МЕТАЛЛОВОЗДУШНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01M12/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве металло-воздушных ХИТ.

Известен металло-воздушный ХИТ, содержащий изоляционный корпус прямоугольной формы с окнами на боковых поверхностях, газодиффузионные катоды, закрепленные в окнах корпуса, крышку и стержневой расходуемый анод, закрепленный на крышке. Корпус ХИТ при запуске заполняется водным раствором электролита [патент США N 5024904, H 01 M 12/06, 1991]
Недостатками данного ХИТ являются низкие удельные электрические характеристики из-за избыточности объема электролитной камеры и малой поверхности анода, ограничивающей разрядные токи ХИТ.

Из известных ХИТ наиболее близким по совокупности существенных признаков является металло-воздушный ХИТ, содержащий корпус в виде коробчатой рамы, воздушные катоды, герметично установленные в отверстиях рамы, металлический анод и водный раствор электролита, размещенные внутри корпуса [заявка Японии N 58-56468, H 01 M 12/06, 1983]
Недостатками рассматриваемого ХИТ являются отсутствие шламового пространства в нижней части элемента, несоответствие размеров анода и катода и неоптимальность соотношения объема электролита и массы анода. Размеры анода по площади превышают площадь катода. Верхняя кромка анода расположена значительно выше кромки катода, что снижает коэффициент использования материала анода. Отсутствие шламового пространства и расположение нижних кромок катодов вблизи данной части элемента приводит к блокированию части рабочей поверхности катодов и анода продуктами реакции и может вызвать внутреннее замыкание электродов.

Задачей изобретения является создание металло-воздушного ХИТ, обладающего повышенными электрическими и ресурсными характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном металло-воздушном элементе верхняя и нижняя кромки катодов расположены соответственно ниже и выше соответствующих кромок корпуса ХИТ на 0,1-0,15 высоты корпуса, анод размещен в направляющих пазах с уступом, выполненных на внутренних торцевых поверхностях корпуса, при этом упоры расположены на уровне нижних кромок катодов, площадь анода составляет 1,0-1,2 от площади катода, толщина анода составляет 0,2-0,4 от ширины электролитного зазора между катодами, а объем электролитной камеры определяется выражением

где V объем электролитной камеры, см³;
k 1,1-1,2 конструктивный коэффициент;
A 10-15 эмпирический коэффициент, найденный экспериментально см³/A•ч;
M масса анода, г;
m 0,4-0,8 удельный расход, анодного металла, г/А•ч;
N число циклов разряда.

Выполнение ХИТ с указанными соотношениями размеров и объемов позволяет обеспечить оптимальные условия разряда, обеспечивающие высокие стабильные электрические характеристики, коэффициент использования анодного материала и длительный ресурс.

Размещение нижних кромок катодов на высоте 0,1-0,15 от дна ХИТ определяется объемом шламового пространства, в котором накапливаются продукты разряда. При высоте ниже 0,1 мало время непрерывной работы, так как при более длительном времени работы шлам достигает поверхности катодов и будет их блокировать. Наряду с этим может возникнуть короткое замыкание электродов. При размещении кромки катода выше 0,15 объем шламового пространства будет избыточен, что ухудшает удельные характеристики ХИТ. Размещение анода в направляющих пазах позволяет зафиксировать его внутри элемента на заданном расстоянии от катодов. Наличие упора в пазах обеспечивает размещение нижней кромки анода на одном уровне с нижней кромкой катода. Такое размещение электродов позволяет более полно использовать поверхность анода. Площадь анода превышает площадь катода на 10-20% Это связано с тем, что величина разрядного тока определяется площадью анода, поскольку активность катода выше активности анода. Кроме того, часть поверхности анода, размещаемая в пазах, не участвует в реакции.

Толщина анода составляет 0,2-0,4 от величины электролитного зазора между катодами. При соотношении толщины анода и величины электролитного зазора менее 0,2 электролитный зазор между катодом и анодом будет велик, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления ХИТ и снижению разрядных характеристик, кроме того, в элементе будет избыточное количество электролита, что снижает удельные характеристики. При соотношении толщины анода и электролитного зазора более 0,4 электролитный зазор между катодом и анодом будет слишком мал, что будет затруднять выход выделяющегося газа и выпадание нерастворимых продуктов реакции в шламовое пространство. Скапливание шлама и газовых пузырей в электролитном зазоре будет блокировать рабочие поверхности электродов, что снижает электрические характеристики. Кроме того, в элементе будет недостаток электролита, что ограничивает время работы ХИТ без смены электролита.

Для обеспечения оптимальных условий разряда ХИТ объем электролитной камеры должен быть выбран с учетом времени разряда, массы анода, расхода воды на реакцию, а также шламового объема. Теоретически указанную зависимость установить сложно, поскольку реакция растворения анода может протекать в соответствии с несколькими уравнениями.

В результате многочисленных экспериментальных исследований установлено, что оптимальные разрядные характеристики ХИТ имеет при удельном объеме электролита 10-15 см³/А•ч полученной электроэнергии. Обозначим эту эмпирическую величину буквой А. При времени разряда t (ч), токе J (A) и удельном расходе анодного материала m (г/А•ч) объем электролита V_э составит

Произведение m•J•t (г) определяет расход анодного материала за один цикл разряда. При числе циклов разряда N произведение m•J•t•N будет определять массу анода M (г).

Умножим и разделим выражение для V_э на N, получим

Подставив выражение для массы анода M m•J•t•N, получим

Умножив указанное выражение на конструктивный коэффициент k=1,1-1,2, учитывающий объем шламового пространства, получим требуемый объем электролитной камеры V ХИТ

где V объем электролитной камеры ХИТ, см³;
k=1,1-1,2 конструктивный коэффициент;
A 10-15 эмпирический коэффициент, см³/A•ч;
M масса анода, г;
m удельный расход анодного металла, равный 0,45-0,8 в зависимости от используемого металла, г/А•ч;
N число циклов.

Целесообразно, чтобы корпус ХИТ выполнялся из электроизоляционного материала. Это упрощает проблему предотвращения внутреннего замыкания электродов, а также упрощает конструкцию ХИТ, допуская выполнение направляющих анодных пазов и упора непосредственно в материале корпуса.

Целесообразно, чтобы корпус ХИТ выполнялся из металла. Это упрощает ряд технологических и конструктивных вопросов по размещению и герметизации катодов в окнах корпуса ХИТ, а также исключает необходимость коммутации катодов друг с другом.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения изобретения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен металло-воздушный ХИТ с водным электролитом, продольный разрез; на фиг. 2 то же, поперечный разрез.

Предлагаемый ХИТ содержит растворимый металлический анод 1 из алюминия, магния или цинка, корпус 2 в виде коробчатой рамы с окнами 3, водный раствор электролита 5.

В окнах рамы размещены газодиффузионные катоды 4 с верхней кромкой 6 и нижней кромкой 7. Анод 1 установлен в направляющие пазы 8 с упором 9.

Нижняя кромка катода 6 расположена на одном уровне с упором 9 и выше нижней кромки 10 корпуса 2 на 0,1-0,15 его высоты H. Верхняя кромка катода 5 расположена ниже верхней кромки 10 корпуса 2 на 0,1-0,15 высоты H. Толщина анода δ составляет 0,2-0,4 от величины зазора D между катодами.

ХИТ работает следующим образом. На катоде 4 под действием катализатора протекает реакция восстановления кислорода в водном растворе электролита в соответствии с уравнением (1),
O₂+2H₂O+4e^- _→ 4OH^- (1).
На аноде 1 происходит растворение металла Me с освобождением электронов, поступающих во внешнюю электрическую цепь, и выделением газообразного водорода. Анодная реакция протекает в соответствии с уравнением (2)
Ma+OH^- _→ MeOH+e^-+H₂↑ (2).
Суммарная токообразующая реакция (3)
Me+H₂O _→ MeOH+e^-+H₂↑+e^- (3).
Таким образом, в результате электротехнического растворения анода в ХИТе генерируется электроэнергия. Продуктами реакции являются гидроксид металла и водород. Водород в виде газа выделяется в окружающее пространство. Гидроксид металла, не растворимый в электролите, выпадает в осадок и скапливается в шламовом пространстве h.

При длительной работе анода он перфорируется и кусочки анода могут выдавливаться в электролит. Они также скапливаются в шламовом пространстве, что предотвращает закорачивание электродов.

Пример практической реализации.

Изготовлен и проведены испытания макета заявленного ХИТ. Корпус ХИТ выполнен в виде 2-х половин из никеля методом штамповки. В окна корпуса вварена никелевая сетка. На внутреннюю поверхность сетки напрессована активная масса на основе углерода и связующего. Половинки корпуса по кромке сварены аргонодуговой сваркой, образуя карман. Высота корпуса 80 мм, ширина 70 мм, зазор между катодами 10 мм. Размер катода 60•56 мм, размер анода 60•60 мм. Нижняя кромка катода выше нижней кромки корпуса на 12 мм, что составляет 0,15 от высоты, верхняя кромка катода ниже верхней кромки корпуса на 12 мм, что составляет 0,15 от высоты. В корпус элемента вставлены направляющие с упором, выполненные из полипропилена. Упор расположен на высоте 12 мм от дна элемента.

ХИТ испытывался непрерывно в течение 4 ч при токе нагрузки 0,8 А, напряжение элемента составляло 0,91 В. Анод был выполнен из листового магния толщиной 3,0 мм, что составляет 0,3 от величины электролитного зазора. В процессе разряда ХИТ имел стабильные характеристики. Объем электролитной камеры ХИТ равен 56 см. Расход анодного материала составлял 0,8 г/Ач. Масса анода составляла 20 г и рассчитана на 5 циклов.

Расчет объема по формуле

что хорошо согласуется с выбранным конструктивным объемом. После остановки анод был извлечен из корпуса. На поверхности наблюдался небольшой налет шлама. Основной шлам находился на дне корпуса. Шлам легко удаляется промывкой водой.

Проведенные испытания показали, что предлагаемый ХИТ обладает стабильными разрядными характеристиками.

Выбранные соотношения размеров обеспечивают высокие электрические характеристики и безотказную работу в течение многих десятков циклов разряда. Полученные данные подтверждают возможность практической реализации металло-воздушного ХИТ с достижением технического результата изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует критерию "Промышленная применимость".

Использование: автономные перезаряжаемые химические источники тока. Сущность изобретения: металло-воздушный химический источник тока содержит корпус в виде коробчатой рамы с окнами, воздушные катоды, герметично установленные в окнах рамы, водный раствор электролита и металлический анод, расположенный внутри корпуса в направляющих пазах с уступом. Уступ расположен на одном уровне с нижней кромкой катода. Нижняя кромка катода расположена выше нижней кромки корпуса на 0,1-0,15 его высоты, верхняя кромка катода расположена ниже верхней кромки корпуса на 0,1-0,15 его высоты. Площадь анода составляет 1,1-1,2 от площади катода, а толщина анода составляет 0,2-0,4 от величины зазора между катодами, объем электролитной камеры определяется выражением , где V - объем электролитной камеры, см³; K = 1,1-1,2, конструктивный коэффициент; А = 10-15, эмпирический коэффициент, см³/Aч; М - масса анода, г; m = 0,4-0,8, удельный расход анодного материала, г/Ач; N - число циклов. Корпус источника тока может быть выполнен из электроизоляционного материала или металла. Это обеспечивает повышенные электрические и ресурсные характеристики. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Металловоздушный химический источник тока (ХИТ), содержащий корпус в виде коробчатой рамы с окнами, воздушные катоды, герметично установленные в окнах рамы, водный раствор электролита и металлический анод, расположенный внутри корпуса, отличающийся тем, что верхняя и нижняя кромки катодов расположены ниже и выше соответствующих кромок корпуса ХИТ на 0,10 0,15 его высоты, анод размещен в направляющих пазах с уступом, выполненных на внутренних торцовых поверхностях корпуса, при этом упоры расположены на уровне нижних кромок катодов, площадь анода составляет 1,1 1,2 от площади катода, толщина анода составляет 0,2 0,4 от величины зазора между катодами, а объем электролитной камеры ХИТ определяется выражением
V k (A•M)/(m•N),
где V объем электролитной камеры, см³;
k 1,1 1,2 конструктивный коэффициент;
A 10 15 эампирический коэффициент, см³/А • ч;
M масса анода, г;
m 0,4 0,8 удельный расход, определяемый материалом анода, г/А • ч;
N число циклов. 2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из электроизоляционного материала. 3. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из металла.