PL209661B1 - Sposób ograniczania korozji rozpuszczalnych anod metalowych stosowanych w ogniwach metal-powietrze - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Sposób ograniczania korozji rozpuszczalnych anod metalowych stosuje się w ogniwach metalpowietrze na przykład: aluminium-powietrze, magnez-powietrze, lit-powietrze oraz w ogniwach typu: nikiel-cynk czy srebro-aluminium w celu utleniania aktywnych metali typu aluminium, magnez, lit itp., z wysoką sprawnością kulombowską .

Jest znanych kilka sposobów ograniczania korozji, rozpuszczalnych anod metalowych:

1) wykonywanie anod ze stopów danego metalu,

2) dodawanie substancji ograniczających korozję do elektrolitu,

3) wypompowywanie elektrolitu z ogniwa podczas przerw w pracy,

4) polaryzowanie anod (poprzez odpowiednio wysoki prąd wyładowania) do takiego stopnia, że wydzielanie wodoru (szkodliwa korozja) jest zredukowane albo całkowicie wyeliminowane.

Pierwsze dwie metody jedynie redukują korozję i nie są skuteczne podczas dłuższych przerw w pracy. Trzecia metoda prowadzi do wysychania katod. Zgł oszenie patentowe jest pokrewne czwartemu i częściowo trzeciemu rozwiązaniu. Są znane co najmniej dwie metody, według których polaryzacja prądowa anod prowadzi do ograniczenia korozji: pierwsze, opisane w publikacji Progress in Batteries and Solar Cells, Vol. 3 (1980) J. Ruch „High power aluminium-oxygen cell” odnosi się do ogniwa aluminium-powietrze pracującego jako rezerwowe źródło energii (zaprojektowane aby pracować pod stałym, odpowiednio dużym obciążeniem), drugie, opisane w polskim zgłoszeniu patentowym numer P 305382 odnosi się do ogniwa aluminium-powietrze, gdzie anoda w rezultacie mechanicznego, pionowego ruchu, zmienia poziom zanurzenia w elektrolicie. Poprzez zmianę powierzchni pracy anody, gęstość prądu (prąd podzielony przez powierzchnię zanurzonej części anody) i będąca rezultatem tej gęstości - polaryzacja prądowa anody, może być utrzymywana na poziomie korzystnym. Korzystnym jeśli wziąć pod uwagę nadnapięcie wydzielania wodoru z jednej strony a z drugiej strony gęstość energii anody (ilość watogodzin użytecznej energii z kilograma masy anody). Według tej metody obciążenie ogniwa może się zmieniać (ogniwo dostosowuje się jego aktualnego obciążenia).

Istota wynalazku polega na tym, że anodę otacza się separatorem o strukturze porowatej, tworzącej dolną część separacji, którego krawędź kończy się poniżej poziomu elektrolitu na zewnątrz przestrzeni ograniczonej separacją i nieporowatej, tworzącej pozostałą część separacji, nieprzepuszczalnej dla gazów, hermetycznie uszczelnionej, za wyjątkiem przepustu. Obniżenie lub podwyższenie poziomu elektrolitu w przestrzeni ograniczonej separacją uzyskuje się poprzez regulację wypływu gazów z przestrzeni ograniczonej separacją, a tym samym zmienia się wielkość powierzchni anody biorą cej udział w reakcji elektrochemicznej. Korzystnie jest, gdy poziom wylotu wypływu gazów z przestrzeni ograniczonej separacją jest obniżany i podwyższany przez operatora obsługującego daną baterię ogniw.

Również korzystne jest, gdy objętość uwięzionego w przestrzeni gazu reguluje się automatycznie za pomocą urządzenia elektromagnetycznego, które w zależności od prądowej polaryzacji anody, zamyka lub otwiera zawór w przepuście, zmieniając poziom elektrolitu, a tym samym poziom zanurzenia anody., Dodatkowo korzystnie jest, gdy objętość uwięzionego w przestrzeni gazu reguluje się automatycznie poprzez urządzenie elektromagnetyczne, które w zależności od napięcia ogniwa, zamyka lub otwiera zawór w przepuście, zmieniając poziom elektrolitu, a tym samym poziom zanurzenia anody. Także korzystnie jest, gdy proces wypierania elektrolitu z przestrzeni ograniczonej separacją wspomaga się z dodatkowej instalacji pneumatycznej. Głównymi zaletami opisywanego sposobu są: ograniczenie korozji anod, jak również możliwość dowolnego włączania i wyłączania ogniwa poprzez aktywowanie i całkowite dezaktywowanie anod. Podczas przerwy w pracy, przestrzeń ograniczona separacją jest wolna od elektrolitu, wypartego przez gaz, jednak katody mają ciągły kontakt z elektrolitem, co zapobiega ich niszczeniu przez wysychanie. Przepływ gazu może być kontrolowany na zasadzie naczyń połączonych. Operator sprzętu może, poprzez zwiększanie i zmniejszanie głębokości zanurzenia jednego wylotu gazu, kontrolować baterie ogniw. Budowa ogniw ulega w ten sposób dalszemu uproszczeniu, ponieważ w takim przypadku nie ma potrzeby używania zaworów.

Przedmiot wynalazku zilustrowano na rysunku, który przedstawia schematycznie pionowy przekrój ogniwa metal-powietrze wraz z zespołem separatora.

Anoda (1) jest otoczona specjalnie ukształtowanym separatorem o kształcie cylindrycznym, zamocowanym do wieczka dna czy ścian bocznych ogniwa. Część separatora (5) (nakreślona linią ciągłą) jest nieprzenikalna dla elektrolitu i gazu. Ta nieporowata struktura kończy się poniżej poziomu (3) elektrolitu (8), który znajduje się na zewnątrz przestrzeni (4) ograniczonej bocznymi ścianami separaPL 209 661 B1 cji. Część separatora nakreślona linią przerywaną (2) jest przenikalna dla elektrolitu i gazu (standardowy, mikroporowaty separator).

Gaz uwięziony w tak ograniczonej przestrzeni (4) nie może się wydostać ze względu na napięcie powierzchniowe elektrolitu (8) nasycającego porowatą (2) część separatora.

Poprzez regulację objętości uwięzionego gazu, można regulować poziom elektrolitu (9) w przestrzeni (4) ograniczonej separacją a tym samym, wielkość powierzchni anody biorącej udział w reakcji elektrochemicznej. Uwięziony gaz może pochodzić z reakcji korozji anody, jak również może być pompowany z zewnątrz. Gazowe wspomaganie procesu wypierania elektrolitu znacznie przyspiesza czas reakcji ogniwa. W przypadku ogniw metal-powietrze posiadających wymuszony obieg powietrza, wystarczy odpowiednio połączyć ten obieg z systemem separacji anod. Można też zastosować oddzielną, wspomagającą instalację pneumatyczną.

Regulacja objętości uwięzionego gazu może odbywać się automatycznie, poprzez urządzenie elektromagnetyczne, które w zależności od napięcia ogniwa (zależnego głównie od prądowej polaryzacji anody), zamyka lub otwiera zawór wylotowy gazu, zmieniając tym samym poziom elektrolitu i poziom zanurzenia anody (jedno takie urządzenie wystarcza na baterię ogniw). Na przykład, gdy poziom napięcia ogniwa jest za wysoki - zawór jest zamknięty. Wysoki poziom napięcia oznacza większą szkodliwą korozję, więcej wodoru powstaje i wypierając elektrolit z przestrzeni (4) ograniczonej separacją zmniejsza powierzchnię pracy anod. Polaryzacja prądowa anod zwiększa się, zmniejszając napięcie i szkodliwą korozję.

Gdy napięcie ogniwa jest za niskie - zawór jest otwierany, elektrolit wypiera gaz z przestrzeni (4) ograniczonej separacją, zwiększając powierzchnię pracy anod. Polaryzacja prądowa anody się zmniejsza, a napięcie ogniwa wzrasta do pożądanego poziomu, utrzymując odpowiednio wysoką gęstość energii. W ten sposób anody mogą być wykorzystywane w najwyższym możliwym stopniu, niezależnie od zmienności obciążenia ogniwa. Kiedy szkodliwa korozja jest ograniczana w inny sposób, na przykład poprzez stosowanie odpowiednich stopów, ogniwo może pracować analogicznie (w pewnym sensie) do pracy silników spalinowych. W przypadku ogniwa, wyrażenie „zwiększanie obrotów” znaczyłoby zwiększanie powierzchni aktywnej anod, przekładające się na zwiększanie prądu wyładowania. Analogicznie, „zmniejszanie obrotów”, znaczyłoby zmniejszanie powierzchni aktywnej, przekładające się na zmniejszanie poboru prądu.

Przepływ gazu może być kontrolowany na zasadzie naczyń połączonych. Operator sprzętu, poprzez zwiększanie i zmniejszanie głębokości zanurzenia jednego wylotu (6) gazu, jest w stanie kontrolować baterię ogniw.

Najlepszą formą geometryczną dla zespołu separatora jest cylinder. Jednak występujące siły pozwalają również na zastosowanie spłaszczonych, pseudo-prostopadłościennych form. Na rysunku nie uwzględniono sposobu łączenia zespołu anoda-separator z pozostałą częścią ogniwa. Wspomniany zespół separatora może być zamocowany do wieczka, ścian bocznych, czy też dna ogniwa. Wykonanie zespołu separatora polega na tym, że tkanina nylonowa (lub podobny materiał), jest nawijana na odpowiedni, pomocniczy rdzeń (ten rdzeń jest używany tylko do nadania początkowej formy separatorowi, po ukształtowaniu separatora, ten pomocniczy rdzeń jest usuwany), a jej krawędź pionowa jest szczelnie sklejona lub lepiej - zespawana. Koniec który ma być u góry, powinien zostać zaimpregnowany żywicą epoksydową lub podobną substancją, tak aby uczynić jego ścianki nieprzenikalnymi dla gazu i elektrolitu. Separator powinien być zaimpregnowany do takiej wysokości aby nieprzepuszczalna ścianka kończyła się poniżej powierzchni (3) elektrolitu znajdującego się na zewnątrz przestrzeni (4) zamkniętej separacją (w przyszłym ogniwie). Tak utworzona część powinna być szczelnie zamocowana do wieczka ogniwa. W tej górnej części należy wykonać przepust (7) i zamocować rurkę (ewentualnie zawór), dla kontrolowania, w przyszłości, ruchu gazów. W wieczku powinien również zostać wykonany przepust dla zamocowania anody (1). To mocowanie powinno być szczelne i powinno umożliwiać łatwą i szybką wymianę anody (na przykład okrągłe, gumowe uszczelki dopasowane do gwintowanego mocowania). Ścianki porowatej (2) części zespołu separacji nie powinny dotykać powierzchni anody znajdującej się powyżej powierzchni (9) elektrolitu. Jeśli odległość pomiędzy powierzchnią anody a separatorem jest odpowiednia (kilka milimetrów), ciśnienie uwięzionego gazu utrzymuje potrzebny dystans między wspomnianymi elementami.

Urządzenie zapewniające automatyczną regulację napięcia ogniwa może być oparte na elektromagnetycznym elemencie z ruchomą cewką, przekonstruowanym w ten sposób, że płynnie zmienia poziom zanurzenia wylotu gazu (6), w zależności od napięcia. Przy równorzędnej, alternatywnej konstrukcji taki element elektromagnetyczny może być użyty do współpracy z odpowiednim zaworem umieszczonym w przepuście (7), otwierającym i zamykającym światło tego przepustu w zależności od

PL 209 661 B1 napięcia. W tej wersji nie jest potrzebna rurka z wylotem (6). (W modelu został użyty odpowiednio przekonstruowany elektromagnetyczny miernik z rejestratora KWAP). Oczywiście można zastosować inne typy regulatorów na przykład elektroniczne.

Claims (5)

1. Sposób ograniczania korozji rozpuszczalnych anod metalowych stosowanych w ogniwach metal-powietrze, znamienny tym, że anodę (1) otacza się separatorem o strukturze porowatej (2), tworzącej dolną część separacji, którego krawędź kończy się poniżej poziomu elektrolitu (3) na zewnątrz przestrzeni (4) ograniczonej separacją i nieporowatej (5), tworzącej pozostałą część separacji, nieprzepuszczalnej dla gazów, hermetycznie uszczelnionej, za wyjątkiem przepustu (7), przy czym obniżenie lub podwyższenie poziomu elektrolitu w przestrzeni (4) ograniczonej separacją uzyskuje się poprzez regulację wypływu gazów z przestrzeni (4) ograniczonej separacją, a tym samym zmienia się wielkość powierzchni anody (1) biorącej udział w reakcji elektrochemicznej.

2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że poziom wylotu (6) wypływu gazów z przestrzeni (4) ograniczonej separacją jest obniżany i podwyższany przez operatora obsługującego daną baterię ogniw.

3. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że objętość uwięzionego w przestrzeni (4) gazu reguluje się automatycznie za pomocą urządzenia elektromagnetycznego, które w zależności od prądowej polaryzacji anody, zamyka lub otwiera zawór w przepuście (7), zmieniając poziom elektrolitu, a tym samym poziom zanurzenia anody (1).

4. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że objętość uwięzionego w przestrzeni (4) gazu reguluje się automatycznie poprzez urządzenie elektromagnetyczne, które w zależności od napięcia ogniwa, zamyka lub otwiera zawór w przepuście (7), zmieniając poziom elektrolitu, a tym samym poziom zanurzenia anody.

5. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że proces wypierania elektrolitu z przestrzeni (4) ograniczonej separacją wspomaga się z dodatkowej instalacji pneumatycznej.