ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2000 года по МПК H01M10/04 H01M2/26 

Изобретение относится к электротехнике и касается вторичных химических источников тока.

В ряду нерешенных проблем в этой области техники стоят проблемы конструирования компактных источников с высокой удельной энергоемкостью, повышенным сроком службы и стабильными электрическими параметрами в условиях избыточного давления газов и необходимости поддержания заданного теплового режима.

Известны электрические аккумуляторы, содержащие корпус с торцевыми стенками, блок плоских, прямоугольных, чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами, с соосными отверстиями и контактными элементами, двумя баретками с мостиками, установленными в канале, образованном отверстиями электродов и сепараторов, и электрически связанными с электродами соответствующего знака, а также стяжного соединения в виде шпильки с гайками на ее концах /Пат. США N 5168017, МКИ H 01 M 12/8, 1991; пат. США N 5162171, МКИ H 01 M 10/50, 1991/.

В таких конструкциях контактные элементы выполнены в виде ушек, расположенных на периферии электродов внутри отверстий, а положительные и отрицательные электроды взаимно повернуты в их плоскостях на 180^o так, что их ушки расположены по разные стороны от центра. Мостики выполнены в виде втулок с радиально выступающими язычками, приваренными к ушкам с образованием контакта первого рода. Втулки оппозитно установлены на шпильке, которая выполнена цельнометаллической /сплошной/, с поверхностным электроизоляционным слоем, и отделены друг от друга электроизолирующей втулкой. Шпилька с гайками, образующая стяжное соединение, фиксирует внешние концы тарельчатых пружин, сжимающих другими своими концами торцевые стенки корпуса и через них - блок электродов.

Однако подобные устройства существенно не решают комплекс указанных выше проблем, а организация съема электрического заряда обоих знаков внутри одного общего, пусть даже центрального, канала технически сложна и обуславливает очень высокие требования к электроизоляции /наличие электроизоляторов, вероятность повреждения электроизоляционного покрытия шпильки и т.д./.

Выполнение контактных элементов в виде периферийных ушек, находящихся в контакте первого или второго рода с токоведущими мостиками, является "классическим" для вторичных источников тока /Вырыпаев В.Н. и др. Химические источники тока: Учеб. пособие для хим.-технол. вузов. - М.: Высш. шк., 1990, 240 с. - С. 171 - 176; Пат. США N 5158842, МКИ H 01 M 2/26, 1992/.

Для интенсификации охлаждения аккумуляторов иногда применяют охлаждающие рубашки, организованные, как правило, в корпусных деталях /А.с. СССР N 1821844, МКИ H 01 M 10/50, 1990/. Известно также применение установленного трубчатого охладителя, заполненного теплоносителем /Заявка Франции N 2679382, МКИ H 01 M 6/50, 1991/.

Наиболее близким аналогом по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является электрический аккумулятор, содержащий корпус с торцевыми стенками, блок плоских, прямоугольных, чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами, с контактными элементами и отверстиями в них, разнесенными по двум параллельным осям, равноудаленным от центра каждого электрода, и двумя баретками с цилиндрическими мастиками, каждый из которых беззазорно пропущен через канал, образованный отверстиями контактных элементов одноименных электродов, электрически связан с ними и выполнен в виде стяжного соединения, например шпильки с гайками /Выирыпаев В.Н. и др. Химические источники тока: Учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1990. - 240 с. - С. 35 - 37, рис. 2.4 а, рис. 2.5 б/.

В нем контактные элементы выполнены в виде плоских ушек, расположенных на периферии электродов за пределами их прямоугольного поля, по одну сторону от центра, а оба разнесенные отверстия выполнены в ушках /т.е. вне прямоугольного поля электродов/ и имеют одинаковый диаметр. Края сепараторов расположены в стороне от ушек. За счет стяжных соединений ушки одноименных электродов находятся в электрическом контакте второго рода. При этом стяжные соединения расположены полностью внутри корпуса и шпильки выполнены цельнометаллическими /сплошными/.

Однако такое устройство имеет комплекс недостатков. Во-первых, периферийное расположение контактных элементов /ушек/ невыгодно с точки зрения съема электрических зарядов с электродов больших площадей по причине относительно высокого омического сопротивления.

Во-вторых, периферийное расположение контактных элементов /ушек/ определяет завышение габаритов блока электродов и аккумулятора в целом, некомпактность конструкции. Следовательно, относительно невысок коэффициент использования активной электродной поверхности (недостаточно высокие удельные объемные характеристики аккумулятора).

В-третьих, при герметичном исполнении корпуса аккумулятора выделяющиеся при его длительной работе газы распирают блок электродов и в образующихся зазорах происходят продольные перемещения активных масс /явление "оплывания" электродов/. Периферийно расположенных стяжных соединений со шпильками недостаточно для компенсирующего противодействия. Торцевые стенки корпуса аккумулятора под действием избыточного давления также деформируются /корпус принимает бочкообразную форму/. В лучшем случае стенки дополнительно укреплены другими, специально предназначенными для этого стяжными соединениями или иными фиксаторами.

В-четвертых, при такой компоновке и взаимосвязи основных деталей аккумулятора затруднено обеспечение заданного теплового режима, - как охлаждения, так и подогрева в холодных условиях эксплуатации. Главные причины аналогичны причинам затрудненного электросъема с поверхностей электродов. При этом не используются и возможности активной системы терморегулирования /отсутствие развитых полостей для текучего теплоносителя/. Условия теплообмена еще больше затруднены при объединении аккумуляторов в батареи.

Таким образом, ближайший аналог имеет резервы уменьшения омического сопротивления электродов, повышения компактности устройства, удельной его энергоемкости, жесткости корпуса и блока электродов, улучшения условий обеспечения теплового режима.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение технико-эксплуатационных характеристик электрического аккумулятора за счет устранения /уменьшения/ перечисленных выше недостатков ближайшего аналога.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электрическом аккумуляторе, содержащем корпус с торцевыми стенками, блок плоских, прямоугольных, чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами, с контактными элементами и отверстиями в них, разнесенными по двух параллельным осям, равноудаленным от центра каждого электрода, и двумя баретками с цилиндрическими мостиками, каждый из которых беззазорно пропущен через канал, образованный отверстиями контактных элементов одноименных электродов, электрически связан с ними и выполнен в виде стяжного соединения, например шпильки с гайками, оба разнесенные отверстия выполнены непосредственно в прямоугольном поле каждого электрода, в противоположных сторонах от его центра, контактные элементы встроены в каждое второе отверстие с охватом его краев по всему периметру и обеспечением контакта, а положительные и отрицательные электроды взаимно повернуты в их плоскостях на 180^o так, что канал для каждого цилиндрического мостика образован совместно отверстиями контактных элементов и свободными отверстиями электродов, расположенными соосно в чередующейся последовательности.

Задача решается также за счет следующего ряда дополнительных конструктивных признаков.

Контактные элементы аккумулятора выполнены в виде втулок по крайней мере с одним фланцем и приварены к электродам и цилиндрическим мостикам.

При этом обеспечивается, одновременно, электрический и тепловой контакт контактных элементов и, посредством их, электродов с цилиндрическими мостиками, а также фиксация центральных зон электродов по толщине блока с обеспечением жесткости структуры последнего.

В частности, контактные элементы /втулки/ могут быть выполнены в виде трубчатых заклепок, что удешевляет конструкцию за счет большей технологичности и применения стандартных /покупных/ изделий.

Контактные элементы по крайней мере частично углублены с зазором в свободные отверстия электродов, вследствие чего фланец /головка заклепки/ или фланцы /головки/ контактных элементов /заклепок/ расположены в радиальных зазорах между свободными отверстиями /в смежных электродах/ и цилиндрическим мостиком. Соответственно, обеспечивается компактность блока.

Сепараторы выполнены с отверстиями, расположенными аналогично отверстиям электродов, при этом их диаметр меньше диаметра свободного отверстия электрода. Это обеспечивает надежную электроизоляцию фланца контактного элемента /головки заклепки/ от кромки отверстия соседнего электрода другого знака.

Шпильки /цилиндрические мостики/ пропущены сквозь торцевые стенки корпуса аккумулятора с их фиксацией гайками, благодаря чему обеспечивается жесткая фиксация центральных /наиболее податливых при избыточном давлении газов в аккумуляторе /зон торцевых стенок корпуса. При этом шпильки совмещают несколько функций - токоведущих мостиков, борна и стяжных элементов корпусных деталей аккумулятора.

Цилиндрические мостики /шпильки/ выполнены, предпочтительно, трубчатыми. Система продольных каналов, образованных внутренними отверстиями обоих мостиков /а в аккумуляторной батарее - всех мостиков батареи/ обеспечивает возможность применения активной системы обеспечения теплового режима аккумулятора /аккумуляторной батареи/, т.е. охлаждающей или прогревающей жидкости или газовой рубашки, улучшает условия теплопередачи по всему объему устройства. В этом заключается еще одно функциональное назначение цилиндрических мостиков.

На фиг. 1 показано устройство электрического аккумулятора, вид сбоку в разрезе; на фиг. 2 - схема взаимного расположения разноименых электродов /анода и катода/ в блоке; на фиг. 3 - вариант конструктивного выполнения токосъема с электродов.

Электрический аккумулятор /вторичный химический источник тока/ содержит корпус 1 с торцевыми стенками 2, 3, по крайней мере одна из которых может быть выполнена съемной. В корпус 1 встроен блок плоских, прямоугольных, чередующихся положительных электродов /катодов/ 4 и отрицательных электродов /анодов/ 5, разделенных сепараторами 6. Непосредственно в прямоугольном поле каждого электрода 4, 5 в противоположных сторонах на равном расстоянии L/2 /примерно 1/6 длины электрода/ от его центра выполнены /см. фиг. 2/ отверстие 7 /его диаметр, в частности, может быть сохранен как в ближайшем аналоге / и отверстие 8 того же или меньшего /как в данном примере/ диаметра. Края отверстий 7 каждого электрода 4, 5 охвачены по всему периметру контактными элементами 9 с обеспечением контакта первого рода /например, приварены к основе электрода точечной сваркой/.

Положительные и отрицательные электроды 4 и 5 в блоке взаимно повернуты в их плоскостях на 180^o так /см. фиг. 2/, что отверстия 7 /с контактными элементами 9/ и отверстия 8 расположены соосно в чередующейся последовательности и образуют два параллельных канала. Сепараторы 6 не перекрывают указанные каналы за счет конструкции. В частности рекомендуется выполнение сепараторов 6 с отверстиями /видны на фиг. 1 без указания позиции/, диаметр которых меньше диаметра отверстий 8.

Через каждый канал коаксиально пропущен цилиндрический мостик 10, 11. Мостики 10, 11 выполнены одинаковыми, в виде электро- и теплопроводных /металлических/ стяжных соединений, например шпилек, предпочтительно трубчатых /каналы 12, 13 соответственно/, на резьбовых концах которых установлены гайки 14, фиксирующие торцевые стенки /крышки/ 2, 3 корпуса 1. В частности, могут быть применены гайки втулочного типа, частично утопленные в стенки 2, 3. Для тонких блоков вместо шпилек 10, 11 могут быть применены болты. Таким образом, баретки аккумулятора как совокупность мостиков и выводов /борнов/ выполнены в виде стяжных соединений - шпилек 10, 11 с гайками 14 с внешних сторон стенок /крышек/ 2, 3 корпуса 1 аккумулятора. Шпильки 10, 11 связаны с контактными элементами 9 с обеспечением контакта первого рода /например, приварены/. При этом рекомендуется выполнение контактных элементов 9 в виде втулок с диаметром отверстия, соответствующим диаметру мостиков 10, 11. В частности, могут быть использованы стандартные трубчатые или пистонные заклепки, которые приваривают торцевой частью к основе электрода после операции клепки или одновременно с ней /при автоматизированном серийном производстве/.

Как еще один конструктивный вариант /см. фиг. 3/, элемент 9 может быть выполнен с развитой мембранной частью 15, допускающей некоторую свободу осевого перемещения электрода 4/5/ относительно мостика 10 /11/.

Толщины разноименных электродов 4, 5, сепараторов 6 и контактных элементов 9 находятся в соотношениях, при которых контактные элементы 9 /фланцевые части втулок, головки заклепок/ по крайней мере частично углублены /утоплены/ с зазором в отверстия 8.

Корпус 1 охватывает блок электродов с обеспечением его поперечной фиксации.

Устройство работает обычным для аккумулятора образом.

Съем электрического заряда с электродов 4, 5 осуществляется через контакты первого рода по цепи "электрод 4/5/ - контактный элемент 9 - цилиндрический мостик 10 /11/".

В то же время, при описанном расположении цилиндрических мостиков - шпилек 10, 11 с контактными элементами 9 в центральной зоне блока электродов 4, 5 съем зарядов с электродов 4, 5 достаточно равномерен, т.е. омическое сопротивление электродов 4, 5 относительно мало /в сравнении с аналогами/. Соответственно, невелико и термическое сопротивление, вследствие чего достаточно интенсивен теплообмен аккумулятора с окружающей средой и системами. Наиболее интенсивен теплообмен в случае прокачки по каналам 12, 13 жидкого или газообразного теплоносителя. Компактность устройства в осевом и поперечном направлениях обусловливает повышенный коэффициент использования активной электродной поверхности /повышенную удельную энергоемкость аккумулятора/. Сварные соединения "электрод 4/5/ - контактный элемент 9 - шпилька 10/11" фиксируют электроды 4, 5 в осевом направлении в условиях их распора избыточным давлением газов в процессе работы аккумулятора, а стяжные соединения /10, 11, 14/ препятствуют распору торцевых стенок /крышек/ 2, 3 корпуса 1. При выполнении элементов 9 по фиг. 3 обеспечивается некоторая свобода перемещения электродов 4, 5 в осевом направлении за счет деформации мембранной части 15.

Описанное устройство не исчерпывает всех возможных вариантов его конкретного исполнения в рамках заявленной совокупности существенных признаков.

Использование изобретения позволяет улучшить технико-эксплуатационные характеристики электрического аккумулятора за счет уменьшения омического сопротивления, повышения компактности, удельной энергоемкости, жесткости корпуса и блока электродов, улучшения условий обеспечения теплового режима.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве вторичных источников тока. Согласно изобретению электрический аккумулятор содержит корпус с торцевыми стенками. В него встроен с поперечной фиксацией блок плоских, прямоугольных, чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами. Непосредственно в прямоугольном поле каждого электрода в противоположных сторонах на равном расстоянии от его центра выполнены отверстия, разделенные на две группы. Края отверстий первой группы охвачены по периметру контактными элементами с обеспечением контакта первого рода. Электроды взаимно повернуты в их плоскостях на 180^o так, что отверстия первой группы (с контактными элементами) расположены соосно в чередующейся последовательности и образуют два параллельных канала. Через каналы пропущены одинаковые электропроводные стяжные соединения, например шпильки, предпочтительно трубчатые. Они фиксируют торцевые стенки и связаны контактными элементами с обеспечение контакта первого рода. Рекомендуется их выполнение в виде втулок, в частности трубчатых заклепок. Контактные элементы по крайней мере частично углублены с зазором в отверстия второй группы. Сепараторы выполнены с отверстиями, расположенными аналогично отверстиям первой и второй групп. Их диаметр меньше диаметра отверстия второй группы. Техническим результатом изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик аккумулятора за счет уменьшения омического сопротивления, повышения компактности устройства, жесткости корпуса и блока электродов. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрический аккумулятор, содержащий корпус с торцевыми стенками, блок плоских, прямоугольных, чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами, с контактными элементами и отверстиями в них, разнесенными по двум параллельным осям, равноудаленным от центра каждого электрода, и двумя баретками с цилиндрическими мостиками, каждый из которых беззазорно пропущен через канал, образованный отверстиями контактных элементов одноименных электродов, электрически связан с ними и выполнен в виде стяжного соединения, отличающийся тем, что оба разнесенные отверстия выполнены непосредственно в прямоугольном поле каждого электрода в противоположных сторонах от его центра, контактные элементы встроены в каждое второе отверстие электрода с охватом его краев по всему периметру и обеспечением контакта, а положительные и отрицательные электроды взаимно повернуты в их плоскостях на 180^o так, что канал для каждого цилиндрического мостика образован совместно отверстиями контактных элементов и свободными отверстиями электродов, расположенными соосно в чередующейся последовательности. 2. Электрический аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены в виде втулок по крайней мере с одним фланцем и приварены к электродам и цилиндрическим мостикам. 3. Электрический аккумулятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены в виде трубчатых заклепок. 4. Электрический аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы, по крайней мере, частично углублены с зазором в свободные отверстия электродов. 5. Электрический аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что сепараторы выполнены с отверстиями, расположенными аналогично отверстиям электродов, при этом их диаметр меньше диаметра свободного отверстия электрода. 6. Электрический аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические мостики выполнены трубчатыми. 7. Электрический аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что стяжные соединения выполнены в виде шпилек с гайками. 8. Электрический аккумулятор по п. 7, отличающийся тем, что шпильки пропущены сквозь торцевые стенки корпуса аккумулятора с их фиксацией гайками.