CN106207316A - 一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池，属于金属燃料电池领域，包括更换海水电解液机构和电池反应腔两大模块。电池反应腔环形布置着多个空气腔和海水腔，通过阴极板隔开。当海浪涌动导致电池偏离铅直位置时，机构中的吸收能量装置摆锤相对主轴产生旋转力矩，带动棘轮和主轴旋转，其中棘爪迫使棘轮只能单向旋转，并通过一系列减速机构增大扭矩，推动转盘旋转。通过转盘上的凸起控制各海水腔顺序开闭，完成反应产物氢氧化镁由于比重大于海水而自行排出，海水电解液自动补进等工作。该漂浮式镁空气电池适应海洋环境，能够为海洋防务装备、海洋观测与监控、无人平台、海洋执法、军事训练等提供高效、通用、便携的海上电源。

Description

一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池

技术领域

本发明属于金属燃料电池领域，特别涉及到一种海用漂浮式镁空气电池。

背景技术

随着电动机械、照明和电子产品等不断发展和普及，对电池的需求也不断增长，并提出许多新的使用要求。而目前的电池体系中主要有锌锰干电池、铅酸电池、镍镉电池及锂电池等。锌锰干电池汞污染严重，容量小，且锌价格昂贵；铅酸电池和镍镉电池含有害元素；锂电池在大电流放电时容易在负极析出金属，存在安全隐患。因此近年来金属燃料电池应运而生，在许多领域已得到很好地应用，是颇有发展前景的新能源。金属燃料电池虽可克服传统电池自身的一些缺点，但由于海上电池的使用环境不同于陆地，还需满足防水、密封、防腐蚀、无污染等要求。这就迫切需要开发一种安全、环保、廉价、高性能电池，特别是适合海上使用的电池。

目前，镁金属燃料电池一直是相关领域研究热点，而其中的镁空气燃料电池受到前所未有的关注。它由空气阴极、镁合金板阳极和中性盐电解液组成。镁是地球上储量十分丰富的金属，在中性盐电解液中有很高的活性，且反应产物氢氧化镁不污染环境。阴极使用的是空气，廉价并且用之不竭。但在镁空气电池使用中，需要每隔几小时更换电解液以排除反应产物，以保障电池反应持续正常进行。将这种镁空气电池投放到海面，海水就成为所需的电解液。镁空气电池可人为进行电解液交换，而其一旦投入到海面使用，人为干预则变得十分困难甚至不可能，极大地制约了镁空气电池在海洋中的应用。为解决上述问题，最大限度地发挥镁空气电池的作用，本发明针对海上使用的多腔串联镁空气电池自主有序地更换海水电解液的需求，提出了一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池。

发明内容

本发明提出了一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池，具有多腔串联结构，电池电压随着串联组数的增加而增加。该电池能够漂浮在海上工作，并且随着海浪的波动自动有序地更换海水电解液以持续发电。

本发明的技术方案：

一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池，包括更换海水电解液机构和电池反应腔两大模块。

更换海水电解液机构包括摆锤、摆锤轮毂、棘轮、棘爪、齿轮减速器、主轴、输出轴、转盘、底板和配重等。摆锤安装在摆锤轮毂末端，摆锤轮毂前端圆柱体内圈与轴承外圈相配合，通过轴承内圈与主轴配合安装，摆锤可绕主轴转动。主轴上依次安装摆锤轮毂、棘轮和轴承，并垂直安装在第一层底板的中央，通过轴承定位，棘爪安装在摆锤轮毂的末端，并且能够摆动。主轴的伸出端与齿轮减速器输入端相连接，齿轮减速器输出端上安装有小齿轮，齿轮减速器安装在第二层底板上。输出轴上的大齿轮与安装在齿轮减速器输出端上的小齿轮相啮合；输出轴通过轴承安装在第三层底板上，垂直布置，末端安装有转盘，通过螺钉固结。三层底板通过支撑架等装配在一起组成更换海水电解液机构，并固定在电池反应腔上。

电池反应腔包括环形阵列布置的空气腔、海水腔及阀门开启装置；电池反应腔外壳是深腔壳体，空气腔和海水腔均布其中；空气腔呈三棱柱型，由左右两侧阴极板、三角形底板和矩形背板封闭而成，阴极板允许空气腔的空气进入海水腔中，而海水腔中海水不能进入空气腔；海水腔是相邻空气腔相对阴极板隔出的空间，镁合金固定器固定在电池反应腔内壁，镁合金板挂在镁合金固定器上，置于海水腔内；电池反应腔两端通过盖板固封，盖板上开有进气孔，进气孔孔上贴有透气不透水膜。电池反应腔下端通过软绳悬挂配重。

其中，阀门开启装置布置在海水腔里，用于更换海水，包括阀门栓、橡胶垫、橡胶垫固定板、复位弹簧和滚轮；阀门栓上端装有橡胶垫和橡胶垫固定器，通过轴肩和销轴固定，阀门栓可上下往复运动；阀门栓末端有一段通槽，滚轮镶在其中，并可绕滚轮轴旋转；复位弹簧套在阀门栓上，下端与垫片接触，上端压在阀门栓固定板上；阀门栓固定器安装在电池反应腔底板上。

本发明的有益效果：通过摆锤吸收波浪能，从而驱动更换电解液机构运动，不消耗电池本身能量。采用棘轮棘爪机构，可使海水腔顺序开闭，避免同时开启导致电池短路。采用减速齿轮系机构以达到增大扭矩的作用，可保证电池在小偏摆的情况下也能正常工作，满足全天候使用要求。所提供的海用漂浮式镁空气电池能够适应海洋环境，可自行进行电解液更换，具有比能量高、环保、干态存储时间长等特点，可为海洋防务装备、海洋观测与监控、无人平台、海洋执法、军事训练等提供高效、通用、便携的海上电源，具有很大的市场。

附图说明

图1为本发明装配示意图。

图2为本发明更换电解液机构示意图。

图3为本发明电池反应腔部件示意图。

图4为本发明阀门开启装置部件示意图。

图中：1第一层底板；2主轴；3大齿轮；4电池反应腔；4-1电池反应腔外壳；4-2空气腔；4-3镁合金板；4-4阴极板；4-5海水腔；4-6镁合金固定器；4-7进气孔；5配重；6软绳；7转盘；8阀门开启装置；8-1电池筒底板；8-2复位弹簧；8-3垫片；8-4滚轮；8-5滚轮轴；8-6阀门栓；8-7阀门栓固定器；8-8橡胶垫；8-9橡胶垫固定器；9输出轴；10支撑架；11第三层底板；12深沟球轴承；13小齿轮；14第二层底板；15齿轮减速器；16深沟球轴承；17深沟球轴承；18棘轮；19摆锤轮毂；20棘爪；21摆锤。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池，包括更换海水电解液机构和电池反应腔两大模块。

更换海水电解液机构包括摆锤21、摆锤轮毂19、棘轮18、棘爪20、齿轮减速器15、主轴2、输出轴9、转盘7、底板1、11、14和配重5等。摆锤21安装在摆锤轮毂19末端，摆锤轮毂19前端圆柱体内圈与轴承17外圈相配合，通过轴承17内圈与主轴2配合安装，摆锤21可绕主轴2转动。主轴2上依次安装摆锤轮毂19、棘轮18和轴承17，并垂直安装在第一层底板1的中央，通过轴承17安装定位，棘爪20安装在摆锤轮毂19的末端，并且能够摆动。主轴2的伸出端与齿轮减速器15输入端相连接，齿轮减速器15输出端上安装有小齿轮13，齿轮减速器15安装在第二层底板14上。输出轴9上的大齿轮3与安装在齿轮减速器15输出端上的小齿轮13相啮合；输出轴9通过轴承12安装在第三层底板11上，垂直布置，末端安装有转盘7，通过螺钉固结。三层底板通过支撑架10等装配在一起组成更换海水电解液机构，并固定在电池反应腔4上。

电池反应腔4包括环形阵列布置的空气腔4-2、海水腔4-5及阀门开启装置8；电池反应腔4外壳是深腔壳体，空气腔4-2和海水腔4-5均布其中；空气腔4-5呈三棱柱型，由左右两侧阴极板4-4、三角形底板和矩形背板封闭而成；海水腔4-5是相邻空气腔4-2相对阴极板4-4隔出的空间，镁合金固定器4-6固定在电池反应腔4内壁，镁合金板4-3挂在镁合金固定器4-6上，置于海水腔4-5内；电池反应腔4两端通过盖板固封，盖板上开有进气孔4-7，进气孔4-7孔上贴有透气不透水膜。

其中，阀门开启装置8布置在海水腔4-5里，用于更换海水，包括阀门栓8-6、橡胶垫8-8、橡胶垫固定器8-9、复位弹簧8-2和滚轮8-4等。阀门栓8-6上端装有橡胶垫8-8和橡胶垫固定器8-9，通过轴肩和销轴固定，阀门栓8-6可上下往复运动；阀门栓8-6末端有一段通槽，滚轮8-4镶在其中，并可绕滚轮轴8-5旋转；复位弹簧8-2套在阀门栓8-6上，下端与垫片8-3接触，上端压在阀门栓固定器8-7上；阀门栓固定器8-7安装在电池筒底板8-1上。

如图1、图2所示，海用漂浮式镁空气电池分为上下两部分：更换电解液机构和电池反应腔部件。如图3所示为6腔海水镁空气电池，即环形布置6个空气腔4-2和6个海水腔4-5。电池的电化学反应发生在各个海水腔4-5，阳极镁合金板4-3中的镁是活泼金属，会失去两个电子，氧气和水得到电子生成氢氧根离子，从而形成电流回路，反应产物为氢氧化镁。空气腔4-2通过上部的进气孔4-7与大气相通，大气中的氧气可以进入空气腔4-2。空气腔4-2与海水腔4-5用阴极板4-4隔开，阴极板4-4上贴有离子膜，使得氧气可以进入海水腔4-5，而海水腔4-5的海水不能通过阴极板4-4进入到空气腔4-2中。在每个海水腔4-5中装有镁合金板4-3和阀门开启装置8。配重5通过软绳6安置在电池反应腔4下端，根据电池的实际重量，调节配重5的重量、体积和软绳6的长度，防止电池在海中倾覆。

当电池漂浮在海面上时，随着波浪的涌动会对电池产生一个作用力。在这种作用力下，电池会偏离铅直位置，随之电池姿态发生改变。摆锤21和摆锤轮毂19固定在一起，并可绕主轴2旋转，由于摆锤21具有较大质量，又相对主轴2存在力臂，随着电池偏离平衡位置，摆锤21在重力的作用下产生一个转矩，通过棘爪20推动棘轮18旋转，棘轮18带动主轴2旋转，并通过齿轮减速器15增大转矩。同时齿轮减速器输出的转矩通过小齿轮13和大齿轮3传递到位于电池中央的输出轴9，输出轴9再带动转盘7旋转。在转盘7上设计了一个凸起，当凸起遇到海水腔4-5内阀门开启装置部件8的滚轮8-4时，则阀门栓8-6被顶起，阀门栓8-6上装有橡胶垫8-8和橡胶垫固定器8-9，此时橡胶垫8-8上升，海水腔4-5被打开，反应产物氢氧化镁由于比重大于海水而自行排出，海水自动补进，完成更换海水电解液工作。当转盘7转过一个角度时，凸起脱离滚轮8-4，阀门栓8-6不再被凸起顶起，在复位弹簧8-2的作用下，橡胶垫8-8压紧电池筒底板8-1，阀门关闭。此时，海水腔4-5与海水隔绝开来。如此循环下去，海水腔4-5顺序开闭，海水电解液自动更换，电池得以持续发电，直至电化学反应耗尽镁合金板4-3为止。

Claims (1)

1.一种可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池，其特征在于：

该可自动更换电解液的海用漂浮式镁空气电池包括更换海水电解液机构和电池反应腔两大模块；

更换海水电解液机构包括摆锤、摆锤轮毂、棘轮、棘爪、齿轮减速器、主轴、输出轴、转盘、底板和配重等；摆锤安装在摆锤轮毂末端，摆锤轮毂前端圆柱体内圈与轴承外圈相配合，通过轴承内圈与主轴配合安装，摆锤可绕主轴转动；主轴上依次安装摆锤轮毂、棘轮和轴承，并垂直安装在第一层底板的中央，通过轴承定位，棘爪安装在摆锤轮毂的末端，并且能够摆动；主轴的伸出端与齿轮减速器输入端相连接，齿轮减速器输出端上安装有小齿轮，齿轮减速器安装在第二层底板上；输出轴上的大齿轮与安装在齿轮减速器输出端上的小齿轮相啮合；输出轴通过轴承安装在第三层底板上，垂直布置，末端安装有转盘，通过螺钉固结；三层底板通过支撑架等装配在一起组成更换海水电解液机构，并固定在电池反应腔上；

电池反应腔包括环形阵列布置的空气腔、海水腔及阀门开启装置；电池反应腔外壳是深腔壳体，空气腔和海水腔均布其中；空气腔呈三棱柱型，由左右两侧阴极板、三角形底板和矩形背板封闭而成，阴极板允许空气腔的空气进入海水腔中，而海水腔中海水不能进入空气腔；海水腔是相邻空气腔相对阴极板隔出的空间，镁合金固定器固定在电池反应腔内壁，镁合金板挂在镁合金固定器上，置于海水腔内；电池反应腔两端通过盖板固封，盖板上开有进气孔，进气孔孔上贴有透气不透水膜；电池反应腔下端通过软绳悬挂配重；

其中，阀门开启装置布置在海水腔里，用于更换海水，包括阀门栓、橡胶垫、橡胶垫固定板、复位弹簧和滚轮；阀门栓上端装有橡胶垫和橡胶垫固定器，通过轴肩和销轴固定，阀门栓可上下往复运动；阀门栓末端有一段通槽，滚轮镶在其中，并可绕滚轮轴旋转；复位弹簧套在阀门栓上，下端与垫片接触，上端压在阀门栓固定板上；阀门栓固定器安装在电池反应腔底板上。