Герметичний нікель-кадмієвий акумулятор

1. Герметичний нікель-кадмієвий акумулятор, що містить посудину, кришку, позитивні нікелеві C2 2 (19) 1 3 (повітряним) електродами; водневий електрод містить металогідридний сплав, між водневим і кисневим (повітряним) електродами розташований окисно-нікелевий електрод, а як електроліт узятий лужний електроліт; окисно-нікелевий електрод відділений від водневого й кисневого (повітряного) електродів сепараторами; окисно-нікелевий електрод виконаний з можливістю електричного підключення до кисневого (повітряному) електроду; окисно-нікелевий електрод електрично підключений до кисневого (повітряного) електроду за допомогою перемикача, RU 2204183 С1. Недоліки даного аналога полягають у наступному: поглинання кисню, виділюваного на позитивному електроді під час його заряду, здійснюється газодифузним електродом, що розташований між окисно-нікелевим електродом і металгідридним електродом і повністю занурений в електроліт, що знижує ефективність поглинання кисню й підвищує внутрішній опір джерела струму; підключення кисневого електрода до окисно-нікелевого електрода знижує ефективність роботи кисневого електрода у зв'язку із близькими потенціалами обох електродів; збільшення товщини робочих електродів знижує питомі енергетичні характеристики акумулятора в цілому. Відомий також герметичний лужний акумулятор зі сумісними киснево-водневими електродами, GB 1219482. Цей акумулятор має той недолік, що електроди не мають прямого контакту з електролітом акумулятора, а контактують тільки із сепаратором, змоченим електролітом, що істотно знижує ефективність роботи електродів у зв'язку з високим внутрішнім опором електричного кола, що, у тому числі, залежить від ступеня змочування сепаратора електролітом протягом терміну служби акумулятора. Крім того, утруднена евакуація води, що утворилася на електродах, розбавляє електроліт у порах сепаратора й ще більше підвищує опір електричного кола й, відповідно, додатково знижує ефективність роботи електродів. Відомий герметичний нікель-кадмієвий акумулятор, що містить посудину, кришку, позитивні нікелеві електроди й негативні кадмієві електроди з надлишком зарядної ємності стосовно зарядної ємності нікелевих електродів, сепаратор і лужний електроліт. Акумулятор також містить кисневий електрод з активованого вугілля, електрично з'єднаний з кадмієвим електродом, SU 143446. Дане технічне рішення прийняте за прототип цього винаходу. Пристрій, на відміну від аналогів, описаних вище, не потребує додаткових ємностей для утилізації газів, що виділяються при заряді, що спрощує й робить конструкцію й робить її більш дешевою. Однак прототипу властивий ряд недоліків. Оскільки кисневий електрод з активованого вугілля перебуває на дні акумулятора, то при підвищенні тиску в акумуляторі внаслідок виділення водню й кисню, кисневий електрод затоплюється електролітом, видавленим з пор кадмієвого й нікелевого електродів і сепаратора. Внаслідок цього істотно знижується ефективність поглиненого кисню електродом, виконаним з активованого вугілля, 88055 4 у результаті чого значно підвищується тиск у посудині, що обумовлює необхідність виконання товстостінної посудини і обмежує габарити і, відповідно, ємність акумулятора. Практика показала, що акумулятори, виконані відповідно до прототипу, мають ємність не більше 200 Аг. Крім того, запас зарядної ємності кадмієвого електрода стосовно зарядної ємності нікелевого електрода не перевищує 50%. Внаслідок цього може спостерігатися виділення водню на кадмієвому електроді, тому що порушується баланс між струмом поглинання кисню на кисневому електроді й струмом розряду кадмієвого електрода; це додатково підвищує внутрішній тиск у посудині. Задачею цього винаходу є підвищення ефективності поглинання кисню електродом з активованого вугілля й зменшення внутрішнього тиску в посудині, що дозволить підвищити ємність акумулятора; крім того, вирішується задача запобігання виділенню водню на кадмієвому електроді. Відповідно до винаходу, ця задача вирішується за рахунок того, що герметичний нікелькадмієвий акумулятор містить посудину, кришку, позитивні нікелеві електроди й негативні кадмієві електроди з надлишком зарядної ємності стосовно зарядної ємності нікелевих електродів, сепаратор, лужний електроліт і кисневий електрод з активованого вугілля, електрично з'єднаний з кадмієвим електродом; кисневий електрод, виконаний по його довжині із двох або більше частин, причому кожна частина складається із двох пластин, між якими розміщений волокнистий гідрофільний матеріал, а одна від одної ці частини відділені ґратчастими елементами з електроізоляційного матеріалу, товщина волокнистого гідрофільного матеріалу становить 0,25-1,0, а товщина ґратчастого елемента становить 1,0-4,0 від товщини пластини частини кисневого електрода, при цьому кисневий електрод розміщений у верхній частині акумулятора й занурений в електроліт нижньою частиною на 0,1-0,8 своєї висоти; кадмієвий електрод виконаний з надлишком зарядної ємності по відношенню до зарядної ємності нікелевого електрода від 75 до 100%. Заявником не виявлені джерела, що містять інформацію про технічні рішення, ідентичні цьому винаходу, що дозволяє зробити висновок про його відповідність критерію "новизна" (N). Завдяки тому, що кисневий електрод виконаний по його довжині "L" із двох або більше частин, кожна з яких складається із двох пластин, між якими розміщений волокнистий гідрофільний матеріал, а одна від одної пластини відділені ґратчастими елементами, поліпшується доступ кисню до поверхні вугільного елемента в присутності електроліту, при цьому, з одного боку, значно збільшується активна поверхня вугільного електрода, а, з іншого боку, забезпечується доступ кисню й необхідного для реакції електроліту до всієї активної поверхні кисневого електрода. Волокнистий гідрофільний матеріал виконує функцію доставки електроліту до поверхні кисневого електрода за рахунок ефекту капілярності й, тим самим, забезпечує поляризацію електрода. При товщині цього матеріалу менш 0,25 від товщини пластини части 5 ни кисневого електрода, капілярний ефект виражений слабко, тому не відбувається доставка достатньої для реакції кількості електроліту. При товщині волокнистого гідрофільного матеріалу більше 1,0 від товщини зазначеної вище пластини ефект капілярності зникає, електроліт або не піднімається до поверхонь пластин, або, піднявшись на невелику висоту, стікає назад. Ґратчастий елемент призначений для забезпечення доступу кисню до активної поверхні кисневого електрода. При товщині ґратчастого елемента менш 1,0 від товщини пластини частини кисневого електрода доступ кисню істотно утруднений. Якщо ця товщина становить більше 4,0 від товщини даної пластини, загальна кількість пластин на одиниці об'єму кисневого електрода скорочується, і активна поверхня його стає недостатньою для ефективної роботи. Завдяки тому, що кисневий електрод розміщений у верхній частині акумулятора й занурений в електроліт нижньою частиною на 0,1-0,8 своєї висоти, істотно підвищується ефективність поглинання кисню кисневим електродом, тому що виникає запобігання повному затоплюванню цього електрода при підвищенні тиску в акумуляторі. Якщо кисневий електрод занурений менш чим на 0,1 своєї висоти, то він не буде контактувати з достатньою для його поляризації кількістю електроліту, а якщо він занурений більш, ніж на 0.8 своєї висоти, то поверхня кисневого електрода, що залишилася незатопленою, не буде забезпечувати мінімально необхідний ступінь поглинання кисню. Заявником не виявлені будь-які джерела інформації, які містили б відомості про відмітні ознаки цього винаходу і про технічний результат, що досягається внаслідок їхньої реалізації. Наведений вище аналіз зв'язку цих ознак з технічним результатом, що досягається, дозволяє, на думку заявника, зробити висновок про відповідність заявленого винаходу критерію "винахідницький рівень" (IS). Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де зображено: на Фіг.1 - поздовжній розріз пристрою; на Фіг.2 - розріз А-А на Фіг.1; на Фіг.3 - кисневий електрод, вид спереду; на Фіг.4 - кисневий електрод, вид зверху; на Фіг.5 - частина кисневого електрода з волокнистим гідрофільним матеріалом між пластинами й ґратчастим елементом; на Фіг.6 - показана залежність середньої напруги на акумуляторах і потенціалів електродів при заряді від сполученої ємності до герметизації батареї; на Фіг.7 - залежність напруги герметизованого акумулятора, внутрішнього тиску й струму регенерації кисню від ступеня зарядженості акумулятора при постійній напрузі заряду на один акумулятор ~ 1,55В. Герметичний нікель-кадмієвий акумулятор містить посудину 1, кришку 2, позитивні нікелеві електроди 3 і негативні кадмієві електроди 4 з надлишком зарядної ємності стосовно зарядної ємності електродів 3. Сепаратор 5 розділяє електроди 3 і 4. У посудині 1 перебуває лужний електроліт 6. Кисневий електрод 7 виконаний з активованого 88055 6 вугілля й електрично з'єднаний з електродом 4 за Допомогою перемички 8. Кисневий електрод 7виконаний по його довжині "L" із двох або більше частин. У розглянутому прикладі - з 40 однакових частин. Кожна частина ( Фіг.5) складається із двох вугільних пластин 9, між якими розміщений волокнистий гідрофільний матеріал 10, зокрема , поліпропілен; частини електрода 7 відділені одна від одної ґратчастими елементами 11 з електроізоляційного матеріалу, у даному прикладі, полівінілхлориду. Товщина матеріалу 10 становить у конкретному прикладі 0,4, а товщина ґратчастого елемента - 2,0 від товщини вугільної пластини 9. Кисневий електрод 7 розміщений у верхній частині акумулятора між мостами 14 і занурений в електроліт 6 своєю нижньою частиною в представленому прикладі на 0,3 свої висоти. Кадмієвий електрод 4, у конкретному прикладі, виконаний з надлишком зарядної ємності 80% стосовно зарядної ємності нікелевого електрода 3. Кришка 2 постачена перегородками, у яких виконані наскрізні отвори 15, площа яких не більше 3 мм2. Акумулятор постачений отвором для заливання електроліту з герметичною пробкою 12, а також газовим клапаном 13 для зниження надлишкового тиску в умовах позаштатної аварійної ситуації (збільшення зарядної напруги вище припустимого, витік електроліту з акумулятора й т.п.). Електрохімічні процеси в нікель-кадмієвому акумуляторі, що протікають під час його заряду, наведені нижче. Кисневий електрод 7 О2+2Н2О+4е=4ОН О2+Н2О+2е=ОН +НО2 Позитивний (нікелевий) електрод 3 + Ni(OH)2+ОН +є=NiOOH+Н + 2Н2О+4е О2+4Н = Негативний (кадмієвий) електрод 4 Cd(OH)2+2е=Cd+2ОН Cd+4ОН =2Cd(OH)2+4е Cd+О2=2CdO+2е CdO+Н2О=Cd(OH), При заряді акумулятора й наборі нікелевим електродом 3 зарядної ємності 100% кадмієвий електрод 4, одержавши таку ж кількість зарядної електрики, буде заряджений тільки на 50-57%, що недостатньо для досягнення потенціалу виділення водню на електроді 4. Кисень, що виділяється у процесі заряду на нікелевому електроді, поглинається частково кадмієвим електродом, - частково вугільною пластиною 9 кисневого електрода 7, а електрони кисневого електрода 7 розряджають кадмієвий електрод 4 через перемичку 8, що з'єднує кисневий електрод 7 з кадмієвим електродом 4, знижуючи тим самим зарядну ємність і зарядний потенціал електрода 4, не дозволяючи протягом зарядного процесу досягти потенціалу виділення водню на електроді 4. Електрохімічний процес поглинання кисню вугільними пластинами можливий тільки в тому випадку, якщо між вугільними пластинами присутній електроліт, розміщений у порах сепаратора, а також є повітряний зазор для проникнення кисню від нікелевого електрода до поверхні вугільної пластини. Тому гідрофільний волокнистий сепаратор 10 забезпечує вугільну пластину електролітом 7 акумулятора 6, а ґратчастий елемент 11 забезпечує можливість проникнення кисню, що виділяється електродом 3, до поверхні вугільної пластини 9. Завдяки надлишку зарядної ємності кадмієвого електрода 4 стосовно зарядної ємності нікелевого електрода 3, розгорнутій поверхні вугільних пластин 9 кисневого електрода 7, доступу електроліту 6 у міжелектродний простір кисневого електрода 7 за рахунок гідрофільності волокнистого матеріалу 10 і доступу кисню, що виділяється нікелевим електродом 3, до поверхні вугільних пластин 9 кисневого електрода 7 через ґратчасті елементи 11, розташуванню кисневого електрода у 88055 8 верхній частині акумулятора й зануренню його в електроліт своєю нижньою частиною, істотно підвищується ефективність поглинання кисню й зменшується внутрішній тиск у посудині 1. Це, у свою чергу, забезпечує підвищення ємності акумулятора. Промислова придатність Для реалізації винаходу використовуються розповсюджені матеріали й звичайне заводське устаткування, що обумовлює, на думку заявника, відповідність винаходу критерію "промислова придатність" (ІА). 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 88055 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601