ВОЗДУШНО-АЛЮМИНИЕВЫЙ ЭЛЕМЕНТ, БАТАРЕЯ НА ОСНОВЕ ВОЗДУШНО-АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕМЕНТА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БАТАРЕИ Российский патент 1999 года по МПК H01M12/06 H01M10/42 

Изобретение относится к электрохимии, касается способа эксплуатации воздушно-металлических батарей и может быть использовано при применении воздушно-металлических батарей в качестве автономного малогабаритного перезаряжаемого источника тока.

Известен гальванический элемент, например, воздушно-металлического типа. Элемент в основном содержит электролитную емкость, крышку, расходуемый металлический электрод плоской формы, помещенный в электролитную емкость. На некотором расстоянии от рабочей поверхности электрода расположен газодиффузионный катод, который снаружи свободно омывается газом, в частности воздухом. Для улучшения циркуляции электролита и тем самым повышения эффективности электрохимического преобразования энергии водород, образующийся в процессе электрохимической реакции, накапливается в электролитной емкости и повышающееся при этом давление используется для перемещения электролита. При этом электролитная емкость содержит газосборную камеру, газовое давление в которой может воздействовать на электролит. Через систему трубок вытесняемый электролит переходит из верхней части электролитной емкости в нижнюю (Европатент N 0071015 А2 от 22.06.82 - прототип).

Недостатком известного гальванического элемента воздушно-металлического типа являются низкие удельные электроэнергетические характеристики из-за избыточного веса, вызванного усложнением конструкции.

Известна первичная воздушно-металлическая батарея, содержащая корпус, крышку с коммутацией, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент (патент США N 4626482, H 01 M 12/6, 1986 - прототип).

Недостатком известной первичной воздушно-металлической батареи являются низкие удельные электроэнергетические характеристики.

Известен способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента (а.с. СССР, 621041, H 01 M 10/42, H 01 M 12/08).

Недостатком известного способа является длительный период выхода батареи на заданный режим (10-20) мин.

Целью изобретения является повышение удельных электроэнергетических характеристик воздушно-металлических элементов и батарей на их основе, повышение стабильности характеристик во времени, а также уменьшение времени выхода на режим до (1-3) мин.

Поставленная цель достигается тем, что в известном воздушно-металлическом гальваническом элементе коробчатого типа, включающем электролитную емкость с заправочным отверстием в верхней ее части, крышку, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру, в верхней части вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости (V) образована камера для сбора шлама (V_шл) с соотношением объемов V : V_шл = 5 - 15, толщина анода в пределах (1-3) мм составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражением:
V = V_эл + V_ан;
V_эл = q_эл•Q•n•k₁;
V_ан (q_эх + q_кор)•Q•n•k₂;
где V - объем электролитной емкости, см³;
V_эл - объем электролита, см³;
V_ан - объем анода, см³;
q_эл - удельный расход воды из электролита, см³/А•ч;
q_эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см³/А•ч;
q_кор - удельный расход алюминия на коррозию, см³/А•ч;
Q - емкость элемента за один цикл, А•ч;
n - количество циклов;
k₁ = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;
k₂ = (1,97-1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины (a), ширины (b) и высоты (c) составляет:
a:b:c = 1:0,38:2,7;
a:b:c = 1:0,35:3,1;
a:b:c = 1:0,33:3,9.

В известной первичной воздушно-металлической батарее, содержащей корпус, крышку с коммутацией, один или несколько воздушно-металлических гальванических элементов, в качестве такого элемента применен предлагаемый элемент; в известном способе эксплуатации воздушно-металлического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л.

Общим признаком является наличие в воздушно-металлическом гальваническом элементе коробчатого типа электролитной емкости с заправочным отверстием в верхней ее части, крышки, расходуемого металлического анода плоской формы, помещенного в электролитную емкость, газодиффузионного катода, расположенного на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемого снаружи газом, например воздухом, газосборной камеры, наличие в батарее корпуса, крышки с коммутацией, одного или нескольких элементов, эксплуатация батареи путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента.

Отличительным признаком является то, что в верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости (V) образована камера для сбора шлама (V_шл) с соотношением объемов V : V_шл = 5 - 15, толщина анода в пределах (1 - 3) мм составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной камеры определяется выражением:
V = V_эл + V_ан;
V_эл = q_эл•Q•n•k₁;
V_ан=(q_эх+q_кор)•Q•n•k₂;
где V - объем электролитной емкости, см³;
V_эл - объем электролита, см³;
V_ан - объем анода, см³;
q_эл - удельный расход воды из электролита, см³/А•ч;
q_эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см³/А•ч;
q_кор - удельный расход алюминия на коррозию, см³/А•ч;
Q - емкость элемента за один цикл, А•ч;
n - количество циклов;
k₁ = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;
k₂ = (1,97-1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины (a), ширины (b) и высоты (c) составляет:
a:b:c = 1:0,38:2,7;
a:b:c = 1:0,35:3,1;
a:b:c = 1:0,33:3,9.

В батарее в качестве воздушно-металлического гальванического элемента применен предлагаемый элемент; при эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л.

Заявляемая совокупность и взаимосвязь отличительных признаков в известных источниках патентной и научно-технической литературы не обнаружены.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем.

Изобретение является промышленно применимым, т.к. может быть использовано в качестве экологически чистого автономного источника тока в составе следующих систем:
- портативный переносной магнитофон типа "плеер" с функциями записи и воспроизведения через внешнюю акустическую систему;
- портативный телевизионный приемник на жидких кристаллах;
- портативный электрофонарь;
- электровентилятор;
- детские видеоигры на жидких кристаллах;
- детские радиоуправляемые электромобили;
- портативный радиоприемник;
- зарядное устройство для аккумуляторов;
- переносной измерительный прибор.

Предлагаемый источник тока обеспечивает высокие удельные электроэнергетические характеристики, сохраняя их стабильными в течение всего своего ресурса, а также позволяет снизить время выхода на расчетный режим с 10 - 20 до 1-3 мин.

Состояние показателей позволяет сделать вывод о целесообразности использования полученных геометрических соотношений в проектировании воздушно-алюминиевых батарей.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан воздушно-алюминиевый элемент - вид N 1, на фиг. 2 - воздушно-алюминиевый элемент - вид N 2, на фиг. 3 - воздушно-алюминиевый элемент - вид N 3. На фиг. 4 изображена электролитная емкость воздушно-алюминиевого элемента, а на фиг. 5 - батарея на основе воздушно-алюминиевых элементов.

Воздушно-алюминиевый гальванический элемент состоит из электролитной емкости 1, которая имеет по внешним боковым стенкам 2 окна 3, в верхней части 4 заправочное отверстие 5, окруженное непрерывным коническим выступом 6, выполняющим роль лабиринтного уплотнения, с внутренней стороны электролитной емкости 1 на средней части боковых стенок 2 и в ее нижней части выполнены два ограничительных выступа 7, в нижней части электролитной емкости 1 образована камера 8 для сбора шлама, который нарабатывается в процессе эксплуатации. В электролитную емкость 1 герметично вставлены газодиффузионные катоды 9 в окна 3 рамки 10. Герметичность электролитной емкости 1 достигается при помощи нейтрального по отношению к водному раствору электролита герметика. Электрическая связь катодов 9 с потребителем при использовании воздушно-алюминиевого элемента как вне батареи, а также в составе ее осуществляется с помощью катодного токосъемника 11, охватывающего электролитную емкость 1 двумя горизонтальными поджимами 12, которые электрически связаны с двумя вертикальными поджимами 13. В электролитную емкость 1 через заправочное отверстие 5 вставляется плоский металлический анод 14 с выступом 15 прямоугольной формы, предназначенным для осуществления токосъема. Плоскость выступа 15 служит также для уплотнения по линии "анод 14 - крышка 16". Заправочное отверстие 5 закрывается и уплотняется крышкой 16, содержащей одно отверстие 17 для пропускания через него анода 14 и одно или несколько отверстий 18 для отвода водорода из электролитной емкости 1 в процессе работы воздушно-алюминиевого элемента через крышку 16, являющуюся одновременно гидрофобной мембраной. Наличие в верхней части электролитной емкости 4 по периметру вокруг заправочного отверстия 5 выступа конической формы 6 позволяет усилить уплотнительные свойства крышки 16. Геометрические соотношения конструкции, позволяющие улучшить удельные электроэнергетические параметры следующие:
Н1/(Н2+Н3+Н4) = 1,05-1,20
Н3/Н2=Н3/Н4= 5-15
Н5/Н1= 1,1-1,5
Н6/Н3=1-1,1
L2/LI = 1-1,1
L3/LI= 1,1-1,5
L5/L6= 0,05-0,50
2xL4/L6= 0,95-0,75
Батарея на основе воздушно-алюминиевых элементов состоит из корпуса 19 с внутренними вертикальными пазами 20 для удержания воздушно-алюминиевых элементов и окон 21 для организации внешнего свободного притока воздуха внутрь батареи, замков 22 для крепления крышки с коммутацией 23 к корпусу 19, одной или нескольких электролитных емкостей 1 с установленными катодными токосъемниками 11, с вставленными в них анодами 14 и надетыми поверх крышками 16, токоразводящей двухсторонней платы 24, содержащей на стороне, повернутой к воздушно-алюминиевым элементам, токопроводящие дорожки 25 для осуществления электрической связи от катодов 9 к электролитным емкостям 1 через катодные токосъемники 11 к токоразводящей двухсторонней плате 24, несколько отверстий 26 прямоугольной формы для пропускания выступа 15 металлического анода 14 с целью осуществления электрической связи между металлическим анодом 14 и анодным токосъемником 27, несколько отверстий произвольной формы 28 для дренажа водорода из электролитной емкости 1 в атмосферу через крышку 23, несколько разъемов 29, расположенных на верхней стороне токоразводящей двухсторонней платы 24, перемыкаемых электропроводящей перемычкой 30 для выбора потребителем рабочего напряжения и связи с электропроводящими дорожками 25 и 31 с обеих сторон, несколько разъемов 32, расположенных на верхней стороне токоразводящей двухсторонней платы 24, служащих для подключения потребителя, а также крышки 23, закрывающей батарею сверху и содержащей несколько отверстий 33 под разъемы 32, несколько отверстий 34 под разъемы 29, одно или несколько отверстий 35 под дренаж водорода, два продольных паза 36 под замки 22, этикетку 37 с краткой инструкцией по эксплуатации.

Принцип действия и способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе, например батарея 3 ВА-24, заключаются в следующем.

Электрическая энергия в батарее генерируется при осуществлении электрохимической реакции окисления алюминия на аноде и восстановления кислорода на катоде. В качестве электролита используют водные растворы или едкого натрия (NaOH), или хлористого натрия (NaCI), или смеси указанных растворов с ингибирующими добавками: Na₂SnO₃•3Н₂О - в щелочном электролите и NaHCO₃ - в солевом. В процессе реакции наряду с расходом алюминия идет потребление кислорода из воздуха и воды из электролита, поэтому при эксплуатации батареи по мере их расходования в процессе разряда периодически проводят замену анода и электролита на свежие. Продуктами реакции являются гидроокись алюминия Al(OH)₃ и тепло. Батарея работает в диапазоне температур от -10^oC до +60^oC без дополнительного подогрева при запуске от минусовых температур. Одним из отрицательных факторов воздушно-алюминиевой батареи является коррозия анода. Это приводит к снижению электрических характеристик батареи и выделению небольшого количества водорода. В большей степени влияние коррозии проявляется на пусковых характеристиках, вследствие чего время выхода на заданный режим составляет (10-20) мин. Предлагаемая обработка анодов, при которой их поверхность покрывается оловом, позволяет снизить плотность тока коррозии и значительно улучшить режим эксплуатации воздушно-алюминиевой батареи, в результате чего повышаются электрические характеристики и время выхода на режим снижается до (1-3) мин. Нанесение покрытия на анод проводят перед началом включения батареи в работу. Предварительно анод обезжиривают, а затем обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01- 0,10) моль/л при комнатной температуре в течение 5-60 мин.

Результаты испытаний предлагаемой воздушно-алюминиевой батареи и прототипа представлены в табл. 1 и 2.

Как видно из таблиц, предлагаемая воздушно-алюминиевая батарея обеспечивает высокие удельные и стабильные во времени электроэнергетические характеристики при малом времени выхода на режим.

Использование: воздушно-металлические батареи в качестве автономного малогабаритного перезаряжаемого источника тока. Сущность изобретения: воздушно-металлический гальванический элемент коробчатого типа, включающий электролитную емкость с заправочным отверстием в ее верхней части, крышку, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру. В верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости V образована камера для сбора шлама V_шл с соотношением объемов V : V_шл = 5-15, толщина анода в пределах 1-3 мм и составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражениями:
V = V_эл+ V_ан;
V_эл=q_эл•Q•n•K₁;
V_ан=q_эх+q_корQ•n•K₂,
где V - объем электролитной емкости, см³;
V_эл - объем электролита, см³;
V_ан- объем анода, см³;
q_эл - удельный расход воды из электролита, см³/А•ч;
q_эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см³/А•ч;
Q - емкость элемента за один цикл, А•ч;
n - количество циклов;
K₁ = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;
K₂ = (1,97-1,49) -конструктивный коэффициент,
а соотношение длины а, ширины b и высоты с составляет: 1 : 0,38 : 2,7; 1 : 0,35 : 3,1; 1 : 0,33 : 3,9. Воздушно-металлическая батарея содержит корпус, крышку с коммутацией, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент предлагаемой конструкции. Способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе включает разряд, замену анодов и электролита свежими, промывку элементов. Аноды перед использованием предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. 3 с.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Воздушно-металлический гальванический элемент коробчатого типа, включающий электролитную емкость с заправочным отверстием в ее верхней части, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру, отличающийся тем, что в верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости V образована камера V_шл для сбора шлама с соотношением объемов V : V_шл = 5 - 15, толщина анода в пределах 1 - 3 мм составляет 0,05 - 0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражением:
V = V_эл + V_ан;
V_эл = q_эл • Q • n • k₁;
V_ан = (q_эх + q_кор) • Q • n • k₂;
где V - объем электролитной емкости, см³;
V_эл - объем электролита, см³;
V_ан - объем анода, см³;
q_эл - удельный расход воды из электролита, см³/А•ч;
q_эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию см³/А•ч;
q_кор - удельный расход алюминия на коррозию, см³/А ч;
Q - емкость элемента за один цикл, А•ч;
n - количество циклов;
K₁ = (0,44 - 1,45) - конструктивный коэффициент;
K₂ = (1,97 - 1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины а, ширины b и высоты с составляет 1 : 0,38 : 2,7; 1 : 0,35 : 3,1; 1 : 0,33 : 3,9. 2. Первичная воздушно-металлическая батарея, содержащая корпус, крышку, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент, отличающаяся тем, что в качестве такого элемента взят элемент по п.1. 3. Способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывка элемента, отличающийся тем, что аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2 - 5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната с концентрацией (0,01 - 0,10) моль/л.