CN101894953A - 船用海水电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用海水作为电解质溶液的电能发生器，尤其是涉及一种适应于船舶使用的、可移动的海水电池。本发明产品由电极、护罩两个模块组成，包含铜电极、铝电极、连接线、外壳、内笼五个部件，其中，使用铜金属作为电池正极，使用铝金属材板作为电池负极，外壳为不锈钢材料制造，结构精悍，外观流畅，最大程度地提高产品的抗腐蚀能力与抗冲撞能力，具有可移动、制作简易、操作简单、运行可靠、工作环境安静、适应性强、使用寿命长、应用范围广等特点，除了可用作船舶的照明、信号电源之外，还可用作船舶的动力电源，可广泛应用于海上作业、海水养殖、海上救生、海上航运、海上娱乐等行业，具有较高的经济价值和良好的社会价值，市场前景广阔。

Description

船用海水电池

技术领域

本发明涉及一种利用海水作为电解质溶液的电能发生器，尤其是涉及一种适应于船舶使用的、可移动的海水电池。

背景技术

海水电池属于化学电池中的一种，它利用金属在海水中的氧化还原反应，自发地将化学能转变为电能。

目前公知的海水电池，无论是直插式或螺旋式结构，大都固定在海域或水域中的特定位置，不能随着船舶的航行而移动，且存在着结构松散、易撞碎等缺陷，影响到海水电池的应用范围。

发明目的

本发明的目的，在于设计出一种比各类公知海水电池结构更可靠、且可随着船舶航行而移动的海水电能发生器，赋予海水电池以更大的应用范围和更广的使用空间。

发明内容

本发明在综合目前公知海水电池基础上，克服现有电池体积松散、电极板外露等缺陷，扬优避劣，力求在精简电池单位体积的同时，最大限度地使电池与船舶融为一体，减少电池在海水中移动的阻力，且最大限度地提高海水电池的抗腐蚀能力与抗冲撞能力，使产品能够在复杂海水环境中安全可靠地运行，真正做到高效、实用。

本发明所依据的原理主要是电化学原理，特点是：

当将分子活动相对比较活泼的金属（如铝）与分子活动相对比较不活泼的导体材料（如铜）同时浸泡于海水之中时，比较活泼的金属就会与具有电解质溶液特征的海水发生氧化反应，释放出电子，成为原电池的负极；从活泼金属中释放出来的电子，通过海水定向流向分子活动较为不活泼的导体材料，使该导体材料获得电子而成为原电池的正极；当两极之间的电动势具有电位差时，即产生电能。

原电池形成电能的能力，取决于组成原电池结构物质的电化学反应能力。其中：电能电压的高低，与电化学反应的速度有关，尤其是与活泼材料的纯度、电解质溶液电离子浓度、电解质溶液的温度有关；电能电流的大小，与参与电化学反应的电极面积大小有关，尤其是与活泼金属浸泡在电解质溶液中的表面积有关。

两极材料与电解质溶液之间所进行电化学反应所释放的化学能，是电池两极电能的来源；当海水中所含的电离子浓度处于不饱和状态时，两极材料之间的电化学反应就继续进行；当海水所含的电离子浓度处于饱和状态时，两极材料之间的电化学反应停止。该原理所引伸出来的意义是：在大自然海水中，所含电离子浓度永远处于不饱和状态，只要浸泡在海水中的两极材料不消失，两极材料之间的电化学反应就永远进行下去。

另外，作为可移动的船用海水电池，除了必须具备一般海水电池的电化学反应机制之外，还必须具备一些能够适应于船舶航行的特殊要求，使之有较好的可靠性、经济性，这些特殊要求包括：

1，电池外壳本体必须坚固，结构必须精悍，具有一定的抗冲撞能力与抗腐蚀能力。

2，海水电池应吊装在船舷底部下端，与船舶本体融为一体，且保持与海水的全面接触。

3，电池内部电路应有较高的防潮防湿能力，保证电池外电路能够不因潮湿而短路。

4，电极片与电池金属外壳之间，必须间隔一定厚度的绝缘层（电解质溶液除外），保证电极片与电池外壳之间不致于产生电流回路。

5，电池必须考虑在海水中移动的阻力问题，其外形应设计为流线体，以使运动阻力处于最小程度。

6，电池外壳主体必须是玲珑剔透的笼状框体，以保障作为电解质溶液的海水能够在电池电极片之间通畅流动。

7，电极片形状必须依据外壳主体内部空间的形状而制作，所形成的电极片阵列，必须与外壳内部空间形状相吻合。

本发明根据电化学原理及电池海上作业要求，采用的技术方案是：

⑴产品的负极材料使用铝金属板材，该材料分子活动特性较为活泼，能够在海水中与氯离子、氢氧根发生电化学反应而释放出电子，且该材料市场价格较为低廉，取材容易。

⑵产品的正极材料使用铜金属板材，该材料分子活动特性较不活泼，但能够在电解质溶液中轻易吸纳电子而成为电池的正极，且该材料便于铸造刨削加工。

⑶使用较为坚固结实的电极固定架，用于并联连接、固定同一金属材料的电极片，形成电极片阵列。

⑷将两个不同金属材料的电极片阵列相对间插到特定形状的内笼框架上，生成海水电池正负两极的电极部件。

⑸将用于间插电极部件的内笼框架，设计为具备特定要求的结构形状；其特定要求有三：一，外形必须与电池外壳内壁形状相吻合，使其能够无缝地嵌套到与电池外壳之中；二，内部结构除了必须能够紧密固定电极片之外，还必须预留出海水流动的空间，可以让海水能够在电极片之间通畅流动；三，框架本体必须为绝缘体，可以使电池外壳与电极片之间保持一定距离，以免产生电流回路。

⑹将用于套嵌电极片及内笼框架的电池外壳，设定为不锈钢材料制造，使电池本体具备有一定程度的耐冲撞、耐腐蚀能力；其中，中段壳体与吊架必须为同一牌号的不锈钢材料制造，以便两者之间紧密焊接。

⑺在电池外壳中段壳体中，设置多个圆头矩形通孔，以便海水能够通畅进入电池内部，与电极板发生电化学反应。

⑻将电池外壳的前后两端，设计为密封式碗状结构，一方面使电池外观呈现流畅的流线体形，减少电池在海水中移动的阻力；另一方面与内笼垫片、内笼隔板、防水垫圈相结合，在电池内部两端各造就出一个密封体，防止电池两端的电极线路因潮湿而短路，确保海水电池可靠运行。

与目前公知的海水电池相比，本发明所形成的船用海水电池，具备下列有益效果：

1，可移动──本发明产品可悬挂安装到船舶底部下端，可随船舶航行而移动，并且能够在移动过程中产生电能。

2，制作简易──本发明产品仅由电极、护罩两个模块组成，结构简单、制造简易。

3，工作可靠──本发明产品结构紧凑，具有一定的抗冲击力和抗腐蚀力；运行时不受日光照射和潮汐涨落、波浪起伏的影响，工作稳定可靠。

4，适应性强──产品不但可以在含盐浓度高的海域中使用，而且可在一切具有氯化钠（NaCI）、氯化钾（KGI）等金属盐成分的水域中使用。

5，使用寿命长──产品在海水中的连续工作时间可达半年时间，所消耗的只是作为负极活泼材料的铝金属和作为电解质溶液的海水；由于海水在自然界取之不尽，故用户只需配备足够的铝电极板，即可多次反复使用，单机工作寿命长达六年以上。

6，应用范围广──产品除了可用作船舶的照明、信号电源之外，还可以用作船舶的动力电源，广泛应用于海上作业、海水养殖、海上救生、海上航运、海上娱乐等行业。

另外，本发明产品还有操作简单、工作环境安静，工作效率高等特点，市场空间广阔，具有极高的经济附加价值和社会价值。

下面，结合一实施例及附图，对本发明作进一步说明。

附图说明

图1，是本发明一实施例的结构组织图。

图2，是本发明一实施例产品的立体局部剖示例图。

图3，是本发明一实施例产品的电极模块零件示例图。

图4，是本发明一实施例产品的护罩模块外壳部件零件示例图。

图5，是本发明一实施例产品的护罩模块内笼部件零件局部剖示例图。

图6，是本发明一实施例产品的应用示例图。

具体实施方式

本发明作为一项产品技术方案，通过相应模块的组合，可得到具体实施，产品的结构组织如图1所示。

图1中，本发明所述的船用海水电池，由电极、护罩二个模块组成；不同的模块又包含着不同的部件，其中：

◆电极模块──包含铜电极、铝电极、连接线三个部件。

◆护罩模块──包含外壳、内笼二个部件。

实施例产品中每个部件，又包含着若干个零件，其中：

◇铜电极部件包含着铜电极片A、铜电极片B、铜电极片C、铜电极片D、铜电极片E五个零件。

◇铝电极部件包含着着铝电极片A、铝电极片B、铝电极片C、铝电极片D、铝电极片E五个零件。

◇连接线部件包含着电流引出线、引线固定螺丝、引线防水垫圈、电极固定架、电极坚固螺丝五个零件。

◇外壳部件包含着吊架、中段壳体、前端外壳、后端外壳、外壳防水垫圈、外壳紧固螺丝六个零件。

◇内笼部件中包含内笼框架、内笼防水垫片、内笼隔板三个零件。

在本实施例中，各个零件之间的相互方位关系如图2所示。

图2中，船用海水电池由前端外壳（1）、引线固定螺丝（2）、外壳紧固螺丝（3）、电流引出线（4）、引线防水垫圈（5）、外壳防水垫圈（6）、中段壳体（7）、吊架（8）、后端外壳（9）、内笼框架（10）、铜电极片A（11）、铝电极片E（12）、内笼防水垫片（13）、内笼隔板（14）、电极紧固螺丝（15）、电极固定架（16）等零件组成；其中，吊架（8）紧密焊接于中段壳体（7）顶面位置上，成为整个海水电池悬挂船舶的连接机构。

图2中，不同金属材料的电极片间隔嵌套在内笼框架（10）中；而内笼框架（10）又嵌套中段壳体（7）中，两端再间隔以内笼防水垫片（13）、内笼隔板（14）通过外壳紧固螺丝（3）与外壳防水垫圈（6）相接，结合引线防水垫圈（5），在前端外壳（1）［或（后端外壳（9）］与内笼隔板（14）之间形成一个全封闭密封空间，内设电极固定架（16）；该电极固定架（16）的作用有二：一方面通过电极紧固螺丝（15）固定内笼框架（10）中各电极片之间方位关系，并将电极片所产生的电能导引到电极固定架（16）中来；另一方面通过引线固定螺丝（2）、电流引出线（4），将导引到电极固定架（16）中的电能再导引到电池外电路中。

电极模块是整个海水电池的关键部件，它的优劣，直接影响到产品发电功率的大小、工作时间的长短、以及运行成本的高低。在本实施例中，电极模块的形状如图3所示。

在图3中，电极模块包括铜电极与铝电极两个不同金属材料的电极部件，附加于连接线部件；其中，铜电极部件由铜电极片A（11）、铜电极片B（20）、铜电极片C（19）、铜电极片D（18）、铜电极片E（17）这五片铜金属板组成，定距间隔横向阵列，形成横截面为栅栏扁圆形的柱体；铝电极部件由铝电极片A（21）、铝电极片B（22）、铝电极片C（23）、铝电极片D（24）、铝电极片E（12）这五片铝金属板组成，同样定距间隔横向阵列，形成横截面为栅栏扁圆形的柱体。

在本实施例中，无论是铜电极片还是铝电极片，形状相似，长度相等，厚度相同，但板材厚度与高度之比略为差异，其中：铜电极片C（19）、铜电极片D（18）、铝电极片C（23）、铝电极片D（24）这四片电极金属板，厚度与高度之比在1:18到1:20之间；铜电极片A（11）、铜电极片B（20）、铜电极片E（17）与铝电极片A（21）、铝电极片B（22）、铝电极片E（12）这六片电极金属板，厚度与高度之比在1:18到1:8之间。

连接线部件是电极模块中的附加部分，用于引出电极片所产生的电能。该部件由电流引出线（4）、引线固定螺丝（2）、引线防水垫圈（5）、电极固定架（16）、电极紧固螺丝（15）五个零件组成；其中，电极固定架（16）通过电极紧固螺丝（15），紧密固定、连接电极模块中的电极片，形成电极并联电路；电流引出线（4）、引线固定螺丝（2）用于连接电极固定架（16），将电极片所产生的电能引向外电路；引线防水垫圈（5）则用于隔绝顺着电流引出线而来的潮湿，防止电流短路。

本实施例中的护罩模块，包含外壳与内笼二个部件，其中外壳部件的形态如图4所示。

图4中，外壳部件由吊架（8）、中段壳体（7）、前端外壳（1）、后端外壳（9）、外壳防水垫圈（6）、外壳紧固螺丝（3）六个零件组成；其中，中段壳体（7）是整个外壳部件的主体，表面阵列设置26行、6列136个圆头矩形通孔，另外以行定距、行对齐的方式，再在中段壳体（7）顶面设置4个圆头矩形通孔，使中段壳体（7）表面上的圆头矩形通孔数量达140个，以便海水在壳体内部中通畅流动；中段壳体（7）上端设置吊架（8），在实施过程中，吊架（8）以焊接方式与中段壳体（7）紧密连接，成为整个海水电池的悬挂机构；中段壳体（7）的前、后端，分别通过外壳紧固螺丝（3）与前端外壳（1）、后端外壳（9）连接，中间间隔以外壳防水垫圈（6）。

在实施过程中，护罩模块外壳部件的所有零件，均由耐腐蚀、耐冲撞的高强度不锈钢材料制造，不锈钢材料牌号最好为0Cr17Ni12Mo2N；当0Cr17Ni12Mo2N牌号不锈钢缺货时，依次替换为0Cr26Ni5Mo牌号不锈钢、0Cr17Ni12Mo2牌号不锈钢；但无论如何，吊架（8）与中段壳体（7）这两个零件，必须由同一牌号的不锈钢材料制成，以确保两者之间能够融洽焊接。

护罩模块中的内笼部件，是产品中的辅助装置，嵌套于外壳部件之中，其作用有三：一，固定电极模块各电极片在护罩模块中的位置，使它们之间定距间隔，同时赋予海水在电极片之间尽可能大的流动空间；二，使电极模块的金属电极片与不锈钢外壳部件保持适当距离，避免它们之间的直接接触，以免在电池内部产生不必要的电流回路；三，在外壳部件两端造就出两个不与海水直接接触的全封闭密封空间，使设置其中的电路不致受潮而引发短路，为实现上述三个功能，内笼部件形成了特定形态，其结构如图5所示。

图5中，内笼部件由内笼框架（10）、内笼防水垫片（13）、内笼隔板（14）三个零件组件，三个零件均由有机绝缘材料制成；其中，内笼框架（10）由强度较高的聚丙烯或硬质聚氯乙烯塑料制成，内笼防水垫片（13）由弹性较好的氯丁橡胶或聚四氟乙烯塑料、聚氨脂塑料制成，内笼隔板（14）由硬度较大的电木材料或硬质聚氯乙烯塑料制成。

在本实施例中，产品的装配可按下列步骤进行：

⑴将护罩模块中的内笼框架（10）嵌套进中段壳体（7）内部之中，两端齐平。

⑵将电极模块的铜电极片，从中段壳体（7）的任意一端，间隔插进内笼框架（10）的相应架构中，端头齐平；将电极模块的铝电极片，从中段壳体（7）的另外一端，相对间隔插进内笼框架（10）的相应架构中，端头齐平，形成电极矩形阵列。

⑶在中段壳体（7）两端，依次罩上内笼防水垫片（13）、内笼隔板（14），压上电极固定架（16），再用电极紧固螺丝（15）拧紧固定，正负极两端的操作相同。

⑷在电流引出线（4）上，套上引线防水垫圈（5），通过内笼框架（10）中的电线引出孔，将电流引出线导引到吊架（8）中，以连接电池外电路，正负极两端的操作相同。

⑸在内笼隔板中压上引线防水垫圈（5），用引线固定螺丝（2）将电流引出线（4）一端固定到电极固定架（16）上，正负极两端的操作相同。

⑹在中段壳体（7）外端，套上外壳防水垫圈（6），再扣上前端外壳（1）［或后端外壳（9）］，用外壳紧固螺丝拧紧固定，形成一个全封闭的密封空间，正负极两端的操作相同。

到此，整个实施例产品基本装配完成，护罩模块的外壳部件，置于其他模块、部件最外面，成为整个产品的防护层。

在产品应用过程，产品可以通过吊架零件悬挂到船舶底部下端，与海水全面接触，发生电化学反应而产生电能，其运行机制大体如图6所示。

图6中，实施例产品（25）通过吊架悬挂到船舶（27）的底部下端，使产品中完全沉浸到海水中；作为电解质溶液的海水透过中段壳体圆头矩形通孔，进入产品内部，与正负极金属板全面接触而发生电化学反应，使铝电极金属板失去电子成为电池的负极，铜电极金属板获得电子成为电池的正极，当铜、铝两极金属板之间的电动势形成电位差时，电流即通过连接线部件流向船舶（27）的电能整流储存装置（26），再通过船舶控制台（28），驱动船舶电动设备（29）、船舶推进装置（30）运转，从而完成产品在海水中移动产生电能的一系列过程。

──这也是产品产生电能的机制。

实施例产品在应用过程中，由于海水会被不断冲刷更新，其浓度永远处于不饱和状态，因而电化学反应过程就一直进行下去，直到铝电极片被销蚀殆尽为止。因此，用户只需根据实际消耗情况，及时更换产品中的铝电极片，即可无限制地将本发明产品循环使用下去。

本发明在实施过程中，还可以根据实际情况需要，灵活设计出各模块的具体形状和具体规格，并通过各种不同规格模块的有机组合，形成多种实施方案，以开拓出千姿百态的产品，造就广阔市场空间。

Claims (9)

1.一种船用海水电能发生器，由电极、护罩两个模块组成，其特征是：电极模块包括铜电极、铝电极、连接线三个部件，护罩模块包括外壳、内笼二个部件。

2.根据权利要求1所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述电极模块中的铜电极部件，由五个铜电极片零件组成，各电极片之间定距横向阵列，形成横截面为栅栏扁圆形的柱体。

3.根据权利要求1所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述电极模块中的铝电极部件，由五个铝电极片零件组成，各电极片之间定距横向阵列，形成横截面为栅栏扁圆形的柱体。

4.根据权利要求4所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述电极模块中的铜电极片与铝电极片，结构相似，长度相等，厚度相同，电极片厚度与高度之比，在1:20到1:8之间。

5.根据权利要求1所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述电极模块中的连接线部件，由电流引出线、引线固定螺丝、引线防水垫圈、电极固定架、电极紧固螺丝五个零件组成；其中，电极固定架与电极紧固螺丝用于固定、连接电极模块中的金属板，形成电极并联电路；电流引出线、引线固定螺丝用于连接电极固定架，将电极产生的电能引向外电路；引线防水垫圈用于隔绝顺着电流引出线而来的潮湿，防止电源短路。

6.根据权利要求1所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述护罩模块中的外壳部件，由吊架、中段壳体、前端外壳、后端外壳、外壳防水垫圈、外壳紧固螺丝六个零件组成；其中，中段壳体是外壳部件的主体，表面阵列设置6×26＋4个圆头矩形通孔；中段壳体上端设置吊架零件，形成整个海水电能发生器的悬挂机构；中段壳体的前、后端分别通过外壳紧固螺丝与前端外壳、后端外壳零件连接，中间间隔外壳防水垫圈。

7.根据权利要求1所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述护罩模块中的吊架、中段壳体、前端外壳、后端外壳四个零件，均由耐腐蚀、耐冲撞的高强度不锈钢材料制造，不锈钢材料牌号为0Cr17Ni12Mo2N，或为0Cr26Ni5Mo、0Cr17Ni12Mo2；其中，吊架与中段壳体，由同一牌号的不锈钢材料制成。

8.根据权利要求1所述的船用海水电能发生器，其特征是：所述护罩模块中的内笼部件，

由内笼框架、内笼防水垫片、内笼隔板三个零件组件，三个零件均由有机绝缘材料制成；其中，内笼框架零件由强度较高的聚丙烯或硬质聚氯乙烯塑料制成，内笼防水垫片零件由弹性较好的氯丁橡胶或聚四氟乙烯塑料、聚氨脂塑料制成，内笼隔板零件由硬度较大的电木材料或硬质聚氯乙烯塑料制成。

9.根据权利要求1至权利要求9共同所述的船用海水电能发生器，其特征是：内笼部件嵌套于外壳部件之中，铜电板部件与铝电极部件中的金属片，相对间隔穿插于护罩模块内笼框架之中，电极模块连接线部件相应置于护罩模块内笼框架两端之外，中间间隔以防水垫片与内笼隔板；护罩模块外壳部件置于其他模块、部件最外面，成为产品的防护层；在产品应用过程中，产品通过吊架零件悬挂到船舶底部下端，作为电解质溶液的海水透过中段壳体圆头矩形通孔进入产品内部，与正负极金属板全面接触而发生反应，使铝金属板失去电子成为电池的负极，铜金属板获得电子成为电池的正极；当铜、铝两极金属板之间的电动势形成电位差时，电流即通过连接线部件流向外电路，形成产品产生电能的机制。

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