БАТАРЕЯ ВОЗДУШНО-АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1996 года по МПК H01M12/06 H01M8/04 

Изобретение относится к электрохимии, касается электрохимических генераторов, в частности батарей воздушноалюминиевых элементов, и может быть использовано в качестве силового источника тока в транспортных средствах.

Известна батарея воздушно-алюминиевых элементов с полусвязанным нейтральным электролитом [1]
Недостатком известной батареи являются невысокие удельные характеристики (90-110 Втч/кг).

Известна батарея воздушно-алюминиевых элементов, содержащая верхнюю крышку, две боковых торцевых крышки, один или несколько элементов, каждый из которых содержит два катода, присоединенных к двусторонней электродной рамке с пазами для подвода и отвода электролита, анод, выполненный в виде пластины и имеющий расходуемый и контактный концы, анодное уплотнение и две окислительные камеры, образованные двумя опорными рамками [2]
Недостатком известной батареи является следующее.

Образующийся в процессе работы батареи гидроксид алюмимния и соединения олова забивают поры катода, приводя к снижению удельных электрических характеристик во времени. Конструкция опорной рамки позволяет использовать только жесткие катоды и не допускает применения тонких гибких электродов с высокими удельными характеристиками.

Кроме того, анодное уплотнение6 нанесенное методом вулканизации на анод, обуславливает удорожание анодов и процесса переработки нерасходуемых остатков.

Известна также металло-воздушная батарея фильтр-прессного типа, содержащая элементы, состоящие из катодов, электролитных и окислительных камер, анодные крышки, две боковые торцевые крышки, опорные рамки с пазами для подвода и отвода электролита и окислителя [3]
Недостатком известной батареи является следующее. Токосъемник батареи располагается в межэлектродном зазоре, что приводит к появлению дополнительного гидравлического сопротивления протоку электролита, а следовательно, и к увеличению энергозатрат на обеспечение циркуляции электролита и снижению общего КПД. При такой конструкции затруднен вынос продуктов реакции (гидроксида алюминия) из межэлектродного зазора. В результате рабочие поверхности анода и токосъемника постепенно покрываются продуктом реакции, что приводит к снижению электрических характеристик в процессе работы батареи и к снижению ее общего ресурса. Необходимость пневматического поджатия катода к токосъемнику требует увеличения давления в воздушном тракте. Это приводит к дополнительным энергозатратам и к снижению общего КПД.

Другим недостатком является электрическая коммутация батареи. Параллельное соединение элементов дает постоянное напряжение 1,5 В, что делает затруднительным применение данной батареи в областях, где требуется повышенное напряжение.

Целью изобретения является повышение удельных энергетических характеристик батареи.

Это достигается тем, что известная батарея снабжена электродной рамкой с вертикальными ребрами жесткости со сквозными отверстиями, расположенными по длине ребра жесткости, по углам и по середине боковых частей рамки выполнены сквозные отверстия, в нижней части электродной рамки выполнен сквозной паз для подвода электролита, соединенный с внутренней полостью электродной рамки, в боковых частях электродной рамки выполнены пазы для отвода окислителя и электролита, причем в верхней части каждой из боковых частей электродной рамки выполнены пазы для отвода электролита, соединенные с внутренней полостью электродной рамки, в верхней части электродной рамки выполнен вертикальный сквозной паз для установки анода, каждая из опорных рамок внутри имеет пакет сеток, причем в опорной рамке выполнены отверстия и пазы по форме и расположению аналогично пазам и отверстиям в электродной рамке, при этом пазы для подачи и отвода окислителя имеют каналы, соединяющие их с внутренней полостью опорной рамки, в глухих пазах анодных крышек, предназначенных для заправки анодов, поджатия резинового уплотнения и электрической коммутации, установлены упругие элементы.

Изобретение может быть использовано в качестве экологически чистого силового источника тока в высокоскоростном электротранспорте, в электроцеховом напольном электротранспорте и других аналогичных устройствах.

Предлагаемая батарея обеспечивает суточный пробег электромобиля не менее 400 км.

Состояние показателей удельной энергии, удельной мощности, габаритов и массы позволяет снизить массу системы электропитания по сравнению с традиционно используемыми химическими источниками тока в 6-8 раз.

Широкое применение батарей позволит обеспечить замкнутый цикл использования основного энергоносителя данной системы (алюминия).

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена батарея в разобранном виде со всеми конструктивными элементами; на фиг. 2 крепление анодной пластины к токосборной крышке; на фиг. 3 конструкция газодиффузионного электрода в разрезе; на фиг. 4 двухсторонняя электродная рамка; на фиг. 5 опорная рамка; на фиг. 6 соединение пакета сеток с анодной рамкой.

Батарея содержит несколько элементов 1. Элемент 1 состоит из двухсторонней электродной рамки 2, двух опорных рамок 3, двух воздушных катодов 4, анода 5 и двухконтурных уплотнений 6. Элементы разделены между собой изолятором 7.

Электродная рамка 2 изготовлена из материала, устойчивого к воздействию электролита, например из титана, и имеет ребра жесткости 8 с направляющими элементами 9, которые центрируют анод 5 во внутренней полости 10 электродной рамки 2, обеспечивая межэлектродный зазор. По всей длине ребра жесткости 8 расположены отверстия 11, обеспечивающие равномерное распределение потока электролита в межэлектродном зазоре. По углам и по середине боковых частей электродной рамки 2 расположены отверстия 12, обеспечивающие крепление элементов в батарее. По длине нижней части электродной рамки 2 выполнен сквозной паз 13 с входными каналами 14 для протока электролита, которые направлены во внутреннюю полость 10 электродной рамки 2. В боковых частях электродной рамки 2 выполнены пазы 15 для подачи и отвода окислителя и пазы 16 для отвода электролита, пазы 16 имеют каналы 17 для выхода электролита, направленные во внутреннюю полость 10 электродной рамки 2. В верхней части электродной рамки 2 выполнен вертикальный сквозной паз 17, направленный во внутреннюю полость 10 электродной рамки 2. Внутренняя полость 10 электродной рамки 2 закрыта с двух сторон сеткой 19.

К электродной рамке 2 с двух сторон через двухконтурное уплотнение 6 присоединены два катода 4. Катоды выполнены в виде многослойной плоской конструкции, состоящей из подложки 20, каталитического слоя 21 и матрицы 22, выполненной, например, из щелочестойкого картона с электроизоляционной рамочной частью 23, в которой выполнены пазы 24, повторяющие форму пазов электроодной рамки 2, окислительная камера 25 образована двумя опорными рамками 3, присоединенными к катодам 4 через двухконтурное уплотнение 6. Опорная рамка 3 выполнена из материала, стойкого к электролиту и имеет внутри пакет сеток 26. В опорной рамке 3 выполнены отверстия 27, пазы 28 и 29, повторяющие форму отверстий 12 и пазов 13, 15 и 16 электродной рамки 2, и пазы 30 в ее верхней части. Пазы 28 боковых частей опорной рамки 3, кроме верхних, имеют входные и выходные каналы 31 для окислителя, направленные во внутреннюю полость 32 опорной рамки 3. Сетки 26 выполнены из электропроводного материала, стойкого к электролиту (например Ni, Тi). Гибкий токовывод 33 с наконечником 34 служит для электрической коммутации элементов 1 в батарее. Гибкий токовывод позволяет осуществлять последовательное и параллельно-последовательное соединение элементов батареи, приспосабливая ее электрические характеристики для различных задач (требований), что увеличивает и расширяет область возможного применения батареи.

Анод 5 выполнен в виде пластины из алюминия с добавкой индия, имеет расходуемый 35 и контактный 36 концы. В расходуемом конце 35 выполнены вертикальные пазы 37. Расходуемый конец 35 помещен во внутреннюю полость 10 электродной рамки 2 в промежуток между катодами 4. Анодная пластина 5 имеет уплотнение 38, выполненное в виде упругой прокладки, которая защищает контактный конец анода 36 от воздействия электролита. Пазы 13, 15, 16, 24, 28, 29, 30, выполненные в боковых и нижней частях электродной рамки 2 рамочной части матрицы 23 и опорной рамке 3, при сборке батареи образуют общие изолированные распределительные и собирающие каналы для электролита и окислителя, что позволяет переходить на другой вид окислителя. В боковых торцевых крышках 39 выполнены проточные каналы 40 для подвода и отвода электролита и окислителя.

Батарея имеет общую верхнюю крышку, которая состоит из панели 41, выполненной из электроизоляционного материала, и анодных токосборных крышек 42 анодных пластин 5. Токосборная крышка 42 присоединена к панели 41, например, через резиновое уплотнение, выполненное в виде упругого компенсатора (на чертеже не показан). В каждой из токосборных крышек 42 выполнен глухой паз 43, повторяющий форму контактного конца 36 анодной пластины 5. В пазу 43 установлены упругие элементы 44.

Общая верхняя крышка обеспечивает электроизоляцию элементов со стороны вывода контактных концов анодных пластин. Кроме того, за счет этой крышки обеспечивается гарантированное уплотнение анодных пластин и их электрокоммутация, наряду с этим дополнительно обеспечивается механическая прочность батареи.

Посредством анодных токосборных крышек 42 осуществляется токосъем за пределами электролитной камеры. Это позволяет уменьшить энергозатраты на обеспечение циркуляции электролита, а, следовательно, увеличить КПД и повысить эффективность работы батареи. При такой конструкции поверхность токосъемника не пассивируется продуктами реакции, вследствие чего достигаются стабильные электрические характеристики в процессе работы, не зависящие от процесса растворения (выработки) анода в межэлектродном зазоре и повышается общий ресурс батареи за счет обеспечения свободного протока электролита в межэлектродном зазоре и отсутствия очагов скапливания продуктов реакции (гидроксида алюминия). Все перечисленное позволяет повысить надежность работы батареи.

Воздушно-алюминиевая батарея работает следующим образом. Электролит и окислитель (кислород воздуха) подаются в батарею при помощи внешних приспособлений. Тепловая энергия, образующаяся в процессе работы батареи, выносится из нее потоком электролита. Водород, образующийся в батарее в процессе коррозии алюминия, выносится с потоком электролита. Гидроксид алюминия, образующийся в батарее в процессе реакции анодного окисления, также выносится потоком электролита.

Электрическая энергия, получаемая в процессе работы батареи, потребляется внешним устройством, которое подключается к силовым соединителям. После окончания цикла работы контактные концы 36 анодных пластин 5 удаляются и заменяются свежими анодными пластинами.

Результаты испытаний предлагаемой воздушно-алюминиевой батареи и прототипа представлены в таблице.

Как видно из таблицы, предлагаемая батарея по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение напряжения приблизительно в два раза, что позволяет достичь повышения удельных энергетических характеристик, например, повышение удельной энергии до 350 Втч/кг и обеспечивает среднесуточный пробег электромобиля не менее 400 км.

Использование: электрохимические генераторы, в частности воздушно-алюминиевые батареи. Сущность изобретения: батарея воздушно-алюминиевых элементов, состоящих из катодов, анодов, электролитных и окислительных камер, содержит анодные крышки, две боковые торцевые крышки, опорные рамки с пазами для подвода и отвода электролита и окислителя, электродные рамки и верхнюю сборную крышку. Электродная рамка батареи дополнительно снабжена вертикальными ребрами жесткости со сквозными отверстиями, расположенные по длине ребра жесткости, по углам и по середине боковых частей рамки выполнены сквозные отверстия, в нижней части электродной рамки выполнен сквозной паз для подвода электролита, соединенный с внутренней полостью электродной рамки, в боковых частях электродной рамки выполнены пазы для отвода окислителя и электролита, причем в верхней части каждой из боковых частей электродной рамки выполнены пазы для отвода электролита, соединенные с внутренней полостью электродной рамки, в верхней части электродной рамки выполнен сквозной паз для установки анода, каждая из опорных рамок внутри имеет пакет сеток, причем в опорной рамке выполнены отверстия и пазы по форме и расположению аналогично пазам и отверстиям в электродной рамке, при этом пазы для подачи и отвода окислителя имеют каналы, соединяющие их с внутренней полостью опорных рамок. В глухих пазах анодных крышек, предназначенных для заправки анодов, поджатия резинового уплотнения и электрической коммутации, установлены упругие элементы. Батарея обладает повышенными удельными энергетическими характеристиками. 1 табл. 6 ил.

Батарея воздушно-алюминиевых элементов, состоящих из катодов, анодов, электролитных и окислительных камер, содержащая анодные крышки, две боковые торцевые крышки, опорные рамки с пазами для подвода и отвода электролита и окислителя, электродные рамки, верхнюю сборную крышку, отличающаяся тем, что электродная рамка дополнительно снабжена вертикальными ребрами жесткости со сквозными отверстиями, расположенными по длине ребра жесткости, по углам и по середине боковых частей рамки выполнены сквозные отверстия, в нижней части электродной рамки выполнен сквозной паз для подвода электролита, соединенный с внутренней полостью электродной рамки, в боковых частях электродной рамки выполнены пазы для отвода окислителя и электролита, причем в верхней части каждой из боковых частей электродной рамки выполнены пазы для отвода электролита, соединенные с внутренней полостью электродной рамки, в верхней части электродной рамки выполнен сквозной паз для установки анода, каждая из опорных рамок внутри имеет пакет сеток, причем в опорной рамке выполнены отверстия и пазы, по форме и расположению аналогичные пазам и отверстиям в электродной рамке, при этом пазы для подачи и отвода окислителя имеют каналы, соединяющие их с внутренней полостью опорной рамки, в глухих пазах анодных крышек, предназначенных для заправки анодов, поджатия резинового уплотнения и электрической коммутации, установлены упругие элементы.