用于水下的金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置

摘要

本发明涉及用于水下的金属-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。本发明不但解决了水下用金属-氧气电池系统的供氧问题，实现了氧气的自动补给，同时也解决了金属-氧气电池作为水下电源时氧气阴极两侧的气液压力动态平衡的问题。

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。

所述氧气存储装置为高压氧气瓶或制氧装置，如：装有过氧化物(Na₂O₂，H₂O₂等)的制氧装置。

所述控制开关为接近开关或接触开关、传感器为位置传感器；

所述氧气气量自动调节装置为气缸时，气缸上设置有活塞，于气缸的内部设置有接近开关、接触开关或位置传感器，接近开关或位置传感器的信号采集端固定于活塞和/或气缸的内壁上，通过活塞的运动实现信号的采集；接触开关的触点固定于活塞或气缸的内壁上，通过活塞的运动实现开关的通断；

所述氧气气量自动调节装置为气囊时，于气囊的内部设置有接近开关、接触开关或位置传感器，接近开关或位置传感器的信号采集端固定于气囊的可伸缩部位，通过气囊的伸缩实现信号的采集；接触开关的触点固定于气囊的可伸缩部位，通过气囊的伸缩实现开关的通断。

于气囊或气缸内部设置有导向杆和与其相对应的导向套，接近开关或位置传感器的信号采集端固定于导向杆或导向套上，或者接触开关的触点固定于导向杆或导向套上，通过导向杆和导向套来控制接触开关、接近开关或位置传感器触点或信号采集端运动时的位置和方向。

于储气仓的壁面上设有压差传感器，实现储气仓内、外压差的信号采集。

本发明的工作原理：

在金属-氧气电池运行过程中，由于电池阴极腔中的氧气不断被消耗，使得与之相通的气囊、气缸或储气仓中的氧气量不断减少，气囊或气缸被海水压缩，体积减小，当其减小到一定值时，由开关或传感器控制的电磁阀开启，氧气存储装置中的氧气自动补充到气囊或气缸中，气囊或气缸体积增大，当其增大到一定值时，由开关或传感器控制的电磁阀关闭，氧气存储装置不再为气囊或气缸补充氧气；或者储气仓内的气体压力降低，使之与外界海水之间存在压差，此时由压差传感器控制的电磁阀开启，氧气存储装置中的氧气自动补充到储气仓中，储气仓中的气体压力增大，当其与外界海水压力平衡时，由压差传感器控制的电磁阀关闭，氧气存储装置不再为储气仓补充氧气。如此重复上述过程，可以实现金属-氧气电池系统中氧气的自动补给。

另一方面，由于水下用金属-氧气电池系统直接采用海水作为电解液，而此装置中的气囊、气缸或储气仓又与电池阴极氧气腔相连通，同时气囊或气缸体积可变的设计以及储气仓器壁上压差传感器的设计又可实现海水与气囊或气缸内氧气的动态压力平衡，即通过采用此装置可以实现金属-氧气电池系统阴极侧氧气与电解液(海水)的动态压力平衡。因此，此装置避免了金属-氧气电池系统中阴极侧氧气的流失(因电池阴极侧氧气腔中氧气压力过大而致)或电解液渗漏到阴极(因电池阴极侧氧气腔中氧气压力过小而致)的问题，可进一步实现金属-氧气电池按工作电流大小自动调整氧气流量，以实际需要的氧气流量向金属-氧气电池供氧的目的。本发明结构简单，应用方便，对于实现金属-氧气电池系统在水下的成功应用起到了非常重要的作用。

本发明具有以下优点：

本发明所述应用于水下的金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置，其不但解决了水下用金属-氧气电池系统的供氧问题，可以实现氧气的自动补给，同时也解决了金属-氧气电池系统作为水下电源时阴极侧氧气与电解液(海水)的动态压力平衡的问题。本发明结构简单，应用方便，对于实现金属-氧气电池系统在水下的成功应用起到了非常重要的作用。

附图说明

图1为一种应用于水下的金属-氧气电池结构示意图。

其中，101为氧气腔102为金属阳极；103为氧气阴极；5为海水电解液。

图2为一种应用于水下的金属-氧气电池系统氧气自动补给控制装置示意图。

其中，1为金属-氧气电池系统；2为氧气气量自动调节装置；3为氧气存储装置；4为连接氧气存储装置和氧气气量自动调节装置以及连接氧气气量自动调节装置和金属-氧气电池系统的气体管路；5为海水电解液。

图3为用于水下的金属-氧气电池系统氧气自动补给控制装置中，一种氧气气量自动调节装置示意图。

其中，201为囊式无活塞杆气缸；202为由气缸形成的氧气室；203为电磁阀控制装置；204为带有电磁阀控制装置的导向杆；205为位置传感器A；205’为位置传感器B；206为导向杆；207为由位置传感器A和位置传感器B控制的电磁阀；5为海水电解液。

图4为图3所示氧气气量自动调节装置中控制氧气自动补给的电磁阀控制电路原理图。

其中，205为位置传感器A，205’为位置传感器B，207为由位置传感器A和位置传感器B控制的电磁阀，210为单片机，211为继电器。

图5为图3所示氧气气量自动调节装置中控制氧气自动补给的电磁阀控制逻辑图。

图6为用于水下的金属-氧气电池系统氧气自动补给控制装置中，另一种氧气气量自动调节装置示意图。

其中，201’为气缸；202为由气缸形成的氧气室；204为带有电磁阀控制装置的导向杆；206为导向杆208为电磁阀控制装置；209为接近开关；213为由接近开关209控制的电磁阀；5为海水电解液。

图7图6所示氧气气量自动调节装置中控制氧气自动补给的电磁阀控制电路原理图。

其中，209为接近开关；212为继电器；213为由接近开关209控制的电磁阀。

具体实施方式

图1为一种应用于水下的金属-氧气电池结构示意图。图中，102为金属阳极，103为氧气阴极，101为在电池阴极侧形成的氧气腔，5为海水电解液。在金属-氧气电池工作工程中，电池阴极侧氧气腔101内的氧气压应与海水电解液5保持平衡，这样才能保证金属-氧气电池系统中较高的氧气效率。

实施例1

如图2、3、4、5所示，为图1所示的应用于水下的金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置示意图，控制电路图及控制电路逻辑图。

在图2和图3所示应用于水下的金属-氧气电池系统的氧气自动补给控制装置中，囊式无活塞杆气缸201主要由缸筒、端盖和囊构成。缸筒及端盖由316L不锈钢(也可由尼龙(PA)，聚氯乙烯(PVC)等抗海水腐蚀的刚性材料)制成，可形变端由硅橡胶制成。囊由硅橡胶(也可由氟橡胶，氯丁橡胶及其他复合材料等抗海水腐蚀且具有一定可伸缩性和耐压性的材料)制成。端盖及囊的中心位置分别固定有带有电磁阀控制装置的导向杆204和导向杆206，导向杆204上设置有位置传感器A205和位置传感器B205’。电磁阀207阀体由抗海水腐蚀材料制成，如：316L不锈钢等。连接氧气存储装置3和氧气气量自动调节装置2的气体连接管路4及连接氧气气量自动调节装置2和金属-氧气电池系统1的气体管路4均由聚氯乙烯(PVC)(或聚甲醛树脂(POM)、尼龙(PA)等抗海水腐蚀材料)制成。

在上述金属-氧气电池系统运行过程中，电池阴极腔101中的氧气不断被消耗，氧气气量自动调节装置2中的囊式无活塞杆气缸201中的氧气量不断减少，囊式无活塞杆气缸201被海水压缩，体积减小，导向杆206末端逐渐靠近位置传感器A205，当导向杆206末端碰触位置传感器A205时，电磁阀207开启，氧气存储装置3中的氧气自动补充到囊式无活塞杆气缸201中，气缸体积增大，导向杆206末端离开位置传感器A205，并逐渐接近位置传感器B205’，当导向杆206末端碰触位置传感器B205’时，电磁阀207关闭，氧气存储装置3不再为气缸补充氧气，如此重复上述过程，可以实现为金属-氧气电池系统1自动补给氧气。

另一方面，在图2所示装置中囊式无活塞杆气缸201与电池阴极氧气腔101相连通，同时囊式无活塞杆气缸201内的氧气压力与气缸201外海水电解液5的压力相等，即图2所示装置可以实现金属-氧气电池系统1阴极侧氧气与电解液(海水)的动态压力平衡。

图4为图3所示氧气气量自动调节装置中控制氧气自动补给的电磁阀控制电路图，即控制器的电路图。位置传感器A205或位置传感器B205的输出信号输入到单片机210(其型号为AT89C2051)，由单片机210内部的逻辑进行判断，其输出信号通过电阻R1连接到三极管Q1的基极，三极管Q1控制继电器211的通断，继电器再控制电磁阀207的通断。

图5为图3所示氧气气量自动调节装置中控制氧气自动补给的电磁阀控制逻辑图。首先，单片机210查询位置传感器A205。当位置传感器A205未检测到信号时，单片机210继续查询位置传感器A205，当位置传感器A205检测到信号时，单片机210输出控制信号，电磁阀207开启。然后单片机210查询位置传感器B205’，当位置传感器B205’未检测到信号时，单片机210继续查询位置传感器B205’，当位置传感器B205’检测到信号时，单片机210输出控制信号，电磁阀207关闭。之后单片机210重新查询位置传感器A205，如此循环，实现对电磁阀的逻辑控制。

实施例2

图6为用于水下的金属-氧气电池系统氧气自动补给控制装置中，另一种氧气气量自动调节装置示意图。在该装置中，气缸201’为圆柱体气缸，由316L不锈钢(也可由尼龙(PA)，聚氯乙烯(PVC)等抗海水腐蚀的刚性材料)制成。其两端均具有可沿着缸体内壁滑动的活塞。活塞中心位置分别固定有带有电磁阀控制装置的导向杆204和导向杆206。其中导向杆204上装有接近开关209。电磁阀213阀体由抗海水腐蚀材料制成，如：316L不锈钢等。连接氧气存储装置3和氧气气量自动调节装置2的气体连接管路4及连接氧气气量自动调节装置2和金属-氧气电池系统1的气体管路4均由聚氯乙烯(PVC)(或聚甲醛树脂(POM)、尼龙(PA)等抗海水腐蚀材料)制成。

当金属-氧气电池系统1开始工作时，气缸201’自动为金属-氧气电池系统1中的阴极氧气腔101提供氧气；随着气缸201’内氧气的逐渐消耗，气缸201’内的氧气量逐渐减少，气缸201’的两端活塞逐渐被海水压缩，气缸201’体积减小，带有电磁阀控制装置的导向杆204和导向杆206末端逐渐接近，当导向杆206末端接近导向杆204上的接近开关209时，电磁阀213开启，氧气自动从氧气存储装置3补充到气缸201’内，气缸201’内的氧气逐渐增多，当导向杆206末端离开导向杆204上的接近开关209时，电磁阀213关闭，氧气补充停止。在金属-氧气电池系统工作过程中，如此重复上述过程，可实现应用于水下的金属-氧气电池系统氧气的自动补给。

图7为图6所示氧气气量自动调节装置中控制氧气自动补给的电磁阀控制电路图，即控制器的电路图。当接近开关209检测到导向杆206末端时，接通继电器212，电磁阀213开启，当导向杆206末端离开接近开关209时，继电器212关闭，电磁阀213关闭。