CN111403766A - 一种金属海水燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属海水燃料电池，包括置于一密闭壳体中相对设置的金属阳极、载有析氢催化剂的阴极，及设置于金属阳极和阴极之间的隔膜，单电池壳体底部和顶部分别设有注液口和排气口；所述金属阳极或单电池壳体置于一密闭的过渡壳体中；一驱动装置，驱动装置通过传动装置与过渡壳体相连接，控制过渡壳体与金属阳极或单电池壳体间的相互剥离；或驱动装置通过传动装置与过渡壳体切割装置相连接，控制过渡壳体切割装置对过渡壳体的破坏；驱动装置为控制装置驱动启动。电池系统投入海洋中，利用控制计时或机构位移，定时控制镁海水燃料电池启动，从而延长镁海水燃料电池深海贮存时间，避免自腐蚀影响，显著提高电池的比能量。

Description

一种金属海水燃料电池
技术领域
本发明涉及一种金属海水燃料电池。具体地说是一种可在海洋环境长贮存使用的金属海水燃料电池。
背景技术
在建设海洋强国的国家战略背景下，面向深海、远海的探索与开发成为海洋领域的研究热点。而能源是决定海洋装备工作水深及工作时间的关键组成。深海条件下，常规的一次电池(碱锰电池、锂一次电池)和二次电池(如铅酸电池、银锌电池、锂离子电池等)难以满足新型水下设备对大容量、长寿命、安全可靠和良好海洋环境适应性电源的需求；而常用的镁溶解氧海水电池的性能则受海水中溶解氧浓度影响较大，当海水溶解氧浓度降低时，电池性能迅速下降，难以满足海洋装备正常的供电需求。以金属镁等金属或合金为阳极，担载析氢催化剂的多孔材料为阴极，以水为阴极燃料的镁水电池，则因解决了传统镁溶解氧海水电池对海水中氧浓度的依赖，以其高稳定性、结构紧凑、体积小等优势有广阔的应用前景，适用于全海深、长时间持续供电。
为维持海洋环境下的长时间持续供电，势必增加阳极燃料的质量，然而海洋环境湿态贮存条件下，金属阳极由于自腐蚀造成大量能量损失。若频繁更换阳极燃料，则在深海环境下很难实现且增加使用成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种新型海洋环境可控贮存,按需启动的金属海水燃料电池系统。
一种金属海水燃料电池，包括单电池或2节以上单电池电路串联、并联或串并混联组成的电池组；
所述单电池包括置于一密闭单电池壳体中相对平行设置的金属阳极、载有析氢催化剂的阴极，及设置于金属阳极和阴极之间的隔膜；单电池壳体底部和顶部分别设有流体流道，流体流道二端分别设有与壳体内部和外部相连通的开口；
所述金属阳极或单电池壳体置于一密闭的过渡壳体中，或于所述流体流道与外部相连通的开口处设有可拆卸封堵或阀门；
所述过渡壳体采用薄层材料或弹性材料制成；
一驱动装置，驱动装置通过传动装置与过渡壳体相连接，控制过渡壳体与金属阳极或单电池壳体间的相互剥离；或驱动装置通过传动装置与过渡壳体切割装置相连接，控制过渡壳体切割装置对过渡壳体的破坏；或驱动装置通过传动装置与可拆卸封堵或阀门相连，控制可拆卸封堵于流体流道开口处的脱离；或控制装置控制阀门开启；
驱动装置由控制装置控制启动。
所述驱动装置为电机；所述传动装置与驱动装置传动连接；
所述传动装置为滚动丝杠、或齿轮驱动卷筒、或绳索、或液压缸、或连杆机构中的一种或二种以上构成；
所述过渡壳体切割装置为与过渡壳体相抵接的带尖锐边缘刀具；
所述控制装置与驱动装置信号连接；
所述控制装置为含有时钟芯片与辅助驱动电路的计时控制装置，或为含有力传感元件与驱动电路的力学变化控制装置，或为含有电压电流测试元件及驱动电路组成的容量控制装置，或为含有电压电流测试元件及驱动电路组成的功率变化控制装置，或为含有电压电流测试元件及驱动电路组成的电池组故障控制装置。
所述计时控制装置，可预先设置时间，在达到设定时间后，由驱动电路控制驱动装置运行；
所述力变化控制装置，可监测放电过程中金属海水燃料电池的重力/浮力变化，在判断达到放电截止后，由驱动电路控制驱动装置运行；力变化控制装置为力传感器，包含利用弹性体位移测力，利用弹性构件和应变片构成传感器，利用压电效应测力，利用机械谐振系统固有频率变化测力，以及利用电磁力与待测力平衡时电磁力参数测力等，传感器的输出端和驱动电路控制器的输入端连接。
所述容量控制装置，可监测电池组实际放电容量，当达到电池组额定容量时，由驱动电路控制驱动装置运行；容量控制装置可通过霍尔电流传感器监测电流，通过运算得到容量或能量信息；
所述功率变化控制装置，可监测实际放电功率变化，当功率超过一组电池组额定功率时，由驱动电路控制驱动装置运行，通过功率计或通过监测电压电流变成运算得到功率变化情况，或通过电压比较器得到电压变化程度换算功率变化；
所述电池组故障控制装置，可监测电池组放电过程中的电压电流变化，当出现电池组故障现象时，由驱动电路控制驱动装置运行。
所述驱动装置启动后，激活镁海水燃料电池组或单电池，实现电池组或单电池对外放电；
所述切割装置为包括一置于传动装置上刀具，随传动装置平移、旋转或翻转带动带尖锐边缘的刀具对过渡壳体造成破坏。
所述可拆卸封堵，置于单电池壳体底部和顶部的液体流道中，随所述传动装置移动，脱离单电池壳体底部和顶部的液体流道；
所述过渡壳体为内部带有螺旋弹簧的薄层材料，或弹性橡胶、或弹性塑料、或防水布等制成；
在包裹金属阳极或单电池壳体时，所述过渡壳体通过捆绑、粘接或焊接的方式进行密封封口；
采用内部带有弹簧的薄层材料时，过渡壳体受到刺破或划破后，弹簧一端受力点被破坏后，由于弹簧复位使过渡壳体从金属阳极或单电池外部剥离。
采用弹性材料时，过渡壳体受到刺破或划破后，弹性材料由于弹性力作用，从金属阳极或单电池外部剥离；
采用防水布时，所述一端开口包裹阳极或单电池表面，端部捆绑密封，捆绑为活结，活结与传动装置相连，随传动装置移动，使活结打开，使防水布从金属阳极或单电池表面剥离；
所述启动装置或为控制装置驱动启动；或为结构驱动启动；
当所述启动装置为结构驱动启动，所述启动装置为杠杆调节位移机构与切割装置组成；当某一单电池反应完全后，单池重量变化驱动位移机构产生位移，进而驱动切割装置，破坏过渡壳体，激活镁海水燃料电池组或单电池；
所述金属海水燃料电池为底部带有产物存储腔的开放式结构，即所述反应产物在沉积过程中，通过重力在斜面上产生的分力作用下沿斜面下滑；于所述固定式腔体底部设置有产物排出孔，产物堆积下滑从产物排出孔排出单池外部；所述固定式腔体、伸缩式腔体、软囊的内壁面上设置的斜面与水平面间夹角大于14°且小于90°。
所述流道的设置使得所述金属海水燃料电池最大短路电流小于其1％的工作电流。
电池系统投入海洋中，利用控制计时或机构位移，定时控制镁海水燃料电池启动，从而延长镁海水燃料电池深海贮存时间，避免自腐蚀影响，显著提高电池的比能量。
与现有技术相比，本发明所述金属海水燃料电池具有以下优点：
(1)金属海水燃料电池系统通过过渡壳体或可拆卸封堵及阀门等，可实现海洋环境长时间贮存；
(2)金属海水燃料电池系统通过控制装置实现特定条件激活，显著提高金属海水燃料电池可靠性。
附图说明
图1金属海水燃料电池单电池结构示意图；
图2金属海水燃料电池阳极过渡壳体示意图；
图3金属海水燃料电池阴极过渡壳体示意图；
图4金属海水燃料电池系统组成示意；
图5传动装置为连杆结构时结构示意图，右图为封堵去除结构示意图；
1-阴极，2-隔膜，3-金属阳极，4-单电池壳体，5-产物存储腔，6-过渡壳体，7-单电池，8-系统框架，9-控制装置，10-驱动装置，11-传动装置，12-切割装置，13-过渡壳体，14-连杆机构，15-封堵，16-单电池B；
图6实施例1燃料电池实现多单池长时间贮存，定时启动记录电池放电过程电压变化情况；
图7实施例2燃料电池实现多单池长时间贮存，定时启动记录电池放电过程电压变化情况。
具体实施方式
实施例1
如图4所示，单电池由阴极、隔膜、阳极、隔膜、阴极5部分组成，采用图3所示结构，单电池表面包裹有弹性材料制成的过渡壳体。阳极部分为镁合金，电极尺寸为300mm*200mm*20mm，采用泡沫镍为阴极，阴极尺寸为300mm*200mm*5mm，电解质为质量分数为3.5％的氯化钠水溶液，阳极和阴极极间距为20mm，隔膜为聚丙烯膜，置于阴极和阳极之间。
金属海水燃料电池系统包括8个上述结构的单池相对平行串联而成的电池组，系统壳体内、与单池电极垂直的电池组的一侧，设置有传动装置为滚动丝杠，滚动丝杠上设置有随其转动的旋转刀片，所属旋转刀片与单电池外表面包裹的过渡壳体相贴接。所述滚动丝杠的一端设置有与控制装置相连接的电机驱动装置。控制装置(9)由时间继电器和驱动电路组成，以不同时间间隔(45天、90天等)控制电机动作，进而控制滚动丝杠及其上的旋转刀片动作，依次划破单电池表面过渡壳体，实现单电池的定时启动。记录电池放电过程电压变化情况，如图6所示。该燃料电池实现多单池长时间贮存，定时启动。
实施例2
如图5所示，电池组包含串联连接的单电池A和单电池B，单电池由阴极、隔膜、阳极等几部分组成，采用AZ91镁合金为阳极，电极尺寸为200mm*200mm*15mm，采用泡沫镍为阴极，阴极尺寸为200mm*200mm*2mm，阳极和阴极极间距为3mm，隔膜为聚丙烯膜，置于阴极和阳极之间，电解质为质量分数为3.5％的氯化钠水溶液。单电池B流道内设置有橡胶封堵，金属海水燃料电池系统内，电池组外部设置有控制装置和驱动装置，控制装置与驱动装置电连接，传动装置与驱动装置机械连接；控制装置为容量控制器，驱动装置为电机，对单电池以0.5mA/cm2恒电流放电，当单电池A的容量达到设置值15Ah时，控制装置的驱动电路驱动电机旋转，传动装置为连杆机构，通过电机旋转带动曲柄滑块移动，将单电池B流道内封堵去除，实现单电池的注液放电，记录单电池放电电压曲线，如图7所示。

Claims (16)

1.一种金属海水燃料电池单电池，包括置于一密闭壳体中相对设置的金属阳极、载有析氢催化剂的阴极，及设置于金属阳极和阴极之间的隔膜，单电池壳体底部和顶部分别设有注液口和排气口；其特征在于：
所述金属阳极或单电池壳体置于一密闭的过渡壳体中；
一驱动装置，驱动装置通过传动装置与过渡壳体相连接，控制过渡壳体与金属阳极或单电池壳体间的相互剥离；或驱动装置通过传动装置与过渡壳体切割装置相连接，控制过渡壳体切割装置对过渡壳体的破坏；
驱动装置为控制装置驱动启动。
2.按照权利要求1所述单电池，其特征在于：
所述过渡壳体采用薄层材料或弹性材料制成。
3.按照权利要求1所述单电池，其特征在于：
当所述驱动装置为控制装置驱动启动时，所述驱动装置为电机；所述传动装置与驱动装置传动连接；
所述传动装置为滚动丝杠、或齿轮驱动卷筒、或绳索、或液压缸、或连杆机构中的一种或二种以上串联构成；
所述过渡壳体切割装置为与过渡壳体相抵接的带尖锐边缘刀具；
所述控制装置与驱动装置信号连接。
4.按照权利要求1所述单电池，其特征在于：所述控制装置为含有时钟芯片与辅助驱动电路的计时控制装置，可预先设置时间，在达到设定时间后，由驱动电路控制驱动装置运行。
5.按照权利要求1所述单电池，其特征在于：
所述驱动装置启动后，激活单电池，实现单电池对外放电；
所述切割装置为包括一置于传动装置上刀具，随传动装置平移、旋转或翻转带动带尖锐边缘的刀具对过渡壳体造成破坏。
6.按照权利要求1或2所述单电池，其特征在于：
所述过渡壳体为内部带有螺旋弹簧的薄层材料，或弹性橡胶、或弹性塑料，或防水布等制成；
采用内部带有弹簧的薄层材料时，过渡壳体受到刺破或划破后，弹簧一端受力点被破坏后，由于弹簧复位使过渡壳体从金属阳极或单电池外部剥离；
采用弹性材料时，过渡壳体受到刺破或划破后，弹性材料由于弹性力作用，从金属阳极或单电池外部剥离。
7.按照权利要求1所述单电池，其特征在于：
在包裹金属阳极或单电池壳体时，所述过渡壳体通过捆绑、粘接或焊接的方式进行密封封口。
8.一种由权利要求1-3、6、7任一所述金属海水燃料电池单电池组成的电池组，由2节以上单电池电路串联、并联或串并混联组成；其特征在于：
单电池壳体底部和顶部分别设有流体流道，底部流体流道二端分别与注液口和连通壳体内部的流道开口相连，顶部液体流道二端分别与排气口和连通壳体内部的流道开口相连，以降低短路电流；
于所述流体流道与外部相连通的流道开口处设有可拆卸封堵或阀门。
9.按照权利要求8所述电池组，其特征在于：
所述驱动装置通过传动装置与可拆卸封堵或阀门相连，控制可拆卸封堵于流体流道开口处的脱离或阀门开启。
10.按照权利要求8所述电池组，其特征在于：
所述可拆卸封堵，置于单电池壳体底部和顶部的液体流道中，随所述传动装置移动，脱离单电池壳体底部和顶部的液体流道。
11.按照权利要求8所述电池组，其特征在于：
所述控制装置为含有时钟芯片与辅助驱动电路的计时控制装置，或为含有力传感元件与驱动电路的力学变化控制装置，或为含有电压电流测试元件及驱动电路组成的容量控制装置，或为含有电压电流测试元件及驱动电路组成的功率变化控制装置，或为含有电压电流测试元件及驱动电路组成的电池组故障控制装置。
12.按照权利要求11所述单电池，其特征在于：
所述计时控制装置，可预先设置时间，在达到设定时间后，由驱动电路控制驱动装置运行；
所述力变化控制装置，可监测放电过程中金属海水燃料电池的重力/浮力变化，在判断达到放电截止后，由驱动电路控制驱动装置运行；
所述容量控制装置，可监测电池组实际放电容量，当达到电池组额定容量时，由驱动电路控制驱动装置运行；
所述功率变化控制装置，可监测实际放电功率变化，当功率超过一组电池组额定功率时，由驱动电路控制驱动装置运行；
所述电池组故障控制装置，可监测电池组放电过程中的电压电流变化，当出现电池组故障现象时，由驱动电路控制驱动装置运行。
13.按照权利要求8-12任一所述电池组，其特征在于：
所述驱动装置启动后，激活电池组中的某一单电池，或互相串联、并联、串并混联的两个以上的单电池，实现电池组的定额对外放电。
14.按照权利要求8所述电池组，其特征在于：
所述驱动装置为结构驱动启动。
15.按照权利要求14所述电池组，其特征在于：
所述结构驱动启动装置由杠杆调节位移机构与切割装置组成；当某一单电池反应完全后，单池重量变化驱动位移机构产生位移，进而驱动切割装置，破坏过渡壳体，激活电池组中的其它一个或两个以上的单电池。
16.按照权利要求11所述电池组，其特征在于：
当所述控制装置为含有力传感元件与驱动电路的力学变化控制装置时，所述单电池为底部带有产物存储腔的开放式结构，即所述反应产物在沉积过程中，在重力作用下从以设置的产物排出孔排出单电池外部。
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