никель-водородный аккумулятор с длительным циклическим ресурсом

Формула изобретения

Никель-водородный аккумулятор с высоким циклическим ресурсом, состоящий из помещенных в корпус электрохимических групп, соединенных токоподводом, и разделенных друг от друга газовыми сепараторами, выполненными в виде пересекающихся двухрядных нитей со смещением рядов относительно друг друга, отличающийся тем, что в качестве материала нитей газового сепаратора применяется полипропилен, при этом диаметр нитей выбирается не менее 0,9 мм, а соотношение диаметра нитей к расстоянию между ними лежит в диапазоне (0,4÷1).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке герметичных никель-водородных аккумуляторов (НВА) с длительным циклическим ресурсом.

Известно, что во время повторяющихся циклов зарядки и разрядки НВА наблюдается изменение объема окисно-никелевого электрода (ОНЭ), их уширение, нарастающее с увеличением числа циклов. Так как блок электродов жестко фиксирован, то возникающие напряжения передаются через газовый сепаратор на водородный электрод. Последний имеет пористую структуру, его толщина составляет ~(100-150) мкм. Растущие механические напряжения могут привести к его продавливанию, прорыву, что приведет к сокращению срока службы НВА. Для исключения этого используют разные конструктивные решения.

Так, известен НВА (п. США №4477540, МКИ Н 01 М 4/00; опубл. 16.10.84), состоящий из помещенных в корпус электрохимических групп, разделенных газовыми сепараторами.

Недостатком этого НВА является то, что для компенсации уширения ОНЭ в аккумулятор введены дополнительные элементы: пружина, расположенная вне блока, представляющего совокупность электрохимических групп, и стержень, осуществляющий стяжку блока. В связи с этим в качестве токосъемов использованы длинные и гибкие элементы, увеличивающие объем и вес токосъемного узла. Таким образом, введение в НВА дополнительных элементов для компенсации уширения ОНЭ приводит к увеличению веса, объема и к усложнению конструкции НВА.

Этот недостаток частично устранен в другом НВА, принятом за прототип (п. СССР №1649985 от 04.04.89) и состоящем из помещенного в герметичный корпус блока электрохимических групп, разделенных газовыми сепараторами. Газовый сепаратор выполнен в виде трехрядного пересечения нитей со смещением верхнего и нижнего рядов относительно друг друга.

В указанном техническом решении помимо обеспечения допуска водорода к поверхности водородного электрода газовый сепаратор играет еще и роль компенсатора уширения ОНЭ за счет того, что средняя нить растягивается и изгибается настолько, насколько вынуждает уширяющийся ОНЭ. Таким образом, применение такого конструктивного решения позволяет упростить конструкцию НВА путем компенсации уширения ОНЭ без ввода дополнительных элементов в аккумулятор. Однако в указанном техническом решении не указывается соотношение между диаметром нити и расстоянием между ними, существенно влияющее на передаваемое газовым сепаратором давление на водородный электрод.

Технический результат предлагаемой конструкции заключается в снижении механической нагрузки, передаваемой на водородный электрод, и, как следствие, повышении надежности НВА с длительным циклическим ресурсом.

Технический результат достигается тем, что конструкция никель-водородного аккумулятора с длительным циклическим ресурсом включает помещенный в корпус блок электрохимических групп, соединенных токоподводом и разделенных между собой газовыми сепараторами. Газовый сепаратор выполнен в виде двухрядного пересечения нитей со смещением рядов относительно друг друга и соотношением диаметра нитей и расстояния между ними, выбранным, соответственно, из диапазона 0,4-1. При этом в качестве материала нитей газового сепаратора применяется полипропилен, а диаметр нитей выбирается не менее 0,9 мм.

При соотношении диаметра нитей и расстояния между ними менее 0,4 происходит резкий рост давления, передаваемого на водородный электрод. При соотношении, большем 0,4, эта зависимость близка к линейной. При соотношении, большем единицы, пористость сепаратора становиться меньше пористости водородного электрода, что может сказываться на работе последнего.

Масса является важным параметром каждого компонента НВА, и ее малое значение является показателем степени совершенства конструкции. Поэтому, очевидно, величина соотношения диаметра нитей и расстояния между ними, равная 0,4-0,6, является оптимальной.

В таблице представлены характеристики щелочестойких материалов, выбранных исходя из функциональнных требований к сепаратору. Из анализа представленных данных следует, что полипропилен наиболее подходит в качестве материала газового сепаратора, он более легок, имеет меньшую твердость и, как следствие, меньше деформирует водородный электрод при механических нагрузках, возникающих в блоке. Отличительные признаки, обуславливающие соответствие предлагаемого изобретения критерию "новизна", следующие: в качестве материала нитей сепаратора применяется полипропилен, при этом диаметр нитей сепаратора выбирается не менее 0,9 мм, а отношение диаметра нитей к расстоянию между ними выбирается равным 0,4-1.

Для доказательства существенности отличий предлагаемого решения проанализирована вся совокупность его признаков и, в отдельности, - отличительный признак. Установлено, что такой признак, как полипропиленовый газовый сепаратор, имеющий диаметр нитей не менее 0,9 мм и отношение диаметра нитей к расстоянию между ними в диапазоне 0,4-1, в литературных источниках не обнаружен и, следовательно, является новым и, в совокупности с известными признаками в данном решении, позволяет получить новый результат: компенсацию уширения окисно-никелевого электрода при циклировании никель-водородного аккумулятора без возникновения существенных нагрузок на водородный электрод.

Таким образом, предлагаемый никель-водородный аккумулятор, по мнению авторов, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый полипропиленовый газовый сепаратор, выполненный в виде двухрядного пересечения нитей со смещением рядов относительно друг друга и имеющий диаметр нитей не менее 0,9 мм и отношение диаметра нитей к расстоянию между ними в диапазоне 0,4-1, помимо обеспечения допуска водорода к поверхности водородного электрода обеспечивает минимальное давление на последний, т.е. применение в никель-водородном аккумуляторе такового сепаратора позволяет продлить ресурс путем снижения давления на самый уязвимый элемент блока.

На Фиг.1 схематично представлен предлагаемый аккумулятор.

На Фиг.2 схематично представлена ячейка газового сепаратора.

На Фиг.3 представлены расчетные характеристики газового сепаратора.

На Фиг.4 представлена зависимость давления от размера нитей.

На Фиг.5 приведена деформация водородного электрода при различных давлениях и твердости газового сепаратора.

В таблице представлены физико-механические показатели щелочестойких материалов, пригодных для изготовления газового сепаратора.

На Фиг.1 схематично представлен предлагаемый никель-водородный аккумулятор. В корпусе 1 аккумулятора помещен блок электрохимических групп. Каждая группа содержит посредине два окисно-никелевых электрода 2, имеющих по обе стороны электролитоноситель 3, в виде пористой асбестовой матрицы и, далее, водородный электрод 4 с газовым сепаратором 5 для доступа (отвода) газа. Окисно-никелевые электроды 2 и водородные электроды 4 соединены с соответствующими токоподводами 6. Последние одновременно с токосъемными функциями несут и механическую нагрузку по прижиму блока электродов через стяжные диски 7.

Пример конкретного выполнения НВА.

На Фиг.1 схематично представлена электрохимическая группа предлагаемого никель-водородного аккумулятора. В корпусе 1 аккумулятора помещен блок электрохимических групп. Каждая группа содержит посредине два окисно-никелевых электрода 2, имеющих по обе стороны электролитоноситель 3, в виде пористой асбестовой матрицы и, далее, водородный электрод 4 с газовым сепаратором 5 для доступа (отвода) газа. Окисно-никелевые электроды 2 и водородные электроды 4 соединены с соответствующими токоподводами 6. Последние одновременно с токосъемными функциями несут и механическую нагрузку по прижиму блока электродов через стяжные диски 7.

Газовый сепаратор 5 имеет диаметр нитей 1 мм с отношением диаметра нити к расстоянию между ними, равным 0,4. Газовый сепаратор 5 изготовлен из полипропилена горячим прессованием.

Пусть а - толщина нити, b - размер ячейки (окна), Н=2h - габаритная толщина сепаратора (Фиг.2). Если площадь газового сепаратора - S, а усилие, развиваемое в блоке, - F, то общее давление

где N - число ячеек в сепараторе на площади S;

(a+b) ² - площадь одной ячейки.

Перепишем (1), умножив и разделив знаменатель на а²

Величина является истинным давлением, передаваемым на водордный электрод (в местах пересечения нитей сепараторов для N ячеек), т.е.

При F и S постоянных

Легко показать, что зависимость пористости, а также массы от соотношения диаметра нитей и расстояния между ними выражаются формулами соответственно

Графики результатов расчета представлены на Фиг.3. Из представленных данных следует, что, с точки зрения механического давления, а также массы и пористости газового сепаратора, оптимальное соотношение диаметра нити и расстояния между ними находится в диапазоне 0,4-1.

На Фиг.4 представлена зависимость истинного давления на водородный электрод в местах пересечения нитей двухрядного сепаратора от их диаметра (параметра а), определенная по формуле

P_ист=F/a²· N,

где F - усилие, развиваемое в блоке;

N - число ячеек в сепараторе.

Очевидно, что выбор диаметра в большей степени технологическая задача изготовления газового сепаратора, но с точки зрения снижения давления на электрод он должен быть не менее 0,9 мм.

На Фиг.5. приведена деформация водородного электрода при различных давлениях и твердости газового сепаратора. Из представленных данных следует, что полипропиленовый газовый сепаратор меньше деформирует водородный электрод.