一种镁海水溶解氧电池的制作方法

专利2022-05-10  1



1.本发明属于电化学技术领域,具体涉及一种镁海水溶解氧电池。


背景技术:

2.远海深海设备由于其部署位置远离大陆,无法通过铺设海底电缆进行长距离输电,因此必须为其配备可供长期发电的分布式独立电源,为水下电子设备提供持续稳定的电力支持,保障水下用电设备的生存时间。然而由于深海环境条件复杂,受限于低温、高压、无光、腐蚀等环境,常规电能源技术存在使用寿命短、无法维护、安全可靠性差等不足。
3.金属海水电池是专为海洋环境应用而开发的一类高比能量一次化学电池,它采用原电池原理,是以活泼金属材料(如li、mg、al、zn等)为负极,以agcl、cucl、pbcl2、h2o2等电极或直接以海水中的溶解氧还原电极为正极的水体系金属

空气电池。
4.其中,镁海水溶解氧电池技术可满足低功率、长寿命深海电子设备的用电需求。该电池采用高负电位镁合金作为阳极,惰性碳纤维刷电极作为阴极(电催化海水中的溶解氧),设计为开放式结构,以天然海水作为电解液,海水中的溶解氧作为正极活性物质,利用海流实现氧的供给。电池反应原理如下:
5.阳极反应:mg

mg
2
2e


6.阴极反应:o2 2h2o 4e


4oh


7.在阳极金属mg同时还存在自腐蚀过程:
8.mg 2h2o

mg
2
2oh

h2↑
9.由于镁海水电池电解液取自天然海水,因此使用时不需要携带电解液,减轻了电池质量,提高电池能量密度;海水电池具有开放式结构,与常规电源相比在深海中使用时不需要安装在特定的耐压容器中,电池结构更加简单,安全性能更好;金属海水电池常在干态下进行存储,存储时间可以无限长,浸入海水后即可激活,工作时流动的海水能够将电池反应产物带离电极表面,减小反应副产物对电池性能影响,使电池输出电压更加平稳。
10.专利201110376269.6,中国海洋大学申请了海水溶解氧电池正极及采用该正极的海水溶解氧电池内容,发明了碳素基质的高活性海水电池正极材料,并以镁合金材质作为负极材料,提出了镁海水溶解氧电池原理结构,但是没有提出相关电池的结构的具体设计。
11.专利202010199010.8,中国船舶重工集团公司第七二五研究所申请了铝合金

碳纤维海水溶解氧电池内容,发明了金属

碳纤维柔性复合材料为正极,高活化低自腐蚀铝合金为负极的海水溶解氧电池结构,其结构对正负极反应环境进行了切割分离,不利于海水中溶解氧和反应副产物的传输。
12.由于镁海水溶解氧电池需要长时间在海水里布放,持续反应,这样对电池的结构要求较高,例如耐腐蚀、水密封等。镁海水电池的结构对电池的性能发挥和功率特性有着重要的影响。
13.综上所述,开发一种能够辅助镁海水溶解氧电池性能稳定发挥的海水电池基本结构是镁海水溶解氧电池领域亟待解决的问题。


技术实现要素:

14.本发明针对现有技术存在的不足,提出一种镁海水溶解氧电池,能够辅助海水电池正负极性能的稳定发挥。
15.本发明的目的是提供一种镁海水溶解氧电池,包括:
16.同轴设置的两个圆环形框架(201);每个圆环形框架(201)的中心轴设置有碳纤维刷集流件(203);
17.均匀分布于碳纤维刷集流件(203)四周的多圈碳纤维刷(202);
18.位于两个圆环形框架(201)之间的镁合金阳极(4);所述镁合金阳极(4)的上端与上圆环形框架下表面的中心轴通过密封结构(1)连接;镁合金阳极(4)的长度小于两个圆环形框架(201)之间的距离;其中:
19.所述密封结构(1)包括:
20.位于镁合金阳极(4)上端的倒置漏斗形绝缘水密封件(110);所述倒置漏斗形绝缘水密封件(110)与镁合金阳极(4)之间填充有水密封胶(111);
21.位于倒置漏斗形绝缘水密封件(110)上表面的固定件(108);
22.位于固定件(108)上方的密封壳(102);所述密封壳(102)上设置有挤压密封件b(103)和集流电缆连接件(104);
23.位于密封壳(102)上方的挤压密封件a(101);
24.自上而下依次插入固定件(108)、倒置漏斗形绝缘水密封件(110)、镁合金阳极(4)的不锈钢集柱(105);不锈钢集柱(105)上设置有与螺丝(106)连接用的外螺纹。
25.优选地,所述螺丝(106)与固定件(108)之间设置有绝缘垫片(107)。
26.优选地,所述固定件(108)与倒置漏斗形绝缘水密封件(110)之间设置有绝缘挤压密封垫(109)。
27.优选地,所述挤压密封件a(101)和挤压密封件b(103)的结构相同。
28.优选地,所述挤压密封件a(101)包括三元乙丙橡胶挤压密封圈(1013)、位于三元乙丙橡胶挤压密封圈(1013)上方和下方的挤压垫片(1012)、位于下侧挤压垫片下方的下挤压密封件(1014)、位于上侧挤压垫片上方的和上挤压密封件(1011)。
29.优选地,所述密封壳(102)为方形的钛合金件,内部灌满水密封绝缘胶。
30.优选地,所述碳纤维刷通过钛合金螺丝与圆环形框架(201)连接,所述碳纤维刷阴极通过钛丝捆绑为瓶刷状。
31.优选地,所述倒置漏斗形绝缘水密封件(110)为硬质绝缘耐腐蚀材质。
32.优选地,所述圆环形框架(201)为钛合金材质。
33.本技术的有益效果是:
34.本发明所述的上述电池,能够在海水中布放使用,以海水为电解质,碳纤维刷阴极催化还原海水中的溶解氧得电子,镁合金阳极放电失去电子,镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处密封结构辅助了海水溶解氧电池整体稳定放电,多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构有效提高了海水溶解氧电池的电流,提高了海水电池的功率性能。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
36.图1为本发明优选实施例的侧视图;
37.图2为本发明优选实施例的俯视图;
38.图3为本发明优选实施例中部件1的结构图;
39.图4为本发明优选实施例中倒置漏斗形绝缘水密封件结构示意图。
40.图5为本发明优选实施例中正负极电缆挤压密封件结构示意图;
41.图6为镁海水溶解氧电池浅海1a恒流放电3000小时电压、时间曲线图。
42.其中:1、密封结构;2、多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构;3、碳纤维刷阴极;4、镁合金阳极;101、挤压密封件a;102、密封壳;103、挤压密封件b;104、集流电缆连接件;105、不锈钢集柱;106、螺丝;107、绝缘垫片;108、固定件;109、绝缘挤压密封垫;110、倒置漏斗形绝缘水密封件;111、水密封胶;1011、挤压密封件上;1012、挤压垫片;1013、三元乙丙橡胶挤压密封圈;1014、挤压密封件下。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案,下面将结合本技术实施例中的附图,对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本技术保护的范围。
44.需要说明的是,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.需要说明的是,在不冲突的情况下,本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
46.请参阅图1至图6,一种镁海水溶解氧电池,包括:
47.同轴设置的两个圆环形框架201;每个圆环形框架201的中心轴设置有碳纤维刷集流件203;
48.均匀分布于碳纤维刷集流件203四周的多圈碳纤维刷202;
49.位于两个圆环形框架201之间的镁合金阳极4;所述镁合金阳极4的上端与上圆环形框架下表面的中心轴通过密封结构1连接;镁合金阳极4的长度小于两个圆环形框架(201)之间的距离;其中:
50.所述密封结构1包括:
51.位于镁合金阳极4上端的倒置漏斗形绝缘水密封件110;所述倒置漏斗形绝缘水密封件110与镁合金阳极4之间填充有水密封胶111;
52.位于倒置漏斗形绝缘水密封件110上表面的固定件108;
53.位于固定件108上方的密封壳102;所述密封壳102上设置有挤压密封件b103和集
流电缆连接件104;
54.位于密封壳102上方的挤压密封件a101;
55.自上而下依次插入固定件108、倒置漏斗形绝缘水密封件110、镁合金阳极4的不锈钢集柱105;不锈钢集柱105上设置有与螺丝106连接用的外螺纹。
56.上述优选实施例主要包括:镁合金阳极、碳纤维刷阴极、镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处的密封结构1、多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构2,碳纤维刷阴极3和镁合金阳极4等。其中:
57.所述镁合金阳极4与碳纤维刷阴极3电连接处设置有密封结构1。
58.镁合金阳极连接电缆的挤压密封件a101、碳纤维刷阴极连接电缆的挤压密封件b103为钛合金材质。两个挤压密封件为钛合金材质;
59.所述挤压密封件a101包括三元乙丙橡胶挤压密封圈1013、位于三元乙丙橡胶挤压密封圈1013上方和下方的挤压垫片1012、位于下侧挤压垫片下方的下挤压密封件1014、位于上侧挤压垫片上方的和上挤压密封件1011。
60.挤压密封橡胶垫、钛合金的挤压垫片均为两个。
61.所述镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处的立方形密封壳为钛合金件。
62.碳纤维刷并联集流电缆连接件为钛合金材质,有内螺纹。
63.镁合金阳极集流电缆连接不锈钢集柱,为不锈钢材质,有内螺纹和外螺纹。
64.镁合金阳极集流电缆连接不锈钢集柱螺丝,为不锈钢材质。
65.绝缘垫片为绝缘橡胶材质,匹配不锈钢集柱螺丝。
66.镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接件与框架固定件为钛合金板,中间带孔。
67.绝缘挤压密封垫为绝缘耐腐蚀橡胶圆片,中间带孔。
68.倒置漏斗形绝缘水密封件,为硬质绝缘耐腐蚀材质。
69.倒置漏斗形密封件与镁合金阳极间水密封胶,耐海水腐蚀水密封胶。
70.海水溶解氧电池镁合金阳极,为耐腐蚀镁合金材质。
71.所述多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构。
72.所述碳纤维刷环绕排布圆形框架为钛合金材质,为海水电池整体结构固定件,为碳纤维刷阴极固定件,为碳纤维刷阴极电流传输件。
73.多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构,由内向外多圈,并联,碳纤维刷通过钛合金螺丝固定。所述碳纤维刷阴极,钛丝捆绑,为瓶刷状。
74.所述多圈碳纤维刷集流件,全部碳纤维刷阴极电流汇集。
75.镁合金阳极连接电缆挤压密封件和所述碳纤维刷阴极连接电缆挤压密封件均为钛合金材质,固定在所述镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处立方形密封壳(为钛合金材质,内灌满水密封绝缘胶)上面和侧面,内有三元乙丙橡胶挤压密封胶胶垫与钛合金的挤压垫片两个通过挤压密封件上和挤压密封件下共同挤压实现电缆的水密封。
76.所述绝缘挤压密封垫,为绝缘耐腐蚀橡胶圆片,中间带孔,通过框架固定件和所述倒置漏斗形绝缘水密封件夹紧挤压水密封,防止海水通过缝隙进入镁合金阳极与不锈钢集流柱连接处,以防镁合金阳极加速腐蚀。
77.所述倒置漏斗形绝缘水密封件为硬质绝缘耐腐蚀材质,套在镁合金阳极顶部,不锈钢集流柱从开孔处伸出。
78.所述倒置漏斗形密封件与镁合金阳极间水密封胶,为耐海水腐蚀水密封胶,灌注在倒置漏斗形绝缘水密封件内侧与镁合金阳极之间的缝隙内,析氢反应产生的氢气向上,并填充在该界面缝隙中,可有效抑制海水进一步沿腐蚀缝隙向上渗入,也能避免不锈钢集流柱触碰海水,不会加速镁合金阳极的腐蚀。
79.所述碳纤维刷环绕排布圆形框架为钛合金材质,为海水电池整体结构固定件,为碳纤维刷阴极固定件,为碳纤维刷阴极电流传输件。
80.所述多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构,由内向外多圈,并联,所述碳纤维刷两端通过钛合金螺丝固定在圆形框架上,方便拆卸更换碳纤维刷阴极。电流通过所述多圈碳纤维刷集流件,全部电流汇集在碳纤维刷并联集流电缆连接件处。
81.所述镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处密封结构1由如下构成:
82.所述镁合金阳极4连接电缆挤压密封件a101和所述碳纤维刷阴极连接电缆挤压密封件b103均为钛合金材质,固定在所述镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处立方形密封壳102(为钛合金材质,内灌满水密封绝缘胶)上面和侧面,内有挤压密封橡胶垫1013与钛合金材质的挤压垫片1012,两个通过挤压密封件上1011和挤压密封件下1014共同挤压实现电缆的水密封。
83.所述碳纤维刷并联集流电缆连接件104,为钛合金材质,有内螺纹,通过直角铜端子与碳纤维刷阴极电缆通过螺丝连接,电缆通过挤压密封件b103伸出。
84.所述镁合金阳极集流电缆连接不锈钢集集流柱105,为不锈钢材质,有内螺纹和外螺纹,通过直角铜端子与镁合金阳极电缆通过螺丝连接,电缆通过挤压密封件101伸出。
85.所述镁合金阳极集流电缆连接不锈钢集柱螺丝106,为不锈钢材质,匹配不锈钢集流柱,通过集流柱105的外螺纹,固定所述镁合金阳极4。
86.所述绝缘垫片107为绝缘橡胶材质,匹配不锈钢集柱螺丝106,通过螺丝106拧紧固定,使镁合金阳极4与所述镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接件与框架固定件108(为钛合金板,中间带孔)绝缘,也是和碳纤维刷阴极3绝缘。
87.所述绝缘挤压密封垫109,为绝缘耐腐蚀橡胶圆片,中间带孔,通过框架固定件108和所述倒置漏斗形绝缘水密封件110夹紧挤压水密封,防止海水通过缝隙进入镁合金阳极4与不锈钢集流柱105连接处,以防镁合金阳极4加速腐蚀。
88.所述倒置漏斗形绝缘水密封件110,为硬质绝缘耐腐蚀材质,套在镁合金阳极4顶部,不锈钢集流柱105从开孔处伸出。
89.所述倒置漏斗形密封件与镁合金阳极间水密封胶111,为耐海水腐蚀水密封胶,灌注在倒置漏斗形绝缘水密封件110内侧与镁合金阳极4之间的缝隙内,析氢反应产生的氢气向上,并填充在该界面缝隙中,可有效抑制海水进一步沿腐蚀缝隙向上渗入,也能避免不锈钢集流柱105触碰海水,不会加速镁合金阳极4的腐蚀,保证了镁海水溶解氧电池的稳定放电。
90.所述多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构2由如下构成:
91.所述碳纤维刷环绕排布圆形框架201,为钛合金材质,为海水电池整体结构固定件,为碳纤维刷阴极固定件,为碳纤维刷阴极电流传输件。
92.所述多圈碳纤维刷并联环绕交替排布202,由内向外多圈,并联,所述碳纤维刷阴极3两端通过钛合金螺丝固定在圆形框架201上,方便拆卸更换碳纤维刷阴极3。电流通过所
述多圈碳纤维刷集流件203,全部电流汇集在碳纤维刷并联集流电缆连接件104处。
93.本发明的工作原理:
94.本结构电池在海水中布放使用,以海水为电解质,碳纤维刷阴极3催化还原海水中的溶解氧得电子,镁合金阳极4放电失去电子,镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处密封结构1辅助了海水溶解氧电池整体稳定放电,多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构2有效提高了海水溶解氧电池的电流,提高了海水电池的功率性能,上述部件组成海水电池整体结构。
95.镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处密封结构由如下构成:镁合金阳极连接电缆挤压密封件和碳纤维刷阴极连接电缆挤压密封件均为tc1钛合金材质,固定在镁合金阳极与碳纤维刷阴极电连接处立方形密封壳(为tc1钛合金材质,内灌满环氧树脂透明灌封胶)上面和侧面,内有三元乙丙橡胶挤压密封胶胶垫与钛合金的挤压垫片两个通过挤压密封件上和挤压密封件下共同挤压实现电缆的水密封。
96.碳纤维刷并联集流电缆连接件,为tc1钛合金材质,有m8内螺纹,通过直角铜端子与碳纤维刷阴极电缆通过螺丝连接,电缆通过挤压密封件伸出。镁合金阳极集流电缆连接不锈钢集流柱,直径20mm,长度120mm,为316不锈钢材质,有内螺纹和外螺纹,通过螺纹与镁合金阳极连接,通过直角铜端子与镁合金阳极电缆通过螺丝连接,电缆通过挤压密封件伸出。镁合金阳极集流电缆连接不锈钢集柱螺丝,为316不锈钢材质,匹配316不锈钢集流柱,通过集流柱的外螺纹,固定镁合金阳极,镁合金阳极直径120mm,长度285mm,裸露长度250mm。绝缘垫片,为聚四氟乙烯材质,匹配不锈钢集柱螺丝,通过螺丝拧紧固定,使镁合金阳极与框架固定件绝缘(框架固定件厚度20mm,tc1钛合金材质),也是和碳纤维刷阴极绝缘。绝缘挤压密封垫,为氟橡胶圆片,中间直径26mm孔,通过框架固定件和倒置漏斗形绝缘水密封件夹紧挤压水密封。倒置漏斗形绝缘水密封件,pvc材质,套在镁合金阳极顶部,不锈钢集流柱从开孔处伸出。倒置漏斗形密封件与镁合金阳极间水密封胶,为环氧树脂透明灌封胶,灌注在倒置漏斗形绝缘水密封件内侧与镁合金阳极之间的5mm缝隙内,析氢反应产生的氢气向上,并填充在该界面缝隙中,可有效抑制海水进一步沿腐蚀缝隙向上渗入,也能避免不锈钢集流柱触碰海水,不会加速镁合金阳极的腐蚀,保证了镁海水溶解氧电池的稳定放电。
97.多圈碳纤维刷并联环绕交替排布结构由如下构成:碳纤维刷环绕排布圆形框架,为tc1钛合金材质,厚度2mm,尺寸600*600*460mm,为海水电池整体结构固定件,为碳纤维刷正极固定件,为碳纤维刷正极电流传输件。多圈碳纤维刷并联环绕交替排布,由内向外2圈,碳纤维刷直径70mm,长度180mm,32只并联,碳纤维刷两端挤压tc1钛合金材质片,有m6的孔,通过匹配tc1钛合金螺丝固定在圆形框架上,方便拆卸更换碳纤维刷阴极。电流通过多圈碳纤维刷集流件,全部电流汇集在碳纤维刷并联集流电缆连接件处。
98.图6为设计镁海水溶解氧电池浅海(水深7

9米,受潮汐影响)1a恒流放电下时间

电压曲线。在放电开始140小时内,电池放电电压逐渐降低,最低达1.52v;而后放电电压持续增加,240小时后达到1.7v,海水电池放电电压稳定在1.7~1.8v范围,直到3000小时。
99.以上所述仅为本技术的优选实施例而已,并不用于限制本技术,对于本领域的技术人员来说,本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本技术的保护范围之内。
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