Металло-воздушный электрохимический элемент

Полезная модель относится к химическим источникам тока, преимущественно к воздушно-металлическим батареям с расходуемым металлическим анодом, водным электролитом и гидрофобным газодиффузионным катодом.
Известен металло-воздушный электрохимический элемент, содержащий корпус, заполненный электролитом, установленный внутри него с зазором между торцевыми стенками металлический анод и установленные в боковых стенках газодиффузионные катоды. При этом в корпусе выполнены перегородки, параллельные его торцевым стенкам и замыкающие межэлектродное пространство по высоте электродов (RU 2118014, H01M 12/06,1998 [1]). Изобретение обеспечивает улучшение конвекции внутри элемента, однако имеет относительно невысокие удельные характеристики (имеется в виду удельная мощность и удельная энергоемкость). Однако не может быть использовано для электрохимической системы более высокой мощности выделяющей значительное количество тепла (или требующей отвода тепла).
Известно устройство (RU 2127932, H01M 12/06, H01M 10/42, 1996[2]), содержащее корпус, заполненный электролитом, размещенный внутри него металлический анод и газодиффузионные воздушные катоды, расположенные по обе стороны металлического анода на определенном расстоянии параллельно рабочим поверхностям металлического анода, причем металлический анод имеет плоскую прямоугольную форму, а в нижней части корпуса расположена камера для сбора анодного шлама. Недостатками этого технического решения являются пониженные удельные характеристики и непродолжительный разряд источника тока, что связано с ограниченным отношением массы растворяющейся части металлического анода к объему электролита, а также с нестабильностью таких характеристик, как ток, напряжение и температура, вызванной существенным изменением размеров металлического анода по мере его растворения.
Известен топливный элемент (US 20120293110, H01M 8/22; H02J 7/00, 2012[3]), содержащий корпус, заполненный электролитом, размещенный внутри него металлический анод и газодиффузионные воздушные катоды, расположенные по обе стороны металлического анода параллельно рабочим поверхностям металлического анода, при этом металлический анод имеет клинообразную плоскую форму, а для сохранения определенного межэлектродного зазора размещены тефлоновые разделители (спейсеры). Такая конфигурация по замыслу авторов обеспечивает повышение удельных характеристик топливного элемента.
Недостатками этого технического решения являются:
1) ограниченное отношение массы растворяющейся части металлического анода к массе электролита, что предопределяет незначительный ресурс работы топливного элемента до замены металлического анода;
2) в предлагаемой конструкции по мере растворения металлического анода существенно уменьшается (скорей всего толщина, а не) его рабочая поверхность, что приводит к значительному повышению внутреннего сопротивления топливного элемента, и как следствие к снижению удельных характеристик и длительности разряда топливного элемента;
3) в местах размещения спейсеров металлический анод оказывается изолированным от токообразующей реакции, и кроме того, создаются застойные зоны в электролите, что вызывает накопление осадка в межэлектродном зазоре; по этим причинам в работающем топливном элементе происходит неравномерное растворение металлического анода, что приводит к снижению удельных характеристик энергоемкости и длительности разряда топливного элемента предложенной конструкции.
Наиболее близким к заявленному устройству является металло-воздушный источник тока, который направлен на достижение повышенной удельной энергоемкости, стабильных характеристик и увеличение ресурса работы (RU 2570143, H01M l2/06,2015 [4]). Металло-воздушный источник тока, содержит корпус, заполненный электролитом, размещенный внутри него металлический анод и газодиффузионные воздушные катоды, расположенные по обе стороны металлического анода. При этом газодиффузионные воздушные катоды выполнены с центральными поперечными изгибами и отделены от металлического анода проницаемыми для электролита пористыми сепараторами, изготовленными из материала с высоким омическим сопротивлением, а металлический анод имеет форму прямоугольного параллелепипеда, сопряженного с клином, и опирается клином на пористые сепараторы.
Недостатком известного устройства является относительно невысокая удельная энергоемкость и сложность выполнения катода и анода заданных форм.
Заявляемый в качестве полезной модели металло-воздушный электрохимический элемент направлен на повышение удельных энергетических параметров.
Указанный результат достигается тем, что металло-воздушный электрохимический элемент, содержит заполняемый щелочным электролитом корпус с крышкой, снабженной заливочным отверстием, металлический анод и газодиффузионный воздушный катод. При этом корпус выполнен в виде цилиндра, боковая поверхность которого представляет собой газодиффузионный воздушный катод, армированный токосъемной сеткой, анод выполнен из металла с отрицательным значением потенциала в виде цилиндра, коаксиально установлен внутри катода с зазором относительно дна, с внутренней стороны покрыт теплоизолирующим неэлектропроводным материалом, устойчивым к воздействию электролита и снабжен окнами для его перелива, выполненными в верхней части.
Отличительными признаками металло-воздушного электрохимического элемента являются:
корпус выполнен в виде цилиндра;
боковая поверхность цилиндра представляет собой газодиффузионный воздушный катод, армированный токосъемной сеткой;
анод выполнен из металла с отрицательным значением потенциала;
анод выполнен в виде цилиндра, коаксиально установленного внутри катода;
анод с внутренней стороны покрыт теплоизолирующим неэлектропроводным материалом устойчивым к воздействию электролита;
анод установлен с зазором относительно дна;
в верхней части анода выполнены окна для перелива электролита.
Придание металло-воздушному электрохимическому элементу цилиндрической формы позволяет существенно снизить массу элемента и тем самым увеличить удельные характеристики элемента, улучшить соотношение «масса - энергосъем», поскольку на цилиндрический элемент того же объема, что и прямоугольной формы, уменьшается расход материала на изготовление корпуса. Кроме того, роль стенок корпуса - боковой поверхности цилиндра - выполняет газодиффузионный воздушный катод, армированный токосъемной сеткой.
Прочность стенке-катоду придает армирующая его токосъемная сетка, выполняющая сразу две функции - придание прочности и обеспечение токосъема.
Цилиндрическая форма катода обеспечивает ему достаточную прочность и позволяет отказаться от достаточно тяжелого корпуса элемента.
Выполнение анода из металла с отрицательным значением потенциала позволяет увеличить удельную энергоемкость источника.
Покрытие анода с внутренней стороны теплоизолирующим неэлектропроводным материалом устойчивым к воздействию электролита необходимо для того, чтобы обеспечить во внутренней полости цилиндрического анода более низкую температуру и тем самым обеспечить нисходящий конвективный поток электролита, при восходящем потоке за счет выделения водорода и разогрева электролита в межэлектродном пространстве.
Наличие окон, выполненных в верхней части анода и установка анода с зазором относительно дна обеспечивают конвективное перемешивание электролита по всему объему элемента.
Сущность предлагаемого металло-воздушного электрохимического элемента поясняется примером реализации и чертежом, на котором показан упрощенно продольный разрез устройства.
Металло-воздушный электрохимический элемент содержит газодиффузионный воздушный катод 1, который выполнен цилиндрическим, армированным токосъемной сеткой (на чертеже не показано) и выполняет роль стенок корпуса. Армирование может быть осуществлено разными способами. Это может быть взята токосъемная сетка, скрепленная с газодиффузионным воздушным катодом по поверхности или впрессованная в катод. Внутри него коаксиально с зазором 2 установлен цилиндрический анод 3, который выполнен из металла с отрицательным значением потенциала и высокой удельной энергоемкостью, например из алюминия или цинка и покрыт внутри теплоизолирующим неэлектропроводным материалом 4, устойчивым к воздействию электролита, например натриевой или калиевой щелочи. В качестве такого материала может быть использован полиуретан микропористый с закрытыми порами или наполненный микро-стеклосферами. В стенках анода выполнены окна 5 (различной формы круглые, квадратные, прямоугольные, предпочтительно прямоугольные вытянутые по высоте и на 90-80% своей высоты заполненные электролитом). Катод соединен известным образом с дном 6. Анод попирается на выступы 7 в дне, которые позволяют образовать зазор между дном и анодом. Зазор участвует в образовании контура циркуляции. Элемент содержит крышку 8 с заливочным отверстием 9.
Металло-воздушный электрохимический элемент функционирует следующим образом.
При активации элемента подключенного к потребителю, путем заливки в него электролита через заливочное отверстие 8 в крышке 7 начинается электровосстановление кислорода воздуха на газодиффузионном катоде 1 и растворение анода 2, сопровождающееся выделением водорода и тепла в межэлектродном зазоре 3.
В результате выделения тепла и газа в межэлектродном зазоре 3, образованном анодом 1 и катодом 2 электролит поднимается вверх и переливается через верхние края окон 5 в стенках анода. Во внутренней термоизолированной полости анода с температурой ниже температуры в межэлектродном зазоре, образуется нисходящий конвективный поток электролита. Сепарированный газ удаляется через заливочное отверстие 8 в крышке элемента 7. Через зазор между анодом и герметизирующим дном 6 элемента электролит возвращается в межэлектродный зазор.