Металловоздушный химический источник тока

 

Использование: автономные, аварийные и переносные источники тока для транспортных средств.

Сущность изобретения: металло-воздушный химический источник тока содержит расходуемый анод, газодиффузионный катод и водный электролит состава (мас. %): спирт - 5 -20, ионогенное вещество - 5 - 25, вода - остальное. В качестве ионогенного вещества могут использоваться: хлорид натрия при содержании 5 - 15 мас.% или гидроксид щелочного металла при содержании 10 - 25 мас.%. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве и эксплуатации металло-воздушных химических источников тока (ХИТ).

Известен металло-воздушный ХИТ, содержащий расходуемый металлический анод, газодиффузионный катод и водный раствор гидроокиси калия в качестве электролита (ЕПВ N 071015, кл. H01M 12/06, 1983). Недостатком данного ХИТ являются повышенные коррозия анода и саморазряд.

Известен металло-воздушный ХИТ, содержащий расходуемый металлический анод, газодиффузионный катод и водный раствор хлорида натрия в качестве электролита (заявка ФРГ N 2947853, кл. H 01M 12/02, 1981). Недостатками рассматриваемого ХИТ являются низкая эффективность из-за повышенной коррозии анода и невозможность эксплуатации при пониженных температурах из-за замерзания электролита.

Из известных ХИТ наиболее близким по совокупности существенных признаков является металло-воздушный ХИТ с металлическим анодом из алюминия или магния; газодиффузионным катодом и водным раствором хлорида натрия или гидроксида щелочного металла в качестве электролита. Для повышения эффективности использования анода за счет снижения скорости коррозии при хранении в электролит вводят органическую добавку. В качестве такой добавки используются органические кислоты: муравьиная, лимонная, оксалиновая и т.п. (пат. США N 4275125, кл. H01M 12/06, 1981). Недостаток данного ХИТ связан с невозможностью его использования при отрицательных температурах.

Задачей изобретения является создание металло-воздушного ХИТ, обладающего повышенной эффективностью использования анода и допускающего эксплуатацию при отрицательных температурах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном металло-воздушном ХИТ в качестве органической добавки взят спирт из группы, содержащей: этанол, метанол, пропанол, глицерин, этиленгликоль и/или их смеси при следующем соотношении компонентов (мас.): спирт 5 20 ионогенное вещество 5 25 вода остальное В качестве ионогенного вещества можно использовать хлорид натрия при следующем соотношении компонентов (мас.): спирт 5 20 хлорид натрия 5 15 вода остальное; или гидроксид щелочного металла при следующем соотношении компонентов (мас.): спирт 5 20
гидроксид щелочного металла 10 25
вода остальное.

В качестве спирта используют: метанол, этанол, пропанол, глицерин, этиленгликоль и/или их смеси, которые растворяются с водой в любых соотношениях. Введение спирта в электролит предотвращает его замерзание при отрицательных температурах, что допускает эксплуатацию ХИТ при этих температурах и снижает скорость коррозии.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного решения. Установлено, что заявляемое изобретение не следует явным образом из известного уровня техники, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом и примером практической реализации.

На чертеже изображен поперечный разрез металло-воздушного ХИТ с водным электролитом.

Заявляемый ХИТ содержит растворимый металлический анод 1 из алюминия, магния или цинка, корпус 2 с окнами 3. В окнах корпуса размещены газодиффузионные катоды 4. Корпус заполнен водным раствором электролита, содержащим добавку спирта.

ХИТ работает следующим образом. На катоде 4 под действием катализатора протекает реакция восстановления кислорода в водном растворе электролита 5 в соответствии с уравнением:
O₂+2H₂O+4e^-__→ 4OH^-
На аноде 1 происходит растворение металла с освобождением электронов, поступающих во внешнюю электрическую цепь, и выделение газообразного водорода. Анодная реакция протекает в соответствии с уравнением:
Me+OH^-__→ MeOH+e^-+H₂
Суммарная токообразующая реакция имеет вид:
Me+H₂O __→ MeOH + H₂+e^-
Таким образом, в результате электрохимического растворения металлического анода в ХИТ генерируется электроэнергия. Продуктами реакции являются гидроксид металла и водород. Добавка спирта в электролит не влияет на токообразующую реакцию, однако она существенно снижает температуру замерзания электролита, что позволяет использовать ХИТ при отрицательных температурах и ингибирует процесс коррозии, повышая эффективность использования анода.

Пример практической реализации: проведены сравнительные испытания трех металло-воздушных элементов с магниевыми анодами, газодиффузионными угольными электродами и водносолевым электролитом. В 1-м элементе в качестве электролита использовался 10 мас.-ный водный раствор хлорида натрия, в который введена добавка глицерина в количестве 15 мас. Во 2-м элементе в электролит введена добавка этилового спирта в количестве 15 мас. В 3-м элементе использовался электролит без добавки спирта.

Элементы при испытаниях были собраны в последовательную электрическую цепь. Разряд элементов проводился постоянным током 1А в течение 5 ч при нормальных условиях. Пробы электролитов в количестве 5 мл для каждого из элементов были помещены в камеру холода с температурой до -18^oC.

После разряда аноды извлекались из элементов, промывались водой и подвергались визуальному осмотру. В результате осмотра установлено, что аноды в элементах с добавками спирта и глицерина расходуются равномерно по всей поверхности, что повышает эффективность их использования. В элементе с электролитом без добавки коррозия анодов неравномерная, в виде отдельных раковин, некоторые участки анодов некорродированы, что снижает эффективность их использования. Из элементов с добавками в электролите легче извлекаются шламовые остатки и легче отмываются аноды.

Проверка электролитов в камере холода при -12^oC показала, что электролиты с добавками остались жидкими, электролит без добавки замерз.

Таким образом, эти испытания показали, что элементы, содержащие электролит с добавкой спирта, сохранили работоспособность при отрицательных температурах, обладают более высокой эффективностью использования анода и пониженной коррозией.

Полученными данными подтверждена возможность практической реализации металло-воздушного ХИТ с достижением заявленного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Металловоздушный химический источник тока, содержащий расходуемый металлический анод, газодиффузионный катод и водный раствор ионогенного вещества в качестве электролита, отличающийся тем, что электролит дополнительно содержит добавку и/или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.

Спирт 5 20
Ионогенное вещество 5 25
Вода Остальное
2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионогенного вещества взят гидроксид щелочного металла при следующем соотношении компонентов, мас.

Спирт 5 20
Гидроксид щелочного металла 10 25
Вода Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1