МЕТАЛЛОВОЗДУШНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01M12/06 H01M6/32 

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для производства энергоемких источников электрической энергии, а именно металловоздушных электрохимических генераторов (ЭХГ), работа которых основана на прямом преобразовании химической энергии в электрическую с высоким КПД. Металловоздушные ЭХГ являются наиболее энергоемкими системами, поскольку один из компонентов (кислород) забирается из окружающей среды, а для хранения второго-активного металла не требуется емкостей высокого давления, как в случае газовых ЭХГ.

Металловоздушные ЭХГ могут быть использованы в качестве источников питания для связи, освещения и электроприводов движителей автономных транспортных средств.

При эксплуатации таких элементов возникает проблема, связанная с расходом анодов в перерывах работы источника тока, что приводит к большому расходу металла.

Известен металловоздушный ЭХГ, в котором катодный материал выполнен в виде полых коробов, а аноды закреплены на подложках, что обеспечивает их удаление при необходимости [1]
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является металловоздушный ЭХГ, в котором конструкция крепления анода на гибкой пластине обеспечивает его продольное и угловое перемещение по мере расходования анодов [2] Недостатком указанных устройств является невозможность извлечения анодов из электролита без разработки устройства и длительное хранение источника тока в заправленном состоянии, готовом к немедленной работе, вследствие непроизвольного разрушения металлического анода, постоянно находящегося в контакте с электролитом.

Целью изобретения является значительное снижение расхода активного металла при эксплуатации, упрощение обслуживания при замене отработанных анодов.

Цель достигается за счет использования конструкции металловоздушного ЭХГ, которая позволяет исключить процессы непроизвольного расходования активных анодов (предотвратить коррозию) при перерывах в работе источника тока.

На фиг. 1 представлен предлагаемый источник, общий вид; на фиг.2 конструкция электрохимической ячейки, вид сбоку; на фиг.3 то же, вид спереди; на фиг.4 устройство для перемещения по п.3 формулы изобретения.

Металловоздушный источник тока состоит из ячеек 1, установленных на основании 2 из диэлектрика. Ячейка 1 включает в себя газодиффузионные катоды 3, разделенные между собой U-образной рамкой 4 из диэлектрика. Катоды снабжены токосъемниками 5 для последовательного или параллельного соединения.

Аноды 6 из активного металла изолируют друг от друга диэлектриком и собираются в пакет, закрепленный держателем 7. Источник тока снабжен рамой 8, установленной с возможностью вертикального перемещения по направляющим стержням 9. Таких стержней может быть два или число, кратное двум. На направляющих стержнях 9 установлены пружины 10, служащие для возвращения подвижной рамы 8 в исходное положение.

На раме закреплены концы тросов 11, пропущенные через направляющие блоки 12 и отверстия вала 13. Источник содержит корпус 14, который может быть ящичным или формироваться как фильтр-пресс. Число вертикальных стержней будет определяться габаритами источника и равномерностью распределения нагрузки.

Устройство для перемещения анодов может быть выполнено в виде вала 13, размещенного горизонтально под электродами и снабженного с обоих концов левой 15 и правосторонней 16 нарезкой с гайками 17, к которым прикреплены концы тросов.

Газодиффузионные катоды изготовлены из композиционного материала, содержащего электрохимически активные добавки, наполнитель и армированы металлическими стеками для повышения электропроводности и механической прочности. Подвод воздуха к катоду происходит вследствие диффузии. Для интенсификации процесса используют обдув при помощи встроенного вентилятора.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

В электрохимические ячейки 1 с газодиффузионными катодами 3 заливают 10-30% -ный раствор щелочи или соли с соответствующими добавками, обеспечивающими оптимальные электрохимические параметры. Металлические аноды в виде пластин закрепляют в держателе 7 и прикрепляют к подвижной раме 8. Поворотом вала 13 устройства для перемещения анодов тросы 11 наматываются на вал 13, пружины снимаются и аноды плавно опускаются в электролит.

Другой механизм перемещения состоит в том, что при вращении вала 13, снабженного винтовой нарезкой, происходит перемещение гаек в противоположные стороны, что приводит к подъему или опусканию анодов, закрепленных на раме.

Вследствие протекания электродных реакций на аноде: Me n _→ Me⁺ⁿ и на катоде: H₂O + 4e _→ 4OH^- происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую и между катодом и анодом появляется разность потенциалов. Меняя глубину погружения анодов в электролит, можно в широких пределах изменять анодную плотность тока, внутреннее сопротивление источника тока и тем самым согласовывать площадь поверхности анодов, контактирующую с электролитом, с нагрузкой, обеспечивая оптимальный и наиболее экономичный режим работы.

Система легко поддается автоматическому регулированию при введении обратной связи между нагрузкой и сервоприводом, используемым для перемещения блока анодов. Обратная связь может быть организована по любому параметру: напряжению, току, мощности, и с помощью логического устройства эти параметры могут меняться в широких пределах по любому закону.

После израсходования металлических анодов блок анодов поднимают в верхнее положение, вынимают держатель и, отпуская крепежные винты, удаляют остатки анодов.

Предлагаемая конструкция имеет еще одно существенное преимущество перед известными, а именно позволяет полно использовать преимущество Al/O₂-системы. Установлено, что при увеличении плотности тока на аноде происходит значительно меньшее выделение водорода (или полностью отсутствует). Следовательно, существенно снижается непроизводительный расход алюминия на побочные реакции. Таким образом, меняя глубину погружения анодов в электролит, можно дробиться такого положения, при котором плотность тока соответствует оптимуму и анод расходуется наиболее экономично.

В системах с неподвижно закрепленными анодами такой режим реализовать невозможно, поскольку в известных технических решениях не изменяется поверхность анодов.

Предлагаемое устройство для перемещения анодов позволяет увеличить сохранность источника в постоянной готовности к работе на неограниченное время. Без механизма подъема аноды из активных металлов разрушаются полностью за 15-20 ч. Расход активного металла анодов в источнике, снабженном устройством для перемещения анодов, при его работе на нагрузку сокращается по сравнению с аналогами (если не применять других мер) примерно на 1/3. Коэффициент использования активного металла в предлагаемом источнике может быть доведен до 99% против 85-90% у аналогов.

Использование предлагаемого источника с устройством для перемещения анодов позволяет значительно упростить управление объектом, запитываемым от него, за счет исключения регулировочных реостатов, контролеров и сведением к минимуму коммуникаций.

Конструкция предлагаемого подъемного механизма позволяет производить замену использованного блока анодов за 7-15 мин. При этом не требуется разъединить электрические контакты, что обеспечивает повышенную надежность. В существующих конструкциях смена анодов занимает 1-3 ч. Применение подвижных контактов не решает проблему полностью, поскольку в электролите аноды покрываются пленками оксидов и надежный электрический контакт анодов обеспечить очень сложно. Таким образом, предлагаемая конструкция имеет существенные преимущества перед известными, обеспечивающие получение более высоких технико-экономических показателей: возможность обеспечения сохранности источника в готовом к использованию виде неограничены долгое время; значительное снижение расхода активных металлов при эксплуатации; обеспечивает быструю, удобную и надежную замену отработанных анодов.

Использование: производство энергоемких первичных источников тока с металлическим анодом. Сущность изобретения: металловоздушный химический источник тока включает корпус с размещенными в нем анодами и газовоздушными катодами, держатели анодов и устройство для перемещения анодов. Держатели анодов размещены на раме, выполненной с возможностью вертикального перемещения по крайней мере по двум вертикальным направляющим, снабженным пружинами. Устройство для перемещения анодов включает вал, направляющие блоки и тянущие тросы, прикрепленные к раме и перекинутые через блоки. Вал устройства размещен горизонтально под электродами, с обоих концов вала выполнены отверстия, через которые пропущены тросы. Концы тросов закреплены на раме. В другом варианте оба конца вала снабжены резьбой с гайками, к которым прикреплены концы тросов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. МЕТАЛЛОВОЗДУШНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА, включающий корпус с размещенными в нем анодами и газовоздушными катодами, держателем анодов и устройство для перемещения анодов, отличающийся тем, что он снабжен рамой, выполненной с возможностью вертикального перемещения, с размещенным на ней держателем анодов и установленной по крайней мере на двух вертикальных направляющих с размещенными на них пружинами, при этом устройство для перемещения анодов включает вал, направляющие блоки, тянущие тросы, прикрепленные к раме и перекинутые через указанные блоки. 2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что вал устройства для перемещения анодов размещен горизонтально под электродами, а с обоих концов вала выполнены отверстия, через которые пропущены тросы, концы которых закреплены на раме. 3. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что вал устройства для перемещения анодов размещен горизонтально под электродами и снабжен с обоих концов винтовой нарезкой с гайками, к которым прикреплены концы тросов.