一種用於海水水下的鎂氧電池的製作方法
2023-10-05 08:06:24 1
專利名稱：一種用於海水水下的鎂氧電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及鎂氧電池，具體地說是一種用於海水水下的鎂氧電池。
背景技術：
近年來，隨著科技的進步，人們對海洋資源的認識有了進一步的提高，海洋工程技 術也取得了很大的發展，海洋開發越來越成為許多國家的重要戰略計劃。海洋遙感技術，海 洋導航技術，深海探測技術，以及海洋軍事技術等都離不開電源。由於海下實際工況的特殊 性和複雜性，目前常規的一次電池和二次電池(如鉛酸電池，鎳氫電池，銀鋅電池，鋰離子 電池等)難以滿足新型水下設備對長壽命，高容量，安全可靠電源的需求。典型的鎂-氧氣電池包括金屬鎂或鎂合金，氧氣陰極，以及填充在陽極和陰極之 間的鹼金屬鹽(或其鹼)的電解液(如KOH溶液，NaCl溶液等)。電池放電過程中，氧氣與 電解液中的水在氧氣陰極發生還原反應生成陰離子(如OH—)，陰離子通過電解液遷移到金 屬陽極，與金屬鎂發生反應產生電子。例如，當以金屬鎂作為金屬-氧氣電池系統的陽極， 氯化鈉溶液作為電解液時，電池放電過程中，在兩個電極上發生的電極反應及電極反應電 勢如下陽極反應Mg—Mg2++2e-E = -2. 37V陰極反應02+2H20+4e- — 40FE = O. 40V電池反應Mg+l/202+H20 — Mg (OH) 2 E = 2. 77V與傳統的一次電池和二次電池相比，首先，鎂_氧氣電池具有較高的比能量(單位 為W · h/L或W · h/kg)，能夠提供較高的輸出電壓(1. 5-3V)。其次，金屬鎂儲量豐富、價廉 易得，而陰極氧還原催化劑為非貴金屬，同時整個電池的結構簡單、易於製備，因此使得電 池生產的總成本大大降低。再次，鎂-氧氣電池的另外一個重要特點是其可以採用機械充 電方式，即陽極金屬鎂完全消耗後，換用新的金屬鎂即可繼續供電，充電時間非常短，只需 要幾分鐘即可完成，延長了電池的使用壽命。另外，環保也是鎂-氧氣電池具有的另一個重 要優點。目前常使用的化學電源都會對環境造成不同程度的汙染，如鋅錳電池含汞，鉛酸電 池含鉛，鎳鎘電池含鎘，而金屬_氧氣電池反應後的產物無毒，對環境無任何汙染，這對生 態保護，環境保護都具有深遠的意義。由於鎂-氧氣電池可以利用海水作為電解液，因此鎂_氧氣電池可以作為海底設 備用電源，為海下設備提供電能。其以海水作為電池的電解液，不需要額外攜帶電解液，大 大提高了電池的比能量。但是海水電池存在的兩個主要問題是氧氣的供給問題以及陰極側 氧氣與電解液(海水)壓力平衡的問題，專利號為US4184009的美國專利提供了一種浮標金屬空氣電池，該電池將金屬陽 極浸在海水電解液中，陰極在水面以上，暴露在空氣中，陽極和陰極間填充玻璃纖維和聚氯 乙烯纖維複合成的紙狀材料。電解液填充在該紙狀材料中。此電池需要空氣中的氧氣作為 去極化劑，其陰極必須與空氣連通，因此，只能用於海面工作的設備。專利號為CN1543001A的中國專利提供了一種鎂海水電池，這種電池以海水為電解液，利用海水中的溶解氧作為陰極去極化劑，此電池雖然結構簡單，但是其陰極效率很 低，並且工作電流密度小，陰極面積大，同樣限制了其應用範圍，不適合用於水下動力電源 等一些需要大功率的用電設備。過氧化物與水反應產生氧氣，可以作為氧氣的來源。尤其 是雙氧水含氧率高，常常作為供氧材料。其反應原理如下2H202 — 2H20+02鹼金屬後鹼土金屬反應制氧原理如下Na2O2+H2O — 2Na0H+l/2022Ca02+H20 — 2Ca0H+3/202本發明提出一種利用雙氧水作為氧源，分解制氧為電池提供氧氣。為利用雙氧水 分解產生的水，可採用鹼金屬或鹼土金屬與水反應作為二次供氧。
發明內容
本發明的目的在於提供一種結構簡單、應用方便的用於海水水下的鎂氧電池。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為一種用於海水水下的鎂氧電池，包括氧陰極、陽極、雙氧水儲槽、氧氣/水儲槽；雙氧水儲槽置於氧氣/水儲槽的上方，雙氧水儲槽的下部通過管路與氧氣/水儲 槽的上部相連接；在雙氧水儲槽內充填有雙氧水，雙氧水可依靠重力作用可通過管路流入 氧氣/水儲槽內；雙氧水儲槽的部分或全部殼體採用柔性材料製成；氧氣/水儲槽中部和上部為氧氣室、下部為水儲槽，於氧氣室的中部或上部設置 有雙氧水分解催化劑層、雙氧水進入氧氣室後流過雙氧水分解催化劑層；氧陰極設置於氧氣室的側壁和/或上端的外壁面上，氧陰極與氧氣室相連通，在 氧陰極的外側、即遠離於氧氣室的一側設置有陽極，氧陰極與陽極之間留有空隙；水儲槽與氧氣室直接連通，水儲槽內填充有鹼金屬過氧化物。所述雙氧水儲槽與氧氣室的連接管路上設有針形閥；所述氧陰極與陽極為一組以上，每組的氧陰極與陽極均相互平行設置；所述雙氧水儲槽、氧氣/水儲槽為密封連接結構，雙氧水儲槽採用柔性材料製成； 氧氣/水儲槽的水儲槽下部設置有帶閥門的排水口；所述氧陰極和的陽極通過導線與外界負載相連；陽極為鎂或鎂合金金屬板；氧陰極由氣體擴散層和催化層構成；按質量含量計， 氣體擴散層由10-80%聚四氟乙烯及20-90%碳粉組成，催化層由10-30%聚四氟乙烯及 70-90 %的二氧化錳粉末組成。所述雙氧水分解催化劑為銀、二氧化錳或鈀中的一種或多種；所述鹼金屬或鹼土金屬過氧化物為過氧化鈉、過氧化鉀或過氧化鈣中的一種或 多種；所述氧陰極粘敷於氧氣/水儲槽的中上部的側壁和/或上端的外壁面上，並於粘 敷處的氧氣室壁上開有孔，氧陰極通過孔與氧氣/水儲槽相連通；所述雙氧水儲槽上設置有加料口。本發明具有以下優點
本發明所述應用於水下具有氧氣自動補給裝置的鎂_氧氣電池系統，以雙氧水作 為液態儲氧原料，其不但解決了水下用鎂-氧氣電池系統的供氧問題，可以實現氧氣的自 動補給，同時也解決了鎂-氧氣電池系統作為水下電源時陰極側氧氣與電解液(海水)的 壓力自動平衡問題。與採用氧氣瓶等壓力容器供氧方式相比，此裝置結構簡單，操作方便， 同等體積下攜帶氧量更大，整個系統的氣體壓力與環境壓力相同，所以也更為安全；與使用 溶解氧相比，可以提夠高氧氣濃度，有利於提高電池性能。為實現鎂-氧氣電池系統在水下 的應用解決了必要的技術難題。
圖1 一種應用於水下具有氧氣自動補給裝置的鎂-氧氣電池系統示意圖其中，1雙氧水儲槽外殼；2為雙氧水柔性儲囊；3為針型流量調節閥；4為氧陰極； 5鎂或鎂合金陽極；6為雙氧水分解催化床；7為氧陰極隔離壁板；8為氧氣/水儲槽；9為鹼 金屬或鹼土金屬過氧化物；10為排水口。
具體實施例方式—種用於海水水下的鎂氧電池，包括氧陰極、陽極、雙氧水儲槽、氧氣/水儲槽，雙氧水儲槽置於氧氣/水儲槽的上方，雙氧水儲槽的下部通過管路與氧氣/水儲 槽的上端相連接，且連接管路上設有針形閥；在雙氧水儲槽內充填有雙氧水，雙氧水可依靠 重力作用可通過管路流入氧氣/水儲槽內；雙氧水儲槽為密閉液體儲槽，雙氧水儲槽採用 柔性材料製成；雙氧水儲槽上設置有加料口 ；氧氣/水儲槽中部和上部為氧氣室、下部為水儲槽，水儲槽與氧氣室直接連通，水 儲槽內填充有鹼金屬過氧化物；所述鹼金屬或鹼土金屬過氧化物為過氧化鈉、過氧化鉀 或過氧化鈣；於氧氣/水儲槽的上部設置有雙氧水分解催化劑層、雙氧水進入氧氣/水儲槽後 流過雙氧水分解催化劑層；氧氣/水儲槽為方形密閉儲槽，氧氣/水儲槽的下部設置有帶閥 門的排水口；氧陰極與陽極為四組，陽極為鎂或鎂合金金屬板；氧陰極由氣體擴散層和催化層 疊合而成；四個氧陰極的氣體擴散層分別粘敷於氧氣/水儲槽的中上部的側壁的外壁面 上，並於粘敷處的氧氣/水儲槽壁面上開有孔，氧陰極通過孔與氧氣/水儲槽相連通，在氧 陰極的催化層外側設置有陽極，氧陰極與陽極之間留有空隙；每組的氧陰極與陽極均相互 平行設置。按質量含量計，氣體擴散層由40%聚四氟乙烯及60%碳粉組成，催化層由50%聚 四氟乙烯及50%的二氧化錳組成。所述雙氧水分解催化劑為過渡金屬或過渡金屬鹽，如銀、 二氧化錳、鈀、鐵氧體等。應用時，本發明鎂氧電池置於海水中，開啟針形閥，雙氧水可依靠重力通過管路流 入氧氣/水儲槽內的雙氧水分解催化劑層中進行分解，產生氧氣，海水作為電解質充滿氧 陰極與陽極之間的空隙，構成一鎂氧電池，氧陰極和的陽極通過導線與外界負載相連，進行 放電。
權利要求
一種用於海水水下的鎂氧電池，其特徵在於包括氧陰極、陽極、雙氧水儲槽、氧氣/水儲槽；雙氧水儲槽置於氧氣/水儲槽的上方，雙氧水儲槽的下部通過管路與氧氣/水儲槽的上部相連接；在雙氧水儲槽內充填有雙氧水，雙氧水可依靠重力作用通過管路流入氧氣/水儲槽內；雙氧水儲槽的部分或全部殼體採用柔性材料製成；氧氣/水儲槽中部和上部為氧氣室、下部為水儲槽，於氧氣室的中部或上部設置有雙氧水分解催化劑層、雙氧水進入氧氣室後流過雙氧水分解催化劑層；氧陰極設置於氧氣室的側壁和/或上端的外壁面上，氧陰極與氧氣室相連通，在氧陰極的外側、即遠離於氧氣室的一側設置有陽極，氧陰極與陽極之間留有空隙；水儲槽與氧氣室直接連通，水儲槽內填充有鹼金屬過氧化物。
2.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述雙氧水儲槽與氧氣室的連接管 路上設有針形閥。
3.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述氧陰極與陽極為一組以上，每組 的氧陰極與陽極均相互平行設置。
4.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述雙氧水儲槽、氧氣/水儲槽為密 封連接結構，雙氧水儲槽採用柔性材料製成；氧氣/水儲槽的水儲槽下部設置有帶閥門的 排水口。
5.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述氧陰極和陽極通過導線與外界 負載相連；陽極為鎂或鎂合金金屬板；氧陰極由氣體擴散層和催化層構成；按質量含量計，氣 體擴散層由10-80%聚四氟乙烯及20-90%碳粉組成，催化層由10-30%聚四氟乙烯及 70-90 %的二氧化錳粉末組成。
6.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述雙氧水分解催化劑為銀、二氧化 錳或鈀中的一種或多種。
7.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述鹼金屬或鹼土金屬過氧化物為 過氧化鈉、過氧化鉀或過氧化鈣中的一種或多種。
8.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述氧陰極粘敷於氧氣/水儲槽的 中上部的側壁和/或上端的外壁面上，並於粘敷處的氧氣室壁上開有孔，氧陰極通過孔與 氧氣/水儲槽相連通。
9.按照權利要求1所述的鎂氧電池，其特徵在於所述雙氧水儲槽上設置有加料口。
全文摘要
本發明涉及鎂氧電池，具體地說是一種用於海水水下的鎂氧電池，包括氧陰極、陽極、雙氧水儲槽、氧氣/水儲槽，雙氧水儲槽置於氧氣/水儲槽的上方，雙氧水儲槽的下部通過管路與氧氣/水儲槽的上部相連接；在雙氧水儲槽內充填有雙氧水，雙氧水可依靠重力作用可通過管路流入氧氣/水儲槽內；雙氧水儲槽的部分或全部殼體採用柔性材料製成；於氧氣/水儲槽的中部或上部設置有雙氧水分解催化劑層、雙氧水進入氧氣/水儲槽後流過雙氧水分解催化劑層分解生成氧氣和水；氧陰極設置於氧氣/水儲槽的中上部的側壁和/或上端的外壁面上，氧陰極與氧氣/水儲槽相連通，在氧陰極的外側、即遠離於氧氣/水儲槽的一側設置有陽極，氧陰極與陽極之間留有空隙。其結構簡單、應用方便。
文檔編號H01M6/34GK101882685SQ20101013670
公開日2010年11月10日 申請日期2010年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者孫公權 申請人:孫公權