ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ - ВОДОРОДНЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H01M12/06 

Изобретение относится к электротехнике.

Известен герметичный никель-водородный аккумулятор, содержащий положительные и отрицательные электроды. Положительные электроды это металлокерамические окисно-никелевые электроды. Отрицательные газодиффузионные многослойные водородные электроды, представляющие собой никелевую металлокерамическую основу или никелевую сетку, на которую нанесен платиновый, палладиевый или платино-палладиевый катализатор с нанесением гидрофобным слоем или чисто гидрофильные. Толщина активного слоя водородных электродов составляет 250 мкм и более [1]
Основным недостатком такого аккумулятора является невозможность работы при высоких зарядно-разрядных токах, а именно заряде током, большим С/2, и заряде током, большим 2С, где С емкость аккумулятора, примерно равная 35-50 А.ч.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является аккумулятор, содержащий положительные окисно-никелевые электроды, электрически связанные с отрицательными водородными электродами посредством энергоносителя из асбеста толщиной 300 мкм. В качестве отрицательного электрода используется газодиффузионный трехслойный водородный электрод с гидрофибизированным платиновым активным слоем и нанесенным фторопластовым слоем [2]
Этот герметичный никель-водородный аккумулятор имеет следующие недостатки: ограниченный рабочий диапазон, а именно зарядно-разрядные токи аккумулятора не превышают С/2; для обеспечения эксплуатационной безопасности, т.е. для обеспечения замкнутого водородного цикла, в аккумулятор вводится дополнительный водород.

Причина указанных недостатков заключается в большой толщине активного и фторопластового слоев водородного электрода 250 мкм и подаче газа с тыльной его стороны.

Толстый активный и фторопластовый слой обладают большим тепловым и диффузионным сопротивлением, следствием чего является очень высокая поляризация водородного электрода при больших зарядно-разрядных токах и низкая скорость реакции синтеза воды в режиме перезаряда аккумулятора, что ведет к накоплению кислорода в газовой фазе. Подача газа с тыльной стороны электрода накладывает дополнительные диффузионные ограничения на протекание указанных процессов.

Таким образом, описанный аккумулятор не способен работать при высоких зарядно-разрядных токах (больше С/2) и не отличается высокой эксплуатационной безопасностью при большой глубине перезаряда большими токами.

Целью изобретения является улучшение удельных электрических характеристик и повышение эксплуатационной надежности.

Цель достигается тем, что в герметичном никель-водородном аккумуляторе, содержащем положительные окисно-никелевые электроды, электрически связанные с отрицательными водородными электродами посредством электроносителя из многослойной асбестовой бумаги общей толщиной 200-300 мкм, водородный электрод выполнен в виде металлокерамической никелевой основы с пористостью 20-30% толщиной 40-120 мкм, на которую нанесен гидрофобизированный платино-палладиевый активный слой толщиной 1-10 мкм. На поверхность активного слоя нанесен фторопластовый слой толщиной 0,25-5 мкм. Причем активный слой водородного электрода выполнен в виде чередующихся гидрофобизированных участков и гидрофильных каналов, имеющих выход на поверхность фторопластового слоя. Водородный электрод расположен в аккумуляторе таким образом, что металлокерамическая никелевая основа имеет непосредственный контакт с электроносителем.

Отличные признаки данного технического решения: водородный электрод состоит из металлокерамической никелевой основы с пористостью 20-30% толщиной 40-120 мкм и нанесенного на нее гидрофобизированного платино-палладиевого активного слоя и фторопластового слоя, нанесенного на поверхности активного слоя; активный и фторопластовый слои имеют малую толщину 1-10 и 0,25-5 мкм соответственно; активный слой состоит из чередующихся гидрофобизированных участков и гидрофильных каналов, имеющих выход на поверхность фторопластового слоя; металлокерамическая никелевая основа имеет непосредственный контакт с электролитоносителем. Данный аккумулятор соответствует критерию "новизна".

Из литературных данных известны никель-водородные аккумуляторы с многослойными водородными электродами, причем количество слоев, их последовательность и конструктивные материалы различны. Однако ни в одном из них именно такая последовательность слоев в сочетании именно с такими их конструкционными материалами, как в водородном электроде заявляемого аккумулятора, не применяется.

Во всех известных конструкциях никель-водородных аккумуляторов активный слой водородного электрода имеет непосредственный контакт с электролитом, а газ поступает к активному слою, диффундируя через все остальные слои электрода.

Одной из отличительных особенностей заявляемого аккумулятора является то, что активный слой не имеет непосредственного контакта с электроносителем, а газ поступает к активному слою, диффундируя лишь через очень тонкий (толщиной 0,25-5 мкм) фторопластовый слой. Непосредственный контакт с электролитом имеет металлoкерамическая никелевая основа. Ее параметры: толщина 40-120 мкм и пористость 20-30% выбраны из следующих соображений. При толщине менее 40 мкм основа является технологически непрочной, при толщине более 120 мкм ухудшаются массогабаритные характеристики аккумулятора. При пористости менее 20% становятся заметными омические потери, при пористости более 30% ухудшается прочность основы: также верхний предел пористости обуславливается способом изготовления электрода.

Другой отличительной особенностью заявляемого аккумулятора является то, что структура активного слоя водородного электрода представляет собой чередующиеся гидрофобизированные участки с гидрофильными каналами. Подобная структура активного слоя водородного электрода никель-водородного аккумулятора в известных литературных источниках не описана.

Еще одной особенностью водородного электрода заявляемого аккумулятора является малая толщина его активного и фторопластового слоев 1-10 и 0,25-5 мкм соответственно. Нижний предел толщины активного слоя обусловлен необходимой активностью водородного электрода верхний диффузионными ограничениями. Нижний предел толщины фторопластового слоя обусловлен способом изготовления электрода, верхний диффузионными ограничениями. Наиболее тонкий из известных активных слоев 250 мкм у водородного электрода аккумулятора-прототипа. Фторопластный слой водородного электрода аккумулятора-прототипа, как и у других известных, на несколько порядков толще фторопластового слоя водородного электрода заявляемого аккумулятора, так как наносится на сетку.

Таким образом, описанные выше особенности заявляемого аккумулятора позволяют достичь цель изобретения.

Тонкий активный слой в совокупности с нанесенным тонким фторопластовым слоем, обладающие малым диффузионным сопротивлением по газам и малым тепловым сопротивлением, а также подача газа со стороны очень тонкого фторопластового слоя наряду с максимальной зоной протекания электродных реакций обуславливают низкую поляризацию водородного электрода в режимах заряда-разряда аккумулятора и высокую скорость реакции синтеза воды в режиме перезаряда аккумулятора. Поэтому оказывается возможным, во-первых, производить заряд-разряд аккумулятора большими токами заряд током до С, разряд током до 4С (зарядно-разрядные токи аккумулятора-прототипа не превышают С/2), т.е. улучшить его электрические и удельные мощностные характеристики; во-первых, обеспечить безопасность эксплуатации аккумулятора без применения специальных устройств и способов изготовления аккумулятора. Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 и 2 приведены схематично электродная группа аккумулятора и водородный электрод; на фиг.3 зарядные кривые аккумулятора, где кривая А ток заряда С/2 (40 А); кривая Б ток заряда С (80 А); на фиг.4 разрядные кривые аккумулятора, где кривая В ток разряда С (80 А); кривая Г ток разряда 20 (160 А); кривая Д ток разряда 30 ( 240 А); кривая Е ток разряда 40 (320 А); на фиг. 5 представлен график зависимости концентрации кислорода в газовой фазе от глубины перезаряда током С (80 А).

Аккумулятор (фиг.1) состоит из корпуса 1, окисно-никелевых электродов 2, водородных электродов 3, асбестового электроносителя 4, посредством которого осуществляется электрическая связь между электродами, и газового сепаратора 5. Электролит, содержащийся в асбесте, представляет собой раствор КОН плотностью 1,21 г/см³.

Водородный электрод состоит из металлокерамической основы 6, активного слоя и фторопластового слоя 7. Активный слой состоит из гидрофобизированных участков 8 и гидрофильных каналов 9. Водородный электрод располагается в аккумуляторе таким образом, что металлокерамическая никелевая основа непосредственно контактирует с электроносителем и доставляет электролит к активному слою. Газоводород в процессе разряда и кислород в процессе заряда и перезаряда доставляется к активному слою, диффундируя из объема аккумулятора. Образующийся в активном слое водород диффундирует через фторопластовый слой и накапливается в свободном объеме аккумулятора.

В процессе работы аккумулятора в режиме разряда в активном слое электрода образуется вода, которая в результате переконденсации собирается на поверхности фторопластового слоя, локализуется в области гидрофильных каналов и по ним отводится в электролите. С ростом разрядного тока количество конденсирующей влаги увеличивается. Аналогично происходит и отвод воды, образующийся в режиме заряда и перезаряда, а также в процессе переконденсации из электролита. Таким образом, активная поверхность электрода не блокируется водой, т. е. в процессе работы электрода зона электродных реакций остается максимальной, пересушка электрода и концентрация электролита не наблюдаются, следствием чего является низкая поляризация водородного электрода, позволяющая расширить рабочий диапазон аккумулятора и повысить его эксплуатационную безопасность.

Работу аккумулятора характеризуют графики, полученные в результате испытаний. На фиг.3 представлены временные зарядные характеристики аккумулятора емкостью 80 А, удельной мощностью 200 Вт/кг. Так, заряд составлял С/2 (40 А) кривая А и С (80 А) кривая Б. Из кривых следует, что напряжение заряда не превышало 1,55 В.

На фиг.4 приведены временные разрядные характеристики аккумулятора. Разрядный ток составлял С (80 А), 2С (160 А), 4С (360 А). Как следует из кривых, разрядное напряжение не снижалось более чем до 1 В до глубины разряда 75% при токе разряда С (80 А), до глубины разряда 60 при разрядном токе 2С (160 А) и до глубины разряда 30% при токе 3С (240 А). При разрядном токе 3С (240 А) на глубине разряда 60% напряжение на аккумуляторе составило 0,9 В. При разрядном токе 4С (320 А) напряжение на аккумуляторе не снижалось более чем до 0,8 В.

На фиг. 5 приведена кривая зависимости концентрации кислорода в газовой фазе от глубины перезаряда током С (80 А). Из графика следует, что стационарная концентрация молекулярного кислорода в газовой фазе аккумулятора не превышает 1,1% при глубине заряда более чем 170%
Совокупность отличительных признаков данного технического решения позволяет, во-первых, расширить рабочий диапазон путем улучшения электрических и удельных мощностных характеристик аккумулятора в несколько раз по сравнению с прототипом, во-вторых, значительно повысить эксплуатационную безопасность аккумулятора, а именно не допускать превышения стационарной концентрации молекулярного кислорода в газовой фазе в режиме перезаряда током С (80 А) более 1,1% без применения специальных устройств и способов изготовления аккумулятора.

Использование: в производстве никель-водородных аккумуляторов, обладающих улучшенными электрическими характеристиками. Сущность изобретения: аккумулятор содержит положительные окисно-никелевые электроды, электрически связанные с отрицательными водородными электродами посредством многослойной асбестовой бумаги, водородные электроды, выполненные в виде металлокерамической основы с пористостью 20 30% и толщиной 40 - 120 мкм с нанесенным на нее гидрофобизированным платино-палладиевым активным слоем толщиной 1 10 мкм и фторопластовым слоем толщиной 0,25 5 мкм, нанесенным на поверхность активного слоя. При этом, активный слой выполнен в виде чередующихся гидрофобизированных участков и гидрофильных каналов, имеющих выход на поверхность фторопластового слоя, а металлокерамическая основа водородного электрода имеет непосредственный контакт с асбестовой бумагой, играющей роль электроносителя. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ ВОДОРОДНЫЙ АККУМУЛЯТОР, содержащий положительные окисно-никелевые электроды, электрически связанные с отрицательными водородными электродами посредством многослойной асбестовой бумаги-электроносителя, отличающийся тем, что, с целью улучшения удельных электрических характеристик и повышения эксплуатационной надежности, водородный электрод выполнен в виде металлокерамической основы с пористостью 20-30% толщиной 40-120 мкм с нанесенным на нее гидрофобизированным платино-палладиевым активным слоем, толщиной 1-10 мкм и фторопластовым слоем, толщиной 0,25-5 мкм, нанесенным на поверхность активного слоя. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что активный слой выполнен в виде чередующихся гидрофобизированных участков и гидрофильных каналов, имеющих выход на поверхность фторопластового слоя. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что металлокерамическая основа водородного электрода имеет непосредственный контакт с электронаполнителем.