Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные	Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения	Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела
Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки)

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2127932

ВОЗДУШНО-АЛЮМИНИЕВЫЙ ЭЛЕМЕНТ, БАТАРЕЯ НА ОСНОВЕ ВОЗДУШНО- АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕМЕНТА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БАТАРЕИ

Имя изобретателя: Алехин В.В.; Былинкин А.П.; Гуськова Г.И.; Ивлева А.Е.; Кулаков Е.Б.; Севрук С.Д.; Черский О.М. 
Имя патентообладателя: Научно-производственный комплекс источников тока "АльтЭн"
Адрес для переписки: 142490, Московская обл., Электроугли, Банный пер.1 НПК ИТ "АльтЭн"
Дата начала действия патента: 1996.09.30 

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.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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 и 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 и 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 и 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 и 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 и 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

Версия для печати
Дата публикации 13.01.2007гг

НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ
	Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
	Технология очистки нефти и нефтепродуктов
	О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
	Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
	Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
	Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
	Магнитный двигатель
	Источник тепла на базе нососных агрегатов