[1]Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, преобразующим химическую энергию в электрическую, и предназначено для применения в качестве источника питания различных устройств кратковременного и импульсного действия в наземной, авиационной и космической технике.
[2]Известен химический источник тока (ХИТ) с реакционно формирующимся электролитом, содержащий герметичный корпус, в котором размещены электродные камеры: анодная с жидким анодным веществом, катодная с жидким катодным веществом, сепаратор в виде капиллярной структуры из электроизоляционного материала, например керамики, в которой находится твердый электролит, являющийся химическим соединением или смесью соединений анодного и катодного веществ, а также близлежащие к нему слои анодного и катодного веществ (см. Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Химические источники тока с реакционно формирующимся электролитом. - М.: Изд-во МАИ, 2013, с. 158-161). Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является патент RU 2585275, Н01М 6/18 (2006.01), Н01М 10/36 (2010.01).
[3]Катодные вещества данных ХИТ (S, Se, Те и др.) являются более плотными, чем анодные (Li, Na). Поэтому в наземных условиях катодная камера, изготовленная из электропроводного материала, располагается в нижней части корпуса, а анодная камера, изготовленная из электроизоляционного материала, например керамики, вставлена внутрь катодной камеры. Сепаратор герметично соединен с анодной камерой и вместе с ней погружен в жидкое катодное вещество.
[4]Поскольку продуктом электрохимической реакции является то же химическое соединение (смесь соединений), которое образует электролит, толщина последнего при разряде элемента и вследствие возможного саморазряда увеличивается. Поддержание очень малой толщины электролита (от нескольких нанометров до нескольких микрометров), обеспечивающее его достаточно низкое омическое сопротивление и высокую плотность разрядного тока, может обеспечиваться только растворением части электролита в электродах. Электролиты данных ХИТ преимущественно растворяются в катодных веществах. Кроме того, твердый электролит проводит в основном по катионам анодного вещества, поэтому его толщина в большей степени растет со стороны катода. Оба этих фактора, действуя вместе, приводят к увеличению объема катода и уменьшению объема анода. В результате возникает перепад давления на твердом электролите, который, будучи весьма тонким и мало прочным, может легко ломаться в порах сепаратора и элемент может выйти из строя.
[5]Под действием перепада давления электролит относительно сепаратора или анодная камера с сепаратором относительно катодной камеры должны перемещаться вверх, что привело бы к механической разгрузке электролита и сохранению его целостности. Однако вследствие адгезии твердого электролита к стенкам капилляров сепаратора он не может свободно перемещаться относительно сепаратора. Свободное перемещение вверх сепаратора вместе с анодной камерой также затруднено из-за трения стенок анодной и катодной камер друг относительно друга.
[6]В прототипе предлагаемого изобретения эта проблема решена размещением анодной камеры с сепаратором внутри катодной камеры с зазором, обеспечивающим их свободное перемещение друг относительно друга. Благодаря этому исключается поломка твердого электролита и, соответственно, повышается время разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки.
[7]Однако ХИТ, выполненный в соответствии с указанным изобретением, имеет существенный недостаток. Он может быть использован только в стационарных наземных условиях при вертикальной ориентировке продольной оси. При значительном изменении пространственного положения, а также при наличии инерционных нагрузок (перегрузки, тряска, вибрации) жидкие электродные вещества могут выливаться из электродных камер. Относительное положение стенок камер будет нарушено, возникнет трение между ними, приводящее к торможению их движения друг относительно друга, соответственно, повышению давления на электролит, уменьшению времени разряда на заданную нагрузку или вообще выходу его из строя. В условиях невесомости (в космосе) данная конструкция вообще не способна обеспечить достаточно длительный разряд, так как в отсутствие веса электродные вещества электродных камер и инертный газ займут неопределенное пространственное положение друг относительно друга.
[8]Целью предлагаемого изобретения является увеличение времени разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки при работе в любых пространственных положениях, действии перегрузок на Земле и околоземном пространстве, при эксплуатации в невесомости (авиация и космонавтика).
[9]Техническим результатом является сохранение работоспособности ХИТ при разряде на внешнюю нагрузку в указанных условиях.
[10]Поставленная цель достигается тем, что в ХИТ с реакционно формирующимся электролитом, содержащем анодную и выполненную из электропроводного материала катодную камеры с жидкими электродными веществами, разделяющий анодную и катодную камеры сепаратор с твердым электролитом в виде химического соединения или смеси соединений анодного и катодного веществ и близлежащими к электролиту слоями анодного и катодного веществ, при этом свободное пространство внутри корпуса заполнено инертным газом, в отличие от известных решений анодная камера выполнена из электропроводного материала, электродные камеры герметично соединены друг с другом через изолятор, сепаратор соединен с изолятором или изолятор выполнен как единое целое с сепаратором, электродные камеры заполнены капиллярно-пористыми структурами из электропроводного материала, смачиваемыми электродными веществами, например металлического или графитового войлока, электродные вещества размещены в порах соответствующих капиллярно-пористых структур, причем до начала разряда катодное вещество занимает только часть катодной капиллярно-пористой структуры, прилегающую к сепаратору, а объем пор свободной части этой структуры не меньше объема анодного вещества, и ХИТ дополнительно содержит перепускное устройство для выравнивания давления газа между электродными камерами, выполненное в виде трубки из электроизоляционного материала, например керамики, соединяющей газовые полости анодной и катодной камер. Трубка перепускного устройства может быть размещена внутри ХИТ или обходить его снаружи.
[11]Размещение электродных веществ в смачиваемых ими капиллярно-пористых структурах и наличие свободного объема в капиллярно-пористой структуре катодной камеры позволяет избежать:
[12]1) механического разрушения твердого электролита, так как по мере увеличения объема катодной смеси в процессе разряда она будет непрерывно перетекать в свободный объем пор катодной капиллярно-пористой структуры. При этом возрастающее в катоде и уменьшающееся в аноде давление газа будет непрерывно выравниваться благодаря перетеканию газа из катода через перепускное устройство в анод;
[13]2) влияния гравитационных и инерционных сил на эксплуатационные характеристики ХИТ, так как жидкие электродные вещества удерживаются в порах капиллярными силами, которые при малых размерах пор превышают гравитационные и инерционные силы, возникающие при любых перегрузках. Невесомость также не будет влиять на работоспособность ХИТ, так как все элементы конструкции фиксированы друг относительно друга, что исключает неопределенность их взаимного положения.
[14]На чертеже показана схема предлагаемой конструкции ХИТ. Жидкое анодное вещество 1 размещено в анодной камере 2 из электропроводного материала в порах смачиваемой им анодной капиллярной структуры 3 и перед началом разряда ХИТ занимает весь их объем. Жидкое катодное вещество 4 размещено в катодной камере 5 в порах смачиваемой им катодной капиллярной структуры 6 и перед началом разряда ХИТ занимает только ее часть, прилегающую к сепаратору, при этом объем пор свободной части катодной капиллярно-пористой структуры не меньше объема анодного вещества. Твердый электролит 7, являющийся химическим соединением или смесью соединений анодного и катодного веществ, размещен в порах сепаратора 8, также выполненного в виде капиллярно-пористой структуры из электроизоляционного материала, например керамики. Анодная и катодная камеры герметично соединены друг с другом через изолятор 9. Сепаратор, разделяя анод и катод, присоединен к изолятору или выполнен как единое целое с ним. Все свободное пространство внутри ХИТ заполнено инертным газом.
[15]Внутри ХИТ помещено перепускное устройство 10 для выравнивания давления газа между электродами в виде трубки из электроизоляционного материала, например керамики, соединяющее друг с другом свободные от электродных веществ полости электродных камер. Анодный 11 и катодный 12 токосъемники присоединены к соответствующим электродным камерам снаружи.
[16]Если катодное вещество не обладает электронной проводимостью, например сера, то в катод может добавляться вещество, являющееся электронным проводником, например мелкодисперсный графит. В катод также может быть добавлен посторонний электролит, проводящий по катионам анодного вещества.
[17]В данной конструкции необходимость отдельного герметичного корпуса отпадает, так как функции корпуса выполняют электродные камеры.
[18]Химический источник тока работает следующим образом.
[19]При разряде ХИТ образуется продукт электрохимической реакции, составляющий сам твердый электролит, поэтому толщина электролита увеличивается. Поскольку электролит проводит преимущественно по катионам анодного вещества, то это увеличение происходит в основном со стороны катода. Часть электролита растворяется в электродных веществах, причем также преимущественно в катоде. В силу двух указанных причин объем катода увеличивается, а объем анода уменьшается. Вследствие этого со стороны катода увеличивается давление на сепаратор и твердый электролит. Одновременно давление газа в катоде увеличивается, а в аноде уменьшается. Под действием перепада давления избыточная часть катодной смеси перетекает в свободное пространство катодной капиллярно-пористой структуры, а избыточный газ через перепускное устройство перетекает из катодной камеры в анодную. В результате, перепад давления на электролит, а также сепаратор снижается. Поскольку процессы образования и растворения электролита и выравнивания давлений на электролит происходят во времени непрерывно, то твердый электролит всегда будет механически разгружен и избежит поломки.
[20]Соответственно будет обеспечена стабильность работы и увеличение времени разряда при заданном режиме нагрузки ХИТ. Благодаря размещению электродных веществ в смачиваемых ими капиллярно-пористых структурах электродных камер ХИТ будет сохранять работоспособность в любом пространственном положении, а также при действии перегрузок, так как при выборе капиллярной структуры с достаточно малыми размерами пор капиллярные силы многократно превышают гравитационные и инерционные силы. ХИТ также может эксплуатироваться в условиях невесомости, например в космосе, так как для его работы сила тяжести не требуется.
