CN105870546B - 一种海水电池、船形电池及船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海水电池，包括一个或多个由镁基合金电极、空气电极、空气电极与镁基合金电极之间所形成的反应腔体以及位于空气电极另一侧的气室所构成的单元电池，单元电池承载于可浮于海面的浮动体。本发明的电池可长时间悬浮于海面上工作，具有较高的移动性，实用性强。同时，还可以基于这一海水电池将其改造为船形电池，并进一步改造为无人船。

Description

一种海水电池、船形电池及船
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种一种海水电池，同时还涉及以该海水电池为基础制造的船形电池及船。
背景技术
近年来，随着陆地资源的匮乏及海洋开发力度的不断加大，海洋工程已经在国民经济中占有十分重要的地位。现代海洋开发活动中，海洋石油、天然气的开发、海洋运输、海洋捕捞的规模和产值巨大，属于已成熟的产业；海水淡化、海水提溴和镁、海上工厂、海底隧道等正在迅速发展；深海采矿、海水提铀等正在研究和试验之中。上述海洋工程的开展都需要大量电力的支撑，因此海水电池应运而生，它以海水作为电解液，依靠阳极金属材料在海水中的腐蚀溶解提供放电电流，阴极依靠海水中的溶解氧在惰性电极上进行还原反应提供阴极电流，极大的提高了电力来源的便利性。通常采用的镁海水电池的放电反应机理为：
阳极：Mg-2e-＝Mg2+
阴极：O2+2H2O+4e-＝4OH-
总反应：2Mg+O2+2H2O＝2Mg(OH)2
目前对于海水电池的研究大多集中于如何通过改进电池材料和结构以提高使用寿命上。如公开号为CN1543001A的专利申请，其公开了一种镁海水电池，通过对镁合金成分进行调整，提高铸造工艺等措施，开发出一种容量大、能长时间稳定工作、无需维护、低成本的海水电池。然而，对于海水电池在海洋工程的具体应用而言，由于应用环境的多变及应用场所的转换需求，其可移动性同样十分重要。同时，由于海水电池在反应过程中需要不断消耗氧气，海水中的溶解氧含量低且电池内部温度也会随之升高，需要通过相应的措施对氧气进行补充并及时进行散热。因此，基于上述诉求，急需开发一种既能长时间工作，又具有移动性能，且可以及时补充电池内部氧气并具有良好散热性能的海水电池。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种一种海水电池，通过设置气室及空气进出口等结构，为电池反应补充所需氧气并降低电池温度。
本发明的目的之二在于提供一种以所述一种海水电池为基础改造而成的船形电池。
本发明的目的之三在于提供一种以所述船形电池为基础改造而成的船。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种海水电池，包括一个或多个由镁基合金电极、空气电极、空气电极与镁基合金电极之间所形成的反应腔体、位于空气电极另一侧的气室所构成的单元电池，单元电池承载于可浮于海面的浮动体，同时还设置有与气室相通的空气进出通道并延伸至单元电池上方，空气进出通道的两端形成空气进出口，单元电池反应腔体具有海水进入口，供海水进入反应腔体。
特别地，所述镁基合金电极是以镁、铝、锌、锰多元合金为主加工成电池的金属电极，其中镁含量≧93％，在低浓度电解液中具有较高活性。
特别地，所述单元电池的数量为多个，相互之间通过串联形成电池组，其中镁基合金电极与空气电极均为片状，空气电极分为左右两部分且于顶端连接，单元电池从一侧到另一侧的结构顺序为：气室、固定于气室侧面的空气电极左部、反应腔体一侧、镁基合金电极、反应腔体另一侧、空气电极右部、固定空气电极右部的另一气室；相邻单元电池共用气室。
特别地，海水进入口位于单元电池反应腔体下部，其开口截面积为1.5～10cm2。
特别地，单元电池反应腔体下部延伸形成供海水进入的缓冲室，缓冲室的横剖线为V型，海水进入口位于缓冲室底部，缓冲室内部设有一个或多个与单元电池反应腔体相对应的海水间隔板。
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
一种船形电池，包括如前所述的一种海水电池，其中涉及的浮动体为船体，单元电池内置于船体，该船体包括船首、船舷、船尾和尾翼，还包括位于船尾左右两侧的冷空气进入通道和热空气排出通道，分布于单元电池左右两侧的单元电池空气进入通道、单元电池空气排出通道，单元电池空气进入通道、单元电池空气排出通道连通构成空气进出通道并与气室相通，空气进出通道的两端形成空气进出口，所述空气进出口位于尾翼顶部。上述空气流通结构使电池内部的空气形成对流，对流空气在每个单元电池的气室并联通过，流动速度≧30mm/s。
特别地，所述气室为多个，且相互连通；船体上还设有空气强制流通装置，该装置包括位于电池反应腔体内部的感应器和位于空气进出口的风机，感应器、风机之间通过电路连接，同时与单元电池电路连接。当单元电池腔体内部温度超过30℃或空气中含氧量低于10％时由感应器触发风机运行，使电池内部的空气形成强制对流。
特别地，在单元电池中还设有海水气压缓冲隔板，在尾翼上设置有海浪缓冲气室，在船体顶部侧面设置有与船体内部联通的海浪产生压力释放口和/或对应于单元电池反应腔体上方设置有与电源电池反应腔体联通的海浪在单元电池内部产生气压释放口，共同起到平衡电池内部气压的作用。
特别地，在所述单元电池镁基合金电极的上部50～200mm的高度处设定水位线。所述镁基合金电极上部与水位线之间的内部区域，为海浪产生的气压释放空间，海浪产生气体经海浪在单元电池内部产生气压释放口排出。
特别地，所述船体尾翼顶部空气进出口处还设有一个防止海水溅入装置，以阻止海水由空气进出口溅入气室。
本发明的目的之三采用以下技术方案实现：
一种以上述船形电池为基础所制造的船，船体上还设有以下装置中的一种或几种：用于为船体提供航行动力的动力装置、位于船体尾翼顶端的用于与通信系统连接收发电磁波的天线、用于实现信号接收与传递的信号收发室、用于维持船体自身平衡的船体平衡室、用于确定位置及控制航向的GPS定位导航和方向舵室、用于防止船体受损的防碰撞设施、用于牵引物体的拖挂装置。所述动力结构优选为电动推进器。其中的船体平衡室和防碰撞设施的材料由聚氨酯软质泡沫树酯喷涂、填充成型。除此之外，还可根据实际应用情况增加红外摄像、照明和灯光信号系统等。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在海水电池的基础上增加一个供其承载的浮动体，使海水电池能够悬浮于在海面上，增加其移动性。同时，可以在这一浮动体的基础上，将其改造为船形电池，并增设动力结构及其他船体结构改造为船，使其具备更高的移动性和实用性。
(2)本发明所涉及的各单元电池腔体均为开放式结构，使进入各腔体中的海水处于联通状态，以使各单元电池的电解液相流动，实现电解液的热反应平衡，优化电池组的工作性能。
(3)本发明通过设置多个供空气流通的通道，使电池内部空气形成对流，为电池反应补充所需氧气并降低电池温度，能够有效提高反应效率、增加电池寿命。
(4)本发明通过在浮动体上设置多个压力调节装置，能够平衡由于海水或海浪产生的气压差，维持电池的正常工作。
与现有技术相比，本发明的一种海水电池结构简单、发电效率高、电池寿命长、移动性强，具有极高的经济附加值和社会价值。
附图说明
图1为本发明的一种海水电池的优选实施例的主视图；
图2为本发明的一种海水电池的优选实施例的空气流通示意图；
图3为本发明的一种海水电池的优选实施例的仰视图；
图4为本发明的一种海水电池的优选实施例的后视图；
图5为本发明的一种海水电池的优选实施例的右视图；
图6-7均为本发明的一种海水电池的优选实施例的俯视图。
具体实施方式
本发明一种海水电池的一个优选实施例如图1至图7所示。
如图1、图3-7所示，该一种海水电池是由电池组和装载该电池组的船体所构成。
电池组由多个单元电池串联组成，每个单元电池包括空气电极 104、镁基合金电极116和气室。
电池组置于一个船体内，单元电池反应腔体下部在船体内延伸形成供海水进入的缓冲室107，缓冲室107的横剖线为V型，可以减小船体在海水中的航行阻力。缓冲室107底部设有海水进入口103，供海水进入缓冲室107，从而进入各单元电池反应腔体进行反发电。海水进入口同时可作为反应物排放口供电池组及时排出阳极反应物，保证反应的顺利进行。缓冲室内部设有一个或多个与单元电池反应腔体相对应的海水间隔板115，使单元电池反应腔体整体分隔为相对独立的空间。
船体上具有空气流通系统：船尾左右两侧具有冷空气进入通道 101和热空气排出通道102，单元电池左右两侧还具有单元电池空气进入通道106、单元电池空气排出通道105，单元电池空气进入通道 106、单元电池空气排出通道105连通构成空气进出通道，所述空气进出口117位于尾翼顶部，并通过所述空气进出通道与气室相通。
船体上还具有气压调节系统，包括：在单元电池中设置的海水气压缓冲隔板108、在尾翼上设置的海浪缓冲气室110、在船体顶部侧面设置的与船体内部联通的海浪产生压力释放口111、在对应于单元电池反应腔体上方设置的与电源电池反应腔体联通的海浪在单元电池内部产生气压释放口119。上述装置共同起到平衡本发明的一种海水电池内部气压的作用。
并且，为了便于航行等实际应用，船体上还具有用于为船体提供航行动力的电动推进器118、位于船体尾翼顶端的用于与通信系统连接收发电磁波的天线109、位于船首上部用于实现信号接收与传递的信号收发室112、位于船首下部用于维持船体自身平衡的船体平衡室 113、位于船尾用于确定位置及控制航向的GPS定位导航和方向舵室 114、用于防止船体受损的防碰撞设施以及用于牵引物体的拖挂装置。
在使用时，海水从海水进入口103进入单元电池反应腔体，缓冲室107等空间的空气经过海水气压缓冲隔板108上部的空间从海浪产生压力释放口111排出。海水进入空气电极104的反应区域，电池自然联通，开始发电。电池工作时所产生的氢气可借由海浪在单元电池内部产生气压释放口119排出。电池在工作的时候需要消耗氧气，单元电池空气排出通道105、单元电池空气进入通道106低于海水平面，当内部氧气消耗到含氧量低于10％，或电池腔体内部温度超过30℃，由单元电池提供电力的位于电池反应腔体内部的感应器将所感应到的信号通过电路进行反馈，使位于空气进出口且同样由单元电池提供电力的风机运转，外界空气通过空气流通系统中的空气循环进出口 117进入船体内部，继而通过强制对流在各个单元电池的气室并联通过，流动速度≧30mm/s，使空气中的氧气达到正常范围，具体的空气流通路径如图2所示。当海浪起伏不平的时候，电池内部空气压力也是随着海浪变化而变化的，每个单元电池的海浪产生压力释放口 111平衡随着海浪产生的进、出空气压力。同时，船体通过船体平衡室113维持在风浪中的平衡，从而帮助电池正常工作。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海水电池，包括一个或多个由镁基合金电极、空气电极、空气电极与镁基合金电极之间所形成的反应腔体、位于空气电极另一侧的气室所构成的单元电池，所述单元电池承载于可浮于海面的浮动体，其特征在于：还设置有与气室相通的空气进出通道并延伸至单元电池上方，空气进出通道的两端形成空气进出口，单元电池反应腔体具有海水进入口，供海水进入反应腔体；单元电池反应腔体下部延伸形成供海水进入的缓冲室，缓冲室的横剖线为V型，海水进入口位于缓冲室底部，缓冲室内部设有一个或多个与单元电池反应腔体相对应的海水间隔板；所述镁基合金电极的上部50～200mm的高度处设定水位线，所述镁基合金电极的上部与水位线之间的内部区域，为海浪产生的气压释放空间。
2.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于：所述单元电池的数量为多个，相互之间通过串联形成电池组；其中镁基合金电极与空气电极均为片状，空气电极分为左右两部分且于顶端连接，单元电池从一侧到另一侧的结构顺序为：气室、固定于气室侧面的空气电极左部、反应腔体一侧、镁基合金电极、反应腔体另一侧、空气电极右部、固定空气电极右部的另一气室；相邻单元电池共用气室。
3.根据权利要求2所述的海水电池，其特征在于：海水进入口位于单元电池反应腔体下部，其开口截面积为1.5～10 cm2。
4.一种船形电池，包括如权利要求1-3任一项所述的一种海水电池，所述海水电池中的浮动体为船体，其特征在于：所述单元电池内置于船体，该船体包括船首、船舷、船尾和尾翼，还包括位于船尾左右两侧的冷空气进入通道和热空气排出通道，分布于单元电池左右两侧的单元电池空气进入通道、单元电池空气排出通道，单元电池空气进入通道、单元电池空气排出通道连通构成空气进出通道并与气室相通，空气进出通道的两端形成空气进出口，所述空气进出口位于尾翼顶部；所述气室为多个，且相互连通；船体上还设有空气强制流通装置，该装置包括位于电池反应腔体内部的感应器和位于空气进出口的风机，感应器、风机之间通过电路连接，同时与单元电池电路连接。
5.根据权利要求4所述的船形电池，其特征在于：还包括在单元电池中设置的海水气压缓冲隔板，在尾翼上设置的海浪缓冲气室，以及在船体顶部侧面设置的与船体内部联通的海浪产生压力释放口和/或对应于单元电池反应腔体上方设置的与单元电池反应腔体联通的海浪在单元电池内部产生气压释放口，共同起到平衡电池内部气压的作用。
6.根据权利要求5所述的船形电池，其特征在于：所述船体尾翼顶部空气进出口处还设有一个防止海水溅入装置，以阻止海水由空气进出口溅入气室。
7.一种以权利要求4-6任一项所述船形电池为基础所制造的船，其特征在于：所述船体上设有以下装置中的一种或几种：用于为船体提供航行动力的动力装置、位于船体尾翼顶端的用于与通信系统连接收发电磁波的天线、用于实现信号接收与传递的信号收发室、用于维持船体自身平衡的船体平衡室、用于确定位置及控制航向的GPS定位导航和方向舵室、用于防止船体受损的防碰撞设施、用于牵引物体的拖挂装置。
8.根据权利要求7所述的以权利要求4-6任一项所述船形电池为基础所制造的船，其特征在于：所述动力装置为电动推进器。
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