[发明专利]用于水下的金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及水下电源系统，尤其是一种应用于水下的金属-氧气电池系统，具体的说是金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置。

背景技术

近年来，随着科技的进步，人们对海洋资源的认识有了进一步的提高，海洋工程技术也取得了很大的发展，海洋开发越来越成为许多国家的重要战略计划。海洋遥感技术，海洋导航技术，深海探测技术，以及海洋军事技术等都离不开电源。由于海下实际工况的特殊性和复杂性，目前常规的一次电池和二次电池(如铅酸电池，镍氢电池，银锌电池，锂离子电池等)难以满足新型水下设备对长寿命，高容量，安全可靠电源的需求。

典型的金属-氧气电池包括金属阳极，氧气阴极，以及填充在阳极和阴极之间的碱金属盐(或其碱)的电解液(如KOH溶液，NaCl溶液等)。金属阳极通常为镁，铝，锌等金属或合金。电池放电过程中，氧气与电解液中的水在氧气阴极发生还原反应生成阴离子(如OH^-)，阴离子通过电解液迁移到金属阳极，与金属(如镁，铝，锌等)发生反应产生电子。例如，当以金属镁作为金属-氧气电池系统的阳极，氯化钠溶液作为电解液时，电池放电过程中，在两个电极上发生的电极反应及电极反应电势如下：

阳极反应：Mg→Mg²⁺+2e^-             E＝-2.37V

阴极反应：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-        E＝0.40V

电池反应：Mg+1/2O₂+H₂O→Mg(OH)₂    E＝2.77V

与传统的一次电池和二次电池相比，首先，金属-氧气电池具有较高的比能量(单位为W·h/L或W·h/kg)，能够提供较高的输出电压(1.5-3V)。其次，金属氧气-电池的阳极金属(如，镁，铝，锌等)储量丰富、价廉易得，而阴极氧还原催化剂为非贵金属，同时整个电池的结构简单、易于制备，因此使得电池生产的总成本大大降低。再次，金属-氧气电池的另外一个重要特点是其可以采用机械充电方式，即阳极金属燃料消耗完全后，换用新的金属阳极即可继续供电，充电时间非常短，只需要几分钟即可完成，延长了电池的使用寿命。另外，环保也是金属-氧气电池具有的另一个重要优点。目前常使用的化学电源都会对环境造成不同程度的污染，如锌锰电池含汞，铅酸电池含铅，镍镉电池含镉，而金属-氧气电池反应后的产物无毒，对环境无任何污染，这对生态保护，环境保护都具有深远的意义。

由于金属-氧气电池可以利用海水作为电解液，因此金属-氧气电池可以满足新型海底设备用电源的需要，为海下设备提供电能，即可称之为海水电池。海水电池以海水作为电池的电解液，不需要额外携带电解液，大大提高了电池的比能量。但是海水电池存在的两个主要问题是氧气的供给问题以及阴极侧氧气与电解液(海水)压力平衡的问题，即如何提供氧气以及如何控制氧气流量以达到所需要的电池工作状态。

专利号为US4184009的美国专利提供了一种浮标金属空气电池，该电池将金属阳极浸在海水电解液中，阴极在水面以上，暴露在空气中，阳极和阴极间填充玻璃纤维和聚氯乙烯纤维复合成的纸状材料。电解液填充在该纸状材料中。此电池需要空气中的氧气作为去极化剂，其阴极必须与空气连通，因此，只能用于海面工作的设备。

专利号为CN1543001A的中国专利提供了一种镁海水电池，这种电池以海水为电解液，利用海水中的溶解氧作为阴极去极化剂，此电池虽然结构简单，但是其阴极效率很低，并且工作电流密度小，阴极面积大，同样限制了其应用范围，不适合用于水下动力电源等一些需要大功率的用电设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下应用金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置。

本发明采用的具体技术方案包括以下内容：

用于水下的金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置，包括氧气存储装置和氧气气量自动调节装置；

氧气气量自动调节装置包括储气仓、气囊或气缸，电磁阀，控制开关或传感器；

储气仓、气囊或气缸通过气体管路与氧气存储装置连接，在它们的气体连接管路上设置有电磁阀，于气囊或气缸内设置有控制开关或传感器；储气仓、气囊或气缸通过气体管路与金属-氧气电池系统的阴极氧气腔相连；

控制开关通过导线与电磁阀电连接；传感器的输出信号经由一控制器处理后，由控制器通过导线与电磁阀电连接。