ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК H01M6/20 C06B33/00 

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии экзотермических композиций в электрическую энергию, в частности к высокотемпературным резервным источникам тока одноразового действия, работающим в режиме ожидания и предназначенным для автономного питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накаливания, пироэнергодатчики, микродвигатели, реле и т.п.).

Известные по патентной и научно-технической литературе первичные резервные источники электрического тока, имеющие анод, катод, сепаратор, токовыводы и пиротехнические заряды, например, по книге В.С. Багоцкого и А.М. Скундина "Химические источники тока", М.: Энергоиздат, 1981, с. 294-310 и др., сложны по устройству и имеют длительное время выхода на рабочий режим, так как генерирование электрического тока в названных устройствах становится возможным только после сгорания пиротехнических зарядов - пиронагревателей (ПН), что обеспечивает расплавление сепаратора-электролита (соли или смеси солей), расположенного между анодом и катодом и нагрева обоих электродов до рабочей температуры.

Известен импульсный пиротехнический генератор электрического тока (ПГЭТ) по патенту РФ N 2088558, кл. МКИ C 06 B 21/00; C 06 B 33/00; H 01 M 6/20, 1997 г., который состоит из двух электродов, выполненных в виде тонких зарядов из пиротехнических составов с избытком горючего - анод и избытком окислителя - катод с отношением диаметров к их высоте от 50 до 80. Основной недостаток данного ПГЭТ - незначительная длительность генерирования тока (импульсный режим не более 1 с), что существенно ограничивает область его применения.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является ПГЭТ по патенту РФ N 2095745, кл. F 42 C 11/00 от 10.11.97 г., который состоит из разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов с избытком горючего - анод, и избытком окислителя - катод, причем анод, катод и сепаратор содержат в количестве связующего асбест и выполнены с отношением их максимального размера (диаметра) к толщине 20...130, в качестве горючего анод и катод содержат цирконий, в качестве окислителя анод содержит барий хромовокислый или оксид меди, катод - оксид меди, а сепаратор содержит ионопроводящие в расплавленном состоянии соли - фторид лития, или щелочноземельного металла, или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Анод - цирконий - 37-83
Барий хромовокислый, или оксид меди - 15-51
Катод - цирконий - 3-28
Оксид меди - 60-95
Асбест - 2-12
Сепаратор - асбест - 3-20
Фторид лития, или щелочноземельного металла, или их смесь - 30-97
Кроме того, сепаратор может содержать дополнительно оксид циркония в количестве до 60% по массе.

Основными недостатками прототипа являются малое время работы батареи элементов, обусловленное пассивацией сгорающих пиротехнических электродов, обеспечивающих при сгорании расплавление сепаратора из фторидов лития или щелочноземельного металла, или их смеси. Фторид лития и любой из фторидов щелочноземельного металла имеют высокие температуры плавления (как и двойные смеси каждого из последних с фторидом лития), что приводит к быстрой кристаллизации расплава и прекращению работы ПГЭТ.

Толщина ячеек прототипа больше заявляемых, что снижает габаритно-массовые характеристики, а шлаки первых становятся тоньше после сгорания в большей степени, чем заявляемые ячейки, что увеличивает электрическое сопротивление между ячейками и способствует снижению времени работы.

Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритных ПГЭТ с длительностью работы до 100 с. Указанная задача решается тем, что в известном устройстве - прототипе, состоящем из разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов с избытком горючего - анод и избытком окислителя - катод, причем анод, катод и сепаратор содержат в качестве связующего асбест и выполнены с отношением их максимального размера к толщине 20...130, в качестве горючего анод и катод содержат цирконий, в качестве окислителя анод содержит барий хромовокислый или оксид меди, а катод - оксид меди, сепаратор содержит ионопроводящие в расплавленном виде соли - фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или их смесь. Кроме того, сепаратор может содержать дополнительно оксид циркония до 60% по массе, анод, катод и сепаратор выполнены из пиротехнических составов (зарядов), содержащих в качестве связующего асбест, с отношением их максимального габаритного размера к толщине от 25 до 135, при этом сепаратор представляет собой смесь металлического горючего и окислителя с асбестом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлическое горючее - 14-42
Окислитель - 50-84
Асбест - 2-8
анод выполнен из смеси металлического горючего с асбестом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлическое горючее - 80-98
Асбест - 2-20
катод выполнен из смеси окислителя, соли, металлического горючего и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окислитель - 50,5-80
Фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов - 15-25
Металлическое горючее - 0,5-19
Асбест - 2-8
в качестве металлического горючего анода, катода и сепаратора взяты магний, или сплав магния с алюминием, или цирконий, или титан, а в качестве окислителя - оксид меди, или пероксид бария, или барий хромовокислый. Катод может содержать дополнительно диоксид циркония в количестве до 20% по массе, анод может быть выполнен из двух пиротехнических составов (двухслойным), каждый состав с избытком горючего при отношении толщины анодных слоев друг к другу от 0,5 до 2,0, при этом анод может содержать дополнительно фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов в количестве до 45% по массе, сепаратор может содержать дополнительно перхлорат калия в количестве до 15% по массе.

Основными отличиями заявляемого устройства от прототипа является выполнение сепаратора из пиротехнического состава, иное отношение максимального габаритного размера (диаметра) анода, катода и сепаратора к их толщине и новые рецептурные решения всех элементов.

Выполнение сепаратора из пиротехнического состава обеспечивает минимальное время задержки от момента инициирования до достижения максимального значения силы тока, так как выделившееся при сгорании тепло передается непосредственно в анод и катод, контактирующие с сепаратором. Заявляемая рецептура обеспечивает выделение тепла в количестве, исключающем возможность перегрева, замыканий, подкороток и других негативных явлении, и, соответственно, оптимальный режим протекания окислительно-восстановительных процессов между пространственно разделенными анодом и катодом в течение длительного времени (генерирование тока до 100 с). Введение дополнительного окислителя (перхлората калия) в сепаратор улучшает его ионную проводимость благодаря образующемуся при сгорании хлориду калия.

При соотношении максимальных габаритных размеров анода, катода и сепаратора к их толщине менее 25 снижаются выходные параметры ячеек и батарей из-за роста габаритных размеров элементов (высоты) и внутреннего сопротивления ПГЭТ. При соотношении более 135 - изделия становятся нетехнологичными, что снижает стабильность характеристик. Заявленное соотношение размеров обеспечивает минимальные габариты изделия, практически одновременный прогрев всех элементов непосредственно в волне горения, что обеспечивает быстродействие ПГЭТ и стабильность характеристик.

Магний, сплав магния с алюминием, цирконий и титан являются горючими в сепараторе и катоде и активным анодным материалом. Введение металлического горючего в катод способствует повышению стабильности характеристик ПГЭТ, прежде всего - времени выхода на рабочий режим и длительности работы.

Оксид меди, пероксид бария и барий хромовокислый выполняют функции окислителя и активного материала катода. Фториды лития, магния, кальция, стронция, бария и их смеси при сгорании сепаратора и пиротехнических электродов обеспечивают вместе с продуктами их сгорания ионную проводимость между анодом и катодом при низком электрическом сопротивлении во время работы ПГЭТ, оптимизируют тепловой режим, стабилизируют процессы горения (тепловыделения) и генерирования тока.

В заявляемом устройстве асбест является связующим. Он также принимает активное участие в токообразующих процессах благодаря термохимическому воздействию на него продуктов сгорания сепаратора, анода и катода. Совместно с фторидами, двуокисью циркония и продуктами сгорания сепаратора он обеспечивает ионную проводимость между анодом и катодом в течение 100 с. В анодном электроде асбест дополнительно выполняет функции окислителя.

Выполнение анода из двух пиротехнических составов с избытком горючего (двухслойным) увеличивает равномерность распределения температуры по всему объему заявляемого устройства, что стабилизирует характеристики - прежде всего при отрицательных температурах (при задействовании ПГЭТ при температуре окружающей среды до минус 60^oC).

Заявляемый ПГЭТ представляет собой элементарную электрохимическую ячейку (фиг. 1), в которой анод 1, катод 5 и сепаратор 2 выполнены с отношением их максимального габаритного размера к толщине от 25 до 155 и размещены между металлическими токоотводами 4 и 6.

Сепаратор 2 представляет собой смесь металлического горючего и окислителя с асбестом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлическое горючее - 14-42
Окислитель - 50-84
Асбест - 2-8
анод 1 выполнен из смеси металлического горючего и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлическое горючее - 80-98
Асбест - 2-20.

или двухслойным, причем каждый анодный слой выполнен из состава с избытком металлического горючего.

Катод 3 выполнен из смеси окислителя, соли, металлического горючего и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окислитель - 50,5-80
Фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов - 15-25
Металлическое горючее - 0,5-19
Асбест - 2-8
В качестве металлического горючего взяты магний, или сплав магния с алюминием, или цирконий, или титан, а в качестве окислителя - оксид меди, или пероксид бария, или барий хромовокислый. Катод может содержать дополнительно диоксид циркония в количестве до 20% по массе. Анод может быть выполнен из двух пиротехнических составов, каждый с избытком горючего при отношении толщины анодных слоев (элементов) друг к другу от 0,5 до 2,0, причем анод может содержать фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов в количестве до 45% по массе. Сепаратор может, содержать дополнительно перхлорат калия в количестве до 15%.

Заявляемый ПГЭТ может быть выполнен также в виде батареи - набора заявляемых устройств, соединенных последовательно - фиг. 2.

Пиротехнический генератор электрического тока работает следующим образом: от воспламенительного импульса загорается и сгорает сепаратор 2. Благодаря конструкции ПГЭТ и рецептуре электродов и сепаратора уже в момент воспламенения последнего начинается перенос электронов по внешней цепи от металлического горючего в аноде 1 через анодный токоотвод 6, нагрузку (сопротивление) 5, катодный токоотвод 4 к окислителю в катоде 3. Движение заряженных частиц обусловлено электрохимическим окислением пространственно разделенных горючего в аноде и электрохимическим восстановлением окислителя в катоде и контактом названных реагентов с ионопроводящим электролитом, функции которого выполняют продукты сгорания сепаратора, анода и катода.

Незначительная толщина всех элементов электрохимической ячейки (ПГЭТ), отсутствие инертного материала между анодом и катодом обеспечивают быстродействие заявляемого устройства и минимальные значения внутреннего сопротивления во время работы, что увеличивает ЭДС и напряжение, а также время работы.

Оптимизация конструкции ПГЭТ и рецептур анода, катода и сепаратора произведена на основании лабораторных (стендовых) и натурных испытаний, которые показали высокую эффективность заявляемого объекта. Проверку изобретения проводили на компонентах серийного производства.

Заявляемый ПГЭТ позволяет обеспечить автономное задействование и питание в течение 100 с бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накаливания, пироэнергодатчики, микроэлектродвигатели, реле и т.д.), а также систем автоматики различного назначения (пожаротушение, сигнализация, оповещение, блокировка и т.п.). В составе датчиков ПГЭТ может обеспечивать самостоятельное и дистанционное включение средств пожаротушения и оповещения при достижении чувствительным элементом датчика заданной критической температуры, например в складских или производственных пожаро-взрывоопасных помещениях и т.д.

Соотношение компонентов в заявляемых аноде, катоде, сепараторе и прототипе приведено в табл. 1-3 (табл. 1-4 см. в конце описания).

В стендовых испытаниях по схеме, приведенной на рисунке в тексте описания, без корпусов, произведены определения воспламеняемости элементарных ячеек прототипа и заявляемого ПГЭТ, измерения ЭДС (напряжения разомкнутой цепи и на нагрузке 105 кОм), силы тока и напряжения на нагрузке 3,6 Ом, времени выхода на режим и времени работы. Воспламенение пиротехнических электродов и сепараторов производили накаленной спиралью, названные характеристики ПГЭТ регистрировали осциллографом Н-115. Натурные образцы пиротехнических генераторов - изделия в корпусе, устойчивые к воздействию перепада температур, транспортных и эксплуатационных перегрузок, приводили в действие эпектровоспламенителем МБ-2Н. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Сравнительные испытания влияния отношения максимального габаритного размера заявляемого ПГЭТ и прототипа выявили значимое различие в случае многоэлементных изделий (батарей). ПГЭТ - прототип дают вытекание меди из катодных элементов и (или) проплавление токовых коллекторов (металлических дисков, разделяющих ячейки и обеспечивающих их последовательное соединение), что снижает стабильность тока и напряжения и резко уменьшает длительность генерирования тока.

Результаты испытаний подтверждают высокую эффективность заявляемых изделий. Толщина заявляемых ячеек на 30. ..50% меньше, чем у прототипа, а продукты сгорания дают усадку в 1,5...2 раза меньше, что улучшает удельные характеристики и их стабильность. Многоэлементные батареи ПГЭТ дают в 1.5... 3 раза большее время работы при более стабильных характеристиках. Батареи из двух и более заявляемых устройств, соединенных последовательно, фиг. 2, обеспечивают длительное и стабильное генерирование тока после подачи инициирующего импульса. Чем больше число элементов в батарее, тем меньше время достижения максимального значения параметров, больше длительность работы и меньше скорость снижения характеристик во времени. В частности, десятиэлементная батарея ПГЭТ генерирует так в течение 100 c.

Изготовление анода, катода и сепаратора для заявляемой конструкции ПГЭТ не требует разработки нового оборудования и переоснащения заводов отрасли. Используемые компоненты широко применяются в пиротехнике, технология формования безопасна, при работе ПГЭТ не происходит выброса экологически вредных продуктов.

Неизвестный ранее комплекс характеристик ПГЭТ и батарей на их основе, обеспечивающий надежное функционирование (не менее 0.979 при доверительной вероятности 0.9) обусловлен именно заявляемой конструкцией ПГЭТ - применением сепаратора в виде пиротехнического состава, рецептурой, размерами и взаимным расположением анода, катода и сепаратора. Кроме того, конструкция заявляемого устройства обеспечивает гарантийный срок не менее 10...15 лет при температуре хранения и эксплуатации от +50 до минус 50^oC.

Изобретение относится к первичным резервным источникам тока одноразового действия и предназначено для автономного питания устройств энергозависимых объектов. Устройство представляет собой электрохимическую ячейку и состоит из контактирующих между собой анода, сепаратора и катода, выполненных из пиротехнических составов, и металлических токовыводов. Анод, катод и сепаратор имеют отношение максимального габаритного размера к их толщине от 25 до 135, при этом содержат, мас.%: сепаратор - металлическое горючее (МГ) 14-42, окислитель 50-84, асбест 2-8, анод - МГ 80-98, асбест 2-20, катод - окислитель 50,5-80, фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или их смесь 15-25, МГ 0,5-19, асбест 2-8. Устройство позволяет создавать батареи из элементарных ячеек с пропорциональным увеличением напряжения разомкнутой цепи, тока и др. характеристик, имеет длительный гарантийный срок, устойчиво к транспортным и эксплуатационным перегрузкам. 4 з.п.ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Пиротехнический генератор электрического тока (ПГЭТ), состоящий из разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов, и токоотводов, причем анод, катод и сепаратор в качестве связующего содержат асбест, отличающийся тем, что анод, катод и сепаратор выполнены с отношением их максимального габаритного размера к толщине от 25 до 135, при этом сепаратор представляет собой смесь металлического горючего и окислителя с асбестом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлическое горючее - 14 - 42
Окислитель - 50 - 84
Асбест - 2 - 8
анод выполнен из смеси металлического горючего и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлическое горючее - 80 - 98
Асбест - 2 - 20
катод выполнен из смеси окислителя, соли, металлического горючего и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окислитель - 50,5 - 80
Фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов - 15 - 25
Металлическое горючее - 0,5 - 19
Асбест - 2 - 8
2. ПГЭТ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического горючего взяты магний, или сплав магния с алюминием, или цирконий, или титан, а в качестве окислителя - оскид меди, пероксид бария или барий хромовокислый. 3. ПГЭТ по п.1 или 2, отличающийся тем, что катод содержит дополнительно диоксид циркония в количестве до 20% по массе. 4. ПГЭТ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что анод выполнен из двух пиротехнических составов (двухслойным), каждый состав с избытком горючего, при этом анод может содержать дополнительно фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов в количестве до 45% по массе. 5. ПГЭТ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что сепаратор содержит дополнительно перхлорат калия в количестве до 15% по массе.