專利名稱：水中溶氧電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用水中的溶氧作為電池的陰極去極化劑的海水電池。本電池主要用于工作在海水或其它含鹽水域中的電子設備的電源。如航標燈、水文氣象浮標、及水下的電子設備如水下探測器、水下通信電纜及光纜的增音站等設備。
任何電池都是由陰極、陽極和電解質組成。電池在工作時陰極析出氫氣而出現極化現象使電池電位降低，解決的方法是在陰極中加入去極化劑使其和氫發生反應而達到去極化的效果，常稱為陰極活性物質。常用的去極化劑有二氧化錳、氯化銀、氧化銀等。也可以用空氣中的氧通過催化劑和氫發生反應達到去極化的效果，這就是空氣電池的基本原理。其優點是電池的陰極活性物質不在電池內，使電池的成本和體積降低，儲存時間延長。用空氣中的氧作電池的陰極活性物質，以海水作為電池的電解質的海水電池的有關文獻有美國專利U.S4129684和中國專利CN106554A的金屬-空氣-海水組合電源等。金屬-空氣-海水組合電源的原理是電池的陰極與一與海水接觸的空腔作成一體，空氣極板安裝在空腔與海水接觸的部分上，空腔的上部與大氣相連。空氣中的氧通過空腔上部的防水透氣膜到達空腔下部的陰極板，并透過陰極板在催化劑的作用下與附在陰極板上的氫發生反應，生成水達到去極化的效果。該電池是以海水作電解質，空氣中的氧作去極化劑，以鋁合金、鎂、鋅等金屬作陽極。電池采用單節方式供電由電子升壓電路將電壓升到所需要的數值。
美國專利U.S4129684所描述的海水電池組與前述金屬-空氣-海水組合電源原理基本相同，不同的是電池是以串聯的方式連接以達到用電器所需要的電壓，每格電池相互隔離，用導管給每節電池通海水以盡量減少電池通過海水極間漏電，電池組上部有防水透氣層，使空氣中的氧可以進入陰極腔而到達電池的陰極而海水則無法進入。
以上電池在使用中存在以下缺點(1)防水的工藝比較復雜，由于陰極板要求即要防水又要透氣，并且要在水中長期工作而不失效，因此陰極板的制作工藝比較復雜，安裝陰極板的空腔防水和透氣的工藝也比較復雜。
(2)由于海浪的沖擊力量比較大，對電池極板和電池的結構強度要求比較高。
(3)由于該電池需要空氣中的氧作去極化劑。所以限定了本裝置一定要在水面工作，和必須有透氣孔使電池的陰極與大氣連通，使其工作范圍受到限制。
本實用新型的任務是提供一種裝置使電池能夠吸收水中的溶氧作為電池的去極化劑，使電池不依賴空氣中的氧氣而是利用水中的溶氧就能達到去極化的目的。
根據我們的研究試驗和測量及文獻記載，在海水及湖泊、河流中的水里含有約0.3～0.5％的溶解氧，這些氧使水中的生物得以生存。如魚類靠鰓呼吸是靠吸入水通過其多層結構的鰓片，每片鰓片上有無數鞭毛使鰓片與水有巨大的接觸面積，水中的溶氧吸附在其表面上。氧通過毛細血管氧化血液中的鐵完成氧交換再通過血液將氧帶到全身，使魚類可以長期在水下生存。
根據以上思路我們仿照魚鰓的結構制造一種可以大面積與海水接觸并吸附海水中的溶氧的″人工鰓″的可導電裝置并以此作為電池的陰極，氧作為陰極的去極化劑通過海水作電解質，與金屬陽極反應，源源不斷地產生電流，通過導線輸出給用電裝置。
如鋁或鎂與水中的溶氧發生反應的反應方程式如下
為此我們需要設計某種裝置使其在海水中1、要有盡量大的電位差。
2、有足夠大的表面積可以吸附水中的氧，以達到去極化的目的。
3、所用材料應是導體可輸出電池產生的電流。
4、所用材料要耐海水腐蝕。
5、要有一定強度。
6、價格上要能接受。
通過研究我們認為銀、銅、不銹鋼、碳纖維網可滿足以上要求，只要把它們加工成網狀使其在滿足一定強度的條件下其表面積盡量大，它們的表面積越大吸附的氧的能力越強。
為了達到上述目的本實用新型采用如入下方案(1)采用面積為陽極5～50倍的金屬網或碳纖維網作電池的陰極。采用層疊安放的方法，使其與水有盡量大的接觸面積。
(2)在結構設計上采用方便海水流過陰極網的結構，使含有溶氧的水在單位時間內與陰極網接觸的流量增加。
(3)在陰極網的表面載有有效的催化劑。以減少極化電壓。
(4)在結構上和配方上解決由于浮游生物附著，使電源效能降低的問題。
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明，如
圖1所示，(1)金屬陽極 (2)網狀陰極 (3)外殼(4)陽極絕緣格(5)負極引出端(6)正極引出端(7)海水電池 (8)海水電解質水從外殼(3)的孔不斷與電池內部的水交流，水中的溶解氧不斷吸附在網狀陰極(2)上。溶解氧通過海水電解質(8)不斷與金屬陽極(1)反應產生電流并由正極(6)、負極(5)引出端輸出電流。其中金屬陽極可以用鋁、鎂、鋅及其合金。網狀陰極可以用銀、銅、不銹鋼、碳纖維網或氈。為了獲得足夠的與海水接觸的表面積，網狀電極重疊放置，層數約有5～30層。外殼可以用銅、不銹鋼、玻璃鋼作成，外殼上開有許多孔以便于水的流通。陽極絕緣格由絕緣材料作成如塑料、膠木等，其作用是固定陽極板，和防止陰極與陽極相碰造成短路。為了減少極化網狀陰極上附有少量的催化劑，催化劑可以用鉑、鈀、銀、二氧化錳、活性碳等。為了解決浮游生物附著，外殼上涂有防污漆。
由于上述方案中采用了大面積的網狀陰極吸收水中的溶氧使電池不再依賴空氣中的氧氣作去極化劑，使電池可以在水下工作，并且簡化了電池的結構和增加了電池的強度，使電池更具實用性。由于利用海水作電解質，水中的溶氧作陰極活性物質。這兩種材料在自然界取之不盡，基本不需成本，電池內部只有陽極活性物質如鋁、鎂、鋅、及其合金，這樣進一步降低了電池的成本。所以本電池與目前廣泛使用的陰極、陽極、電解質都在電池內部的電池相比有很高的比能量和價格比。由于電池的陰極活性物質和電解質不在電池內不存在陰極活性物質和電解質的自然損耗和失效等問題，所以本電池可長期干儲存。
由于水中溶氧電池不取空氣中的氧而是水中的溶氧，所以本電池可以長期地在水下工作，不受氣象白晝的影響。電源加上DC-DC升壓電路以后可以給蓄電池長期充電。這對于長期在海面和水下工作的用電設備，如航標燈、無線電示位標、氣象浮標等，水下工作的設備，如通信電纜和光纜的增音站、水下探測器等具有很大的實用價值。
實施例(1)如圖1所示為可以連續工作一年輸出電流2A的水中溶氧電池的示意圖其中(1)為鋁陽極，工作電流設計為1mA/cm2重約14kg尺寸約為500×300×40mm。(2)為表面有鈀催化劑的銅網，銅網與陽極板平行共28層每面14層，每層間隔10mm，銅網面積為6m2，表面積約15m2。銅網的電流密度約300MA/m2。電池外殼(3)由2mm厚沖孔銅板制成。海水由孔流進流出把新鮮的氧氣帶給陰極銅網。電池的外殼上涂有防止浮游生物附著的油漆。本電池可以以1.5～2A的電流連續工作一年。
權利要求1.一種利用水中溶氧作為電池的去極化劑的電池，其結構由金屬陽極(1)、網狀陰極(2)、外殼(3)、絕緣格(4)、正極引出線(6)、負極引出線(5)、海水電解質(8)組成，其特征在于本電池的陰極(2)是由附有催化劑的金屬或碳纖維網作成，絕緣格(4)使陰極和陽極相互隔離，正極和負極引出線(6)(5)從陰極(2)和陽極(1)引出與用電器相連接。
2.根據權利要求1.所述水中溶氧電池其特征在于海水電解質(8)為含鹽份的海水、湖水、或河水。
3.根據權利要求1.所述水中溶氧電池其特征在于金屬陽極(1)為鋁、鎂、鋅及其合金。
4.根據權利要求1.所述水中溶氧電池其特征在于網狀陰極(2)的面積是陽極的5～50倍，材料為銀、銅、不銹鋼網或炭纖維網或氈。
5.根據權利要求4.所述水中溶氧電池其特征在于網狀陰極上附有催化劑名稱為鉑、鈀、銀、二氧化錳等元素。
專利摘要本實用新型提供一種利用水中的溶解氧作為電池的去極化劑的海水電池。該電池的特點是以海水作電解質，用大面積的網狀金屬或其它導電材料作電池的陰極，陰極吸附水中的溶解氧作為電池的陰極去極化劑，用鋁、鎂、鋅及其合金作電池的陽極。本電池的特點是電池內部不用儲備陰極活性物質和電解質，能夠長期儲存、在水下可以長期工作等，是在海水及其它含鹽水域中工作的電子設備的理想電源。
文檔編號H01M6/34GK2255666SQ9521225
公開日1997年6月4日 申請日期1995年5月16日 優先權日1995年5月16日
發明者朱兆欣 申請人:朱兆欣, 高宏偉