不同于原電池，蓄電池是所謂的可充電池，其能夠充電。

用于鋅-空氣電池的示范結構公知于WO2012/156972A1。

用于使用在可充電電池中的鋅電極公知于WO2013/150519A1。

WO2013/128445A1公知了一種金屬空氣電池，其中，借助于液化器移除用過的燃料，即鋅。

從WO2013/150520A1公知了利用清洗溶液沖洗用于金屬空氣電池的電解質以將電池轉換為備用模式。

從WO2013/150521A1公知了按照需要復原用于金屬空氣電池的電解質。

從WO2014/009951A1公知了連接金屬空氣電池至可充電能存儲設備，即可充電池，以這種方式使得通過對應分配功率要求至金屬空氣電池和相應的可充電池而滿足改變功率要求。通過該方式，金屬空氣電池被可充電池緩存，能夠以相對恒定方式操作金屬空氣電池，這是由于功率波動能夠被可充電池補償。

對可充電電池的控制公知于DE112010002707T5、DE112009000223T5、DE102011002549A1、DE102013107033A1以及從DE2417571A。

金屬空氣電池對使用在電動車輛中能夠具有極大興趣，這是由于它們具有非常高化學能量密度。借助于這些金屬空氣電池，相比于可充電池電動車輛的范圍能夠增加顯著。

金屬空氣電池的問題在于，功率控制的實施方式能夠使電能動態適應適合于車輛，電能能夠借助于金屬空氣電池輸送至車輛實際所需的電能。在具有電動電動機驅動的車輛中，所需電能經受嚴厲波動，該嚴厲波動得自于通常非穩態狀態驅動模式。如果金屬空氣電池設計成用于高功率，那么甚至當僅需要相當小功率時電池壽命降低。相應地，通常需要復雜功率控制，例如與可充電電池結合作為功率緩存器。

技術實現要素：

本發明關注的問題是提供的用于金屬空氣電池或者用于相關操作方法或者用于裝備有其的車輛的一種改進實施例，尤其其特征在于，用于電池的高效率和/或高壽命。

根據本發明該問題通過獨立權利要求的主題解決。有利實施例是從屬權利要求的主題。

根據本發明的第一獨立方案，陽極包括陽極主體，其包含鈉基體中的鋁合金粒子。與包含水的電解質結合，接觸具有水的鈉時劇烈反應通常發生，但是，在該情況下水被鋁粒子穩定。不過，陽極或者陽極主體在相應的電解質中存在良好的溶解性，這能夠使其具有高電功率。利用根據本發明提議的陽極能夠改善金屬空氣電池的能量效率。

在優選實施例中，粒子具有的粒子尺寸為10μm至100μm，優選40μm至60μm。在實施例中，粒子具有的粒子尺寸為大約50μm是特別有利的。所選擇的粒子尺寸的結果是，獲得用于鋁合金的較大表面，這有利于期望的電解反應。

在另一有利實施例中，陽極主體中的粒子含量能夠位于40％至80％的范圍，優選60％至70％的范圍。在該情況下陽極主體中的粒子含量為大約65％的實施例是特別有利的。前述百分率細節涉及重量百分比。然后陽極主體中的剩余含量由鈉基體形成。相應地，具有65％粒子含量的基體具有陽極主體中35％的含量。

特別重要的是，在實施例中鋁合金包含鋯。通過將鋯與鋁合金化，能夠防止陽極表面上鈍化層的形成暴露至電解質，具體至這種程度，使得不優選形成氫氣，而同時由于傳遞過電壓顯著降低損失。在陽極表面的電解導致鈍化陽極表面，這限定傳遞過電壓。鈍化層越大，滲透鈍化層所需的傳遞過電壓越高。通過添加鋯，因而能夠降低鈍化層的形成，這降低了傳遞過電壓。重要的是，鈍化層的形成不完全被合金化鋯抑制。不存在鈍化層將具有的結果是，在鋁的情形下鋁接觸水時分解以形成氫氣。但是，在金屬空氣電池內部這種氫氣的強形成在電解質中是不期望的。

根據有利的進一步發展，鋁合金能夠包含0.01％至1.00％的鋯，優選容量為0.05％至0.80％的鋯。容量為大約0.5％的鋯是特別有利的。尤其，除了通常不可避免的雜質，鋁合金的剩余物由鋁形成。此處百分率細節還涉及重量百分比。

此外，為了生產這種陽極，提議了一種方法，在該方法中，包括將鋁合金的粒狀材料引入熔融鈉，并且其中，利用被引入其中的鋁粒狀材料來鑄造包括熔融鈉的陽極或者陽極主體。尤其，因而能夠實現桿狀柱形陽極主體。

此外，根據本發明提議使用包含鈉基體中的鋁合金粒子的固體作為金屬空氣電池的陽極的陽極主體。

根據本發明的第二獨立方案，用于金屬空氣電池的電解質由包含至少一個鹵素以及至少一個表面活性劑的含水酸或者含水堿液形成。優選含水堿液。借助于相應的鹵素，能夠改善陽極表面的化學反應，這是因為添加鹵素的結果，酸或者堿液能夠更好地滲透相應的金屬陽極的鈍化層。作為添加相應的表面活性劑的結果，能夠改善電化學反應，這是因為表面活性劑改善了具有電解質的陽極表面的電子交換。此外，表面活性劑使得改善了形成在反應期間的氣體的溶解，這還改善了化學反應。因而根據本發明的電解質還導致改善金屬空氣電池的能量效率。

有利地，相應的酸或者堿液在水中包括10％至40％的含量。優選20％±5％酸或者堿液。此處百分率細節再次涉及重量百分比。

根據有利實施例，鹵素能夠在酸或者堿液中包括0.1％至4.0％，優選0.5％至2％的含量。此處其還涉及重量百分比。鹵素優選包括氟化物，尤其五氟化鉀鋁。

在另一實施例中，酸或者堿液能夠包含濃度為0.1％至2％的表面活性劑，優選濃度為0.2％至1％。優選表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。

根據本發明，額外地提議使用一種由含水酸或者含水堿液組成的成分，其包含至少一個鹵素以及至少一個表面活性劑作為金屬空氣電池(優選鋁空氣電池)的電解質。

在根據本發明的能夠優選構造為鋁空氣電池的第一金屬空氣電池中，其設置成構造至少一個正如先前描述類型的陽極。在根據本發明的能夠優選構造為鋁空氣電池的第二金屬空氣電池中，其設置成構造正如先前描述類型的電解質。此處優選的是，在實施例中，優選構造為鋁空氣電池的金屬空氣電池包括至少一個具有先前描述類型的陽極以及具有先前描述類型的電解質。

關于其結構優選的是，這種金屬空氣電池基于這樣的總體構思：將金屬陽極布置在就其本身而言布置在電池殼體中的中空柱形陰極中。電解質空間徑向位于陽極和陰極之間。空氣空間徑向位于陰極和殼體之間。這導致極其緊湊的結構用于電池，由此能夠實現高功率密度。此外，一方面，該結構能夠尤其有利的流動引導電解質，另一方面該結構能夠尤其有利的流動引導空氣。因而，提供了通向殼體的空氣路徑，其從流體地連接至空氣空間的殼體的空氣入口通向流體地連接至空氣空間的殼體的空氣出口。因而能夠借助于空氣供給設備產生隨著空氣路徑以及作用在陰極上的空氣流。此外提供了通過殼體的電解質路徑，其從流體地連接至電解質空間的殼體的電解質入口通向流體地連接至電解質空間的殼體的電解質出口。現在能夠借助于電解質供給設備生成隨著電解質路徑以及作用在陽極和陰極上的電解質流動。共軸布置殼體、空氣空間、陰極、電解質空間以及陽極的結果是，能夠實現用于空氣路徑以及用于電解質路徑的低流動阻力，使得一方面能夠實現尤其用于沿著空氣路徑的空氣的大體積流動，另一方面能夠實現用于沿著電解質路徑的電解質的大體積流動。結果，足夠氧氣能夠隨后特別簡單地供給至陰極。此外，足夠未使用電解質能夠隨后供給至陽極或者能夠移除用過的電解質。在本發明中，流體在主體上的連接“行為”能夠理解為相應的流體接觸正在被作用的主體，而不管是否依靠正壓力供給流體或者依靠負壓力提取流體。

此外，尤其能夠構造空氣供給設備，使得沿著空氣路徑的空氣的體積流動在較大范圍內可調節，即可變。同樣地，能夠簡單構造電解質供給設備，使得電解質的體積流動在較大范圍內可調節，即可變。以該方式，通過液壓地改變電解質流動和/或通過氣壓地改變空氣流動能夠特別簡單地調節能夠在金屬空氣電池上被挖掘的電功率。

根據優選實施例，金屬空氣電池構造為鋁空氣電池，使得陽極具有暴露至電解質的陽極主體，陽極包括鋁合金或者由鋁合金組成。

根據有利實施例，提供控制設備用于金屬空氣電池的操作，金屬空氣電池一方面電連接至空氣供給設備，另一方面電連接至電解質供給設備。現在能夠構造為或者程序化控制設備，使得取決于金屬空氣電池上的電流電功率要求，其致動空氣供給設備以產生適于該功率要求的空氣流動，和/或致動電解質供給設備以產生適于該功率要求的電解質流動。通過改變電解質和/或空氣的體積流動，能夠在金屬空氣電池上被挖掘的電功率能夠變化。因為空氣和/或電解質的體積流動能夠相對簡單地以及相對急速地在較大范圍內變化，所以依靠此處提出的程序能夠在金屬空氣電池上被挖掘的電功率能夠相對急速地適于電流所需的功率。尤其，通過降低空氣流動和/或電解質流動，提供的能夠在金屬空氣電池上被挖掘的功率能夠在短時間適應為低功率要求，由此能夠顯著延長金屬空氣電池的壽命。液壓地或者液壓氣動的操作此處提出的功率控制或者功率調整。

尤其，控制設備能夠實現功率控制，其中，其考慮電流功率要求作為期望值，并且考慮在金屬空氣電池的電功率或者直流電功率連接件中當前測量的電功率作為實際值。依靠期望實際值比較，控制設備能夠相應地跟蹤用于電解質和/或用于空氣的體積流動。

根據另一有利進一步發展，能夠構造為或者程序化控制設備，使得取決于電流功率要求其致動電解質供給設備以產生適應該功率要求的電解質流動，以及致動空氣供給設備以產生適應改編的電解質流動的空氣流動。換句話說，控制設備初始在第一步驟確定用于電流功率要求所需的電解質的體積流動以及相應地致動電解質供給設備。在能夠類似地與上述第一步驟同時發生的第二步驟，控制設備取決于確定的電解質體積流動來確定用于此所需的空氣體積流動，并且相應地致動空氣供給設備。

在另一有利進一步發展中，能夠提供的是，構造或者程序化控制設備，使得其為了關閉金屬空氣電池而致動電解質供給設備，用于排空電解質的電解質路徑。作為排空電解質路徑(尤其電解質空間)的結果，完全中斷金屬空氣電池中陽極和電極之間的化學反應，由此嚴重降低陽極的分解或者溶解。相應地延長電池的壽命。

在另一有利實施例中，陽極能夠可旋轉地繞其縱向中央軸線安裝在殼體上。作為陽極相對于殼體可扭轉的結果，能夠實現陽極相對于垂直殼體的旋轉。從而陽極還相對于陰極旋轉，陰極相對于殼體是防扭轉的。旋轉陽極改善了陽極周圍的電解質的流動。同時，由于離心力反應產品能夠更好地從陽極釋放，這增加了可獲得的用于電解的陽極的表面積。

如果陽極可旋轉地布置在殼體中，對應旋轉驅動器(例如，電動機)能夠根本地設置以設定陽極的旋轉。可替換地，能夠提供的，陽極構造為使得陽極的旋轉將驅動電解質路徑中的電解質。通過該方式，陽極獲取額外功能。此處特別有利的是，在進一步發展中，陽極具有在其外側暴露至電解質空間的流動引導結構，當陽極旋轉時電解質空間驅動電解質。尤其，轉子葉片布置成螺栓形狀是可行的。

根據另一實施例，能夠提供的是，陽極被電解質流動驅動，即液壓地驅動。為了該目的，將電解質引導通過陽極，使得電解質流動旋轉地驅動陽極。因而，電解質流動的動能用來設定陽極處于旋轉。此外，因而能夠免除能量消耗的電驅動。

根據有利進一步發展，電解質入口能夠切向于電解質空間布置在電解質空間的第一端部區域，而電解質出口尤其軸向布置在電解質空間的第二端部區域。電解質入口和電解質出口隔開布置的結果是，實現用于電解質的電解質空間的準軸向通流。作為電解質入口切向布置的結果，螺栓形狀通過流動獲得在電解質空間中，電解質空間還能夠是指代為渦流流動。作為表面摩擦的結果，渦流流動導致陽極的旋轉移動。能夠在空氣空間或者陰極的截面中發現切向布置，切線布置垂直于陰極的縱向中央軸線運行。

額外地或者可替換地，陽極能夠具有在其外側暴露至電解質空間的流量引導結構，當陽極暴露至電解質流動時電解質空間傳遞轉矩至陽極。因而，電解質流動的動能能夠用以驅動陽極。

陽極的旋轉能夠通過具有相對高轉速的電解質的對應體積流動實現，尤其相對高轉速能夠被選擇為這樣高，使得產生足夠離心力以能夠從陽極釋放反應產品。例如，高達300轉每分鐘的旋速是可行的。

殼體方便地絕緣或者由電絕緣材料、例如塑料制成。有利地實現將陽極布置在殼體中，使得陽極的縱向中央軸線、因此還使得陰極的縱向中央軸線在電池的使用狀態中大致垂直地延伸。

根據另一有利實施例，陽極或者陽極主體能夠構造為柱形并且機械地以及電連接至金屬支撐板。該設計能夠使陽極更簡單地定位在殼體中，例如共軸定位在陰極中。

根據有利實施例，尤其圓形支撐板能夠可旋轉地繞陽極的縱向中央軸線依靠軸向軸承安裝在殼體上。因而，陽極可旋轉地安裝在殼體上的其支撐板的區域中。支撐板能夠由與陽極不同的金屬制成，由此簡化合適的安裝在支撐板的區域中的形成。依靠軸向軸承，軸向力能夠特別簡單地支撐陽極和殼體之間。例如，軸向軸承能夠布置在殼體的軸向面上，所述殼體在電池的操作狀態中布置在頂部。

在另一進一步發展中，代表電負極的金屬空氣電池的陽極側直流電功率連接件形成在軸向軸承上。軸向軸承具有一個區域，其牢固地連接至殼體，該區域還能夠指代靜止區域并且特別適合于形成陽極側功率連接。結果，雖然陽極本身相對于殼體可旋轉，但是所述陽極側電源接點是靜止的。從而簡化了電池上的電流采集。

根據另一進一步發展，軸向軸承能夠構造為滑動軸承并且包括滑動金屬圈，滑動金屬圈位于殼體側環形軸承殼中，支撐板擱置在殼體側環形軸承殼，當陽極旋轉時支撐板在殼體側環形軸承殼上滑動。作為軸向軸承的構造為平面軸承的結果，在支撐板以及軸線軸承或者滑動金屬圈之間能夠實現相對大接觸面積，這簡化了陽極和軸向軸承之間的功率傳遞。

實施例的特別有利之處在于，在該實施例中，滑動金屬圈包括由滑動金屬合金制成的環形主體，并且至少一個優選金屬加熱導體布置在環形主體中，依靠金屬加熱導體能夠加熱環形主體。加熱環形主體能夠改善滑動金屬圈和支撐板之間的功率傳遞。

進一步發展的特別有利之處在于，在該進一步發展中，加熱導體的功率供給構造為，使得加熱導體將環形主體加熱至預定操作溫度，預定操作溫度低于滑動金屬合金的熔點并且同時位于非常接近滑動金屬合金的熔點，使得表面熔化發生在環形主體上。此處滑動金屬合金是一種低熔點合金，例如，其熔點能夠位于50℃和300℃之間。例如預定操作溫度位于低于熔點10％至15％處，尤其位于低于熔點大約40℃處。作為表面熔化的結果，因而，使得液體金屬膜形成在滑動金屬圈的表面上，支撐板以液壓軸承的方式滑動在滑動金屬圈上。一方面，從而顯著降低支撐板和滑動金屬圈之間的摩擦。另一方面，作為液體金屬膜的結果，實現顯著改善了電接觸。例如，能夠降低在液體金屬膜中接觸彼此的表面的氧化物層的形成。作為此處提出的構造的結果，能夠在支撐板和軸向軸承之間實現極低損失電接觸，由此能夠以低電壓實現高電流。

例如，依靠溫度測量能夠實現控制加熱導體的功率供給，借助于加熱導體，能夠在環形主體中調節期望操作溫度。還能夠連接與PTC元件的串聯的相應的加熱導體，其中，PTC代表正溫度系數。將相應的PTC元件調節至期望操作溫度。以該方式，能夠提供自調整加熱相應的加熱導體，而沒有主要電子支出，這意味著環形主體能夠具體地被加熱至預定操作溫度。

相應的加熱導體的功率供給能夠方便地并入陽極和陽極側直流電功率連接件之間的電流路徑。

在另一有利實施例中，空氣供給設備能夠在空氣入口的上游具有濃縮設備，其增加空氣流動中的氧氣含量。因而，關于夾帶的氧氣實現豐富空氣流動，這相應地改善陰極的電解功能。例如，這種濃縮設備能夠裝備有對應過濾膜或者對應分子篩，由此在一側氮含量增加并且氧氣含量減小，而在另一側氮含量減小不去氧氣含量增加。例如，借助于這種濃縮設備，空氣中的自然氧氣容量能夠從大約20％增加至超過90％。

如果此處使用必須周期性再生的過濾介質，濃縮設備包括兩個或多個濃縮單元，使得依靠至少一個濃縮單元能夠執行永久地的增加氧氣含量，同時另一濃縮單元被再生。

在另一有利實施例中，電解質供給設備能夠具有電解質回路，其包括流動回路和返回回路。流動回路從電解質罐通向電解質入口，而返回回路從電解質出口通向電解質罐。通過使用這種關閉的電解質回路，能夠永久地使用電解質。尤其，從而更高體積流動能夠用于電解質，體積流動如此高，使得在流過電解質路徑期間電解質不完全不可用。

根據有利的進一步發展，用于驅動電解質的流動泵布置在流動中。例如，能夠依靠流動泵調節被引導通過電解質路徑的電解質的電流體積流動。

在另一實施例中，用于驅動電解質的返回泵能夠布置在返回回路中。返回泵用來將電解質從電解質出口運送至電解質罐。這尤其能夠用于排空電解質空間或者電解質路徑，例如協同電解質回路的可控制通風以及通氣。

在另一實施例中，用于將反應產品從電解質移除的電解質清潔設備能夠布置在返回回路中。這種電解質清潔設備方便地位于返回泵的下游，并且能夠例如構造為具有膜的離心機。借助于電解質清潔設備，能夠以這種方式制備來自電解質空間的電解質，使得制備的電解質能夠再次供給至電解質空間。通過該方式最小化電解質的消耗。

在另一有利實施例中，氣體分離設備能夠布置在返回回路中，用于從液體電解質移除氣體。氣體(尤其氫氣)能夠形成在金屬空氣電池中的電解反應中。例如，為了改善電解功能的效率，氣體應該與液體電解質分離。尤其還應該避免電解質中任何形式的泡沫。例如，氣體分離設備能夠利用噴嘴操作，由此特別大的氣體泡形成在電解質中，其能夠較易于被分離。

根據有利的進一步發展，氣體分離設備能夠經由輸氣管道流體地連接至轉換設備，轉換設備用于將被分離的氣體的化學能量轉換為電能和/或熱量。因而，積聚為廢棄產品的氣體的化學能量能夠用以改善金屬空氣電池的整個能量效率。

根據有利的進一步發展，轉換設備能夠是催化蕊頭，例如其包括鉑金絲網。氣態氫氣與大氣氧氣起反應以形成水。形成的熱量能夠用來加熱電池。可替換于此地，轉換設備能夠由氫氣空氣燃料電池形成，在氫氣空氣燃料電池中，氫氣與氧氣起反應以形成電流和熱量。熱量能夠再次用來加熱電池。電能還能夠使用在電池內部或者作為額外電功率。合適的氫氣空氣燃料電池能夠構造為低溫燃料電池或者PEM燃料電池，其中，PEM代表質子交換膜。原則上，還能夠作為高溫度燃料電池，尤其作為SOFC燃料電池的實施例，其中，SOFC代表固體氧化物燃料電池。

例如，借助于以適當方式并入電解質回路的熱傳遞劑能夠實現轉換設備和剩余金屬空氣電池之間的熱傳遞。使用該熱傳遞劑還能夠從電解質撤回多余熱量。熱量然后能夠具體地用以加熱陽極和/或陰極以改善電解反應。

在另一有利實施例中，空氣入口能夠布置成切向于空氣空間。額外地或者可替換地，空氣出口能夠布置成切向于空氣空間。空氣入口或者空氣出口的能夠切向布置用以將空氣空間內部的空氣流動構造為螺栓形狀，即作為渦流流動，其結果是，實現增加用于空氣空間內部的空氣流動的停留時間。這改善了空氣流動以及陰極之間的氧傳遞。

根據另一有利的實施例，能夠向陽極提供感應加熱。例如這種感應加熱利用至少一個感應線圈操作，感應線圈在陽極的區域產生靜止的空間不均勻電磁場。通過在該電磁場中移動或者旋轉陽極，熱量被引發在陽極中，尤其被引發在面向電解質空間的壁區域中，這顯著改善電解反應。

相應的感應加熱能夠布置在陰極的區域中，其結果是能夠實現特別緊湊的設計。借助于感應加熱以及具體地在面向電解質空間的壁區域中陽極能夠被加熱。通過該方式，加熱實際反應區域所需的是僅較少能量。在反應區域中增加的溫度改善金屬空氣電池的能量效率。

電池系統能夠包括具有先前描述類型的多個金屬空氣電池，并且其特征在于，共用空氣供給設備用于通過電池的空氣路徑生產相應的空氣流動，和/或通過共用電解質供給設備通過電池的電解質路徑用于生產相應的電解質流動，和/或通過共用控制設備用于操作電池。電池能夠流體地串聯連接或者并聯連接于它們的空氣路徑和/或它們的電解質路徑。該設計簡化了高性能電池系統的實施方式。尤其，共用空氣傳送設備能夠用于多個電池。額外地或者可替換地，電解質傳送設備能夠用于多個電池。額外地或者可替換地，由于共用控制設備能夠用于多個電池，因此還簡化了控制或者調整電池系統。

能夠優選包括道路車輛的車輛能夠具有電動機驅動器并且能夠裝配有具有先前描述類型的至少一個金屬空氣電池。車輛的特征尤其在于，用于電驅動器的功率供給的功率電子，電驅動器以不緩存的方式連接至相應的金屬空氣電池。不緩存的電聯接對應于直接電連接，即無需居間的電能存儲設備，即尤其無需居間的可充電池。因此本發明關于車輛基于的總體構思是，直接使用用于電驅動器的功率供給的相應金屬空氣電池，使得能夠免除居間的額外電能存儲設備，諸如可充電池。

用于操作這種電池的方法能夠基于這樣的總體構思：液壓地或者氣壓地控制或者調整金屬空氣電池的電功率輸出。換句話說，依靠具體改變電解質和/或空氣的體積流動而實現金屬空氣電池的功率控制或者功率調整。利用常規部件(諸如，風扇和/或泵)能夠特別簡單實現這種氣壓或者液壓功率調整或者控制。

相應地，根據有利實施例能夠提供的是，相應地致動至少一個電解質傳送設備，例如合適的泵，以增加或者降低其傳送容量，用于改變電解質流動。額外地或者可替換地，能夠提供的是，相應地致動至少一個空氣傳送設備，例如合適的風扇以增加或者降低其傳送容量以適應空氣流動。

通過參考附圖，本發明的進一步重要的特征及優勢獲得于從屬權利要求、附圖以及附圖說明。

應理解的是，前述特征以及下文將解釋的特征不僅能夠使用在指定組合中，而且能夠使用在其他組合中或者單獨使用，這并不超出本發明的框架。

本發明的優選示范實施例示出于附圖中并且將在以下描述中詳細解釋，其中，相同附圖標記指代相同或者類似或者功能上相同的部件。

附圖說明

在附圖中，在每個情況下示意地，

圖1示出了不含外圍部件的金屬空氣電池的高度簡化的回路圖的示意圖，

圖2示出了圖1的視圖，但是具有外圍部件。

具體實施方式

根據圖1和圖2，優選包括鋁空氣電池的金屬空氣電池1包括殼體2，其電絕緣并且優選由電絕緣材料例如，塑料組成。在示出的例子中，殼體2構造為柱形容器并且具有柱形護套3以及板形、尤其圓形的基底4。在金屬空氣電池1(下文指代為縮寫電池1)的安裝狀態或者準備好被使用的狀態下，殼體2布置成使得殼體2的縱向中央軸線5大致垂直地對準，即大致平行于重力6的方向，重力6的方向由圖1的箭頭指示。電池1進一步包括至少一個中空柱形陰極7，陰極7布置在殼體2中，并且具體地優選使得在電池1準備好被使用的狀態下，陰極7的縱向中央軸線8大致平行于重力6的方向運行。在示出的例子中，殼體2和陰極7共軸以及同心地相對于彼此布置，使得兩個縱向中央軸線5、8一致。陰極7將殼體2中的空氣空間9從電解質空間10分離。陰極7通常由多孔材料組成，由此較大表面積可獲得于普通液體電解質，普通液體電解質能夠接觸包含在空氣中的氣態氧氣。例如，陰極能夠由可滲透膜形成或者包括這種膜。

此外，電池1包括至少一個布置在電解質空間10中的金屬陽極11。陽極11包括例如具有縱向中央軸線13的柱形陽極主體12并且共軸于陰極7布置以及尤其與陰極7同心地布置。相應地，此處縱向中央軸線5、8、13一致。

空氣路徑14通過殼體2通向殼體的空氣出口16，空氣路徑14由圖1的箭頭指示并且流體地連接殼體2內部的殼體2的空氣入口15的而通過空氣空間9。此外，電解質路徑17通過殼體2通向殼體2的電解質出口19，電解質路徑由圖1的箭頭指示并且流體地連接殼體2的電解質入口18而通過電解質空間10。

電池1額外地裝配有空氣供給設備20，借助于空氣供給設備20，能夠生成空氣流動，用于電池1的操作，在電池1的操作期間空氣流動遵循空氣路徑14，從而作用在陰極7上，即，流向陰極7或者在其周圍流動。此外，提供了電解質供給設備21，借助于其，能夠生成電解質流動，用于電池1的操作。在電池1的操作期間電解質流動遵循電解質路徑17，從而一方面作用在陽極11上，另一方面作用在陰極7上，即流向其或者在其周圍流動。

根據圖2提供了控制設備22用于電池1的操作，例如，呈控制器的形式。控制設備22例如經由對應控制設備23電連接至空氣供給設備20以及連接至至電解質供給設備21。此外，控制設備22能夠經由對應信號線24電連接至電池1的傳感器系統，此處未詳細示出。如果在上位系統中使用電池1，尤其在車輛中使用電池1，為了提供電能，控制設備22額外地經由這種控制線24連接至系統或者車輛的控制，此處未示出，使得控制設備22獲知系統或者車輛的電流電功率要求。在該情況下該電流功率要求與電池1所需的電流功率要求一致。

現在構造為或者程序化控制設備22，使得其取決于電池1上的電流電功率要求致動空氣供給設備20和/或電解質供給設備21，以這種方式，使得空氣供給設備20生成適應電流功率要求的空氣流動，和/或電解質供給設備生成適應電流功率要求的電解質流動。優選地，以這種方式實現構造或者程序化控制設備22，使得取決于電流功率要求，例如，依靠特性線或者特征區域或者依靠合適的計算公式，其初始確定在第一步驟合適的電解質流動，然后致動電解質供給設備21，以這種方式，使得其生成確定的電解質流動。在能夠準平行發生的第二步驟，控制設備22能夠確定用于確定的電解質流動所需的空氣流動，同樣地，依靠特性線或者特征面積或者依靠合適的計算公式，使得其能夠然后致動空氣供給設備20以生成確定的空氣流動。

因此控制設備22能夠液壓或者液壓氣動功率控制或者功率調整電池1。如果功率要求增加，那么用于電解質以及空氣的體積流動相應地增加。另一方面，如果功率要求降低，那么用于電解質以及空氣的體積流動相應地降低。因而，最小化電池1的磨損，即陽極11的分解。因此，電池1具有較長壽命。

能夠額外地程序化或者構造控制設備22，使得例如為了關閉電池1，其致動電解質供給設備21，使得其排空電解質的電解質空間10或者整個電解質路徑17。這能夠額外地在跟隨在利用對應中性或者惰性沖洗介質沖洗之后。

正如能夠尤其從圖1推論出的，根據優選實施例陽極11能夠可旋轉地繞其縱向中央軸線13安裝在殼體2上。對應旋轉移動由附圖中的旋轉箭頭25指示。作為陽極11的旋轉移動的結果，改善了陽極11和電解質之間的接觸，這改善了與電流生成的電解反應。同時，以對應轉速陽極11的旋轉能夠產生離心力，離心力能夠使反應產品從陽極11釋放，這還改善電解質反應的效率。陽極11或者其陽極主體12布置在金屬支撐板26上并且機械以及電連接至支撐板26。在這方面，支撐板26還能夠被視為陽極11的圓周。支撐板26可旋轉地繞陽極11的縱向中央軸線13依靠軸向軸承27安裝在殼體2上。為此，軸向軸承27布置在殼體護套3面向離開基底4的面28上。

電池1具有兩個直流電或者電功率連接件29、30，即代表負電極的第一電功率連接件29電連接至陽極11，代表正電極的第二電功率連接件30電連接至陰極7。

在此處示出的優選例子中，陽極側直流電功率連接件29形成在軸向軸承27上并且牢固地連接至軸向軸承27上，其結果是，其相對于殼體2被固定并且不同于非靜止或者旋轉陽極11，以靜止或者防扭轉方式布置。

軸向軸承27能夠根本地構造為輥軸承。但是，優選的是，在示出的實施例中，軸向軸承27構造為平面軸承。尤其，為此，軸向軸承27能夠包括滑動金屬圈31和環形軸承殼32。軸承殼32牢固地布置在殼體2上。滑動金屬圈31插入在軸承殼32中。為此，在例子中軸承殼32具有軸向開口環形凹槽33。滑動金屬圈31位于環形凹槽33中。支撐板26擱置滑動金屬圈31上并且在電池1的操作期間能夠滑動在滑動金屬圈31上。滑動金屬圈31具有環形主體34，其由滑動金屬合金和至少一個布置在環形主體34中的金屬加熱導體35組成。借助于加熱導體35環形主體34能夠被加熱。此處未示出的加熱導體35的功率供給能夠構造為，使得加熱導體35將環形主體34加熱至預定操作溫度，一方面，預定操作溫度位于低于滑動金屬合金的熔點處，另一方面位于非常接近滑動金屬合金的熔點，表面熔化發生在環形主體34上。例如，操作溫度為低于滑動金屬合金的熔點大約10％至20％。具有的最大熔點為250℃至350℃的低熔點合金方便地用作滑動金屬合金。將環形主體34加熱至預定操作溫度導致所述表面熔化在環形主體34上，使得環形主體34的外表面至少在支撐板26的區域中液化。一方面，這導致一個極其低摩擦的液壓平面軸承。另一方面，從而顯著改善了滑動金屬圈31和支撐板26之間的電接觸，其結果是能夠在低電壓下傳遞較大電流。

能夠通過分離功率供給實施前述加熱導體35的功率供給，借助于控制設備22能夠控制或者調整功率供給，例如協同溫度傳感器，以調節環形主體34上的期望操作溫度。在簡化情形下，能夠借助于至少一個PTC元件實施功率供給，PTC元件與加熱導體35串聯連接在合適的點。尤其可行的是，將加熱導體35平行引入支撐板26和軸向軸承32之間的流動路徑，可以包括相應的PTC元件。

根據此處還示出的另一有利實施例，電解質路徑17被引導通過陽極11或者陽極主體12，使得電解質流動在電池1的操作期間旋轉地驅動旋轉地安裝的陽極11。為此，電解質入口18能夠布置成切向于電解質空間10。相應地，電解質流入電解質空間17能夠發生在接近陰極7處。此外，能夠提供的是，電解質入口18布置在電解質空間10的第一端部區域上，此處布置在基底4遠側，或者在安裝狀態時布置在頂部，而電解質出口19布置在遠離第一端部區域的電解質空間10的第二端部區域。在圖1的例子中或者在安裝狀態時，電解質出口19位于基底4近側，即位于底部。在示出的例子中，此外電解質出口19，軸向定向并且被引導通過基底4。電解質入口18和電解質出口19在電解質空間10的對置軸向端部的布置使得電解質的軸向流動通過電解質空間10。電解質入口18的切向布置在電解質空間10中產生渦流流動或者螺栓形流動，作為摩擦效應的結果，其旋轉地驅動陽極11。但是，在電解質空間10中的渦流流動還能夠使得電解質空間10中的電解質具有較高流動速率和較高停留時間。

在例子中，陽極11或者陽極主體12形成在外側36上，同時流動引導結構37暴露至電解質空間10。以這種方式構造流動引導結構37，使得當陽極11通過電解質流動起作用時，它們能夠將轉矩傳遞至陽極11。因此流動引導結構37能夠利用電解質流動的動能，用于驅動陽極11。流動引導結構37能夠，例如，由螺栓形葉片或者葉片剖面形成。此處流動引導結構37漸增地設置成切向于電解質入口18，而且能可替換地夠設置在電解質入口18上。

而在先前描述的例子中，以合適的方式生成的電解質流動用于旋轉地驅動陽極11，根據另一實施例其能夠設置成使用陽極11的旋轉用于驅動電解質，即用于產生電解質流動。為此，能夠提供由圖2的斷線指示的旋轉驅動器56，其旋轉地驅動陽極11。在例子中，旋轉驅動器56(例如能夠是電動機)驅動承載陽極主體12的支撐板26。在該情況下，操作流動引導結構37類似于操作軸向流動機器的轉子葉片，諸如，螺旋槳。被驅動的陽極11在該情況下形成電解質傳送設備。控制設備22能夠經由對應控制線23電連接至旋轉驅動器56以按照要求致動旋轉驅動器56。

根據圖2，空氣供給設備20具有在空氣入口15的上游的濃縮設備38，借助于濃縮設備38，能夠增加空氣流動中的氧含量。在該情況下能夠依靠合適的過濾器結構尤其膜等操作濃縮設備38。相應地，相比于濃縮設備38的空氣流動上游，濃縮設備38的空氣流動下游具有顯著增加的氧含量。經由排氣空氣線39能夠從濃縮設備38移除具有對應降低的氧含量或者增加的氮含量的空氣流。此處，空氣供給設備20額外地具有風扇40，用于驅動或者用于產生空氣流。風扇40能夠被控制設備22致動。此外，此處未示出的“正常”空氣過濾器能夠包含在空氣供給設備20中，依靠“正常”空氣過濾器能夠從過濾出空氣液體和/或固體雜質。

根據圖2，電解質供給設備21裝備有閉合的電解質循環41，其包括流動回路42和返回回路43。流動回路42將用于提供電解質的電解質罐44流體地連接至電解質入口18。流動泵45位于流動回路42中，能夠借助于控制設備22致動流動泵45。返回回路43將電解質出口19流體地連接至電解質罐44并且包含返回泵46，能夠借助于控制設備22致動返回泵46。此處流動泵45和返回泵46形成電解質傳送設備。

此外，電解質清潔設備47位于返回回路43中返回泵46的下游，借助于電解質清潔設備47能夠從電解質移除反應產品。因而，電解質的制備發生在電解質清潔設備47內部，使得清潔的或者未用過的電解質能夠供給至電解質罐44。例如，電解質清潔設備47能夠構造為離心機，尤其具有膜。離心機能夠構造為背噴(back jet)離心機，其被電解質流動的動能驅動。

此外，氣體分離設備48能夠布置在返回回路43中，借助于氣體分離設備48能夠從液體電解質分離氣體。在例子中，氣體分離設備48位于返回泵46的下游或者電解質清潔設備47的下游。被分離的氣體尤其包括氫氣，其在電解質反應期間形成在電解質空間10中。為了改善氣體分離來說，氣體分離設備48能夠包含多個噴嘴，液體電解質依靠噴嘴能夠被按壓通過。已經示出的是，噴嘴強化了泡沫形成，這簡化了從液體電解質分離氣體。

氣體分離設備48經由氣體線49流體地連接至轉換設備50，借助于轉換設備50被分離的氣體的化學能量能夠轉換成電和/或熱能。例如，轉換設備50包括催化蕊頭，使得可燃氣體被放熱地轉換以產生熱。可替換地，轉換設備50能夠包括氫氣空氣燃料電池，其借助于大氣氧氣將被分離的氫氣轉換為熱能和電能。借助于轉換設備50從被分離的氣體轉換的能量能夠根據箭頭51供給至電池1或者相應的上位系統，即尤其車輛。

此外，熱交換器55能夠位于返回回路43中，借助于熱交換器55能夠冷卻被返回的電解質。從而散失的熱量能夠供給至電解質空間10內部的反應區域或者供給至電池1(尤其車輛)的上位系統。在圖2的例子中，熱交換器55集成在氣體分離設備48中。

根據圖1，為了增加空氣空間9內部的空氣流動的停留時間，能夠至少將空氣入口15布置成切向于空氣空間9。此外，空氣入口15和空氣出口16布置在空氣空間9的端部，遠離彼此。相比于電解質路徑17，此處優選相反布置，使得能夠實施所謂的計數器流動原理，用于電解質路徑17和空氣路徑14。因此，在例子中，空氣入口15位于基底4的近側，而空氣出口16位于基底4遠側。

能夠提供感應加熱器52，用于加熱陽極11或者陽極主體12，在例子中感應加熱器52位于陰極7的區域中。借助于感應加熱器52，一方面能夠以非接觸方式加熱陽極11或者陽極主體12。另一方面，加熱具體地發生在面向電解質空間10的外側36的區域中，電解質空間10還暴露于電解質流動。結果，加熱具體地發生在增加的溫度期望用于改善電解質反應的地方。感應加熱器52尤其構造為使得生成垂直電磁場，同時交變磁性極化發生在周向方向上，這僅利用陽極11的相對移動發生，用于由于感應而期望地對陽極11或者陽極主體12進行表面加熱。陽極11的相對移動是通過繞其縱向中央軸線13旋轉陽極11而實現的。感應加熱是被調速的，其中，陽極11的旋轉速度取決于電解質的體積流動。

雖然在此處示出的優選例子中，僅單個陰極7以及僅單個陽極11布置在殼體2中，但是在另一實施例中，能夠將多個陰極7以及多個陽極11布置在相同殼體2中。還能夠將多個陽極11布置在相同陰極7中。

用圖2中的57球狀地指代的電池系統包括至少兩個具有先前描述類型的金屬空氣電池1，但是，其中外圍聚合物或者部件能夠結合使用。例如，具有共用電解質供給設備21的多個電池1能夠被相應的電解質流動供給。尤其，能夠使用共用控制設備22操作多個電池1或者電池系統57。尤其，共用傳送設備然后還能夠用于產生用于各個電池1的空氣流動或者電解質流動。電池1能夠串聯或者并聯電連接。獨立于此，電池1的電解質路徑17能夠流體地并聯或者串聯布置。例如，能夠提供共用電解質回路41，其中多個電池流體地并入，使得能夠結合使用電解質回路41的另一部件，諸如電解質清潔設備47和/或氣體分離設備48。同樣地，電池1的空氣路徑14能夠流體地并聯或者串聯布置，其中，此處還能夠結合使用空氣供給設備20的另一部件，諸如濃縮設備38或者空氣過濾器。

具有電動機驅動器的車輛能夠裝備有至少一個具有先前描述類型的電池1或準備有先前描述的電池系統57，以提供用于相應的電動機的電能。此處具有的特定優勢為，作為其液壓或者液壓氣動功率控制或者功率調整的結果，此處提出了一種電池1，其能夠原則上不緩存地電連接至車輛的相應功率消耗件或者對應功率電子設備，使得尤其能夠免除笨重的可充電池等。

為了操作這種金屬空氣電池1或者這種電池系統57，現在能夠提供的是，取決于用于金屬空氣電池1或者用于電池系統57的電流功率要求，生成用于相應的電池1的合適的電解質流動和/或合適的空氣流動。為了該目的，方便地，能夠提供的是，為了適應電解質流動，相應的電解質傳送設備，即優選地相應電解質泵45、46或者旋轉驅動陽極11被致動以增加或者降低其傳送容量，和/或為了適應空氣流動，提供的是，相應的空氣傳送設備(即優選風扇40)被相應地致動以增加或者降低其傳送容量。

陽極11能夠根據圖1和根據特別有利的實施例生產，使得其在鈉基體53中包括陽極主體12，鋁合金的粒子54嵌入鈉基體53中。因此這不包括鋁鈉合金，而是包括鋁鈉復合材料。這是憑借包括形成粒子54的鋁合金的粒狀材料實現的，粒狀材料被引入熔融鈉，從而熔融鈉形成基體53。借助于該包含鋁合金的粒子54的熔融鈉能夠鑄造陽極11或者陽極主體12。

例如，粒子54能夠具有的粒子尺寸為10μm至100μm。優選的粒子尺寸為40μm至60μm。特別優選的粒子尺寸大約50μm。陽極主體12中粒子54的含量優選在40％至80％的范圍中。60％至70％的粒子含量是有利的。特別優選的粒子含量為大約65％。此處意思是重量百分比。

粒子54由鋁合金生產的，根據有利實施例鋁合金能夠包含鋯。已經發現的是，鋁合金中鋯降低阻擋層的形成在陽極主體12的外側36，到目前為止，使得在很大程度上避免鋁與水直接反應以形成鋁氧化物和氫氣。鋁合金優選包含0.01％至1.00％的鋯。優選0.05％至0.8％的鋯含量。大約0.5％的鋯含量是特別有利的。前述百分率細節為重量百分比。除了由于制造不可避免的雜質，鋁合金專門由鋁組成。

此處優選使用的電解質由含水酸或者含水堿液組成，至少一個鹵素和至少一個表面活性劑添加至含水酸或者含水堿液中。鹵素為氟、氯、溴、碘、砹以及Uus。特定地，氟、氯、溴和碘被認為是電解質。此處優選氟。不使用純粹形式的鹵素，而使用氟化物形式，尤其使用含鹽氟形式，所謂的氟化物。表面活性劑是這樣的物質，其降低液體的表面張力或者兩個相位之間的界面張力，并且能夠或者輔助形成分散或者充當增溶劑。

用于電解質的酸或者堿液在水中具有的濃度為10％至40％。優選濃度在15％至25％的范圍內。特別有利的濃度為大約20％。酸或者堿液內部鹵素具有的含量為0.1％至4.0％。優選鹵素含量為0.5％至2.0％。優選鹵素五氟化鉀鋁。酸或者堿液中表面活性劑具有的含量為0.1％至2.0％在。優選表面活性劑的含量為0.2％至1.0％。十二烷基硫酸鈉優選作為表面活性劑。前述百分率細節每個均應該理解為重量百分比。