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CN111326757A - 一种金属海水燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属海水燃料电池,具体地说是一种金属海水燃料电池组,包括从左至右N节单电池相互平行、依次排列构成的电池组,所述N为大于等于2的整数;所述单电池包括单电池壳体,置于壳体内的依次交替平行设置的阴极和阳极,于阴极和阳极之间设有隔膜,阴极和阳极均分别为1片以上,阴极和阳极片数相同或片数相差1片;所述壳体为一密闭的筒状电解液腔;所述筒状电解液腔的容积可随单池内部气体体积膨胀而向一侧或两侧端板的方向增大。使电池具有高比能以及水中浮力可调节。

Description

一种金属海水燃料电池组
技术领域
本发明涉及金属海水燃料电池,具体地说是一种具有高比能以及水中浮力可调节功能的金属海水燃料电池组。
背景技术
金属海水燃料电池是一种采用金属(如镁、铝及其合金等)为阳极燃料,海水作为氧化剂和电解质溶液的电化学反应装置。金属海水燃料电池以其比能量高、安全可靠等优点,在深海着陆器电源等海洋装备电源领域有广泛的应用前景。深海装备电源对全海深范围内使用的电池的比能量有较高的要求,目前全固态锂电池及银锌电池等均存在全海深应用比能量较低、成本高等缺点。与此同时,深海着陆器等海洋装备由于其浮力调节范围的限制,对装备电源的浮力变化有严格范围要求。金属海水燃料电池反应过程中生成难容氢氧化物及氢气,随反应时间增加在电池中累积,由于絮凝沉淀产物的分布不均匀,致使单电池体积膨胀,单池内留存气体的量发生变化。当着陆器工作海深发生变化时,根据理想气体状态方程,工作海深增加,气体体积缩小,单位时间单池内气体储存体积亦发生变化。当金属海水燃料电池工作电流密度随功耗变化而发生变化时,反应生成氢气的速率同样发生变化。前述几种情况,均因为单池内气体体积变化致使单池气体产生浮力与单池重力之间平衡被破坏,影响着陆器工作过程中浮力平衡,难以满足着陆器实际使用过程中工作深度的实时平衡。
发明内容
本发明针对电池上述问题,发明一种金属海水燃料电池,实现电池高比能量使用以及具有水中浮力调节功能,以满足着陆器等全海深范围装备使用电源需求。
一种金属海水燃料电池组,包括从左至右N节单电池相互平行、依次排列构成的电池组,所述N为大于等于2的整数;
所述单电池包括单电池壳体,置于壳体内的依次交替平行设置的阴极和阳极,于阴极和阳极之间设有隔膜,阴极和阳极均分别为1片以上,阴极和阳极片数相同或片数相差1片;
所述壳体为一密闭的筒状电解液腔;所述筒状电解液腔的容积可随单池内部气体体积膨胀而向一侧或两侧端板的方向增大。
电池组置于一刚性材料的腔体或框架内,随单电池体积增大,以保证电池组整体体积保持不变。
壳体为一密闭的筒状电解液腔;壳体与阴极平行的左右二端端板为刚性材料制成的板体;于二端端板外表面向壳体内部凹陷,于端板外表面形成向壳体内部凹陷的凹槽,与凹槽相对应的端板内表面即形成向壳体内部突出的突起;凹陷的个数为1个以上;凹槽底面为小于半球面的球冠或弧度小于180度圆弧面。电池放电过程中,随着反应产物的生成,单电池内部体积不断增加,对壳体产生挤压,该刚性板体由于凹陷凸起结构,具有较好刚性,变形所需应力增加,有效抑制单电池内部反应体积膨胀速率,维持单电池内部空间最小,即气体可容量空间最小,即浮力变化最小。
一种金属海水燃料电池,包括从左至右N节单电池相互平行、依次排列构成的电池组,所述N为大于等于2的整数;
所述单电池包括单电池壳体,置于壳体内的依次交替平行设置的阴极和阳极,于阴极和阳极之间设有隔膜,阴极和阳极均分别为1片以上,阴极和阳极片数相同或片数相差1片;
壳体为一密闭的筒状电解液腔;
壳体与阴极平行的左右二端端板为刚性材料制成的板体、作为刚性支撑架,除左右二端端板之外的筒状侧壁面由软质柔性材料制成;或,壳体由软质柔性材料制成,于壳体与阴极平行的左右二端设置有由刚性材料制成的刚性支撑架;
于相邻单电池之间分别设有2个以上的弹簧或弹性材料体,弹簧或弹性材料体左右二侧分别与相邻单电池的刚性支撑架相抵接;位于电池组左右二端的单电池的刚性支撑架通过限位杆或限位架使电池组左右二端距离和位置固定。
电池放电过程中,随着反应产物的生成,单电池内部体积不断增加,对壳体产生挤压,该单池两端刚性板体由于外部弹簧或弹性体支撑,产生于膨胀挤压力相对的一组弹簧力,单电池体积增大需克服弹簧力,该结构有效抑制单电池内部反应体积膨胀速率,维持单电池内部空间最小,即气体可容量空间最小,即浮力变化最小,而柔性材料连接于两刚性端板之间,弥补刚性端板位移所产生的单电池容积变化。
所述刚性支撑架与软质材料间可通过粘接、焊接、压紧或锁紧等方式固定为整体;
所述弹簧可为圆柱螺旋弹簧、变径螺旋弹簧、环形弹簧、片弹簧、橡胶弹簧、橡胶-金属螺旋复合弹簧、空气弹簧中的一种或几种的组合;
所述弹簧或弹性材料体的材料可为金属、塑料、橡胶等耐腐蚀弹性材料;所述塑料为ABS塑料、聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、尼龙PA、聚甲醛POM,聚砜PSF、聚苯硫醚PPS中的一种或两种以上;所述橡胶为天然橡胶、三元乙丙、硅橡胶、氟橡胶中的一种。
于壳体的上下侧壁面上分别设有二端开口的流道,二开口端分别位于壳体的内部和外部。
端板上凹陷的个数为1个,凹槽底面圆弧面,从上至下垂直于阴极的截面为C型;
端板上凹陷的个数为上下分别间隔设置的2个以上,凹槽底面圆弧面,从上至下垂直于阴极的截面为波浪型。
所述刚性材料板可为塑料片或金属片。
所述隔膜为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯醇膜、Nafion膜、亲水PTFE膜中的一种。
所述刚性支撑架的材料可为塑料或金属;软质柔性材料可为柔性塑料、橡胶或防水布。
M片阴极,M+1片阳极,2M片隔膜,分别以阳极、隔膜、阴极、隔膜、阳极……的顺序平行交替设置,M为大于等于1的整数;
靠近壳体左右二端的最外侧金属阳极表面积大于阴极表面积,其靠近壳体左端或右端远离阴极的表面涂覆有耐腐蚀涂层,降低反应活性,以维持良好刚性,此靠近壳体左右二端的最外侧金属阳极即作为金属阳极、又作为刚性支撑架,取代了由软质柔性材料制成壳体后再于壳体内设置刚性支撑架的过程。
所述电池组内的单电池电路串联连接、并联连接或串并混联。
与现有技术相比,本发明所述金属海水燃料电池具有以下优点:
(1)电池比能量高,所用单电池采用依次交替平行设置的阴极和阳极,缩小电池体积重量,便于贮存及携带;
(2)电池结构具有弹性限位功能,具有浮力调节功能,拓宽电池工作海深。
附图说明
图1金属海水燃料电池C型结构示意图;
图2金属海水燃料电池波浪形结构示意图;
图3金属海水燃料电池多球冠面凹陷结构示意图;
图4金属海水燃料电池弹簧结构示意图;
图5实施例放电过程重量变化曲线;
图6对比例放电过程重量变化曲线;
图中,1-C型弹性结构外壳,2-电极,3-波浪形弹性结构外壳,4-球冠形结构外壳,5-刚性支撑,6-软质材料,7-弹簧或弹性体材料,8-限位架。
具体实施方式
实施例:采用AZ61镁合金为阳极,泡沫镍为阴极,电极面积为120cm2,阳极和阴极极间距为0.5mm,隔膜为聚丙烯膜,置于阴极和阳极之间,单电池内共5片阳极6片阴极依次交替平行设置,单电池壳体如图1所示,为C形曲面凹槽结构,壁厚2mm。所采用的电解质为质量分数为3.5%的氯化钠水溶液。电池组为3个单电池串联,其以1mA/cm2恒电流放电时,记录电池组水中重力变化情况,如图5所示。与对比例相比,放电电流密度相同情况下,单电池放电过程中重量变化明显小于对比例,相较于对比例,浮力可控。
对比例:采用AZ61镁合金为阳极,泡沫镍为阴极,电极面积为120cm2,阳极和阴极极间距为0.5mm,隔膜为聚丙烯膜,置于阴极和阳极之间,单电池内共5片阳极6片阴极依次交替平行设置,单电池壳体侧壁为平面板结构,壁厚2mm。所采用的电解质为质量分数为3.5%的氯化钠水溶液。电池组为3个单电池串联,其以1mA/cm2恒电流放电时,记录电池组水中重力变化情况,如图6所示。电池组浮力变化超过1kg。

Claims (10)

1.一种金属海水燃料电池组,包括从左至右N节单电池相互平行、依次排列构成的电池组,所述N为大于等于2的整数;
所述单电池包括单电池壳体,置于壳体内的依次交替平行设置的阴极和阳极,于阴极和阳极之间设有隔膜,阴极和阳极均分别为1片以上,阴极和阳极片数相同或片数相差1片;其特征在于:
所述壳体为一密闭的筒状电解液腔;所述筒状电解液腔的容积可随单池内部气体体积膨胀而向一侧或两侧端板的方向增大。
2.按照权利要求1所述燃料电池组,其特征在于:
壳体与阴极平行的左右二端端板为刚性材料制成的板体;于二端端板外表面向壳体内部凹陷,于端板外表面形成向壳体内部凹陷的凹槽;与凹槽相对应的端板内表面即形成向壳体内部突出的突起;凹陷的个数为1个以上;凹槽底面为小于半球面的球冠或弧度小于180度圆弧面。
3.按照权利要求1所述燃料电池组,其特征在于:
壳体与阴极平行的左右二端端板为刚性材料制成的板体、作为刚性支撑架,除左右二端端板之外的筒状侧壁面由软质柔性材料制成;或,壳体由软质柔性材料制成,于壳体与阴极平行的左右二端设置有由刚性材料制成的刚性支撑架;
于相邻单电池之间分别设有2个以上的弹簧或弹性材料体,弹簧或弹性材料体左右二侧分别与相邻单电池的刚性支撑架相抵接;位于电池组左右二端的单电池的刚性支撑架通过限位杆或限位架使电池组左右二端距离和位置固定。
4.按照权利要求3所述燃料电池组,其特征在于:
所述刚性支撑架与软质材料间可通过粘接、焊接、压紧或锁紧方式中的一种固定为整体;
所述弹簧可为圆柱螺旋弹簧、变径螺旋弹簧、环形弹簧、片弹簧、橡胶弹簧、橡胶-金属螺旋复合弹簧、空气弹簧中的一种或几种的组合;
所述弹簧或弹性材料体的材料可为金属、塑料、橡胶等耐腐蚀弹性材料;所述塑料为ABS塑料、聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、尼龙PA、聚甲醛POM,聚砜PSF、聚苯硫醚PPS中的一种或两种以上;所述橡胶为天然橡胶、三元乙丙、硅橡胶、氟橡胶中的一种。
5.按照权利要求2或3所述燃料电池组,其特征在于:于壳体的上下侧壁面上分别设有二端开口的流道,二开口端分别位于壳体的内部和外部。
6.按照权利要求2所述燃料电池组,其特征在于:
端板上凹陷的个数为1个,凹槽底面圆弧面,从上至下垂直于阴极的截面为C型;
端板上凹陷的个数为上下分别间隔设置的2个以上,凹槽底面圆弧面,从上至下垂直于阴极的截面为波浪型。
7.按照权利要求2所述燃料电池组,其特征在于:
所述刚性材料板可为塑料片或金属片。
8.按照权利要求2或3所述燃料电池组,其特征在于:
所述隔膜为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯醇膜、Nafion膜、亲水PTFE膜中的一种。
9.按照权利要求3所述燃料电池组,其特征在于:
所述刚性支撑架的材料可为塑料或金属;软质柔性材料可为柔性塑料、橡胶或防水布。
10.按照权利要求3所述燃料电池组,其特征在于:
M片阴极,M+1片阳极,2M片隔膜,分别以阳极、隔膜、阴极、隔膜、阳极的顺序平行交替设置,M为大于等于1的整数;
靠近壳体左右二端的最外侧金属阳极表面积大于阴极表面积,其靠近壳体左端或右端远离阴极的表面涂覆有耐腐蚀涂层,降低反应活性,以维持良好刚性,此靠近壳体左右二端的最外侧金属阳极即作为金属阳极、又作为刚性支撑架,取代了由软质柔性材料制成壳体后再于壳体内设置刚性支撑架的过程。
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