Химический источник тока ампульного типа

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к резервным химическим источникам тока ампульного типа. Техническим результатом изобретения является разработка химического источника тока ампульного типа с минимизированным объемом при сохранении высоких разрядных характеристик. Согласно изобретению химический источник тока ампульного типа содержит в корпусе с крышкой, колпаком и перфорированной перегородкой для впуска электролита в электродные блоки, по крайней мере, одну ампулу с неводным электролитом на основе тионилхлорида и расчетное количество электродных блоков. Ампула выполнена в виде сильфона с подвижным основанием с размещенной на нем разрушающейся мембраной с возможностью перемещения этого подвижного основания в осевом направлении к электродным блокам, активной системы из слоев анода из щелочного металла и углеродного катода, разделенных между собой пористым сепаратором. В корпусе в центре перфорированной неподвижной перегородки, разделяющей ампулу и электродный блок, установлены средство для вскрытия мембраны ампулы, источник импульса давления для задействования средства вскрытия мембраны ампулы, герметично закрепленная разрушающаяся мембрана на подвижном основании ампулы, обращенном к неподвижной перфорированной перегородке каждого электродного блока. На входе в электродные блоки вмонтирована перфорированная перегородка для перетекания электролита таким образом, что разрушающаяся мембрана ампулы перекрывает вход в распределительную систему, через которую сообщены ампула и электродные блоки, при этом все электродные блоки ориентированы параллельно оси корпуса и оси источника импульса давления, который пневматически связан с сильфоном ампулы. Ампула с электролитом соединена с электродными блоками посредством единой распределительной системы. Активная система электродного блока выполнена в виде сжатой плоскогофрированной вдоль собственной продольной оси структуры из материала анода, в промежутках между гофрами которого установлены множественные пластины из материала катода в чехлах из пористого сепаратора, при этом катод выполнен в виде металлической сетки, на которую нанесен слой углерода. Все электродные блоки размещены таким образом, что их продольные и поперечные оси параллельны, центры поперечных осей лежат на кривых, симметричных относительно оси симметрии корпуса источника, при этом смежные грани их сопряжены между собой. 2 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, конкретно к резервным химическим источникам тока ампульного типа.

Известен химический источник тока ампульного типа, содержащий в корпусе расчетное количество электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых содержит электродный блок с активной системой из слоев, образованных анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенными между собой пористым сепаратором, ампулу с электролитом, систему вскрытия ампулы и подачи электролита в электродный блок (заявка Франции №2599895, МПК Н 01 М 6/38, опубл. 12.11.87 г.).

К недостаткам аналога относится недостаточно компактное выполнение элементов электродного блока - электродов и их размещение в батарее.

Известен в качестве наиболее близкого по технической сущности и достигаемому техническому результату химический источник тока ампульного типа, известный из патента РФ №2191448, МПК Н 01 М 6/32, опубл. БИ №29/02, от 20.10.2002 г., содержащий корпус, размещенные в нем расчетное количество электрохимических элементов, каждый из которых содержит расчетное количество электродных блоков, заполненных инертным газом под давлением ниже атмосферного, и, по крайней мере, одну ампулу с неводным электролитом на основе тионилхлорида, которая выполнена в виде сильфона с подвижным основанием и герметично размещенной на нем разрушающейся мембраной, средство вскрытия мембраны ампулы, при этом подвижное основание ампулы обращено в направлении к системе электродных блоков и установлено с возможностью перемещения его в осевом направлении к электродным блокам, каждый из которых имеет активную систему из слоев, образованных анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенных между собой пористым сепаратором, источник импульса давления для задействования средства вскрытия мембраны ампулы, при этом все электродные блоки ориентированы параллельно оси корпуса и оси источника импульса давления, который пневматически связан с сильфоном ампулы, гофрированный элемент, охватывающий ампулу и перфорированную перегородку по образующей с внешней стороны, при этом в качестве электродов и сепаратора используются свернутые в рулон слои соответствующего металла.

К недостаткам прототипа относятся также недостаточно компактное и рациональное выполнение электрохимических элементов в корпусе источника и электродов, выполненных в виде рулонов в составе каждого электрохимического элемента, что не обеспечивает и последующее компактное размещение их в батарее, а также недостаточно высокие удельные характеристики мощности источника.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка электрохимического элемента для химического источника тока ампульного типа с минимизированным объемом для решения проблем жестких габаритных ограничений повышенной удельной мощности при сохранении высоких разрядных характеристик.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого химического источника тока ампульного типа, заключается в повышении эффективности работы за счет улучшения удельных характеристик энергетической мощности электрохимического элемента, обеспечении минимизации объема одного электрохимического элемента для возможности компактной компоновки нескольких подобных ему в единый источник тока при одновременном сохранении разрядных характеристик.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в известном химическом источнике тока ампульного типа (АХИТ), содержащем корпус, размещенные в нем расчетное количество электрохимических элементов, каждый из которых содержит расчетное количество электродных блоков, заполненных инертным газом под давлением ниже атмосферного, и, по крайней мере, одну ампулу с неводным электролитом на основе тионилхлорида, которая выполнена в виде сильфона с подвижным основанием и герметично размещенной на нем разрушающейся мембраной, средство вскрытия мембраны ампулы, при этом подвижное основание ампулы обращено в направлении к системе электродных блоков и установлено с возможностью перемещения его в осевом направлении к электродным блокам, каждый из которых имеет активную систему из слоев, образованных анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенных между собой пористым сепаратором, источник импульса давления для задействования средства вскрытия мембраны ампулы, при этом все электродные блоки ориентированы параллельно оси корпуса и оси источника импульса давления, который пневматически связан с сильфоном ампулы, гофрированный элемент, охватывающий ампулу и перфорированную перегородку по образующей с внешней стороны, в соответствии с предлагаемой конструкцией ампула с электролитом сообщена с электродными блоками посредством единой распределительной системы, а разрушающаяся мембрана ампулы перекрывает вход в эту распределительную систему, на входе в электродные блоки вмонтирована перфорированная неподвижная перегородка для перетекания электролита, закрепленная с зазором относительно ампулы, средство для вскрытия мембраны ампулы зафиксировано в центре перфорированной неподвижной перегородки, активная система каждого электродного блока выполнена в виде сжатой плоскогофрированной вдоль собственной продольной оси структуры, в промежутках между гофрами которого установлены множественные пластины из материала катода в чехлах из пористого сепаратора, при этом катод выполнен в виде металлической сетки, на которую нанесен слой углерода со связующим материалом, все электродные блоки размещены таким образом, что их продольные и поперечные оси параллельны, а центры поперечных осей лежат на кривых, симметричных относительно оси симметрии корпуса источника, при этом смежные грани электродных блоков сопряжены между собой.

Сущность предлагаемого химического источника тока ампульного типа заключается в следующем.

На фиг.1 изображен химический источник тока ампульного типа, где 1 - корпус, 2 - крышка корпуса, 3 - колпак, 4 - электрохимический элемент.

На виде сверху А-А фиг.1 изображены:

5 - электродные блоки, 6 - источник импульса давления.

На фиг.2 показан электрохимический элемент, где 1 - корпус, 5 - электродные блоки (разрывающаяся мембрана ампулы не показана), 7 - ампула с неводным электролитом.

На фиг.2, вид Б-Б показана в разрезе часть электродного блока, раскрывающая форму выполнения отрицательного электрода 8, положительного электрода 9 и сепараторов 10 между ними.

Из фиг.2, вид Б-Б, видно, что оптимальным в плане компактирования ЭХЭ и минимизации габаритов собранной из ЭХЭ данного вида источника тока является их оформление в виде сжатой плоскогофрированной вдоль собственной продольной оси структуры из материала анода, в промежутках между гофрами которого установлены множественные пластины из материала катода в чехлах из пористого сепаратора, что конструктивно подобно изогнутой структуре типа «зиг-заг» или «гармошка».

Геометрически такая конфигурация электродов имеет преимущества в решении проблемы пространственного позиционирования электродов с соблюдением принципа симметрии (равенства расстояний между ними во всем пространстве электродного блока) по сравнению с прототипом.

Такое выполнение электродов, кроме того, является наиболее рациональным и в плане соответствия жестким требованиям по габаритным ограничениям, существующим для определенного типа источников резервного типа (АХИТ) в целом.

При этом все рабочие поверхности электродов более доступны для электролита, чем в случае исполнения электродов в виде свернутых в рулон листов материалов, как это предусмотрено в прототипе, что ускоряет протекание электрохимических реакций на катоде и аноде, способствует полноте их реализации и значительно повышает эффективность работы АХИТ в целом и его удельную мощность.

Выполнение катода в виде металлической сетки, на которую нанесен слой углерода в сочетании со связующим (закрепляющим материалом), как это выявлено экспериментально, также способствует максимально эффективной работе АХИТ.

В предлагаемом источнике ампула с электролитом сообщена с электродными блоками посредством единой распределительной системы, а разрушающаяся мембрана ампулы перекрывает вход в эту распределительную систему, на входе в электродные блоки вмонтирована перфорированная неподвижная перегородка для перетекания электролита, закрепленная с зазором относительно ампулы.

Применение такого расположения в предлагаемом АХИТ функциональных частей, при котором все электродные блоки размещены таким образом, что их продольные и поперечные оси параллельны, центры поперечных осей лежат на кривых, симметричных относительно геометрического центра (оси симметрии) корпуса источника, при этом смежные грани их сопряжены между собой - также способствует максимально рациональному использованию всего рабочего пространства и еще большему компактированию конструкции. Кроме того, питание одной ампулой партии электродных блоков способствует максимальной синхронизации процесса активации предлагаемой многоместной батареи ЭХЭ, большей эффективности ее при срабатывании. Кроме того, использование общей неподвижной перфорированной перегородки для всех электродных блоков ЭХЭ позволяет значительно уменьшить риск попадания остатков разрывающейся мембраны ампулы в рабочее пространство электродных блоков, а также синхронизации процесса заполнения их электролитом.

В качестве электролита в предлагаемом источнике, как и в прототипе, также использован неводный электролит на основе тионилхлорида, поскольку при этом в сочетании с предлагаемой активной системой реализуются и работоспособность и достаточно высокие разрядные характеристики устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При активации химического источника тока, состоящей из отдельных ЭХЭ предлагаемого типа, (при срабатывании источника импульса давления для задействования средства вскрытия мембраны ампулы) происходит заполнение электролитом полости каждого электродного блока ЭХЭ через неподвижную перфорированную перегородку и на внешних клеммах источника регистрируется напряжение расчетной величины. Заполнение электролитом всех участков рабочей полости электродных блоков происходит с меньшей задержкой, что уменьшает продолжительность приведения батареи из предлагаемых ЭХЭ в состояние готовности.

Экспериментальные исследования предлагаемого АХИТ позволили выявить, что по сравнению с вариантом исполнения образца АХИТ по прототипу предлагаемый позволяет получить в ˜1,5-1,8 раз большую величину удельной мощности, чем это достигнуто в известном устройстве. Уровень других разрядных характеристик соответствует уровню характеристик прототипа.

Таким образом при использовании предлагаемого ЭХЭ обеспечивается минимизация объема одного элемента для обеспечения, как следствие, возможности компоновки нескольких подобных ему в компактную батарею, повышение эффективности работы батареи в целом за счет улучшения удельных характеристик энергетической мощности электрохимического элемента при одновременном сохранении разрядных характеристик последней.

Возможность промышленного применения предлагаемого ЭХЭ подтверждается следующим примером.

Пример.

В качестве химического источника тока из отдельных ЭХЭ в лабораторных условиях был подвергнут экспериментальной проверке опытный образец АХИТ (химического источника тока ампульного типа), содержащий в корпусе с крышкой, колпаком, набором ЭХЭ с электродными блоками и перфорированной неподвижной перегородкой для впуска электролита в электродные блоки, ампулу с тионилхлоридом в качестве неводного электролита, электродные блоки, содержащие активную систему из слоев, образованных анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенными между собой пористым сепаратором (фиг.1), фиг.2.

Химический источник тока (АХИТ) выполнен в виде цилиндра и состоит из блока ЭХЭ 4, в который входит расчетное число секций электродных блоков 5, корпуса 1, крышки 2, колпака 3. ЭХЭ в блоке расположены таким образом, чтобы использовать наиболее полно заданный объем АХИТ.

В центре основания блока ЭХЭ установлены источники импульса давления, пневматически соединенные с ампулами ЭХЭ.

Блок ЭХЭ, закрепленный в корпусе, с одной стороны закрыт крышкой, с другой - колпаком, обеспечивающим защиту от механических и климатических воздействий.

Каждый ЭХЭ состоит из блока электролитного 12 (куда входит ампула с электролитом) и секции электродов 5. Блок электролитный включает ампулу, заполненную электролитом, выполненную в виде сильфона, основание с мембраной и элементом вскрытия ампулы, выполненное в виде пробойника в центре перфорированной перегородки, и переходные кольца, защитный корпус. Секция электродных блоков набрана из расчетного количества блоков электродов, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов, изолированных друг от друга, закрепленных на основании. При объединении блока электролитного и секций электродов, происходящем при задействовании АХИТ, между основаниями обоих блоков образуется свободное пространство, обеспечивающее одновременное заполнение всех электродных блоков электролитом.

Конструкция электродного блока представлена на фиг.2. Блок электродов состоит из корпуса 1, верхней и нижней крышек 2 с гермовыводом 11. Внутри корпуса расположен пакет электродов, состоящий из катодов и анодов, разделенных пористым сепаратором.

Активная система одного электродного блока 5 ЭХЭ 4 выполнена в виде сжатой плоскогофрированной вдоль собственной продольной оси структуры из материала анода, в промежутках между гофрами которого установлены множественные пластины из материала катода в чехлах из пористого сепаратора 10.

В электродном блоке содержится набор отрицательного и положительного электродов, изогнутых в виде структуры «зиг-заг» вдоль собственной продольной оси, закрепленных в корпусе электродного блока. В условиях данного примера анод выполнен из литиевой ленты, катод выполнен из никелевой сетки, на которую нанесен слой активной углеродной массы. Катод помещен в чехол из сепаратора, выполненного из микропористого полипропилена. Все электродные блоки размещены таким образом, что их продольные и поперечные оси параллельны, центры поперечных осей лежат на кривых, симметричных относительно геометрического центра (оси симметрии) корпуса источника, при этом смежные грани их сопряжены между собой.

После активации батареи из нескольких образцов ЭХЭ были сняты контрольные измерения показателей и определены характеристики источника тока.

Результаты контрольных измерений приведены в таблице.

Как это показано в условиях экспериментальной отработки предлагаемого устройства по сравнению с вариантом исполнения опытного образца АХИТ по прототипу, предлагаемый позволяет получить в ˜1,5-1,8 раз большую величину удельной мощности, чем это достигнуто в известном устройстве. Уровень других разрядных характеристик соответствует уровню характеристик прототипа.

Таким образом, экспериментальные исследования предлагаемого АХИТ позволили выявить, что, в отличие от прототипа достигнуты более высокие показатели компактности, эффективности работы и удельной мощности химического источника тока на основе ЭХЭ предлагаемого типа при одновременном сохранении разрядных характеристик.

Химический источник тока ампульного типа, содержащий корпус, размещенные в нем расчетное количество электрохимических элементов, каждый из которых содержит расчетное количество электродных блоков, заполненных инертным газом под давлением ниже атмосферного, и, по крайней мере, одну ампулу с неводным электролитом на основе тионилхлорида, которая выполнена в виде сильфона с подвижным основанием и герметично размещенной на нем разрушающейся мембраной, средство вскрытия мембраны ампулы, при этом подвижное основание ампулы обращено в направлении к системе электродных блоков и установлено с возможностью перемещения его в осевом направлении к электродным блокам, каждый из которых имеет активную систему из слоев, образованных анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенных между собой пористым сепаратором, источник импульса давления для задействования средства вскрытия мембраны ампулы, при этом все электродные блоки ориентированы параллельно оси корпуса и оси источника импульса давления, который пневматически связан с сильфоном ампулы, гофрированный элемент, охватывающий ампулу и перфорированную перегородку по образующей с внешней стороны, отличающийся тем, что ампула с электролитом сообщена с электродными блоками посредством единой распределительной системы, а разрушающаяся мембрана ампулы перекрывает вход в эту распределительную систему, на входе в электродные блоки вмонтирована перфорированная неподвижная перегородка для перетекания электролита, закрепленная с зазором относительно ампулы, средство для вскрытия мембраны ампулы зафиксировано в центре перфорированной неподвижной перегородки, активная система каждого электродного блока выполнена в виде сжатой плоскогофрированной вдоль собственной продольной оси структуры, в промежутках между гофрами которого установлены множественные пластины из материала катода в чехлах из пористого сепаратора, при этом катод выполнен в виде металлической сетки, на которую нанесен слой углерода со связующим материалом, все электродные блоки размещены таким образом, что их продольные и поперечные оси параллельны, а центры поперечных осей лежат на кривых, симметричных относительно оси симметрии корпуса источника, при этом смежные грани электродных блоков сопряжены между собой.