一种用于深海的海水电池

本发明涉及深海海水电池，具体为一种利用海水作为电解液进行长期自主稳定电能输出的装置，尤其涉及一种用于深海的海水电池。

背景技术：

1、海洋占地球表面面积的70.9％，而3000-6000米水深的海洋占海洋面积的73.83％，这片广袤的空间具有水压高、水流速度极慢、温度底、无光照等特点，不仅蕴藏着人类社会发展所需的多种重要资源，也是极具战略空间价值，相应工作环境的设备都需要稳定的电力供应。海洋水深400米以下，就不再有波浪和光照，洋流也很缓慢，传统的光伏、波浪以及洋流发电技术都不再适用，开发能够自主发电、高效率、寿命长、低成本、无媒质消耗、深海环境下免维护的电池意义重大。现有的海水电池技术有的需要搭载燃料、需要密封容器(参考专利：cn202111672316.1)，有的还需要特殊的新概念阳极材料(参考专利：cn201410153697.6)，均无自控温装置，不适合低温度环境的深海(参考专利cn201010563787.4)，等等。目前这些技术或者概念都不适合在深海低温(4℃)、高压(10mpa以上)环境，也不满足长寿命(以年为周期单位)、高效率和低成本要求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有海水电池技术的需要耐高压密封，或者需要消耗媒质，或者因为无法克服低温环境下的效率低下等缺陷，提供一种能够在深海环境下结构相对简单，运行稳定、高效、长寿命且成本低的装置及方法。该装置使用成本较低的活泼合金(如铝、镁、锌等合金)作为牺牲阳极，使用惰性合金(如铁、铜、钛等合金)整体呈开放设计供海水自由流通，进水和出水的位置设置使空腔内海水形成对流，以及包覆保温层和热交换器用以升高空腔内的温度提高反应效率，自动排出阳极泥，海水流通通道不堵塞和内部短路，可以长时间高效率对外提供电能输出。

2、本发明解决上述问题采用的技术方案为：一种用于深海的海水电池，包括：一组圆周等间距分布的活泼金属合金板，称之为阳极板(下同)，与一组同轴圆周等间距或等角度分布的惰性金属合金板，称之为阴极板(下同)，互相交错间隔分布，其中，阳极板固定在中央的轴上，阴极板固定在外壳上，阴极板和阳极板之间有间隙，二者不接触。外壳将阴极板和阳极板都包括在内，形成一个内部空腔，在空腔的顶部，有一个热交换器，进水管和出水管分别穿过热交换器，与外部和内部空腔连接导通，其中进水管露在空腔外部较短，且呈弯钩状，内部伸入较长，开口于空腔底部，出水管露在外部较长，内部伸入较短，开口于空腔顶部，出水管和进水管都位于空腔中央轴线附近。在空腔的底部，有一个排泥阀，其工作原理类似于地漏。在外壳的外面包裹有保温材料。

3、当整个装置沉入大海以后，内部进入海水，海水中的氯离子、溶解氧、二氧化碳等对金属的腐蚀作用，与阳极板、阴极板共同组成原电池，阳极板因为化学性质活泼，优先被海水腐蚀而丢掉电子，电子进入海水形成各种带电负离子，这个过程化学上称为界面反应，通过电泳效应扩散到阴极板，阴极板因为化学性质稳定而得到电子，在两个极板间构成电势差，阳极板互相并联，阴极板互相并联，各自接出引线到负载，构成电回路，输出电能，成为海水电池。海水电池由海水腐蚀阳极金属而释放能量对外输出，界面反应释放的能量并不能完全转化为电能，有一部分则转化为热能，加热空腔内的海水，外壳外面包裹的保温材料阻止热量的散失，空腔内的海水温度升高，提高阳极板的活性以及输出功率和效率，同时，在空腔内被加热的海水上升到达顶部进入出水管，在与进水口的海水在热交换器内进行热交换温度降低厚排出，而进水管的海水在热交换器内被升温，在空腔底部进入，总体构成一个对流循环，将界面反应生成的热量尽可能多地留在空腔内。阳极板被海水腐蚀溶解以后，大部分溶解物随海水通过出水管排出，少部分较大颗粒从阳极板脱落后沉积在空腔底部形成阳极泥，到达一定量时排泥阀自动打开，将阳极泥排出空腔。

4、本发明与现有技术相比的优点在于：

5、(1)海水为电解液，和两种不同成分的金属板，构成原电池，运行原理和整体结构非常简单；

6、(2)电解液就是周边无尽的海水，成分、浓度、温度等参数保持恒定且无限更新，反应稳定；

7、(3)结构为开放，海水自由进出空腔，无需密封的压力容器，海水电池的输出性能对深度不敏感，也就是可以用于广域的海深；

8、(4)单位金属电容量大，比如一公斤铝理论上可以输出近3度电，只要有足够的金属，就可以一直输出电能，在小功率输出时寿命长，可以免维护；

9、(5)单位面积的金属板表面等效输出功率范围广，可以从几瓦到几百瓦不等，用镁、铝、锌等原材料，获取容易，成本低，而且这些金属在海洋环境中广泛分布，生成物自然环保无污染。

技术特征：

1.一种用于深海的海水电池，其特征在于，所述海水电池包括外壳、一组阳极板、一组阴极板、进水管、出水管、热交换器以及排泥阀；阳极板为沿外壳圆周等间距分布的活泼金属合金板，阴极板为沿中央的轴同轴圆周等间距或等角度分布的惰性金属合金板，阳极板与阴极板互相交错间隔分布，其中，阴极板固定在中央的轴上，阳极板固定在外壳上，阴极板和阳极板之间有间隙，二者不接触；外壳形成一个圆筒形的内部空腔，将阴极板和阳极板包括在内；热交换器形成位置在外壳空腔的顶部，进水管和出水管分别穿过热交换器，其中进水管露在空腔外部较短，且呈弯钩状，内部伸入较长，开口于空腔底部，出水管露在外部较长，内部伸入较短，开口于空腔顶部，出水管和进水管都位于空腔中央轴线附近；海水电池沉入大海以后海水通过进水管进入空腔，与阳极板、阴极板共同组成原电池，通过阳极板和阴极板引线输出电能，界面反应释放的能量加热空腔内的海水；在空腔的底部，有一个排泥阀；在外壳的外面包裹有保温材料。

2.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，外壳的空腔的上下部分设计为锥形，便于内部海水的对流和阳极泥向排泥阀的汇聚。

3.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，所有阳极板通过导线互相并联接出一根引线，所有阴极板通过导线互相并联接触一根引线，作为电池输出的正负极。

4.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，出水管上端口处装有向外的单向阀，海水不会倒灌，进出水管外部都包覆保温材料。

5.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，阴极板的固定轴可以被平台外壳替换，进出水管、热交换器和排泥阀偏置于圆筒形外壳的一侧，且可以多组布置。

技术总结
本发明涉及一种用于深海的海水电池，包括：一组圆周等间距分布的阳极板，与一组同轴圆周等间距或等角度分布的阴极板，互相交错间隔分布，二者不接触。外壳将两组金属板都包括在内，形成一个内部空腔。进水管和出水管分别穿过热交换器，与外部和内部空腔连接导通。在外壳的外面包裹有保温材料。海水电池沉入大海以后海水通过进水管进入空腔，与阳极板、阴极板共同组成原电池，通过阳极板和阴极板引线输出电能，界面反应释放的能量加热空腔内的海水，外壳外面包裹的保温材料阻止热量的散失，热交换器内降低热量损失，排泥阀能自动打开，将阳极泥排出空腔。

技术研发人员：王厚生,马本栋,王建超,靳鹏云,白洁,温乃瑾,陈星汝,薛敬丹
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21