ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2002 года по МПК H01M6/36 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, а именно к высокотемпературным резервным термоактивируемым (тепловым) химическим источникам электрического тока, и может быть использовано для производства таких источников электрического тока.

Известны [1 стр. 7] химические источники электрического тока (аналоги), содержащие корпус, электроды (отрицательно заряженный - анод, и положительно заряженный - катод) и разделяющий их ионпроводящий раствор электролита.

Известны высокотемпературные термоактивируемые химические источники тока (аналоги), содержащие металлический анод (кальциевый, магниевый, литиевый), катод из сильного окисляющего агента (серы, селена или теллура в смеси с графитом или углем) и разделяющий их термоактивируемый электролит (твердый электролит на основе стекла) [2]. При обычных температурах твердый электролит на основе стекла практически не проводит электрического тока. Но при перемещении такого источника тока в нагретую среду и медленном разогреве его до нескольких сот градусов (300^oС и выше) стеклянный твердый электролит становится способным пропускать электрический ток (катионная проводимость), в результате чего на токоотводы выдается рабочее электрическое напряжение. Такие известные источники электрического тока высокотехнологичны в изготовлении и имеют стандартные технические параметры. Однако они обладают недостаточной устойчивостью к температурным воздействиям. Кроме того, они могут быть использованы лишь при высоких температурах (300-600^oС), причем только после медленного их разогревания, чтобы избежать растрескивания или разрушения входящего в их состав стеклянного твердого электролита. И, вероятно, поэтому нет сведений об использовании их в комплекте с пиротехническими нагревателями-термоактиваторами. Проведенные нами исследования показали, что эту задачу можно решить за счет использования стекол с достаточно малым коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР), менее 50•10⁷ К^-1, при ионной проводимости стекла, достаточной для решения конкретной технической задачи. Такое решение использовано в заявляемом изобретении.

Известны также [3 стр.649] высокотемпературные термоактивируемые химические источники электрического тока (аналоги), содержащие анод, катод и разделяющий их термоактивируемый электролит на основе солевого расплава. Перед расплавлением (т. е. при обычной температуре) этот электролит представляет собой твердое тело, не проводящее электрического тока. Но при перемещении такого источника тока в нагретую среду и разогреве до нескольких сот градусов (более 400^oС) электролит плавится, и его ионы приобретают электролитическую подвижность, он становится способным пропускать электрический ток, и на токоотводы выдается рабочее напряжение.

Известен [4 стр. 284] прототип - высокотемпературные резервные термоактивируемые химические источники электрического тока (тепловые химические источники электрического тока, т.е. снабженные термоактивирующим пиротехническим нагревателем), содержащие металлический анод (кальциевый, магниевый, литиевый), катод из сильного окисляющего агента (например, хромат кальция СаСrO₄), разделяющий их термоактивируемый электролит на основе солевого расплава (например, смесь LiCl и КСl, со связывающим веществом - каолином или мелкодисперсной окисью кремния), и снабженные термоактивирующим пиротехническим нагревателем (например, на основе смеси циркония и хромата бария, которая при сгорании образует изолирующую керамическую массу). При этом термоактивируемый электролит и термоактивирующий пиротехнический нагреватель выполнены либо в дисковой, либо в цилиндрической форме, что обусловлено технологическими особенностями химического состава термоактивируемого электролита. Токовый коллектор изготовляют из относительно инертного металла (обычно, железа или никеля). Например, часто используется восстановительно-окислительная система: Са / LiCI, KCl - СаСrO₄/Fe, или сокращенно Са - СаСО₄. Пиротехнический состав термоактивирующего нагревателя приводят в действие при помощи пламенного, электрического или механического запала (ударного капсюля). Длительность пиротехнического разогрева - несколько секунд, сохранение рабочей температуры в разогретом источнике электрического тока - около 5 минут. Тепловые электрические батареи с расплавом электролита используются для обеспечения экстренного запуска двигателей военных наземных транспортных средств и самолетов при морозах (4 стр.298). Но тепловые батареи на основе расплава электролита не обладают достаточными надежностью и ударной устойчивостью, требуют высокой рабочей температуры (более 400^oС) и экологически вредны. Их производство недостаточно технологично.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и срока годности, расширение функциональных возможностей и сферы использования тепловых химических источников тока. Кроме того, техническим результатом является также расширение арсенала тепловых химических источников электрического тока.

Технический результат достигается тем, что химический источник электрического тока, содержащий катодную и анодную массы, разделяющий их термоактивируемый электролит и снабженный пиротехническим нагревателем для термоактивирования электролита, согласно изобретению в качестве термоактивируемого электролита содержит твердый электролит (например, на основе известного алюмосиликатного или алюмофосфатного стекла), обладающий достаточно высокой ионной проводимостью и низким (меньше 50•10⁷ К^-1) коэффициентом линейного термического расширения. Подбор наиболее подходящих стекол может быть осуществлен с помощью справочных таблиц [5 стр.71-106]. Одним из таких стекол может быть известное алюмосиликатное стекло состава 0,15Li₂O•0,15Аl₂O₃•0,7SiO₂. Технический результат достигается также тем, что термоактивируемый электролит изготовлен в форме стакана (или пробирки), а пиротехнический нагреватель изготовлен в форме стакана (или пробирки) с внешней теплоизоляцией, в который вставлен предназначенный для разогревания химический источник электрического тока. А пиротехнический нагреватель дополнительно содержит химический подогреватель ("химическую грелку") для более длительного поддержания рабочей температуры, который включается под действием пиротехнического нагревателя.

Использование в заявляемом устройстве в качестве термоактивируемого электролита твердого электролита (например, на основе алюмосиликатного или алюмофосфатного стекла), обладающего высокой ионной (катионной) проводимостью и низким коэффициентом линейного термического расширения, позволяет повысить надежность и срок годности химических источников электрического тока. Такие твердые электролиты обладают повышенной устойчивостью к ударным механическим и температурным нагрузкам. Повышенная устойчивость к термоударам (резкому и значительному изменению температуры) позволяет использовать для повышения температуры твердого электролита пиротехнические нагреватели. Незначительная доля электронной составляющей в общей электропроводности твердых электролитов обусловливает практически полное отсутствие саморазряда источника электрического тока.

Изготовление в заявляемом устройстве термоактивируемого электролита в форме стакана (или пробирки) и изготовление пиротехнического нагревателя в форме стакана (или пробирки) с внешней теплоизоляцией, в который вставлен предназначенный для разогревания химический источник электрического тока, позволяет улучшить технологичность изготовления и технические параметры химического источника электрического тока (герметичность, электрическую емкость, длительность сохранения рабочей температуры, надежность хранения и эксплуатации) по сравнению с прототипом.

Введение в состав пиротехнического нагревателя дополнительно химического подогревателя ("химической грелки", на основе медленных экзотермических реакций, например реакции алюминия с йодом в наполнителе) для более длительного поддержания необходимой рабочей температуры, позволяет увеличить время поддержания температуры химического источника электрического тока на рабочем уровне от нескольких минут (как в прототипе) до нескольких часов (в заявляемом устройстве). Пиротехнический нагреватель быстро, за несколько секунд, нагревает электродные компоненты и разделяющий их твердый электролит до рабочей температуры и иссякает, а химический подогреватель поддерживает достигнутую рабочую температуру в течение длительного времени, десятки минут. Химические подогреватели ("химические грелки") многочисленных видов широко применяются во многих странах в военных (F 24 J 1/00) и гражданских (А 47 J 36/26 и др.) целях: для разогревания пищи, предупреждения обморожений, запуска промерзших двигателей и т.п. Выбор наиболее подходящих химических подогревателей в соответствии с технической задачей (по длительности действия, поддерживаемой температуре и др.) может быть выполнен по справочным пособиям. Химические подогреватели отличаются от пиротехнических нагревателей намного меньшей скоростью тепловыделения при их работе (без воспламенения). Нет сведений о применении химических подогревателей ("химических грелок") в тепловых химических источниках электрического тока для длительного (десятки минут) поддержания рабочего напряжения тока.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом позволяет установить, что заявляемое устройство отличается составом термоактивируемого электролита, а также формой термоактивируемого электролита и формой термоактивирующего пиротехнического нагревателя с его внешней теплоизоляцией, а также тем, что пиротехнический нагреватель содержит химический подогреватель ("химическую грелку") для более длительного поддержания необходимой рабочей температуры, и сделать вывод, что изобретение соответствует критерию "новизна".

При изучении других известных решений в данной области электротехники признаки, идентичные признакам, отличающим заявляемый химический источник электрического тока от источника-прототипа, выявлены не были, и поэтому заявляемое устройство соответствует критерию "изобретательский уровень".

Возможность применения заявляемого изобретения для производства тепловых химических источников электрического тока обеспечивает ему критерий "промышленная применимость".

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом.

Устройство содержит корпус 1, катодную массу 2, анодную массу 3, термоактивируемый твердый электролит 4 на основе алюмосиликатного стекла и снабжено термоактивирующим пиротехническим нагревателем 5.

Устройство работает следующим образом. Поджигают воспламенительный состав нагревателя 5. За счет тепла, выделяющегося при интенсивном горении воспламенительного состава 5, происходит повышение температуры термоактивируемого твердого электролита (ТЭЛ) и его электропроводности с подачей рабочего электрического напряжения на токоотводы 6 и 7. Затем, после сгорания пиротехнического состава 5, последующего окончания работы химического подогревателя (не показан) и остывания стеклянного ТЭЛ ниже минимальной рабочей температуры (обычно 300^oС) происходит прекращение работы источника электрического тока.

Твердый электролит (ТЭЛ) представляет собой алюмосиликатное стекло известного состава 0,15Li₂O•0,15Аl₂O₃•0,7SiO₂ и разделяет анодную массу (например, литий) от катодной массы (например, на основе серы). Электропроводность этого ТЭЛ по литию при 300^oС составляет 8,3•10 Ом^-1 см^-1; электронная составляющая электропроводности около 10^-3%, что является показателем очень малого саморазряда источника тока и большого срока годности (более 15 лет); средняя величина коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) равна 48•10⁷ К^-1. Диапазон рабочих температур ТЭЛ на основе предлагаемых стекол от 300 до 600^oС, что выгодно отличается от прототипа (известных тепловых химических источников тока), где для расплавления солей-электролитов требуется более высокая температура. Рабочее напряжение одинарного химического источника тока (гальванического элемента) со стеклянным ТЭЛ составляет не менее 3 В. Для обеспечения более высокой электрической емкости твердый электролит может быть изготовлен в форме стакана, пробирки или колбы. В последнем случае катодную и анодную массу наносят с разных сторон стенок колбы, после чего пиротехнический состав нагревателя можно помещать внутрь колбы. Здесь же отметим, что сера - хороший термоизолятор, и это уменьшает силу термоудара со стороны пиротехнического нагревателя на ТЭЛ. Уменьшить силу этого термоудара на ТЭЛ можно не только за счет химической природы электродной массы разделяющей ТЭЛ и пиротехнический нагреватель, но и за счет толщины этого разделяющего слоя. Чем эффективнее такая защита, тем менее жестки требования к величине коэффициента линейного термического расширения стеклянного твердого электролита.

Использование заявляемого устройства наиболее целесообразно для обеспечения электропитанием различных электрозапускаемых устройств при низких температурах, особенно в долговременных экспедициях в труднодоступных районах, а также при введении в действие изделий длительного хранения с постоянной готовностью к эксплуатации. При эксплуатации химического источника тока с достаточно большой электрической емкостью, которая от действия одного пиротехнического нагревателя 5 используется лишь частично, можно после замены отработанного пиротехнического нагревателя на новый вновь привести в действие химический источник электрического тока. Т. е. можно в составе устройства использовать заменяемые пиротехнические нагреватели 5.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство характеризуется более высокой надежностью, сроком годности, более широкими функциональными возможностями и сферой использования (из-за повышенной устойчивости предложенного твердого электролита к ударным механическим и термическим нагрузкам, твердого агрегатного состояния электролита при рабочих температурах, более низкого минимума рабочих температур, включением в состав пиротехнического нагревателя длительно действующего химического подогревателя /"химической грелки"/, стаканообразной /или пробиркообразной/ формы термоактивируемого электролита и термоактивирующего пиротехнического нагревателя и внешней теплоизоляции последнего).

Источники информации
1. Герметичные химические источники тока. Справочник. // С-Пб.: Химиздат. 2000 г.

2. Патент Великобритании 1344069, кл. Н 1 В, 1973.

3. Химический энциклопедический словарь. // М. "Советская энциклопедия", 1983 г., стр. 649 (Химические источники тока).

4. Кромптон Т. Первичные источники тока. // М.: Мир. 1986 г. (Устройство-прототип).

5. Мазуркин О. В. , Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Справочник. Том 4, часть 2. // Л-д.: Наука. 1981 г. - 375 стр.

6. Некрасов Б.В. Учебник общей химии. // М.: Химия, 1981, стр. 43.

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, а именно к высокотемпературным резервным термоактивируемым (тепловым) химическим источникам электрического тока, и может быть использовано для производства таких источников электрического тока. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и срока годности, расширение функциональных возможностей и сферы использования химических источников электрического тока. Кроме того, техническим результатом является также расширение арсенала тепловых химических источников электрического тока. Согласно изобретению химический источник электрического тока содержит катодную и анодную массы, разделяющий их термоактивируемый электролит и снабжен пиротехническим нагревателем для термоактивирования электролита, при этом в качестве термоактивируемого электролита он содержит твердый электролит (например, на основе алюмосиликатного или алюмофосфатного стекла), обладающий достаточно высокой ионной проводимостью и низким (меньше 50•10⁷K^-1) коэффициентом линейного термического расширения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Химический источник электрического тока, содержащий анодную и катодную массы, разделяющий их термоактивируемый электролит и снабженный пиротехническим нагревателем для термоактивирования, отличающийся тем, что в качестве термоактивируемого электролита он содержит твердый электролит на основе стекла, обладающий низким, меньше 50*10⁷K^-1, коэффициентом линейного термического расширения. 2. Источник тока по п. 1, отличающийся тем, что термоактивируемый электролит изготовлен в форме стакана или пробирки, а пиротехнический нагреватель изготовлен в форме стакана или пробирки с внешней теплоизоляцией, в который вставлен предназначенный для разогревания химический источник электрического тока. 3. Источник тока по п. 1, отличающийся тем, что его пиротехнический нагреватель дополнительно содержит химический подогреватель ("химическую грелку") для более длительного поддержания необходимой рабочей температуры, который включается под действием пиротехнического нагревателя. 4. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что его термоактивируемый электролит изготовлен на основе алюмосиликатного или алюмофосфатного стекла.