Ловушка водорода на основе батареи из никель-водородных аккумуляторов открытого типа

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к источникам тока на основе батареи, состоящей из никель-водородных  аккумуляторов открытого типа (НВАОТ), которая может быть использована не только в качестве эффективной, долговечной и надежной ловушки свободного водорода внешней среды, например, на обитаемых/необитаемых подводных или летательных аппаратах, но и в качестве щелочного топливного элемента (ЩТЭ) для экологически чистого способа выработки энергии при отсутствии кислорода.
Особенностью аккумуляторов открытого типа в отличие от герметичных конструкций является отсутствие запаса свободного водорода. Для того, чтобы не потерять водород, который НВАОТ в разряженном состоянии содержит в химически связанном виде, зарядку таких аккумуляторов необходимо проводить в герметичной водородной камере, при этом химический процесс протекает по следующей реакции
2
2
2Ni(OH) → 2NiООН + Н                      (1).
Известно, что заряженный никель-водородный аккумулятор имеет напряжение в диапазоне 1,55-1,58 В.
После замыкания внешней цепи заряженный НВАОТ при условии наличия во внешней среде свободного водорода начинает работать в качестве ловушки водорода (ЛВ), а также щелочного топливного элемента (ЩТЭ). Причем это происходит как при использовании единичного НВАОТ, так и в составе аккумуляторной батареи, состоящей из n таких аккумуляторов.
В этом случае химический процесс протекает по следующей реакции
2
2
Н+ 2NiООН → 2Ni(OH)(2).
По окончании разряда НВАОТ не способны принимать водород и генерировать электрическую энергию. Для возобновления работы аккумуляторов и/или аккумуляторной батареи необходимо возвращать их на повторную зарядку, при которой НВАОТ избавляются от лишнего водорода, как это предусматривает реакция (1), сбрасывая его в бортовую систему, например, подводного аппарата (В.С. Богоцкий, А.М. Скундин. «Химические источники тока», Москва, Энергоиздат, 1981 г.).
Из предшествующего уровня техники известен никель-водородный аккумулятор, состоящий из герметичного корпуса, крышки, токовыводов, блока электродов, содержащего электрохимические группы, отделенные одна от другой газовым сепаратором, и снабженный устройством контроля заряженности аккумулятора, блок мембран которого вварен в корпус методом сварки, при этом устройство контроля заряженности аккумулятора снабжено настроечными резисторами, вынесенными на контактную планку, расположенную на герметичном корпусе аккумулятора, а мембранный блок устройства заряженности аккумулятора выполнен как часть герметичного корпуса аккумулятора и в него вкручен на резьбе тензопреобразователь с жестким центром, упирающимся в измерительную мембрану (патент RU № 2306640 на изобретение «Никель-водородный аккумулятор», дата подачи 26.02.2006 г., опубликовано 20.09.2007 г.).
Недостатки известного изобретения обусловлены его конструктивными особенностями, не позволяющими осуществлять управляемую разгерметизацию, что снижает эксплуатационные характеристики аккумулятора и ограничивает область его применения в качестве эффективной долговечной ловушки свободного водорода внешней среды.
Кроме того, известна система, включающая электрохимический генератор водородно-кислородного типа, магистраль подвода кислорода в электрохимический генератор, ресивер кислорода, адсорбирующий фильтр, редукционный клапан, коллектор раздачи кислорода в помещение, магистраль подвода водорода в электрохимический генератор, интерметаллический накопитель водорода, газоохладитель водорода, конденсатосборник на магистрали водорода, влагопоглощающий фильтр, теплообменник среды термостатирования электрохимического генератора, датчик давления водорода, трехходовой клапан (патент RU 2085436 на изобретение «Способ утилизации водорода и кислорода, продуваемых из полостей электрохимического генератора водородокислородного типа», дата подачи 15.06.1993 г.).
Основным недостатком данного технического решения является необходимость использования кислорода при протекании электрохимических процессов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является  никель-водородная аккумуляторная батарея, состоящая из соединенных между собой в электрическую цепь с помощью соединительных шин никель-водородных аккумуляторов, при этом соединительная шина закреплена изначально в одном из токовыводов (борнов) каждого никель-водородного аккумулятора, содержащего положительно и отрицательно заряженные электроды и функциональную среду в виде матричного электролита (патент RU 50050 на полезную модель «Никель-водородная батарея», дата подачи 11.05.2004 г., опубликовано 10.12.2005 г.).
Недостатки прототипа связаны с неэффективной утилизацией водорода, поступающего в воздушную среду, из-за использования интерметаллидного накопителя в виде интерметаллида CeLaNi5. Кроме того, на охлаждение и осушку водорода перед утилизацией требуются значительные затраты электроэнергии. Существуют проблемы с регенерацией интерметаллидов после их применения.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая к защите полезная модель, является повышение эффективности утилизации водорода, поступающего во внешнюю  воздушную среду, преимущественно подводных аппаратов, при одновременной выработке электроэнергии за счет утилизируемого водорода без применения кислорода.
Указанный технический результат достигается тем, что ловушка водорода на основе батареи из соединенных между собой в электрическую цепь n никель-водородных аккумуляторов открытого типа, где n ≥ 1, каждый из которых содержит корпус, в котором размещены положительный и отрицательный электроды, а также матричный электролит, согласно полезной модели каждый из n никель-водородных аккумуляторов размещен с обеспечением электрического контакта в обусловленном для него гнезде кассеты, выполненной в виде рамной конструкции с соединением «ласточкин хвост», предусмотренным для каждого из гнезд, в качестве положительного электрода никель-водродного аккумулятора используют сформированный методом экструзии окисно-никелевый трубчатый электрод, а в качестве отрицательного электрода - гидрофобизированный водородный электрод, при этом токоотводом для положительного электрода служит корпус аккумулятора, а для отрицательного - установленная в центральной зоне корпуса стальная никелированная перфорированная втулка, через сквозные отверстия которой к поверхности отрицательного электрода обеспечивается поступление водорода, при этом на перфорированную втулку плотно навиты отрицательный электрод и сепаратор из полимерного материала, причем суммарный диаметр навивки отрицательного электрода и сепаратора соответствует внутреннему диаметру подпятника, на который упирается перфорированная втулка, а нижний уровень навивки находится заподлицо с торцовой поверхностью подпятника, выполненного из полимерного материала, при этом для предотвращения испарения матричного электролита и обеспечения свободного выхода водорода используют узел герметизации, состоящий из стальной втулки, опирающейся на перфорированную втулку, и насаженного на нее уплотнительного кольца, а для защиты от механических загрязнений применяют проволочный фильтр и крышку.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 – продольный разрез фрагмента ловушки водорода вертикального типа на основе батареи из n никель-водородных аккумуляторов открытого типа;
Фиг. 2 - поперечный разрез фрагмента ловушки водорода вертикального типа на основе батареи из n никель-водородных аккумуляторов открытого типа;
Фиг. 3 - разрез никель-водородного аккумулятора, входящего в состав ловушки водорода.
Заявляемое устройство состоит из n никель-водородных аккумуляторов 1 открытого типа, образующих батарею, при этом n ≥ 1. Каждый аккумулятор размещен с возможностью осуществления  электрического контакта во взаимообусловленном для него гнезде кассеты 2, каждое из которых оснащено соединением «ласточкин хвост», обеспечивающим надежное крепление и точную фиксацию аккумулятора внутри гнезда кассеты и, соответственно, более эффективный контакт при возникновении электрической цепи. Высота кассеты совпадает с высотой аккумуляторов.
В нижней зоне кассеты размещена шина коммутации выводов положительной полярности 3, которая закреплена в кассете с помощью крепежных элементов 4, например винтов.
В верхней зоне каждого из гнезд установлен элемент гравитационной поддержки контактов 5, выполненный из токопроводящего материала в виде, например, медного цилиндра, диаметр которого соразмерен диаметру аккумулятора. Высота медного цилиндра должна составлять не менее 2,5 его диаметра.
Выводы аккумуляторов отрицательной полярности коммутируются шинами 6, ограничивающими перемещение медных цилиндров 5. Соединение медных цилиндров 5 и шин 6 между собой осуществлено посредством крепежных элементов 7, в качестве которых могут быть использованы, например, винты.
Для закрепления ловушки водорода вблизи мест перехода водорода в свободное состояние служат отверстия 8, через которые проходят крепежные элементы.
Каждый из n никель-водородных аккумуляторов открытого типа, входящий в состав батареи, состоит из корпуса 9 в виде стального никелированного стакана. Как вариант могут  быть использованы стаканы стандартных типоразмеров, например, типа «D», используемых  для гальванических элементов и портативных аккумуляторов диаметром 33 мм, высотой 58 мм и толщиной стенок в пределах от 0,1 – 0,2 мм.
Внутри корпуса аккумулятора на его боковых стенках методом экструзии сформирован положительный окисно-никелевый трубчатый прессованный электрод 10, в состав которого в качестве токопроводящей добавки вместо графита введено до 10% никелевых «чешуек». Известно, что при изготовлении положительного электрода щелочного аккумулятора путем осаждения гидрата закиси никеля из его суспензии на основу, являющуюся катодом, ведут из суспензии гидрата закиси никеля в щелочной среде, например, 30%-ного раствора гидроксида калия (КОН). Однако использование таких суспензий приводит к газовыделению на электродах, поскольку дисперсионная среда содержит воду и большое количество электролита. Образующиеся покрытия имеют рыхлую структуру и малопрочны. Для исключения газовыделения и повышения механической прочности электрода в качестве дисперсионной среды суспензии применяют, например, любую умеренно летучую органическую жидкость. В предлагаемом решении для экструзии активной массы в корпус временно вводят этиловый спирт.
2
При заряде окисно-никелевого электрода, протекающего в твердой фазе, электросопротивление Ni(OH) велико, но соединения никеля, более богатые кислородом, проводят ток лучше, что положительно влияет на эффективность устройства.
2
Внутри корпуса аккумулятора в его центральной зоне установлена стальная перфорированная втулка 11, на которую плотно намотан гидрофобизированный отрицательный водородный электрод 12, при этом перфорированная втулка выполняет функцию токоотвода отрицательного электрода. В заявляемой конструкции применяют гидрофобизированный водородный электрод с содержанием платиновой черни до 30 г/м.  Платина способствует протеканию реакции диссоциации.
Через сквозные отверстия втулки 11 обеспечивается беспрепятственное поступление водорода к поверхности отрицательного электрода.
На водородный электрод навит сепаратор 13, выполненный из полимерного материала, например, полипропилена. Применение сепаратора снижает образование неоднородных структур.
Перфорированная втулка упирается  на подпятник 14, изготовленный из изоляционного материала, например, синтетического термопластичного неполярного полимера, преимущественно принадлежащего классу полиолефинов, из которых может быть выбран, например, полипропилен.
Суммарный диаметр навивки отрицательного электрода и сепаратора соответствует внутреннему диаметру подпятника, на который упирается перфорированная втулка, а нижний уровень навивки находится заподлицо с торцовой поверхностью подпятника.
Часть втулки 11, совпадающая по высоте с отрицательным и положительным электродами, выполнена перфорированной со множеством сквозных отверстий, остальная часть токоотвода-трубки выполнена сплошной и внутри нее закреплен фильтр 15, изготовленный из никелевой сетки. Фильтр предотвращает попадание механических загрязнений на поверхность водородного электрода.
Для герметизации аккумулятора предусмотрен узел герметизации, состоящий из стальной втулки 16, опирающейся на перфорированную втулку 11, и насаженного на втулку 16 литого уплотнительного кольца 17. Узел герметизации предотвращает испарение электролита, а также обеспечивает свободный выход водорода среды к поверхности водородного электрода. Уплотняющее кольцо выполнено из полимерного материала, например, полиэтилена.
Для защиты отрицательного электрода от механических загрязнений применяют крышку 18, которая навинчивается на корпус при складском хранении.
Надежность узла герметизации зависит от обеспечения соосности всех конструктивных элементов аккумулятора с кольцевыми поверхностями, а также точности изготовления пресс-форм для отливки уплотнительного кольца. Герметизация части корпуса, где расположен положительный электрод с сепаратором, необходима для сохранения в них матричного электролита – гидроксида калия (КОН).
Для обеспечения герметичности  положительного электрода навивку водородного электрода и сепаратора на перфорированную втулку выполняют таким образом, чтобы отверстия втулки были плотно закрыты водородным электродом.
При сборке аккумулятора перфорированную втулку с намоткой водородного электрода и сепаратора, установленную в подпятник посредством небольшого усилия, помещают внутрь корпуса, в котором уже заранее был сформирован положительный электрод.
В таком частично собранном виде аккумуляторы поступают на операцию заливки матричным электролитом для заполнения пор сепаратора и положительного электрода. Перед проведением данной операции аккумуляторы размещают в обусловленных для них гнездах кассеты и подвергают вакуумной сушке, затем вакуумной пропитке 30%-ным раствором КОН. После чего удаляют излишки влаги посредством центрифугирования и конвективной сушки для устранения следов не связанной жидкости. Температура вакуумной и конвективной сушек определяется свойствами материала, используемого для изготовления сепаратора.
Посредством пластической деформации, например, обжатием литого уплотняющего полиэтиленового кольца при завальцовке, аккумулятор герметизируют.
Сборка аккумуляторов завершается навинчиванием крышки 18 на корпус.
Втулка 16 и крышка 18 выполнены стальными  никелированными.
Применение трубчатого прессованного электрода позволяет увеличить срок службы аккумулятора и определяет ресурс его работы. Продлению срока службы положительного электрода за счет предотвращения его высыхания способствует герметизация.
Однако в этом случае при зарядке аккумулятора в герметичной камере в объеме окисно-никелевого электрода выделяется водород, который затем должен быть выведен из  данного объема. Известные из уровня техники конструкции, в которых предусмотрена герметизация камеры положительного электрода, не позволяют осуществить выведение водорода.
Для устранения данного недостатка в предлагаемой к защите полезной модели  предусмотрен узел герметизации, позволяющий удерживать жидкость в объеме аккумулятора, и одновременно обеспечивающий возможность удаления водорода.
Еще одной проблемой при осуществлении работы никель-водородных аккумуляторов открытого типа является низкий уровень концентрации водорода во внешней среде, где установлен аккумулятор. Для устранения данного недостатка  в заявляемом устройстве корпус аккумулятора выполнен цилиндрическим, благодаря чему сохраняется достаточно большая масса положительного электрода  и обеспечивается возможность образования в центральной зоне корпуса широкого канала в виде перфорированной втулки, заполняемой воздухом, содержащим водород, который, в свою очередь, беспрепятственно может достигать отрицательный водородный электрод.
Каждый из n никель-водородных аккумуляторов, входящих в состав ловушки водорода, имеет технические показатели, которые приведены в Таблице.
Таблица
№ п/п
Наименование показателя
Значение
Единица измерения
1
Номинальная емкость
11,5
А х ч
2
Конечное напряжение при заряде
1,55-1,58
В
3
Конечное напряжение при разряде
1,15-1,17
В
4
Среднее напряжение разряда
1,24
В
5
Рабочее давление внутри корпуса
3,5-4,0
МПа
6
Давление в реакционной зоне корпуса в конце разряда
0,4-0,6
МПа
7
Номинальный ток разряда
0,2хС
Ахч
8
Номинальная мощность разряда/разряда
(0,2хСх1,24) или 2,85
Вт
9
Номинальная запасенная энергия
14,26
Втхч
Никель-водородный аккумулятор допускает перезаряд без опасности выхода из строя. После окончания заряда положительного окисно-никелевого электрода на нем начинается процесс выделения кислорода. Через газовые поры в матрице кислород легко поступает на водородный электрод и там каталитически соединяется с водородом с образованием воды. Единственным результатом такого перезаряда является значительное выделение тепла. Давление водорода достигает некоторого стационарного значения и дальше в результате взаимодействия водорода и кислорода не растет.
При перезаряде положительного электрода на нем начинается катодное выделение  водорода и происходит передозировка аккумулятора. Количество образующегося на катоде водорода соответствует водороду вступающему в реакцию на аноде, таким образом, давление газа не меняется.
Выделение водорода на окисно-никелевом электроде не вызывает его порчи. Указанные свойства - нечувствительность к перезаряду даже при сравнительно больших токах имеет большое значение, так как упрощают эксплуатацию и делают ее безопасной.  (В.С. Богоцкий и  А.М. Скундин «Химические источники тока», Энергоиздат, 1981).
Полезная модель осуществляется следующим образом.
В никель-водородном аккумуляторе попеременно идут следующие химические реакции:
2
2
1. На аноде происходит окисление водорода Н + 2 NiООН         2Ni(ОН) с его поглощением и отдачей электроэнергии;
2
2
2. На катоде идет восстановление водорода 2Ni(ОН)      2NiООН+Н с потреблением электроэнергии и продуцированием свободного водорода.
+
Сквозь перфорацию токоотвода молекулы водорода поступают на анод, где осуществляется разложение молекул на атомы, которые под воздействием катализатора преобразуются в положительно заряженные водородные ионы Н, которые диффундируют к катоду, а поток электронов идет к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключен потребитель электрической энергии (на чертеже не показан). Кислород, который подается на катод, при воздействии электрического тока вступает в химическую реакцию с электронами из наружной электрической цепи и ионами водорода. В результате химической реакции появляется вода. Прекращение движения ионов водорода или размыкание внешней цепи приводит к остановке химической реакции.
Никель-водородные аккумуляторы открытого типа обладают хорошей плотностью энергии и очень длительным сроком эксплуатации, а при периодических зарядках могут выдерживать перезарядку. Случайное нарушение полярности, давление водорода в камере обеспечивает достаточно хорошую индикацию степени разряда НВАОТ.
С целью многократного использования заявляемой полезной модели применяют бортовые стенды, при этом повторный заряд аккумуляторов осуществляют в составе кассет, в гнездах которых установлены никель-водородные аккумуляторы открытого типа.
Осуществление полезной модели подтверждается примерами конкретного выполнения.
В заявляемой конструкции применены унифицированные детали и узлы, а также известные технологии производства щелочных гальванических элементов.
В состав ловушки водорода может входить до 100 аккумуляторов, технические показатели каждого их которых были приведены в Таблице.