ВОДНО-ЛИТИЕВЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Советский патент 1994 года по МПК H01M6/04 

Изобретение относится к источникам электрической энергии, а именно к способам и устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, в частности к первичным элементам с водным электролитом на основе щелочных металлов, преимущественно лития.

Известен электрохимический элемент, в котором натриевый или литиевый анод с прижатыми с торцов с помощью пружин катодными стенками погружен в герметичный контейнер из токонепроводящего материала с циркулирующим через него электролитом, а боковые нерабочие поверхности анода для защиты от электролита покрыты изолирующей пленкой. Такой элемент не может длительно работать из-за побочных реакций растворения на боковых поверхностях анода, особенно на их стыке с торцовыми поверхностями.

Известны два варианта водно-литиевого химического источника тока: первый с неподвиджным литиевым анодом, второй с подвижным. В обоих случаях электрод запрессован в анод, причем анодный стакан выполнен из токонепроводящего материала, а система циркуляции электролита включает анодную камеру над катодной сеткой и штуцеры для подключения к побудителю циркуляции электролита. В первом варианте неподвижный литиевый анод запрессован в анодный стакан, а подвижная катодная сетка опускается по мере электрохимического растворения анода. В этом варианте не обеспечивается равномерность течения электролита над сеткой и растворение анода происходит неравномерно, что ограничивает возможность создания источников тока достаточной мощности со стабильными электрохимическими характеристиками во времени. Во втором варианте подвижный анод, снабженный на боковых и задней поверхностях защитной пленкой, прижимается пружиной к неподвижной катодной сетке, вдоль которой прокачивается электролит. Однако и в этом случае не обеспечиваются как равномерность скорости движения и концентрации электролита по поверхности катодной сетки, так и длительная защита от коррозии боковых поверхностей анода, вследствие чего происходит постоянное усиление реакции химической коррозии лицевого анода, что ограничивает время стабильной работы источника.

Известен также химический источник тока, содержащий подвижный литиевый анод, боковая и задняя стенки которого изолированы от стенок анодной камеры с помощью специального клея, неподвижный катод, образованный проволочной сеткой, прикрепленной с помощью сварки к железной ребристой пластине катододержателя, систему обеспечения необходимого удельного давления анод-катод и систему циркуляции электролита, причем электролит прокачивается над катодной сеткой в каналах между ребрами катододержателя.

Однако в таком источнике тока, во-первых, для обеспечения постоянной скорости движения электролита над поверхностью катодной сетки площадь катодной пластины вместе с системой распределения потоков электролита между ребрами пластины существенно больше площади литиевого анода, что приводит к увеличению размеров источника тока; во-вторых, подвижный анод облегчает доступ электролита к его боковой и задней поверхности и затрудняет возможность их надежной длительной защиты от химической коррозии, что также ограничивает время стабильной работы источника.

Целью изобретения является повышение ресурса и улучшение массогабаритных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в водно-литиевом химическом источнике тока, содержащем запрессованный в цилиндрический стакан подвижный литиевый анод, подвижный катод в виде установленного в цилиндрический корпус катододержателя с прикрепленной к его выступам катодной сеткой, систему катодного давления катод-анод, устройство циркуляции электролита, входной и выходной штуцеры, анодный стакан выполнен из токопроводящего материала, а литиевый анод запрессован в анодный стакан с обеспечением непосредственного электрического контакта между ними, корпус катода выполнен из токонепроводящего материала, имеет у основания кольцевой выступ и снабжен лабиринтной системой сбора электролита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода, выходным штуцером, а также верхней и нижней лабиринтными шайбами, имеющими внутренние и наружные кольцевые выступы. Верхняя лабиринтная шайба снабжена отверстиями, а внутренний выступ нижней лабиринтной шайбы снабжен прорезями, входной штуцер размещен по оси катододержателя и снабжен на выходе распределительной насадкой с концентрическими рядами отверстий и наклонными кольцевыми ребрами, расположенными против выходов этих отверстий, и центральным отверстием, выполненным расширяющимся в сторону выхода. Величина зазора между катодной сеткой и нижней поверхностью катододержателя в каждой точке выполнена обратно пропорциональной расстоянию до оси катода. Верхняя лабиринтная шайба снабжена двумя отверстиями, а внутренний кольцевой выступ нижней лабиринтной шайбы выполнен с четырьмя прорезями, при этом ось отверстий верхней лабиринтной шайбы повернута на 90^о относительно оси выходного штуцера к крышке корпуса катода, а оси прорезей внутреннего кольцевого выступа нижней лабиринтной шайбы повернуты на 45^о относительно оси отверстий верхней лабиринтной шайбы. Распределительная насадка снабжена внешним наклонным кольцевым ребром, фиксирующим насадку в катододержателе. По внешней кромке литиевого анода под кольцевым выступом катода выполнен уступ. Дно анодного стакана выполнено с кольцевыми проточками.

На фиг. 1 представлен водно-литиевый химический источник тока; на фиг. 2 показана нижняя поверхность катододержателя; на фиг. 3 - распределительная насадка, профиль и план; на фиг. 4 - нижняя лабиринтная шайба, профиль и план; на фиг. 5 - верхняя лабиринтная шайба, профиль и план.

Водно-литиевый химический источник тока (см. фиг. 1) состоит из неподвижного литиевого анода, подвижного катода, системы катодного давления катод-анод и устройства циркуляции электролита. Литиевый анод 1 запрессован с обеспечением непосредственного электрического контакта в анодный стакан 2 из токопроводящего материала. В анодном стакане 2 выполнен кольцевой уступ 3 и установлен электрод 4 с уплотнением 5, отрицательным выводом 6 и крепежной гайкой 7.

Подвижный катод содержит катодную сетку 8, прикрепленную к выступам 9 прямоугольной формы (см. фиг. 2) на нижней поверхности катододержателя 10, входной штуцер 11, установленный по оси катододержателя 10, распределительную насадку 12, установленную на выходе катододержателя 10, нижнюю 13 и верхнюю 14 лабиринтные шайбы, размещенные в корпусе 15 из токопроводящего материала, выходной штуцер 16, выступ 17, крепежную гайку 18, уплотнение 19, положительный вывод 20, резиновый рукав 21 для герметизации внутреннего пространства источника тока. Анодный стакан 2 снабжен кольцевыми проточками 22 на дне.

Нижняя поверхность катододержателя 10 (см. фиг. 1) выполнена с кривизной, обеспечивающей в радиальном направлении постоянство поперечных сечений для потока электролита, и содержит, помимо выступов 9 для крепления катодной сетки 8, промежуточные выступы 23 (см. фиг. 2), также имеющие прямоугольную форму и ориентированные радиально и служащие для придания катодной сетке 8 жесткости.

Распределительная насадка 12 (см. фиг. 3) содержит несколько рядов (в приведенном примере три) концентрических отверстий 24 и расширяющееся к выходу центральное отверстие 25, отклоняющие ребра 26, предназначенные для отклонения под определенным углом выходящих из отверстий 24 потоков электролита. Ребро 27 предназначено для фиксации положения распpеделительной насадки и катододержателя 10.

Лабиринтная система сбора электролита образована (см. фиг. 1) боковой и верхней поверхностями катододержателя 10, выступом 17 и нижней поверхностью корпуса 15 катода, нижней 13 и верхней 14 лабиринтными шайбами. Нижняя лабиринтная шайба 13 (см. фиг. 4) снабжена внутренним кольцевым выступом 28 с четырьмя прорезями 29, расположенными под углом 90^о друг к другу. Верхняя лабиринтная шайба 14 (см. фиг. 5) имеет два отверстия 30, расположенных под углом 180^о друг к другу, причем в корпусе 15 катода верхняя лабиринтная шайба 14 устанавливается так, чтобы ось ее отверстий 30 была повернута на 90^о относительно оси расположения выходного штуцера 16 в корпусе 15 катода, а нижняя лабиринтная шайба 13 - так, чтобы оси прорезей 29 были повернуты на 45^о относительно оси отверстий 30 верхней лабиринтной шайбы 14 (на фиг. 1 для наглядности шайба 14 повернута на 180^о относительно оси штуцера 16, а шайба 13 повернута соответственно положению шайбы 14).

Работа источника тока. Электролит под воздействием устройства циркуляции (не показано) поступает в источник тока через входной штуцер 11 и распределительную насадку 12, попадает в пространство между катодной сеткой 8 и нижней поверхностью катододержателя 10. При этом за счет распределения электролита по отверстиям 24 насадки 12 (см. фиг. 3) и воздействия на образующиеся потоки отклоняющих ребер 26, а также формы нижней поверхности катододержателя 10 обеспечивается равномерная скорость прохождения электролита над всеми участками катодной сетки 8. Переменное сечение центрального отверстия 25 насадки 12 обеспечивает такой поток электролита, чтобы в центральной части поверхности анода 1 не образовывалось ни застойной зоны, ни зоны ускоренного растворения лития. Затем электролит проходит через лабиринтную систему, обеспечивающую выравнивание длин путей и практически равномерное гидравлическое сопротивление во всех точках края катодной сетки 8 для потоков электролита, вынужденных проходить между боковой и верхней поверхностями катододержателя 10 и выступом 17 корпуса 15 катода и нижней поверхностью нижней лабиринтной шайбы 13 до ее прорезей 29 (см. фиг. 4), далее между нижней 13 и верхней 14 лабиринтными шайбами через отверстия 30 в верхней лабиринтной шайбе 14 (см. фиг. 5) и между верхней поверхностью лабиринтной шайбы 14 и корпусом 15 катода до выходного штуцера 16. Кольцевой уступ 3, выполненный по периметру литиевого анода в зоне поворота потока электролита у наружного края анода, позволяет устранить "зависание" катода по линии соприкосновения поверхности с литиевым анодом.

Видно-литиевый химический источник тока работает практически до полного расходования литиевого анода любой толщины без ухудшения электрических характеристик и нежелательных явлений, связанных с повышенным выделением водорода, и при существенном уменьшении габаритов и упрощении изготовления.

Данный водно-литиевый химический источник тока вырабатывает 4000-4500 Вт на 1 кг лития и работает при различных напряжениях и нагрузках, что расширяет область его применения и позволяет управлять работой элемента и работать вместе с другими источниками, например буферными аккумуляторными батареями.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве водно-литиевых химических источников тока. Цель изобретения - повышение ресурса и улучшение массогабаритных характеристик. Водно-литиевый химический источник тока содержит неподвижный литиевый анод 1, запрессованный в анодный стакан 2 из токопроводящего материала с обеспечением электрического контакта между ними за счет кольцевых проточек 22 на дне стакана, подвижный катод в виде установленного в цилиндрический корпус 15 из токонепроводящего материала катододержателя 10 с прикрепленной к его выступам 9 катодной сеткой 8, систему контактного давления катод-анод, побудитель циркуляции электролита, входной 11 и выходной 16 штуцеры. Корпус катода у основания имеет кольцевой выступ 17 и снабжен лабиринтной системой сбора электролита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом 17 и нижней поверхностью корпуса 15 катода, выходным штуцером, а также верхней 14 и нижней 13 лабиринтными шайбами, имеющими внутренние и наружные кольцевые выступы. Верхняя лабиринтная шайба снабжена двумя отверстиями 30, а внутренний выступ 28 нижней лабиринтной шайбы снабжен четырьмя прорезями 29. Входной штуцер размещен на оси катододержателя и снабжен на выходе распределительной насадкой с концентрическими рядами отверстий и наклонными кольцевыми ребрами, расположенными против выходов этих отверстий, и центральным отверстием, выполненным расширяющимся в сторону выхода. Зазор между катодной сеткой и нижней поверхностью катододержателя в каждой точке выполнен обратно пропорциональным расстоянию до оси катода. Ось отверстий верхней лабиринтной шайбы повернута на 90°С относительно оси выходного штуцера к крышке корпуса катода, оси прорезей внутреннего кольцевого выступа нижней лабиринтной шайбы повернуты на 45°С относительно оси верхней лабиринтной шайбы. Распределительная насадка 12 снабжена внешним наклонным кольцевым ребром 27, фиксирующим насадку в катододержателе 10. На внешней кромке литиевого анода под кольцевым выступом 17 катода выполнен уступ 3. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. ВОДНО-ЛИТИЕВЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА, содержащий запрессованный в цилиндрический стакан неподвижный литиевый анод, подвижный катод в виде установленного в цилиндрический корпус катододержателя с прикрепленной к его выступам катодной сеткой, систему контактного давления катод-анод, устройство циркуляции электролита, входной и выходной штуцеры, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса и улучшения массогабаритных характеристик, анодный стакан выполнен из токопроводящего материала, а литиевый анод запрессован в анодный стакан с обеспечением непосредственного электрического контакта между ними, корпус катода выполнен из токонепроводящего материала, имеет у основания кольцевой выступ и снабжен лабиринтной системой сбора электролита, образованной боковой и верхней поверхностями катододержателя, кольцевым выступом и нижней поверхностью корпуса катода, выходным штуцером, а также верхней и нижней лабиринтными шайбами, имеющими внутренние и наружные кольцевые выступы, причем верхняя лабиринтная шайба снабжена отверстиями, а внутренний выступ нижней лабиринтной шайбы снабжен прорезями, входной штуцер размещен по оси катододержателя и снабжен на выходе распределительной насадкой с концентрическими рядами отверстий и наклонными кольцевыми ребрами, расположенными против выходов этих отверстий, и центральным отверстием, выполненным расширяющимся в сторону выхода. 2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что величина зазора между катодной сеткой и нижней поверхностью катододержателя в каждой точке выполнена обратно пропорциональной расстоянию до оси катода. 3. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что верхняя лабиринтная шайба снабжена двумя отверстиями, а внутренний кольцевой выступ нижней лабиринтной шайбы выполнен с четырьмя прорезями, при этом ось отверстий верхней лабиринтной шайбы повернута на 90^o относительно оси выходного штуцера к крышке корпуса катода, а оси прорезей внутреннего кольцевого выступа нижней лабиринтной шайбы повернуты на 45^o относительно оси отверстий верхней лабиринтной шайбы. 4. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что распределительная насадка снабжена внешним наклонным кольцевым ребром, фиксирующим насадку в катододержателе. 5. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что по внешней кромке литиевого анода под кольцевым выступом катода выполнен уступ. 6. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что дно анодного стакана выполнено с кольцевыми проточками.