CN116154201A - 一种溶解氧型海水电池及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种溶解氧型海水电池及发电方法，所述的溶解氧型海水电池包括电机，电机防水密封，阳极防水密封，电池支撑架。应用本发明技术方案可以实现水下高功率电源装置；具体来说，海水电池采用原电池原理，以海水作为天然的电解质，金属阳极放电产生电子经过外电路到达电池阴极，电子在阴极被海水中的溶解氧消耗，海水中的带电离子在电池两极之间定向移动，从而产生电流；海水电池的功率取主要决于流速以及溶解氧浓度，消耗海水电池自身的少量能量驱动电机使得碳纤维刷状阴极自转，以此产生阴极附近的对流，使得溶解氧得以补充提升海水电池的输出功率。

Description

一种溶解氧型海水电池及发电方法

技术领域

本发明涉及化学电源，涉及一种海水溶解氧电池及发电方法，具体地说是一种用于海底高功率输出的溶解氧型海水电池。

背景技术

我国是海洋大国，拥有丰富的海洋资源，广阔的海域，绵延地海岸线。随着近年来海洋资源开发，海洋参数监测以及海底作业地迅速发展，尤其是先进的深海装备或是余姚长期在海底环境中工作地海底仪器，未来海底将实现深海观测网络的搭建，其中所涉及到的各类传感、通讯设备将是数以万计的。目前，在海洋中工作的设备、设施等主要能量供给为：化石能(石油、天然气等)、新能源(潮汐能、太阳能等)、核能等。而在广袤的大洋中，这三种供能方式因对物理传输介质需求受到很大的限制，大大限制了包括深海在内地大洋开发。在深海探测时，仪器可携带电池供能，但是传统电池存在寿命短，污染大以及需要定期更换的续航问题，同时由于深海的巨大压力，传统电池的安全性受到极大的威胁等等一系列的缺点，是的传统电池不能满足如此庞大的深海观测网络传感节点的供能问题。与此同时深海传感设备、深海装备等的功率需求不同。针对以上一系列问题，研究人员提出的直接利用海水作为电解质，消耗海水中的溶解氧，以活泼金属作为阳极，惰性电极为阴极的溶解氧型海水电池是解决深海供能的行之有效的方案之一。

溶解氧型海水电池的基本原理是，以活泼金属作为阳极，金属阳极放电产生电子，经过电路到达电池阴极，电子在阴极被阴极或者阴极附近的溶解氧消耗，海水中的带电离子在阴阳两极之间定向移动，从而在电池内部形成电流。溶解氧型海水电池其突出的特点就在于不需要携带电解质，可在全海况条件下工作，由于其完全开放的结构因此不需要压力容器，使其安全性、稳定性得以大幅提升。溶解氧型海水电池的阳极不断消耗，在做好防腐、防渣化的前提下可以连续工作较长时间，并且其更换只需将阳极金属更换放置即可。但是溶解氧型海水电池的缺点是所处的海水环境中溶解氧浓度低，阴极材料的活性差，从而致使海水电池的功率密度差，对于大功率输出，现阶段仍以庞大的体积作为提升功率的方法。

CN113506863A中为了扩大海水电池的阴极，在采用改性的碳纤维刷状阴极的同时，采用阵列阴极的方式，电池中央为金属阳极，周围环绕两排阵列的阴极。但这种结构的海水电池仅仅是通过不断的增加阴极的数量达到功率提升的目的，同时该结构的海水电池并不能完全保证海水在整个电池内部的通常流动，并且由于环绕多层的阵列导致阳极和阴极的距离稍远，增加了离子导电使得电池性能偏低。

CN102479961A中以解决海水在电池内部流通不畅的问题，阴极供氧不足，易被海水中浮生的藻类等缠绕污染等问题，提出了系统结构紧凑、体积小，电极有效面积大、电池内部海水流动性强、电池有效容量高的海水电池。但是该结构在超低流速的海底无法发挥其效果。

中国海洋大学徐海波等，通过电化学改性碳纤维刷状电极得到了对动态海水适应性更好的阴极，但是其制造的海水电池仍是传统方式，功率提升效果有限。

综上所述，溶解氧型海水电池的形式仍需要创新，实现溶解氧海水电池的高功率输出，同时有效的防止阴极的污染，提升电池输出性能。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种溶解氧型海水电池，其包括阴极和阳极，其中，所述的阴极和一电机连接，所述的电机驱动所述阴极转动，所述电机的驱动电流直接或间接来自阴极和阳极产生的电流。

在一较佳实施例中，所述的阴极和阳极分别通过充电电路和一储能单元连接，所述电机通过放电电路和所述储能单元连接。

在一较佳实施例中，所述的阴极为碳纤维刷状电极。

在一较佳实施例中，所述的阴极转动为绕阴极自轴转动。

在一较佳实施例中，所述碳纤维刷状电极由两根钛丝夹短切碳纤维卷制而成。

在一较佳实施例中，所述阳极为镁合金电极。

在一较佳实施例中，所述的电机设有防水密封单元。

在一较佳实施例中，所述的阴极通过联轴器和电机的输出轴连接，所述防水密封单元包括防水罩和防水轴承，所述电机设于防水罩内；所述防水轴承内圈与联轴器外圈过盈连接，所述防水轴承外圈与防水罩过盈配合。

在一较佳实施例中，所述阳极设有阳极防水单元。

在一较佳实施例中，所述阳极密封单元包括上防水罩，下防水罩，防水垫片，防水绝缘胶，紧固螺母，所述紧固螺母与所述金属阳极一端螺柱螺纹连接，所述螺母与金属阳极之间夹有下防水罩，防水垫片，通过所述螺母夹紧连接；所述上防水罩与下防水罩通过螺栓螺母结构夹有防水垫片紧固连接。

在一较佳实施例中，还包括一电池支撑架，所述的阴极和阳极分别位于该整体支撑框架内。

在一较佳实施例中，所述的电池支撑架为一方形框，所述阴极和所述阳极平行排列于该电池支撑架内。

本发明的另一目的，在于提供海水电池发电方法，包括如下步骤：

1)将海水电池置入海水环境中，海水作为电解液，所述的海水电池包括阴极和阳极，所述的阴极和一电机连接，所述的电机驱动所述阴极转动，所述电机的驱动电流直接或间接来自阴极和阳极产生的电流；

2)在电池工作过程中，电机驱动阴极转动。

在一较佳实施例中，阴极的转动速率为10-100r/min，

在一较佳实施例中，步骤2)中，储能单元是事先储能以供电机工作，或是等阴极和阳极工作给储能单元充电之后再驱动电机工作。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于自转的扰流式高功率溶解氧型海水电池，相较于传统的溶解氧海水电池，所提出的基于自转的扰流式高功率溶解氧型海水电池消耗较小一部分溶解氧型海水电池的能量，供给电机实现阴极自转，而自转的扰流方式具有以下优势：1)电极表面扩散层厚度分布均匀，并可人为的在较大范围内调控液相传质速率；2)电机的转动突破最小流速后，使得反应产生的副产物，例如氢氧化镁、碳酸钙等沉淀物无法附着于阴极表面，从而避免因阴极受污染而导致性能的下降；3)自转降低传质对电荷转移力学的影响，可研究更快速的电极反应。当体系中存在对流时，反应电流比仅有扩散传质的情形大3-100倍。

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，金属阳极放电失电子，碳纤维刷状电极催化还原海水中的溶解氧得电子，利用海水电池自身的一小部分能量驱动电机带动刷状阴极的自转，在强制对流下降低传质对电荷转移力学的影响使得电极反应速率提升，同时避免由于阴极受到副产物的影响，提升海水电池的功率特性。

本发明的优势之一是提出了以能换能地形式，消耗较少的海水电池的能量去驱动电机带动阴极转动，使得阴极附近产生强制对流，从而提升海水电池的输出功率特性。

本发明的优势之一是利用碳纤维以及钛丝制备刷状电极，使得阴极质量较轻，在海水的浮力作用下基本可以忽略其质量，保证了电机驱动的可行性。

本发明的优势之一是以溶解氧型海水电池为基础，延续了该类型海水电池的优势，在深海高压环境下具有较好的安全性能以及稳定性能。

本发明的优势之一是转动结构打破了静止的模式，在突破最小流速的前提下使得反应副产物快速脱离，减少海水弱碱性环境下的产物对阴极的污染，从而提升输出性能。

附图说明

为例更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。

图1为溶解氧型海水电池阳极包括其防水结构；A剖视图；B正视图。

图2为基于自转的扰流式高功率溶解氧型海水电池自转式阴极系统包括其防水结构；A正视图；B剖视图。

图3为基于自转的扰流式高功率溶解氧型海水电池自转式阴极系统；A立体结构示意图；B侧视图。

图4为基于自转的扰流式高功率溶解氧型海水电池整体结构示意图。

图5为本发明的电路结构示意图。

图6为本发明性能测试示意图。其中A为流场流速示意图；B为流体形态示意图。

图7为本发明的测试结果。

图中

1-阴极 2-阳极

3-联轴器 4-电机

5-6-不锈钢螺柱

7-防水电缆接口 8-电池支撑架

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种溶解氧型海水电池，参考图1至5，包括阴极1和阳极2，所述的阴极1和阳极2位于一电池支撑架8内。

所述的电池支撑架8为开放式，以便海水能够进入内部。所述的开放式可以是各种方式，例如，圆筒形框架、方体形框架(各面开孔)，环形框架、三角形框架等。在本实施例中，所述的电池支撑架为方形框。阴极和阳极平行位于该电池支撑架8内。电池支撑架整体材质为铝合金，其能够维持海水电池在海底的稳定放置。

阴极1为碳纤维刷状电极，所述碳纤维刷状电极由两根钛丝夹短切碳纤维卷制而成，整体质量不超过3g,置于海水中在服力作用下其质量可以忽略不计，钛丝一端与联轴器3一端固定连接，所述联轴器3另一端与电机4固定连接。使得阴极1能够在电机4的驱动下自转运动。

在本实施例中，碳纤维刷状电极上的碳纤维沿着钛丝排列为螺旋形，螺旋形有助于加快海水交换。螺旋部分的直径约3cm，长度约3cm。

电机4设有电机防水密封单元100。参见图1，所述电机防水密封单元100包括防水罩101和防水轴承102。所述防水罩101整体上包覆电机4，所述防水轴承102内圈与联轴器3外壁过盈连接，所述防水轴承102的外圈与防水罩101过盈配合。防水罩101在一侧设有防水电缆接口7。

阳极2采用镁合金棒，在本实施例中，具体采用AZ61镁合金棒。其直径约3cm，长度约3cm，AZ61镁合金棒上端与不锈钢螺柱6通过螺纹连接，所述不锈钢螺柱6作为阳极集流体。

所述镁合金2上端延伸设有一直径缩小的连接部，该连接部与所述不锈钢螺柱6螺纹连接。两者的连接处用阳极防水单元200保护。

所述阳极防水单元200包括上防水罩201、下防水罩202、防水垫片203、防水绝缘胶和紧固螺母205。下防水罩202包覆阳极2的上半部的侧面以及上端面，上防水罩201包覆连接部，下防水罩202和上防水罩201之间设防水垫片203，紧固螺母205用于将下防水罩202和上防水罩201锁紧。

防水绝缘胶204涂抹于下防水垫202与镁合金2之间，紧固螺母205与不锈钢螺柱6螺纹连接，紧固螺母205和镁合金2之间夹紧下防水罩202。

参见图5，阴极1和阳极2分别和一充电电路连接。该充电电路和充电电池(例如锂电池)连接，该充电电池和放电电路连接，该放电电路和电机4连接。

性能测试的条件参数：

如图6所示，不同于现有的静置溶解氧海水电池的概念，本发明依托海水电池自身的能量，驱动阴极实现反应界面产生有效流场，打破深海低流速、低溶解氧浓度的限制的同时利用自驱流场更好的排出副反应场物，提升溶解氧海水电池的输出功率，实现溶解氧海水电池的体积功率密度的高效提升。

测试环境：实验室水箱测试

测试溶解氧浓度区间：1.2-7.2mg/L

海水配比如下表1：

表1

测试的方法：

全电池性能测试，如图5，将阴阳两极组成完整海水电池，对其性能进行相关性能测试，采用海水电池恒阻放电测试、动静态海水电池性能对比测试。

通过电机驱动阴极自转产生自驱流场，随着转速的提升溶解氧海水电池的输出功率表现出非线性提升，随着转速的提高，溶解氧海水电池输出功率提升的效果逐渐降低。

实验时通过直流电源为电机供能，在输入功率为0.6mW时驱动碳纤维刷状电极以60r/min自转，在60r/min的功率消耗不超过电池所产生的功率的1％，功率提升在20倍以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种溶解氧型海水电池，包括阴极和阳极，其特征在于，所述的阴极和一电机连接，所述的电机驱动所述阴极转动，所述电机的驱动电流直接或间接来自阴极和阳极产生的电流。

2.根据权利要求1所述的一种溶解氧型海水电池，其特征在于，所述的阴极和阳极分别通过充电电路和一储能单元连接，所述电机通过放电电路和所述储能单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种溶解氧型海水电池，其特征在于，

所述的阴极为碳纤维刷状电极。

4.根据权利要求3所述的一种溶解氧型海水电池，其特征在于，所述碳纤维刷状电极由两根钛丝夹短切碳纤维卷制而成；所述阳极为镁合金电极。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种溶解氧型海水电池，其特征在于，所述的电机设有防水密封单元；所述的阴极通过联轴器和电机的输出轴连接，所述防水密封单元包括防水罩和防水轴承，所述电机设于防水罩内；所述防水轴承内圈与联轴器外圈过盈连接，所述防水轴承外圈与防水罩过盈配合。

6.根据权利要求1至4任一项所述的一种溶解氧型海水电池，其特征在于，所述阳极设有阳极密封单元；所述阳极密封单元包括上防水罩，下防水罩，防水垫片，防水绝缘胶，紧固螺母，所述紧固螺母与所述阳极一端螺柱螺纹连接，所述螺母与阳极之间夹有下防水罩，防水垫片，通过所述螺母夹紧连接；所述上防水罩与下防水罩通过螺栓螺母结构夹有防水垫片紧固连接。

7.根据权利要求1所述的一种溶解氧型海水电池，其特征在于，还包括一电池支撑架，所述的阴极和阳极分别位于该电池支撑架内；所述的电池支撑架为一方形框，所述阴极和所述阳极平行排列于该电池支撑架内。

8.海水电池发电方法，包括如下步骤：

1)将海水电池置入海水环境中，海水作为电解液，所述的海水电池包括阴极和阳极，所述的阴极和一电机连接，所述的电机驱动所述阴极转动，所述电机的驱动电流直接或间接来自阴极和阳极产生的电流；

2)在电池工作过程中，电机驱动阴极转动。

9.如权利要求8所述的海水电池发电方法，其特征在于，阴极的转动速率为10-100r/min。

10.如权利要求8所述的海水电池发电方法，其特征在于，所述的阴极和阳极分别通过充电电路和一储能单元连接，所述电机通过放电电路和所述储能单元连接；步骤2)中，储能单元事先储能以供电机工作，或是等阴极和阳极工作给储能单元充电之后再驱动电机工作。

Images