ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01M6/04 H01M12/04 

Изобретение относится к генерированию электрической энергии, а именно к способам и устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, в частности к электрохимическим генераторам погружного типа с водным электролитом на основе щелочных металлов, преимущественно лития.

Известна электрохимическая батарея, состоящая из нескольких источников тока, смонтированных в батарейную оболочку. Источники тока могут быть электрически связаны в параллельные и последовательно-параллельные устройства. Циркулирующий электролит проходит ряды источников тока через трубопровод посредством насоса. Анод является расходуемым, катод свободно подвижен, следуя за убывающей анодной реагирующей поверхностью [1]
Такое исполнение электрохимического генератора (ЭХГ) в виде отдельных соединяемых между собой источников тока усложняет защиту всех элементов батареи от коррозии, ее теплоизоляцию, затрудняет перезарядку источников тока, увеличивает массогабаритные характеристики, снижает удельную энергоемкость и практически не приспособлено для работы в морской воде, т.е. токопроводящей агрессивной среде с большим диапазоном колебания температур. Кроме того, снижается надежность работы ЭХГ при работе его под водой.

Известен также электрохимический генератор, содержащий электрически связанные между собой водно-литиевые источники тока с системой контактного давления анод-катод на основе сильфона. Указанные источники тока набираются в пакет посредством верхней и нижней силовых плит и герметизирующих прокладок. В собранной батарее боковые стенки индивидуальных источников тока образуют герметичный корпус, а силовые плиты, установленные с прокладками, играют роль крышки и днища корпуса. На крышке корпуса выполнены каналы для раздачи электролита. Крышка снабжена штуцерами для подачи и отвода электролита [2]
Такое выполнение электрохимического генератора (ЭХГ), во-первых, затрудняет его эксплуатацию и снижает надежность, поскольку требует в процессе эксплуатации полной разборки генератора для замены анодов в источниках тока, во-вторых, при погружном применении требует как дополнительной теплоизоляции и антикоррозионной защиты от окружающей водной среды, так и компенсации отрицательной плавучести, что существенно увеличивает его массогабаритные характеристики и снижает удельную энергоемкость.

В основу изобретения поставлена задача создать погружной электрохимический генератор для электроснабжения подводных необитаемых аппаратов, во-первых, обладающий близкой к нулевой плавучестью при минимальных габаритах и массе, то есть повышенной удельной энергоемкостью, во-вторых, обеспечивающий электро-, тепло- и антикоррозионную изоляцию всех элементов от окружающей среды, и, в-третьих, имеющий повышенные технологичность, надежность и удобство в эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в погружном электрохимическом генераторе, содержащем корпус с размещенными в нем и электрически связанными между собой водно-литиевыми источниками тока в виде цилиндрических катодов и запрессованных в цилиндрические стаканы литиевых анодов, съемные герметизируемые днище и крышку, гидравлическую систему контактного давления анод-катод на основе сильфонов и побудитель циркуляции электролита, корпус генератора выполнен в виде единого блока с цилиндрическими открытыми снизу проточками, в которые установлены источники тока, причем катод каждого источника тока жестко закреплен в своей проточке к верхней части корпуса, в которой выполнены закрытые входной и выходной каналы с отверстиями для входных и выходных потоков электролита источников тока и пазы для электрических соединений электродов источников тока, стаканы с анодами источников тока установлены с возможностью перемещения относительно своих катодов и стенок проточек в корпусе по мере расходования анодов, сильфоны гидравлической системы контактного давления анод-катод закреплены соосно с анодами на днище корпуса, в котором выполнены каналы, соединяющие сильфоны между собой и с гидравлической системой контактного давления анод-катод, при этом корпус, крышка и днище погружного генератора выполнены из электро- и теплоизоляционного щелочестойкого материала с плотностью менее 1 кг/дм³.

В погружном электрохимическом генераторе корпуса катодов источников тока и крышки сильфонов также выполнены из электро- и теплоизоляционного щелочестойкого материала с плотностью менее 1 кг/дм³.

В погружном электрохимическом генераторе на входных отверстиях подачи электролита из каналов к источникам тока установлены калиброванные вставки (шайбы) для выравнивания потоков электролита между источниками тока.

Объединение корпусов отдельных источников тока с корпусом ЭХГ и изготовление корпуса, крышки и днища погружного ЭХГ и деталей источников тока из электро- и теплоизоляционного щелочестойкого материала с плотностью менее 1 кг/дм³ (например, синтактика с плотностью 0,5-0,7 кг/дм³) позволило исключить дополнительную тепло- и антикоррозионную защиту генератора, обеспечить близкую к нулевой его плавучесть, уменьшить массогабаритные характеристики и соответственно существенно повысить удельную энергоемкость генератора, что имеет существенное значение при установке ЭХГ на подводных необитаемых аппаратах.

Выполнение раздельными закрытыми каналов для системы циркуляции электролита и гидравлической системы создания контактного давления анод-катод и закрываемых крышкой пазов для системы электрических соединений позволило исключить наружные соединения между источниками тока, улучшило теплоизоляцию, повысило надежность работы ЭХГ.

Наличие раздельных проточек в теле корпуса для размещения в них источников тока и раздельных потоков электролита от источников тока к входному и выходному каналам электролита позволило существенно уменьшить токи утечки и соответственно потери энергии.

Предложенная конструкция сильфонов и их соединения, обладает компактностью, позволяет минимизировать требуемый объем жидкости в гидравлической системе и упростить эксплуатацию генератора.

Предложенное конструктивное исполнение исключает при перезарядке анодов необходимость полной разборки генератора и его отсоединения от системы циркуляции электролита, гидравлической системы создания контактного давления анод-катод и от потребителей электроэнергии, повышает технологичность изготовления и надежность работы, упрощает перезарядку источников тока и в целом эксплуатацию ЭХГ.

Именно такая совокупность существенных признаков позволила обеспечить устойчивую и надежную работу погружного ЭХГ под водой, низкие массогабаритные характеристики и повышенную удельную энергоемкость при его установке на глубоководных необитаемых аппаратах.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинноследственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков удалось создать погружной ЭХГ с низкими массогабаритными характеристиками, повышенной удельной энергоемкостью, повысить его надежность и долговечность, а также обеспечить его работу в погружном состоянии на подводных аппаратах. Следовательно, изобретение имеет изобретательский уровень, т.к. явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1 представлен разрез корпуса погружного ЭХГ; на фиг. 2 вид сверху погружного ЭХГ; на фиг. 3 разрез по Б-Б на фиг. 2 (водно-литиевого источника тока, по каналам подачи и отвода электролита); на фиг. 4 разрез по В-В на фиг. 2 (водно-литиевого источника тока по электродам).

Погружной ЭХГ содержит (фиг. 1) корпус 1 с открытыми снизу цилиндрическими проточками 2 для отдельных водно-литиевых источников тока, состоящих из катодов 3 и литиевых анодов 4, запрессованных в анодные стаканы 5 из токопроводящего материала, съемную крышку 6 с герметизирующей прокладкой 7 и съемное днище 8 с герметизирующей прокладкой 9. В верхней части корпуса 1 выполнены каналы 10 для электролита, герметизируемые крышками 11, цилиндрические проточки 12 для выводов электродов источников тока, открытые пазы 13 для прокладки электрических соединений 14 отдельных водно-литиевых источников тока, причем пазы снабжены штуцерами 15 с гайкой 16 для вывода электрических проводов из корпуса через герметичные трубки 17. В съемном днище 8 выполнены кольцевые проточки 18, в которых закреплены сильфоны для создания контактного давления анод-катод, состоящие из кольцевых оснований 19, резиновых шлангов 20 и крышек 21, причем в съемном днище также выполнены закрытые каналы 22 для сообщения сильфонов между собой и общий штуцер 23 с гайкой 24 для подключения к гидравлической системе создания контактного давления.

На фиг. 2 на виде сверху корпуса показано расположение каналов в верхней части корпуса 1 ЭХГ. Закрытый канал 10 для подвода электролита снабжен штуцером 25, а закрытый канал 26 для отвода электролита штуцером 27 для подключения к побудителю циркуляции электролита (не показан). Открытые пазы 13 для прокладки электрических соединений между отдельными водно-литиевыми источниками тока снабжены штуцерами 15 и 28 для выводов проводов от положительных и отрицательных полюсов погружного ЭХГ. Съемная крышка 6 герметизируется уплотнением 7 и крепится к корпусу 1 с помощью винтов 29.

Корпус катода 3 водно-спиртового источника тока (фиг. 3) фиксируется в проточке 12 корпуса 1 с помощью выступа 30 и крепится винтами 31 и герметизируется уплотнением 32. Канал 10 для подвода электролита снабжен отверстиями 33 для подачи электролита во входные отверстия 34 катодов 3 водно-литиевых источников тока, причем на входах отверстий 34 установлены калиброванные вставки 35 для выравнивания потоков электролита через все источники тока. Канал 26 для отвода электролита снабжен отверстием 36 для соединения с выходным каналом 37 катода 3. Места соединения отверстий 33 и 36 с каналами 34 и 37 герметизируются с помощью уплотнений 38 и 39.

Пружинные анодные лепестки 40 отрицательного электрода (фиг. 4) с помощью винтов 41 и уплотнений 42 крепятся к токоотводящим стойкам 43, соединенным сверху электродным кольцом 44 с помощью винтов 45. Положительный вывод 46 крепится к положительному электроду 47 с помощью гайки 48.

Корпус ЭХГ, съемные крышки и днище, корпуса катодов, кольцевые основания и крышки сильфонов выполняются из синтактика.

Погружной ЭХГ работает следующим образом.

Электролит под воздействием устройства циркуляции (на чертежах не показан) поступает через входной штуцер 25 (фиг. 2) корпуса 1 в канал 10, и далее через отверстия 33 и калиброванные вставки 35 (фиг. 3) в системы распределения электролита над катодными сетками катодов 3. Затем из системы сбора электролита катодов 3 электролит через выходные отверстия 37 и 36 поступает в канал 26 для отвода электролита и через штуцер 27 выводится из корпуса. Под действием устройства создания контактного давления рабочая жидкость поступает в съемное днище 8 через штуцер 23 (фиг. 1), благодаря чему через крышки 21 сильфонов и анодные стаканы 5 обеспечивается необходимое давление анод-катод, одинаковое для всех элементов и независимое от степени выработки литиевых анодов в различных элементах.

По мере срабатывания литиевых анодов анодный стакан 5 движется вдоль корпуса катода 3, при этом пружинные анодные лепестки 40 (фиг. 4) обеспечивают постоянный надежный контакт отрицательного электрода с анодным стаканом 5. Через штуцера 15 и 28 (фиг. 1 и 2) погружной ЭХГ проводами соединен с потребителем электроэнергии.

Таким образом, погружной ЭХГ работает до полного срабатывания литиевых анодов без ухудшения электрических характеристик.

Для перезарядки необходимо снять днище и заменить анодные стаканы со сработанными анодами на новые анодные стаканы с анодами.

В институте разработан и изготовлен экспериментальный образец погружного ЭХГ и проведены лабораторные и натурные испытания в море. Как показали результаты испытаний этого ЭХГ, нами разработан и изготовлен работоспособный, надежный, с малыми массогабаритными характеристиками, погружного исполнения ЭХГ. При этом обеспечена теплоизоляция и упрощена перезарядка источников тока, повышена удельная энергоемкость ЭХГ, предназначенного для установки на необитаемых глубоководных аппаратах.

Использование: электрохимические генераторы погружного типа с водным электролитом на основе щелочных металлов, преимущественно лития. Сущность изобретения: погружной электрохимический генератор содержит корпус, размещенные в нем и электрически связанные между собой водно-литиевые источники тока в виде цилиндрических катодов и запрессованных в стаканы литиевых анодов, снабженных исполнительными элементами гидравлической системы контактного давления анод-катод на основе сильфонов и побудитель циркуляции электролита. Корпус выполнен из электро- и теплоизоляционного щелочестойкого материала с плотностью менее 1 кг/дм³ и снабжен съемными крышкой и днищем, в верхней части корпуса выполнены закрытые входной и выходной каналы с отверстиями для входных и выходных потоков электролита источников тока и пазы электрических соединений электродов источников тока. В самом теле корпуса выполнены цилиндрические открытые снизу проточки, в которые установлены источники тока, причем катод каждого источника тока закреплен в верхней части корпуса неподвижно, а анод установлен с возможностью перемещения относительно катода и корпуса по мере расходования анода. Исполнительные элементы гидравлической системы контактного давления анод-катод выполнены в виде сильфонов и закреплены соосно с анодами на днище корпуса, в котором выполнены каналы, соединяющие сильфоны между собой и с гидравлической системой контактного давления анод-катод. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий корпус с размещенными в нем и электрически связанными между собой водно-литиевыми источниками тока в виде цилиндрических катодов и запрессованных в цилиндрические стаканы литиевых анодов, съемные герметизируемые крышку и днище, гидравлическую систему контактного давления анод-катод на основе сильфонов и побудитель циркуляции электролита, отличающийся тем, что корпус генератора выполнен в виде единого блока с цилиндрическими открытыми снизу проточками, в которые установлены источники тока, причем катод каждого источника тока жестко закреплен в своей проточке к верхней части корпуса, в которой выполнены закрытые входной и выходной каналы с отверстиями для входных и выходных потоков электролита источников тока и пазы для электрических соединений электродов источников тока, стакан с анодом каждого источника установлен с возможностью перемещения относительно катода и стенки проточки корпуса по мере расходования анода, сильфоны гидравлической системы контактного давления анод-катод закреплены соосно с анодами на днище корпуса, в котором выполнены каналы, соединяющие сильфоны между собой и с гидравлической системой контактного давления анод-катод, при этом корпус, крышка и днище генератора выполнены из электро- и теплоизоляционного щелочестойкого материала с плотностью менее 1 кг/дм³. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что корпуса катодов источников тока и крышки сильфонов системы контактного давления анод-катод выполнены из электро- и теплоизоляционного щелочестойкого материала с плотностью менее 1 кг/дм³. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что на входных отверстиях подачи электролита из каналов к источникам тока установлены калибровочные шайбы для выравнивания потоков электролита между источниками тока.