Водно-литиевый химический источник тока

 

Использование: в энергоустановке на основе первичных элементов с анодом из щелочного металла и водным электролитом. Сущность изобретения: водно-литиевый химический источник тока содержит литиевый анод, запрессованный в цилиндрический анодный стакан из токопроводящего материала, катод в виде установленного в цилиндрический корпус из токонепроводящего материала катододержателя с прикрепленной к его выступам катодной сеткой и размещенной по оси катододержателя распределительной насадкой, снабженный лабиринтной системой сбора электрлита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода, нижней и верхней лабиринтными шайбами, входной и выходной штуцеры, положительный и отрицательный электроды, систему контактного давления катод - анод на основе сильфона и устройство циркуляции электролита. Анодный стакан и корпус катода установлены в герметичный цилиндрический корпус из токонепроводящего материала, причем корпус катода установлен неподвижно и выполнен заодно с его крышкой, а анодный стакан установлен в герметичном корпусе с возможностью перемещения относительно этого корпуса и корпуса катода. Последний дополнительно снабжен лабиринтной системой равномерной подачи электролита к распределительной насадке, образованной кольцевым рядом отверстий, выполненных в катододержателе над распределительной насадкой, верхней поверхностью и выполненным смешенным к середине верхней поверхности внутренним кольцевым выступом верхней лабиринтной шайбы системы сбора электролита, нижней поверхностью корпуса катода и установленной непосредственно на верхнюю лабиринтную шайбу дополнительной лабиринтной шайбой, имеющей сверху внешнюю полукольцевую и внутреннюю кольцевую с отверстиями канавки, нижний внутренний выступ и отверстие для прохода электролита от системы его сбора к выходному штуцеру. Входной штуцер установлен симметрично выходному штуцеру относительно оси корпуса катода, нижний конец положительного электрода выполнен в виде венчика из пружинных лепестков, снабженных наружными выступами на концах, катододержатель установлен непосредственно на венчике упомянутого электрода, отрицательный электрод выполнен в виде смещенных на равный угол относительно друг друга пружинных лепестков, каждый из которых помещен в паз на боковой поверхности корпуса катода и закреплен на стойке, размещенной внутри корпуса катода параллельно положительному электроду, причем стойки соединены между собой над корпусом катода электродным кольцом. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области генерирования электрической энергии, а именно к способам и устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, в частности к первичным элементам с водным электролитом на основе щелочных металлов, преимущественно лития.

Известны два варианта конструкций водно-литиевого химического источника тока: первый с неподвижным литиевым анодом, второй с подвижным [1] В обоих случаях электрод запрессован в анод, причем анодный стакан выполнен из токонепроводящего материала, а система циркуляции электролита включает пространство анодной камеры над катодной сеткой и штуцеры для подключения к побудителю циркуляции электролита. В первом варианте неподвижный литиевый анод запрессован в анодный стакан, а подвижная катодная сетка опускается по мере электрохимического растворения анода.

В этом варианте не обеспечивается равномерность течения электролита над сеткой и растворение анода происходит неравномерно, что ограничивает возможность создания источников тока достаточной мощности со стабильными электрохимическими характеристиками во времени.

Во втором варианте подвижный анод, снабженный на боковых и задней поверхностях защитной пленкой, прижимается пружиной к неподвижной катодной сетке, вдоль которой прокачивается электролит.

Однако и в этом случае не обеспечиваются как равномерность скорости движения и концентрации электролита по поверхности катодной сетки, так и длительная защита от коррозии боковых поверхностей анода, вследствие чего происходит постоянное усиление реакции химической коррозии литиевого анода, что ограничивает время стабильной работы источника. Кроме того, затруднена еще и перезарядка анодов.

Известен также водно-литиевый химический источник тока [2] содержащий запрессованный в цилиндрический стакан неподвижный литиевый анод, подвижный катод в виде установленного в цилиндрический корпус катододержателя с прикрепленной к его выступам катодной сеткой, систему катодного давления катод анод, устройство циркуляции электролита, входной и выходной штуцеры, в котором анодный стакан выполнен из токопроводящего материала, а литиевый анод запрессован в анодный стакан с обеспечением непосредственного электрического контакта между ними, корпус катода выполнен из токонепроводящего материала, имеет у основания кольцевой выступ и снабжен лабиринтной системой сбора электролита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода, выходным штуцером, а также верхней и нижней лабиринтными шайбами, имеющими внутренние и наружные кольцевые выступы, причем верхняя лабиринтная шайба выполнена с отверстиями, а внутренний выступ нижней лабиринтной шайбы с прорезями, входной штуцер размещен по оси катододержателя и выполнен на выходе c распределительной наcадкой с концентрическими рядами отверстий и наклонными кольцевыми ребрами, расположенными против выходов этих отверстий, и центральным отверстием, выполненным расширяющимся в сторону выхода.

Величина зазора между катодной сеткой и нижней поверхностью катододержателя в каждой точке выполнена обратно пропорциональной расстоянию до оси катода. Верхняя лабиринтная шайба выполнена с двумя отверстиями, а внутренний кольцевой выступ нижней лабиринтной шайбы выполнен с четырьмя прорезями, при этом ось отверстий верхней лабиринтной шайбы повернута на 90^о относительно оси выходного штуцера к крышке корпуса катода, а оси прорезей внутреннего кольцевого выступа нижней лабиринтной шайбы повернуты на 45^о относительно оси отверстий верхней лабиринтной шайбы.

Распределительная насадка снабжена внешним наклонным кольцевым ребром, фиксирующим насадку в катододержателе. По внешней кромке литиевого анода под кольцевым выступом катода выполнен уступ. Дно анодного стакана выполнено с кольцевыми проточками.

По своей технической сущности, составу существенных признаков и достигаемому техническому результату данный химический источник тока является наиболее близким к заявляемому.

Основным недостатком данной конструкции источника тока является то, что в его лабиринтной системе сбора электролита входной штуцер выполнен по оси катододержателя и используется одновременно в качестве положительного вывода. Такое совмещение системы циркуляции электролита и системы электрических соединений отрицательно сказывается на надежности источника тока в целом. Кроме того, при такой конструкции источника тока для каждой замены анода необходимо снимать резиновый рукав и отсоединять отрицательный электрод от анодного стакана, а для замены катодной сетки необходима почти полная разборка корпуса катода с отсоединением от системы циркуляции электролита и электрической цепи. Все это создает значительные неудобства при обслуживании источника тока и требует для этого больших затрат времени.

В основу изобретения положена задача разработать такую конструкцию водно-литиевого химического источника тока, чтобы было обеспечено повышение надежности работы источника, увеличение срока его службы, а также повышение удобства обслуживания.

Поставленная задача решается тем, что в водно-литиевом химическом источнике тока, содержащем литиевый анод, запрессованный в цилиндрический анодный стакан из токопроводящего материала, катод, в виде установленного в цилиндрический корпус из токонепроводящего материала катододержателя с прикрепленной к его выступам катодной сеткой и размещенной по оси катододержателя распределительной насадкой, снабженный лабиринтной системой сбора электролита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода, нижней и верхней лабиринтными шайбами, входной и выходной штуцеры, положительный и отрицательный электроды, систему контактного давления катод анод и устройство циркуляции электролита, анодный стакан и корпус катода установлены в герметичный цилиндрический корпус из токонепроводящего материала, причем корпус катода установлен неподвижно и выполнен заодно с его крышкой, а анодный стакан установлен в герметичном корпусе с возможностью перемещения относительно этого корпуса и корпуса катода, последний дополнительно снабжен лабиринтной системой равномерной подачи электролита к распределительной насадке, образованной кольцевым рядом отверстий, выполненных в катододержателе над распределительной насадкой, верхней поверхностью и выполненным смещенным к середине верхней поверхности внутренним кольцевым выступом верхней лабиринтной шайбы системы сбора электролита, нижней поверхностью корпуса катода и установленной непосредственно на верхнюю лабиринтную шайбу дополнительной лабиринтной шайбой, имеющей сверху внешнюю полукольцевую и внутреннюю кольцевую с отверстиями канавки, нижний внутренний выступ и отверстие для прохода электролита от системы его сбора к выходному штуцеру, входной штуцер установлен симметрично выходному штуцеру относительно оси корпуса катода, нижний конец положительного электрода выполнен в виде венчика из пружинных лепестков, снабженных выступами на концах, катододержатель установлен непосредственно на венчике упомянутого электрода, а между нижней крышкой корпуса источника тока и дном анодного стакана установлен упругий элемент, подключенный к системе контактного давления катод анод. В дополнительной лабиринтной шайбе из концов внешней полукольцевой канавки во внутреннюю кольцевую канавку выполнены два паза, а во внутренней кольцевой канавке выполнены четыре отверстия, оси которых смещены на 45^о относительно пазов внешней полукольцевой канавки, а нижний кольцевой выступ выполнен с внутренним скосом. Отрицательный электрод выполнен в виде, например, четырех смещенных на 90^о относительно друг друга пружинных лепестков, каждый из которых помещен в паз на наружной поверхности корпуса катода и закреплен на стойке, размещенной внутри корпуса катода параллельно положительному электроду, причем стойки соединены между собой вне корпуса катода электродным кольцом.

Выполнение анодного стакана подвижным, а катода неподвижным, их установка в герметичном корпусе из токонепроводящего материала, снабжение корпуса катода лабиринтной системой равномерной подачи электролита к распределительной насадке, предложенное расположение входного и выходного штуцеров, выполнение положительного электрода в виде стержня с венчиком на конце, а также установка между нижней крышкой корпуса источника тока и дном анодного стакана упругого элемента, который подключен к системе контактного давления катод анод позволяют отделить систему циркуляции электролита от системы электрических соединений и обеспечить равномерное и постоянное контактное давление катод анод по мере выработки литиевого анода, а следовательно, повысить надежность источника тока, увеличить срок его службы, сделать более удобным обслуживание источника тока.

Легкосъемное крепление катододержателя упрощает и позволяет ускорить его снятие и установку при замене катодной сетки, а скользящим лепестковым токосъемом от анодного стакана к отрицательному выводу удается сделать удобными и надежными электрические соединения, а также еще более упростить процесс перезарядки анодного стакана новым литиевым анодом.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков стало возможным увеличить надежность источника тока, увеличить срок службы и обеспечить определенные удобства в обслуживании. Кроме того, удалось достичь более высокой технологичности при сборке и разборке источника тока.

На фиг. 1 представлен водно-литиевый химический источник тока в разрезе; на фиг. 2 корпус катода в разрезе; на фиг. 3 показана нижняя поверхность катододержателя; на фиг. 4 и 5 распределительная насадка в профиле и плане; на фиг. 6 и 7 верхняя лабиринтная шайба в профиле и плане; на фиг. 8 и 9 нижняя лабиринтная шайба в профиле и плане; на фиг. 10 и 11 дополнительная лабиринтная шайба в профиле и плане.

Водно-литиевый химический источник тока (фиг.1) состоит из литиевого анода 1, запрессованного с обеспечением непосредственного электрического контакта в анодный стакан 2, герметичного цилиндрического корпуса 3, выполненного из токонепроводящего материала, корпуса катода 4, установленного неподвижно в корпусе 3 и выполненного заодно с крышкой последней, и упругого элемента 5 в виде сильфона, размещенного в корпусе 3 между его нижней крышкой 6 и анодным стаканом 2. Анодный стакан установлен в корпусе 3 с возможностью перемещения относительно как самого корпуса 3, так и корпуса катода 4 под действием усилия, создаваемого с помощью сильфона 5. Сильфон снабжен штуцером 7 для подключения его к системе создания контактного давления катод анод. Штуцер 7 крепится к нижней крышке 6 корпуса 3 с помощью гайки 8, шайбы 9 и уплотнения 10. Сама нижняя крышка 6 крепится к корпусу 3 источника тока с помощью винтов 11 и уплотнения 12. Корпус катода 4 крепится к корпусу 3 источника тока с помощью винтов 13 и уплотнения 14. Корпус катода 4 снабжен входным 15 и выходным 16 штуцерами, нижней 17, верхней 18 и дополнительной 19 лабиринтными шайбами, катододержателем 20 с кольцевым рядом отверстий 21, распределительной насадкой 22 и катодной сеткой 23, прикрепленной к ребрам 24 катододержателя 20. По оси корпуса катода 4 установлен положительный электрод 25 с венчиком 26 на конце из пружинных лепестков, снабженных на концах наружными выступами, на которых крепится катододержатель 20. Положительный электрод 25 крепится с помощью гайки 27 и уплотнителя 28 к корпусу катода 4. К положительному электроду 25 с помощью гайки 29 крепится положительный вывод 30.

В корпусе катода 4 (фиг.2) на боковой его поверхности выполнены смещенные на равный угол относительно друг друга пазы 31, в которых установлены отрицательные электроды в виде пружинных лепестков 32, прикрепленных с помощью винтов 33 и уплотнителей 34 к электродным стойкам 35. К последним с помощью винтов 36 крепятся электродное кольцо 37 и отрицательный вывод 38.

Нижняя поверхность катододержателя 20 (фиг.3) выполнена с кривизной, обеспечивающей в радиальном направлении постоянство поперечных сечений для потока электролита, и содержит ребра 24 для крепления катодной сетки 23 и промежуточные выступы 39, ориентированные радиально и служащие для придания катодной сетке 23 жесткости.

Распределительная насадка 22 (фиг. 4 и 5) содержит несколько рядов (в приведенном примере три) концентрических отверстий 40 и расширяющееся к выходу центральное отверстие 41, отклоняющие ребра 42, предназначенные для отклонения под определенным углом выходящих из отверстий 40 потоков электролита. Ребро 43 предназначено для фиксации положения распределительной насадки 22 в катододержателе 20.

Лабиринтная система сбора электролита образована боковой и верхней поверхностями катододержателя 20, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода 4, нижней 17 и верхней 18 лабиринтными шайбами. Верхняя лабиринтная шайба 18 (фиг.6 и 7) имеет отверстия 44 и снабжена дополнительным верхним кольцевым выступом 45. Отверстия 44 в шайбе 18 расположены под углом 180^о друг к другу. Нижняя лабиринтная шайба 17 (фиг.8 и 9) снабжена внутренним кольцевым выступом 46 с четырьмя прорезями 47, расположенными под углом 90^о друг к другу.

Лабиринтная система равномерной подачи электролита к распределительной насадке 22 образована кольцевым рядом отверстий 21, выполненных в катододержателе 20 над распределительной насадкой 22, верхней поверхностью и верхним кольцевым выступом 45 верхней лабиринтной шайбы 18 системы сбора электролита, нижней поверхностью корпуса катода 4 и установленной непосредственно на верхнюю лабиринтную шайбу 18 дополнительной лабиринтной шайбой 19 (фиг.10 и 11). Лабиринтная шайба 19 имеет сверху внешнюю полукольцевую канавку 48, внутреннюю кольцевую канавку 49 с четырьмя отверстиями 50, сквозное отверстия 51 и нижний внутренний выступ 52 с внутренним скосом. Полукольцевая канавка 48 и кольцевая канавка 49 соединены между собой пазами 53. Оси отверстий 50 смещены на 45^о относительно пазов 53. Сама шайба 19 установлена так, что входной штуцер 15 находится над серединой полукольцевой канавки 48, т. е. под углом 90^о к пазам 53, а выходной штуцер 16 находится над сквозным отверстием 51.

Работа водно-литиевого химического источника тока.

Электролит под воздействием устройства циркуляции (не показан) поступает в источник тока через входной штуцер 15 в полукольцевую канавку 48 дополнительной лабиринтной шайбы 19 (фиг.10 и 11), затем через пазы 53 и кольцевую канавку 49 в отверстия 50, далее через зазор между выступом 52 шайбы 19 и верхней поверхностью лабиринтной шайбы 18 электролит поступает в отверстия 21 катододержателя 20 и через распределительную насадку 22 в пространство над катодной сеткой 23. Затем электролит проходит между боковой поверхностью катододержателя 20 и нижним выступом корпуса катода 4, между верхней поверхностью катододержателя 20 и нижней поверхностью нижней лабиринтной шайбы 17, через прорези 47 шайбы 17 в пространство между нижней 17 и верхней 18 лабиринтными шайбами, через отверстия 44 шайбы 18 в пространство между наружным и дополнительным выступом 45 шайбы 18 и нижней поверхностью дополнительной шайбы 19 и через отверстие 51 шайбы 19 поступает в выходной штуцер 16. Принцип действия лабиринтных систем заключается в выравнивании длин путей электролита и в создании равномерного гидравлического сопротивления для потоков электролита во всех точках, т.е. лабиринтные системы подачи и сбора электролита вместе с распределительной насадкой 22 обеспечивают равномерную скорость течения электpолита над катодной сеткой 23 и равномерное растворение литиевого анода 1 в течение всего времени работы химического источника тока.

Таким образом, водно-литиевый химический источник тока работает до полного расходования литиевого анода 1 любой толщины без какого-либо ухудшения электрических характеристик.

Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы водно-литиевых химических источников тока и проведены их испытания. Как показали результаты испытаний данных источников тока, удалось существенно повысить надежность их работы, значительно упростить обслуживание, а особенно перезарядку анодов. Это естественно позволяет увеличить срок службы источника тока.

Формула изобретения

1. ВОДНО-ЛИТИЕВЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА, содержащий литиевый анод, запрессованный в цилиндрический анодный стакан из токопроводящего материала, катод в виде установленного в цилиндрический корпус из токонепроводящего материала катододержателя с прикрепленной к его выступам катодной сеткой и размещенной по оси катододержателя распределительной насадкой, снабженной лабиринтной системой сбора электролита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода, нижней и верхней лабиринтными шайбами, входной и выходной штуцеры, положительный и отрицательный электроды, систему контактного давления катод - анод на основе сильфона и устройство циркуляции электролита, отличающийся тем, что анодный стакан и корпус катода установлены в герметичный цилиндрический корпус из токонепроводящего материала, причем корпус катода установлен неподвижно и выполнен за одно с его крышкой, а анодный стакан установлен в герметичном корпусе с возможностью перемещения относительно этого корпуса и корпуса катода, причем последний дополнительно снабжен лабиринтной системой равномерной подачи электролита к распределительной насадке, образованной кольцевым рядом отверстий, выполненных в катододержателе над распределительной насадкой, верхней поверхностью и выполненным смещенным к середине верхней поверхности внутренним кольцевым выступом верхней лабиринтной шайбы системы сбора электролита, нижней поверхностью корпуса катода и установленной непосредственно на верхнюю лабиринтную шайбу дополнительной лабиринтной шайбой, имеющей сверху внешнюю полукольцевую и внутреннюю кольцевую с отверстиями канавки, нижний внутренний выступ и отверстие для прохода электролита от системы его сбора к выходному штуцеру, входной штуцер установлен симметрично выходному штуцеру относительно оси корпуса катода, нижний конец положительного электрода выполнен в виде венчика из пружинных лепестков, снабженных наружными выступами на концах, катододержатель установлен непосредственно на венчике упомянутого электрода, отрицательный электрод выполнен в виде смещенных на равный угол друг относительно друга пружинных лепестков, каждый из которых помещен в паз на боковой поверхности корпуса катода и закреплен на стойке, размещенной внутри корпуса катода параллельно положительному электроду, причем стойки соединены между собой над корпусом катода электродным кольцом.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что в дополнительной лабиринтной шайбе каждый конец внешней полукольцевой канавки соединен пазом с внутренней кольцевой канавкой, причем в последней выполнены четыре отверстия, оси которых смещены на 45^o относительно пазов, а нижний кольцевой выступ выполнен с внутренним скосом.

3. Источник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в дополнительной лабиринтной шайбе пазы из внешней полукольцевой канавки во внутреннюю кольцевую канавку смещены на 90^o относительно входного штуцера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11