CN102479961A - 一种溶氧型海水电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶氧型海水电池，包括电池框架、板状金属阳极、板状惰性阴极、集流部件及电流导线，电池框架由上底座和下底座构成，上底座和下底座分别由外圆环及设置于其中部的固定件构成，固定件与外圆环通过连接件固接，n个板状金属阳极插置于连接件上，构成圆柱状或圆台状结构，沿外圆环的径向方向、于板状金属阳极间插设有板状惰性阴极，板状惰性阴极固接于上底座和下底座的固定件与外圆环上，采用电流导线分别将n个惰性阴极和n个金属阳极串联焊接，构成电池的阴极和阳极。本发明与现有技术相比，电池系统结构紧凑、体积小，电极有效面积大、电池内部海水流动性强，电池有效容量高；电池在工作过程中不易短路、不易被破坏污染、寿命长。

Description

一种溶氧型海水电池

技术领域

本发明涉及化学电源，具体地说是一种用于海水或含盐水域中的溶氧型电池。

背景技术

在海上或其它含盐水域中工作的电子设备，如海上航标、水文气象浮标、水下探测器、无限传感器等都需要采用电池来作为电源提供能量。上述用电设备对电池的要求是容量大、稳定性高。常规的一次电池，如锌锰、锌银等，价格高、而且质量和体积比能量低，储存性能差。如果用铅酸、镍氢、锂离子等二次电池，一方面，受其额定容量限制，电池的水下连续使用时间有限；另一方面，在深海工作时，需将电池密封于耐压容器中进行保护，尤其是锂离子电池，增加了系统的复杂性。

溶氧型海水电池是一种用于水下的电池，其阳极为镁、铝金属或合金，阴极为氧，电解质为海水或盐水。该类电池的优点有：一、能量密度高。由于这类电池除金属阳极外其氧化剂和电解质均由海水提供，因此其理论质量比能量高达数百瓦时每千克。二、原料来源丰富。镁、铝均为地球储量大的金属元素，且价格低廉。三、储存性能好。该类电池在不接触海水时处于不激活状态，其储存性能好，储存时间长达数年。但是，由于溶氧型海水电池利用水中溶解氧作为氧化剂，而海水中的含氧量低(只有0.3mol/m³)，因此阴极必须采用开放式结构与海水接触。通过增加阴极面积使溶氧型海水电池输出较大电流。

专利CN1543001A中为了扩大海水电池正极面积，采用发散式正极的结构，电池中央为镁棒。但这种结构的海水电池并不能完全保证海水在整个电池内部的通畅流动，且镁阳极与阴极距离稍远，增加了离子电导，使电池性能偏低。美国Courtesy of Westinghouse Corporation在圆筒型镁阳极外围绕一圈阴极藉此实现阴极与海水的充分接触，但这种结构同样存在海水流动不畅的问题，且电池体积过大，内部空间未充分利用。

综合来看，海水水下用电池系统电极有效面积小，电池有效容量低，海水在电池内部流动不畅，阴极氧供应不足，易被海水中浮生的藻类等缠绕污染等问题还没有得到系统解决。因而，有效解决上述问题对溶氧电池系统在海水水下的进一步应用至关重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种溶氧型海水电池，该电池系统除具有电极有效面积大、有效容量高的特点外，还保证了海水在电池内部的通畅流动，在一定程度上解决了电池系统一直存在的阴极氧供应不足的问题，同时电池保护网的设计解决了海水中的浮生藻类缠绕污染电池的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种溶氧型海水电池，包括电池框架、板状金属阳极、板状惰性阴极、集流部件及电流导线；

电池框架由上底座和下底座构成，上底座和下底座分别由外圆环及设置于其中部的固定件构成，固定件与外圆环通过连接件固接，固定件、外圆环和连接件均为板状；连接件为n个，连接件于外圆环的圆周上均匀分布、沿外圆环的径向方向设置；

n为≥2的正整数；

上底座和下底座的连接件个数相同，且相对应设置；

在上底座连接件的下表面和下底座连接件的上表面分别沿外圆环的径向方向对应设置有凹槽，n个板状金属阳极的一端插置于上底座连接件的凹槽内、另一端插置于下底座连接件的凹槽内，板状金属阳极将上底座与下底座连接为一体，构成圆柱状或圆台状结构；上述设计方式减小了电池系统的体积，增强了电池系统内空间的有效利用率；

沿外圆环的径向方向、于板状金属阳极间插设有板状惰性阴极；沿轴向方向看，板状金属阳极和板状惰性阴极从固定件到外圆环呈交替的放射状均匀排列，且n个板状金属阳极、n个板状惰性阴极间均留有空隙；上述涉及方式增加了电池的有效面积，同时也增强了海水在电池内部的流动性，有利于溶氧电池中氧的充足供给及电池有效容量的提高；

板状惰性阴极固接于上底座和下底座的固定件与外圆环上；

于板状惰性阴极的侧边上设置有金属集流部件，该部件应用可进一步提高电流的收集能力，有利于降低电池系统的能量损失；

采用电流导线将n个惰性阴极串联焊接，构成电池的阴极；采用电流导线将n个金属阳极串联焊接，构成电池的阳极；

沿轴向方向、于所述板状惰性阴极两侧分别设置有两片刚性夹紧板，板状惰性阴极轴向方向上的两个侧边固定于两片刚性夹紧板中；

在上底座和下底座的固定件与外圆环上、连接件间位置处分别对应的设置有卡槽；

板状惰性阴极两侧的夹紧板两端分别插置于上底座和下底座固定件的卡槽内或外圆环的卡槽内。

该夹板及卡槽的设计一方面有利于提高电池阴极的刚性，避免其在海水的冲击下造成破坏，另一方面也有利于阴极的固定，避免了穿孔等传统的固定方式；

所述两片刚性夹紧板采用ABS(工程塑料)、PVC(聚氯乙烯)、PC(聚碳酸脂)、PE(聚乙烯)、POM(聚甲醛)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PA(聚酰胺)、PTFE(聚四氟乙烯)、PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)或PAI(聚酰胺酰亚胺)热塑性材料；或采用刚性金属材料即作为夹紧板、同时又作为金属集流部件。

于电池的圆柱状或圆台状结构的四周侧面包裹有由耐海水腐蚀的绝缘材料制成的电池保护网，且在上底座的连接件间空隙处和下底座的连接件间空隙处也设置有由耐海水腐蚀的绝缘材料制成的电池保护网。

该设计使电池在海水水下作业时得到了充分的保护，不易于被海水中的浮生藻类缠绕污染物，增强了电池系统的耐用性及使用寿命。

所述电池上底座的固定件与下底座的固定件形状大小相同；

所述金属阳极采用可拆卸式连接竖向扣合于凹槽内或者采用可插拔式连接竖向插接于凹槽内；金属阳极为可更换式结构；金属阳极与连接件的连接凹槽内设置有密封圈，以保证其固定牢固。

所述电池框架是采用ABS(工程塑料)、PVC(聚氯乙烯)、PC(聚碳酸脂)、PE(聚乙烯)、POM(聚甲醛)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PA(聚酰胺)、PTFE(聚四氟乙烯)、PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)或PAI(聚酰胺酰亚胺)热塑性材料注塑形成的。

所述惰性阴极采用碳毡、碳板、铜合金、碳钢或以它们中的一种为基底的复合材料制成；

所述金属阳极是由Al、Mg、Li或Zn之一，或它们中二种或二种以上的合金制备而成。

所述金属集流部件为导电金属片；电流导线为采用耐海水腐蚀处理的电线或带有耐海水腐蚀的绝缘材料包裹的电线；

所述串联焊接时，其焊接点上设有被耐海水腐蚀的绝缘材料包裹的包裹层。

在上底座或下底座的固定件和/或外圆环上设有电流导线的容置槽，电流导线置于容置槽内，容置槽采用耐海水腐蚀的绝缘材料密封，以降低串联失效的风险，避免短路，保证电池的有效放电。

所述作为电解液的海水还可为含有NaCl的盐水湖水或河水。

本发明与传统技术相比，具有以下优点：

1.本发明所述电池具有紧凑的圆柱或圆台结构，减小了电池系统的体积，增强了电池系统内空间的有效利用率；

2.板状金属阳极和板状惰性阴极从固定件到外圆环呈交替的放射状均匀排列的方式，增加了电池的有效面积，同时增强了海水在电池内部的流动性，有利于溶氧电池中氧的充足供给及电池有效容量的提高；

3.电池系统中上底座或下底座的固定件或外圆环上电流导线容置槽的设计及焊接点上绝缘包裹层的设计保证了电池的有效串联，解决了电池在海水中易短路的问题；

4.由耐海水腐蚀的绝缘材料制成的电池保护网的设计，使电池得到了充分的保护，不易于被海水中的浮生藻类缠绕污染物，增强了电池系统的耐用性。

附图说明

图1为溶氧型海水电池整体结构图；

图2为溶氧型海水电池(a)板状金属阳极和(b)板状惰性阴极细节图；

图3为溶氧型海水电池集流部件细节图；

图4为溶氧型海水电池(a)上底座和(b)去除电池保护网后的下底座细节图；

图中1为电池框架；2为金属阳极镁板；3为惰性阴极碳毡；4为集流不锈钢片；5为电流导线；6为上底座；7为下底座；8为外圆环；9为固定件；10为连接件；11为凹槽；12为夹紧板；13为卡槽；14为电池保护网；15为电流导线容置槽。

具体实施方式

图1-3为本发明所述溶氧型海水电池的一种，包括由ABS(工程塑料)板制成的电池框架1、金属阳极镁板2、惰性阴极碳毡3、集流不锈钢片4和电流导线5；

电池框架1由上底座6和下底座7构成，上底座6和下底座7均由外径为20cm、内径为18cm的外圆环8及设置于其中部的外径为5.5cm、内径为4cm的圆环固定件9构成，固定件9与外圆环8通过径向连接件10固接，固定件9、外圆环8和连接件10均为板状，厚度为0.8cm；连接件10为八个，连接件10于外圆环8的圆周上均匀分布、每相邻两个连接件延长线组成的夹角为45°；

在上底座连接件10的下表面和下底座连接件10的上表面分别沿外圆环的径向方向对应设置有凹槽11，八个金属阳极镁板2的一端插置于上底座连接件10的凹槽内、另一端插置于下底座连接件10的凹槽内，金属阳极镁板2将上底座6与下底座7连接为一体，构成圆柱状结构；

沿外圆环8的径向方向、于金属阳极镁板2间插设有惰性阴极碳毡3；沿轴向方向看，金属阳极镁板2和惰性阴极碳毡3从固定件9到外圆环8呈交替的放射状均匀排列；

惰性阴极碳毡固接于上底座和下底座的固定件9与外圆环8上；

于惰性阴极碳毡3的侧边上设置有集流不锈钢片4；

采用电流导线5将八个惰性阴极碳毡3串联焊接，构成电池的阴极；采用电流导线将八块阳极镁板串联焊接，构成电池的阳极；

沿轴向方向、于碳毡3两侧分别设置有两片由PVC(聚氯乙烯)制成的夹紧板12，碳毡3轴向方向上的两个侧边固定于夹紧板12中；

在上底座和下底座的固定件9与外圆环8上、连接件间位置处分别对应的设置有卡槽13；

夹紧板12两端分别插置于上底座和下底座固定件的卡槽内13或外圆环的卡槽13内；

于电池的圆柱状结构的四周侧面及电池上、下底面的外侧均包裹有由耐海水腐蚀的绝缘材料制成的电池保护网14；

阳极镁板采用可插拔式连接竖向插接于凹槽内；阳极镁板为可更换式结构；阳极镁板与连接件的连接凹槽内设置有密封圈；

电流导线为采用带有耐海水腐蚀的绝缘材料包裹的电线；

串联焊接时，其焊接点上设有被耐海水腐蚀的绝缘材料包裹的包裹层；

在上底座的固定件和外圆环上分别设有用于串联阴极碳毡和用于串联阳极镁板的电流导线的容置槽15，电流导线5置于容置槽15内，容置槽采用ABS(工程塑料)密封。

Claims (10)

1.一种溶氧型海水电池，其特征在于：包括电池框架、板状金属阳极、板状惰性阴极、集流部件及电流导线；

电池框架由上底座和下底座构成，上底座和下底座分别由外圆环及设置于其中部的固定件构成，固定件与外圆环通过连接件固接，固定件、外圆环和连接件均为板状；连接件为n个，连接件于外圆环的圆周上均匀分布、沿外圆环的径向方向设置；

n为≥2的正整数；

上底座和下底座的连接件个数相同，且相对应设置；

在上底座连接件的下表面和下底座连接件的上表面分别沿外圆环的径向方向对应设置有凹槽，n个板状金属阳极的一端插置于上底座连接件的凹槽内、另一端插置于下底座连接件的凹槽内，板状金属阳极将上底座与下底座连接为一体，构成圆柱状或圆台状结构；

沿外圆环的径向方向、于板状金属阳极间插设有板状惰性阴极；沿轴向方向看，板状金属阳极和板状惰性阴极从固定件到外圆环呈交替的放射状均匀排列，且n个板状金属阳极、n个板状惰性阴极间均留有空隙；

板状惰性阴极固接于上底座和下底座的固定件与外圆环上；

于板状惰性阴极的侧边上设置有金属集流部件，

采用电流导线将n个惰性阴极串联焊接，构成电池的阴极；采用电流导线将n个金属阳极串联焊接，构成电池的阳极。

2.如权利要求1所述电池，其特征在于：

沿轴向方向、于所述板状惰性阴极两侧分别设置有两片刚性夹紧板，板状惰性阴极轴向方向上的两个侧边固定于两片刚性夹紧板中；

在上底座和下底座的固定件与外圆环上、连接件间位置处分别对应的设置有卡槽；

板状惰性阴极两侧的夹紧板两端分别插置于上底座和下底座固定件的卡槽内或外圆环的卡槽内。

3.如权利要求2所述电池，其特征在于：

两片刚性夹紧板采用工程塑料、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚酰胺酰亚胺热塑性材料；或采用刚性金属材料即作为夹紧板、同时又作为金属集流部件。

4.如权利要求1所述电池，其特征在于：于电池的圆柱状或圆台状结构的四周侧面包裹有由耐海水腐蚀的绝缘材料制成的电池保护网，且在上底座的连接件间空隙处和下底座的连接件间空隙处也设置有由耐海水腐蚀的绝缘材料制成的电池保护网。

5.如权利要求1所述电池，其特征在于：上底座的固定件与下底座的固定件形状大小相同；

所述金属阳极采用可拆卸式连接竖向扣合于凹槽内或者采用可插拔式连接竖向插接于凹槽内；金属阳极为可更换式结构；金属阳极与连接件的连接凹槽内设置有密封圈。

6.如权利要求1所述电池，其特征在于：所述电池框架是采用工程塑料、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚酰胺酰亚胺热塑性材料注塑形成的。

7.如权利要求1所述电池，其特征在于：所述惰性阴极采用碳毡、碳板、铜合金、碳钢或以它们中的一种为基底的复合材料制成；

所述金属阳极是由Al、Mg、Li或Zn之一，或它们中二种或二种以上的合金制备而成。

8.如权利要求1所述电池，其特征在于：所述金属集流部件为导电金属片；

电流导线为采用耐海水腐蚀处理的电线或带有耐海水腐蚀的绝缘材料包裹的电线；

所述串联焊接时，其焊接点上设有被耐海水腐蚀的绝缘材料包裹的包裹层。

9.如权利要求1所述电池，其特征在于：

在上底座或下底座的固定件和/或外圆环上设有电流导线的容置槽，电流导线置于容置槽内，容置槽采用耐海水腐蚀的绝缘材料密封。

10.如权利要求1所述电池，其特征在于：所述作为电解液的海水还可为含有NaCl的盐水湖水或河水。

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