NO168145B - Celle - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår sjøvannscel 1 er eller batterier som benytter oksygen oppløst i sjøvannet som oksydasjonsmiddel. Oppfinnelsen gjelder særlig katoder som er egnet for celler som er eksponert for store hydrodynamiske krefter fra bølger og sterke havstrømmer.

Sjøvannscel1 er som har lav energi og som benytter oksygen oppløst i sjøvannet som ok sydasjon smiddel samt en konsumerbar anode er f.eks. beskrevet i norsk patentsøknad nr. 881914. En slik celle er blitt fordelaktig testet i sjøen i omtrent to år. Disse celler benytter en inert metallkatode (rustfritt stål) som er belagt med en katalysator for å redusere oksygen.

I batterier vil cellene være koblet i parallell, og cellespen-ningen blir konvertert til en brukbar verdi v.hj.a. en DC/DC omformer.

Sjøvannsbatterier er fordelaktige fordi de kan lagres i

tørr tilstand i ubegrenset tid, og de har en energitetthet som kan sammenlignes med 1 ithium-batterier. Sjøvannsbatteriene innebærer heller ingen sikkerhetsrisiko, da de hverken er brennbare eller inneholder noen giftige komponenter.

De kjemiske reaksjoner i et typisk sjøvannsbatteri med magnesiumanoder er:

Magnesium er hovedkomponenten i sjøvannet som gjør at magnesiumbaserte sjøvannsbatterier er harmløse for miljø.

Et utladet batteri kan lett opplades igjen mekanisk ved å

sette inn nye magnesiumanoder.

For å sikre en stor overflate på katoden kan det inerte metall ha form av metallull som er anbrakt mellom to lag med metallnett eller ekspandert metall. Pakningen av ullen er løs for å tilveiebringe en god strøm med friskt, oksygenrikt sjøvann gjennom katodestrukturen. I tillegg må cellen ha en åpen struktur for å muliggjøre fri tilgang av friskt sjøvann og derved bli kvitt de reaksjonsprodukter som dannes.

Dersom en slik celle benyttes nær vannflaten når det er sterke bølger eller sterke strømmer, kan ul 1 strukturen bli mekanisk ødelagt med mindre man bruker en spesielt stiv kvalitet. Nær havoverflaten vil også feil kunne oppstå av biologiske grunner, som f.eks. begroing av alger og muslinger med mindre man bruker kobber eller en kobberlegering som katode. Ved korrosjon av kobber vil det normalt dannes et tilstrekkelig antall kobberioner som vil virke som et utmerket begroingshindrende middel så lenge katodepotensi al et ikke er senket for mye i forhold til metallets frie korrosjonspotensial. Da kobberets korrosjonspotensial er lavt sammenlignet med katodepotensial et på katalyserte katoder som belastes, vil imidlertid cel1espenningen for kobberbaserte sjøvannscel1 er bare være omtrent 1,2 V sammenlignet med 1.6 V for celler som benytter katalysert rustfritt stål. Kobber er for øvrig også et meget mykt metall, slik at kobberul1 katoder ikke vil ha tilstrekkelig styrke under harde påkjenninger. Metallplate-katoder kan benyttes, men den massetransportbegrensende strøm for plater er lav eller invers proporsjonal med kvadratroten av platens lengde. Dette er beskrevet i en bok av Claus J. Vetter: Electrochemical Kinetics, som er utgitt av Academic Press, New York 1967. Med mindre platene er perforert vil platekatoder ha lav effektivitet og være kostbare i produksjon. Dersom katoden består av tråd som er tynn sammenlignet med tykkelsen av di ffusjonslaget, vil sylindrisk diffusjon ytterligere øke den massetransporterende begrensende strøm og derved belastbarheten av katoden.

Fra US patent nr. 4.522.897 er det kjent et såkalt rep-batteri som har en fleksibel struktur. Rep-batteri et omfatter en sentral fleksibel anode, et porøst adskillende lag og en ytre koaksial fleksibel katode. Katoden består fortrinnsvis av tvinnede eller flettede tråder av et inert metall, men det kan også lages av perforert eller ekspandert metall. Denne type batteri vil sannsynligvis ikke være egnet for celler som er utsatt for sterke hydrodynamiske krefter fra bølger og sterke havstrømmer.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe sjøvannscel1 er og batterier som er mekanisk robuste, som er rimelige i produksjon, og som har høy effektivitet. Hovedtrekkene ved oppfinnelsen er definert i kravene.

Ovenfor nevnte og andre formål og særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse vil klart fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen sett i sammenheng med figurene, hvor - fig. 1 viser en kurve som illustrerer hvordan platestørrel-ser innvirker på den begrensende strøm,

- fig. 2 viser en helisk katode,

- fig. 3 viser en foretrukken ekspandering av katodeplaten, og - fig. 4 viser skjematisk en galvanisk celle i henhold til oppfinnelsen.

I fig. 1 viser en kurve som er beregnet ut fra ligninger 2.153 og 2.91 i den nevnte bok av K.J. Vetter, at den gjennomsnittlige begrensende strømtetthet avtar hurtig med økende platestørrelse. Kurveverdiene er beregnet ved en strømm'ngs-hastighet på 0,001 m/s parallelt med overflaten og i platens lengderetning. Da den begrensende strøm er den høyeste mulige strømtetthet, bør størrelsen av platen som befinner seg perpendikulært på strømm'ngsretni ngen holdes så lav som mulig under hensyntagen til de mekaniske belastninger på katoden.

Kurven beskriver den gjennomsnittlige strømtetthet over en platekatode som en funksjon av lengden på platen når man antar ren di ffusjonskontrol1 av reaksjonen, dvs. ideell elektrokata-lyse og uendelig ledningsevne for elektrolytten. Strøm som

genereres på forkanten er ikke innbefattet.

Et annet formål med å tilsikte en høy begrensende strøm er å redusere sammensetningsforandringer i elektrolytten på elektrodeoverf1 aten. Disse forandringer eller al kal iseringer øker når forholdet mellom den virkelige strømtetthet og den begrensende strømtetthet øker, og dette kan eventuelt føre til dannelse av kalknedslag på katoden.

Gode resultater er blitt oppnådd med en celle 1 som skjematisk er vist i fig. 2. En anode 2 er omgitt av en katode 3 som er laget av en ekspandert metallplate som er viklet i en helix eller i spiralform. Antall spirallag bør være 2 - 50 og fortrinnsvis mellom 3 og 20 for å oppnå gode resultater. Mekanisk styrke kan oppnås enten ved radielt innsveisede metal1 stenger 4 eller ved avstandsstykker mellom lagene eller begge deler. Utbuktninger på det ekspanderte metall langs kanten kan også tjene som avstandsstykker. Disse

kunne da sveises til det nærliggende laget.

Den foretrukne ekspanderte metal1 katode er laget av en metallplate som vist i fig. 3, og som har en tykkelse T i størrelsesorden 0,5 til 1,5 mm. Den foretrukne avstand W mellom innsnittene i metallplaten, dvs. "trådtykkelsen", er fra 1 til 4 mm med en foretrukken snittlengde på mellom 5 til 30 mm. Platen ekspanderes med en faktor fra 1 til 5 for å tilveiebringe spalter som har en lengde i størrelsesorden 2 til 50 mm og en høyde H i størrelsesorden 1 til 25 mm.

I fig. 4 er det skjematisk vist, men ikke i riktig målestokk, en galvanisk celle 10 med en anode 11 og en helisk katode 12 som er laget av ekspandert metallplate. De forskjellige lag 13, 14 av den ekspanderte metallkatode er adskilt fra hverandre v.hj.a. avstandsstykker 15, 16. Avstandsstykkene kan ha forskjellige former. Antall lag bør fortrinnsvis være større enn 3. Anoden 11 og katoden 12 er understøttet mellom to flenser 17 og 18 av isolasjonsmateriale.

Dersom vi antar en strømtetthet på 200 mA/rn^ og en total strøm på 3A, må det nødvendige overf1ateareal være 15 m^. Den effektive overflate av en ekspandert metallplate utgjøres ikke bare av begge sider av metallplaten slik som området av stripene eller strimlene med bredde W og de sammenkoblende striper, men også av det areal som utgjøres av tykkelsen T av stripene. En 5 m^ plate med passende tykkelse og et over-flateareal på 10 m^ kan f.eks. snittes og ekspanderes til en plate med en eksponert overflate på 15 m^.

Ved å ta en plate som er 4,0 m • 1,0 m som er blitt ekspandert med en faktor på 2,5 til en plate med dimensjoner i størrelsesorden 10,0 m • 1,0 m (bredden blir kanskje noe mindre) med en indre helix diameter på 0,2 m og en avstand på 0,01 m mellom de heliske lag, vil antall lag bli omtrent 7. Dimensjonene av en slik helisk katode som lages av en 1,0 mm tykk ekspandert plate, vil være en spiral med en indre diameter dl på 0,4 m og en ytre diameter d2 på omtrent 0,56 m. Høyden h på spiralen vil være noe mindre enn 1,0 m. Dimensjonene kan selvfølgelig varieres, men antall lag bør fortrinnsvis være større enn 3.

Ovenstående detaljerte beskrivelse av noen utførelses-eksempler av foreliggende oppfinnelse skal bare betraktes som eksempler og må ikke oppfattes som begrensninger av beskyttel-sens omfang.

Claims (7)

1. Galvanisk sjøvannscel1e basert på bruk av oksygen oppløst i sjøvann som oksydasjonsmiddel og omfattende en metallanode og en metal1 katode, karakterisert ved at katoden (3, 12) består av en helix eller spiral-viklet perforert eller ekspandert metallplate.

2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at antall lag av den heliske katode er 2 - 50, fortrinnsvis 3 - 20.

3. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at lagene i den helisk viklede katode er adskilt radielt med passende stenger, avstandsstykker, utvekster e.l.

(4, 15, 16).

4. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at katoden er laget av en plate med en tykkelse T i størrelsesorden 0,5 til 1,5 mm, og at avstanden W mellom snittene i metallplaten (dvs. trådtykkelsen) er fra 1 til 4 mm med en foretrukken snittlengde på 5 til 30 mm.

5. Celle ifølge krav 4, karakterisert ved at platen er ekspandert med en faktor på 1 til 5 for å tilveiebringe spalter med lengde L i størrelsesorden 2 til 50 mm og en høyde H i størrelsesorden 1 til 25 mm.

6. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at anoden (11) og katodestrukturen (12) er understøttet mellom to i solasjonsplater (17, 18).

7. Celle ifølge krav 5, karakterisert ved at avstanden mellom lagene i den heliske katode er fra 0,5 H til 5 H.