ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 1994 года по МПК F42C11/00 H01M6/20 

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, в частности к высокотемпературным резервным источникам тока, которые могут использоваться в системах автоматики автономных объектов различного назначения.

Известны аммиачные резервные батареи [1], которые обеспечивают малое время задержки и большие токи. Однако их применение затруднено из-за сложности равномерного распределения жидкого аммиака в межэлектродном пространстве.

Известна тепловая батарея фирмы Eagle-Picher [2], состоящая из пластинчатых анода из активного металла (кальций, магний, литий), катода из сильного окисляющего агента (хромат кальция), прессованного со связующим электролита и нагревательного элемента. Такие батареи диаметром 89 мм, высотой 104 мм и массой 2,0...3,0 кг позволяют получить удельную мощность до 300 Вт/кг.

К недостаткам прототипа относятся значительные габариты и недостаточная удельная мощность.

Целью предлагаемого технического решения является миниатюризация устройства и увеличение его удельной мощности.

Поставленная цель достигается путем изменения размеров электродов и использованием новых электродных материалов.

Сущность предлагаемого технического решения: в устройстве, включающем параллельно расположенные пластинки анода и катода с токовыводами и сепаратором, анод и катод выполнены в виде пиротехнических зарядов при отношении диаметра к высоте 2,0...2,5 и разделены слоем пористого диэлектрика, не содержащего электролит, причем в качестве катодной композиции используется смесь, содержащая фторид свинца, алюминий и фторид лития, при следующем соотношении компонентов, мас. % : Фторид свинца 82,8...94,6 Фторид лития 3,0...12,0 Алюминий 2,1...5,8
Использование в качестве обоих электродов пиротехнических зарядов позволяет значительно сократить тепловые потери при работе источника, т.к. анод и катод одновременно воспламеняются и горят, прогревая разделяющий их сепаратор.

Введение в состав пиротехнической композиции избытка одного из компонентов - горючего или окислителя - позволяет использовать эти составы либо в качестве анода, либо - катода. При испытании лабораторных образцов в качестве анода использовалась модельная смесь, содержащая избыток горючего при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: фторид свинца 58,0; магний 22,0; фторид лития 20,0. В качестве катода применялась смесь, содержащая избыток окислителя (фторида свинца), который частично восстанавливался в реакции горения, а частично - по электрохимическому механизму.

Высокое содержание электролита в составе электродов позволяет использовать в качестве сепаратора пористый диэлектрик, не пропитанный электролитом, т. к. при горении пирозарядов электролит в их композициях находится в расплавленном состоянии и заполняет поры сепаратора. В качестве сепаратора могут использоваться различные материалы на основе асбеста, корунда, бумага и др.

Использование в качестве электродов пиротехнических композиций позволяет изготавливать генератор в неметаллические оболочки без установки дополнительной теплоизоляции. При этом масса изделия не превышает 0,7...0,8 г, что позволяет снизить габариты генератора тока и повысить его удельную мощность (табл.1).

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом.

Устройство содержит анодный 1 и катодный 2 пиротехнические заряды, которые разделены между собой слоем диэлектрического пористого сепаратора 3. К наружным торцам обоих электродов подпрессованы токовыводы 4. Направление действия огневого воспламенительного импульса показано стрелкой.

Устройство работает следующим образом: от воспламенительного импульса одновременно загораются анодный 1 и катодный 2 составы. При их горении электролит расплавляется и заполняет поры сепаратора 3. Расплавленный электролит является средой, в которой происходит перенос заряженных частиц между электродами и внутри каждого электрода к токовыводу. На аноде происходит электрохимическое окисление горючего - алюминия, а на катоде - электрохимическое восстановление фторида свинца.

П р и м е р. Для приготовления опытных составов использовались фторид свинца (П) ТУ 6-09-2128-77 и фторид лития ТУ 6-09-3529-84, просеянные через шелковое сито N 61 ГОСТ 4403-77 и просушенные. Алюминий марки АСД-4 ТУ 48-5-100-75 проходил контрольный просев. Составы смешивались вручную на клеенке резиновой пробкой до получения однородной массы. Например, для приготовления состава 1 табл.2 использовались следующие навески компонентов, г: фторид свинца 18,24; фторид лития 0,6; алюминий 1,16. Составы прессовались в заряды диаметром 5,0 мм и высотой 2,0 мм без оболочек, с одного из торцов подпрессовывался никелевый кружок, служащий токовыводом катода. В качестве анодного пиросостава использовалась модельная композиция содержащая, мас. %: фторид свинца 58,0; магний 22,0; фторид лития 20,0. Анод изготавливался в виде таблетки без оболочки диаметром 5,0 мм и высотой 2,0 мм, с одного из торцов подпрессовывался никелевый кружок, являющийся токовыводом анода. Сепаратор изготавливался вырубкой из листового асбеста толщиной 0,1...0,2 мм. Сборка генератора проводилась путем последовательного расположения анода, сепаратора и катода. Причем токосъемы электродов находились на внешних торцах элементов. Воспламенение производилось по боковой поверхности элемента.

Регистрация двух напряжений проводилась на высокоомной (105 к Ом) и низкоомной (2,0 Ом) нагрузках через согласующее устройство СФ-023 на светолучевом осциллографе Н117 с применением преобразователя тока, переключающего нагрузки с частотой 50 Гц. Из полученных напряжений рассчитывали мощность генераторов. Результаты экспериментов представлены в табл.2.

Увеличение количества фторида свинца за пределы, указанные в формуле изобретения, приводит к невоспламенению состава.

Уменьшение количества фторида свинца за пределы, указанные в формуле изобретения, приводит к снижению электрических характеристик.

Увеличение количества алюминия за пределы, указанные в формуле изобретения, приводит к закорачиванию электродов.

Уменьшение количества алюминия за пределы, указанные в формуле изобретения, приводит к затуханию состава.

Уменьшение количества фторида лития за пределы, указанные в формуле изобретения, приводит к закорачиванию электродов.

Увеличение количества фторида лития за пределы, указанные в формуле изобретения, приводит к затуханию состава.

Использование предлагаемого технического решения позволит в 3...6 раз повысить удельную мощность и уменьшить габариты изделия в 15 раз.

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, в частности к высокотемпературным резервным источникам тока. Целью изобретения является миниатюризация устройства и увеличение его удельной мощности. Пиротехнический генератор электрического тока содержит цилиндрические анод и катод, выполненные в виде анодной и катодной композиций, с токовыводами и сепаратором, при этом оба электрода выполнены в виде пиротехнических зарядов с отношением диаметра к высоте каждого заряда, равным 2,0 . . . 2,5, анод выполнен в виде пиротехнического заряда с избытком горючего, катод - с избытком окислителя, а сепаратор выполнен из пористого диэлектрика, разделяющего анод и катод. Причем катодная композиция выполнена из смеси, содержащей фторид свинца, алюминий, фторид лития, при следующем соотношении компонентов, мас.%: фторид свинца 82,8 - 94,6; фторид лития 3,0 - 12,0; алюминий 2,1 - 5,8. 1з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, состоящий из цилиндрических анода и катода, выполненных в виде анодной и катодной композиций, с токовыводами и сепаратором, отличающийся тем, что, с целью миниатюризации устройства и увеличения его удельной мощности, оба электрода выполнены в виде пиротехнических зарядов с соотношением диаметра к высоте каждого заряда 2,0 - 2,5, при этом анод выполнен в виде пиротехнического заряда с избытком горючего, катод - с избытком окислителя, а сепаратор выполнен из пористого диэлектрика, разделяющего анод и катод. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что катодная композиция выполнена из смеси, содержащей фторид свинца, алюминий, фторид лития при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Фторид свинца 82,8 - 94,6
Фторид лития 3,0 - 12,0
Алюминий 2,1 - 5,8