ВОЗДУШНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА РЕЗЕРВНОГО ТИПА И БАТАРЕЯ НА ЕГО ОСНОВЕ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в производстве резервных воздушно-металлических химических источников тока (ХИТ) и батарей на их основе.
Известен щелочной ХИТ резервного типа, в который введена щелочь в сухом виде (патент РФ 2295179 кл. Н01М 6/34), которая после растворения в воде служит электролитом. В этом ХИТ не может быть использован цинковый анод из-за некачественности электролита, получаемого таким способом в связи с тем, что сырая вода на территории России содержит карбонаты. В производственных условиях электролит готовят на дистиллированной воде, с неоднократным фильтрованием и обработкой с нагревом и введением цинкового порошка для очистки от большинства растворимых соединений тяжелых металлов, В нем минимизировано содержание углекислого калия, вызывающего карбонизацию электролита (Технологическая инструкция ОАО «Энергия» 5758571.25200.00090 «Приготовление щелочных электролитов», 10.11.1988 г., г.Елец).
Известен воздушно-металлический ХИТ резервного типа (патент РФ 2168245, кл. Н01М 6/32, Н01М 12/04), содержащий ампулу с электролитом, а устройство взведения выполнено в виде толкателя с иглой или в виде упругой стенки корпуса, прилегающей к ампуле и снабженной режущими элементами. Такой ХИТ возможно использовать при его дистанционном взведении, В условиях возможности работы оператора по взведению непосредственно с ХИТ, в рассматриваемом устройстве появляются недостатки: сложность конструкции и увеличение габаритов ХИТ, т.к.
после взведения ХИТ электролит из ампулы заполняет электролитоноситель, расположенный между электродами, и объем занимаемый ампулой, становится бесполезным.
Другим недостатком данного ХИТ является необходимость герметизации по контуру катода, вмонтированного в стенку ХИТ, являющуюся трудной задачей.
Прототипом настоящей полезной модели является резервный воздушно-металлический ХИТ в корпусе коробчатого типа (чертеж ОАО «Энергия» ЖШИЦ.563212.015, 08.01.2007 г., г.Елец).
Внутри корпуса расположены 2 газодиффузионных катода, состоящие из активных и гидрофобных слоев, расположенные параллельно стенкам корпуса, отделенные от них рамками, напротив воздухозаборных отверстий, а суммарная площадь которых равна 0,0035 суммарной площади катодов, эти отверстия при хранении ХИТ до эксплуатации заклеиваются пленкой, Между катодами помещен ряд плоских пористых цинковых анодов перпендикулярно катодам. При этом отношение толщины анода к его высоте равно 0,21. Отношение объема электролита к суммарному объему цинковых анодов равно 2,1. Между анодами и катодами размещены сепаратор и электролитоноситель - пористая целлюлоза. Он заполняет пространство между анодами. Отношение межанодного зазора с электролитоносителем к толщине анода равно 0,7. Электролит вводится в ХИТ через воронку, вставляемую в отверстие крышки, расположенное сбоку, т.к. в центральной части крышки помещен узел коммутации электродов и токовыводы. Заливка осуществляется вручную, при которой электролит попадает сверху крышки. В процессе заливки ХИТ уровень электролита поднимается до 30% высоты катода. После заливки заливочное отверстие закрывается глухой пробкой. ХИТ коммутируются в батарею в общем корпусе.
Преимуществом прототипа является расположение катодов внутри корпуса, т.е. отсутствие необходимости герметизации их по контуру катода.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
1. Применение двухслойного катода, приводящее к снижению напряжения вследствие повышения сопротивления на его гидрофобном слое и усложняющее технологию.
2. Большое значение отношения толщины анода к его высоте. Толстый анод срабатывает не на всю толщину и снижается емкость ХИТ.
3. Малая величина отношения объема электролита к суммарному объему цинковых анодов равное 2,1, снижает энергетические характеристики ХИТ из-за недостатка электролита,
4. Малое значение отношения межанодного зазора к толщине анода, которое мешает необходимому снабжению анода электролитом, что снижает емкость ХИТ.
5. Неудовлетворительный материал элекролитоносителя. В процессе испытаний прототипа электролитоноситель из целлюлозы растворился на 70%, а его остатки экранировали сепаратор. В результате резко снизились энергетические характеристики ХИТ.
6. Работа с открытой щелочью - ручная заливка электролита через воронку опасна для оператора и производится одномоментно. Во первых, резкий подъем уровня электролита в корпусе вызывает карбонизацию заливаемой части катода, во вторых, электролит заливает часть ХИТ с одной стороны, что приводит к неравномерной пропитке электролитоносителя. Изложенное вызывает снижение энергетических характеристик ХИТ, Карбонизация также происходит вследствии натекания в ХИТ через воздухозаборные отверстия большого диаметра воздуха, содержащего углекислый газ.
7. Глухая пробка закрывает возможность выделения из ХИТ водорода, образующегося в результате электрохимической реакции с участием водного раствора щелочного электролита, скапливающегося в верхней части ХИТ между его воздухозаборными отверстиями и крышкой его. В результате происходят деформации и возможен вырыв пробки.
8. Сборка ХИТ в корпусе батареи увеличивает габариты батареи и усложняет технологию в части необходимости изготовления корпуса.
9. Батарея неудобна для эксплуатации, т.к. в устройстве не предусмотрена возможность удобной переноски для установки в объект питания.
Задачей полезной модели является повышение энергетических характеристик и уровня безопасности при взведении ХИТ, упрощение технологии, уменьшение габаритов, повышение уровня безопасности и удобства при эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что:
1. Воздушно-металлический химический источник тока (ХИТ) резервного типа содержит коробчатый корпус из полимера с заливочным отверстием с пробкой, вдоль противоположных стенок которого внутри установлены 2 катода, отделенные от стенок, рамками, напротив воздухо-заборных отверстий, металлические аноды, выполненные в виде рядов пластин обернутых электроносителем и сепаратором, расположенные перпендикулярно к катодам, отличающийся тем, что катод включает активный и токоотводящий слои, под заливочным отверстием расположен распределительный короб с коническими бортиками, плотно посаженный в корпус; в дне короба по всей поверхности имеются отверстия постепенно увеличивающейся их суммарной площади, а отношение суммарной площади отверстий, расположенных под заливочным отверстием к суммарной площади отверстий, расположенных в противоположной стороне корпуса равно 0,4-0,6,
объем короба составляет не более 0,1 объема электролита, заливаемого в ХИТ, отношение толщины анода к его высоте равно 0,05-0,12, отношение межанодного зазора к толщине анода равно 1,1-1,4, электролитоносителем является композиционный материал, содержащий вискозу 70%, полипропилен - 20% и полиэфир - 10%, а пористость электролитоносителя составляет 80-90%, отношение объема электролита к суммарному объему цинковых анодов равно 2,3-2,5, отношение суммарной площади воздухозаборных отверстий к суммарной площади катодов равно 0,0005-0,0025, пробка ХИТ имеет центральный канал, заклеиваемый пленкой, удаляемой при включении ХИТ на разряд.
2. Целесообразно, чтобы батарея содержала, по меньшей мере, два ХИТ, при этом ХИТ выполнен по п.1.
3. Целесообразно, чтобы батарея состояла их двух ХИТ, приваренных друг к другу посредством ручки в виде дуги из полимерного прутка, концы которого образуют сварные швы, соединяющие корпуса с двух сторон.
Катод ХИТ содержит один слой - активный, под заливочным отверстием расположен распределительный короб с коническими бортиками, плотно посаженный в корпус; в дне короба по всей поверхности имеются отверстия постепенно увеличивающейся их суммарной площади, а отношение суммарной площади отверстий, расположенных под заливочным отверстием к суммарной площади отверстий, расположенных в противоположной стороне корпуса равно 0,4-0,6, объем короба составляет не более 0,1 объема электролита, заливаемого в ХИТ, отношение толщины анода к его высоте равно 0,05-0,12, отношение межанодного зазора к толщине анода равно 1,1-1,4, электролитоносителем является композиционный материал, содержащий вискозу 70%, полипропилен - 20% и полиэфир - 10%, а пористость электролитоносителя составляет 80-90%, отношение объема электролита к суммарному объему цинковых анодов равно 2,3-2,5, отношение суммарной площади воздухозаборных отверстий к суммарной площади катодов равно 0,0005-0,0025, пробка ХИТ имеет центральный канал, заклеиваемый пленкой, удаляемой при включении ХИТ на разряд. Заливка электролита производится из баллонов, выполненных из прозрачного полиэтилена с толщиной стенки 0,6-0,8 мм, горловина которого, содержащая иглу с глухим концом, срезаемым перед заливкой, вставляется в заливочное отверстие и заливку ведут, сжимая баллон дозами, равными одной трети электролита, содержащегося в баллоне, с интервалом 10-60 сек, сборку батареи осуществляют путем приварки корпусов ХИТ друг к другу, а ручкой батареи является дуга полимерного прутка, концы которого образуют сварные швы, соединяющие корпуса с двух сторон.
Использование катода, содержащего только один слой - активный, объясняется тем, что данная полезная модель, как и прототип, предназначены для разряда в относительно короткое время - около 10 недель. За это время электролит не затапливает большинство жидкостных пор катода, в котором остаются газовые поры, необходимые для протекания электрохимической реакции на границе трех сред: твердое тело - жидкость - кислород. По сравнению с двухслойным электродом, однослойный электрод имеет меньшее омические сопротивление, что повышает энергетические характеристики ХИТ. Использование однослойного электрода упрощает технологию изготовления ХИТ.
Размещение под заливочным отверстием распределительного устройства электролита - короба с отверстиями в дне обеспечивает равномерное распределение электролита по всей рабочей поверхности нижней части электродной зоны ХИТ. Равномерное распределение электролита происходит за счет постепенного увеличения суммарной площади отверстий короба по мере удаления от заливочного отверстия крышки. Пределы отношения суммарных площадей отверстий, равного 0,4-0,6, оптимальны. Короб плотно посажен в корпус благодаря тому, что его стенки конические.
Благодаря тому, что объем короба составляет не более 0,1 объема электролита, заливаемого в ХИТ затраты объема ХИТ на короб малы и в то же время, гарантируется равномерная заливка электролита по поверхности дна корпуса. В результате уровень смачивания внешней стороны катода в 3 раза меньше, чем у прототипа - электролит покрывает всего 10% поверхности катода. Резко снижается его карбонизация, что повышает энергетические характеристики ХИТ.
В полезной модели отношение толщины анода к его высоте, равное 0,05-0,12 обеспечивает достижение большого коэффициента полезного использования активного материала анода, что повышает энергетические характеристики.
При величине отношения ниже нижнего предела снижается технологичность ХИТ, т.к. необходимо увеличить число анодов, а при увеличении этого отношения выше верхнего предела снижается коэффициент полезного использования активного материала анода.
При снижении отношения межэлектродного зазора к толщине анода равного 1,1-1,4, ниже нижнего предела, количество электролита, поступающего через электроноситель к аноду недостаточно, а при увеличении этого отношения выше верхнего предела возрастают габариты ХИТ вследствие увеличения межанодного зазора, а также необходимости увеличить количество электролита с условием, чтобы не возросла заливка катода (т.е. увеличить площадь дна корпуса).
В композиционном материале электролитоносителя вискоза создает гидрофильность электроносителя, полипропилен - его механическую прочность, а полиэфир - мягкость, необходимую для обертывания анода. Пористость электроносителя составляет 80-90%, что позволяет впитывать и удерживать большое количество электролита.
При снижении отношения объема электролита к суммарному объему цинковых анодов, равного 2,3-2,5, ниже нижнего предела снижаются энергетические характеристики ХИТ, а увеличении величины отношения выше верхнего предела вызывает подъем уровня заливаемого электролита в ХИТ, что увеличивает карбонизируемую поверхность катода.
Отношение суммарной площади воздухозаборных отверстий к суммарной площади катодов равное 0,0005-0,0025 является оптимальным. При снижении отношения ниже нижнего предела, в ХИТ поступает недостаточное количество воздуха, при превышении отношения выше верхнего предела возрастает карбонизация электролита.
Заливка электролита производится из баллонов, выполненных из прозрачного полиэтилена с наконечником в виде иглы, что в сочетании с интервалом между впусками доз электролита в ХИТ обеспечивает равномерное пропитывание электроносителя электролитом и в то же время позволяют оператору выполнять операцию без работы с открытой концентрированной щелочью и без риска случайного пролития, что позволяет повысить уровень безопасности при взведении ХИТ, Центральный канал в заливочной пробке служит для выхода водорода, выделяющегося при разряде ХИТ.
Батарея является бескорпусной, ее сборка осуществляется путем приварки корпусов ХИТ друг к другу. Это повышает технологичность и уменьшает габариты батареи. Ручка батареи, выполненная в виде дуги полимерного прутка, концы которого образуют сварные швы, соединяющие корпуса ХИТ с двух сторон в батарею, повышают удобство эксплуатации батареи в части ее переноски для установки в объект питания.
Изложенная сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображены:
На фиг.1 показан продольный разрез ХИТ.
На фиг.2 показан поперечный разрез ХИТ.
На фиг.3 показан увеличенный фрагмент фигуры 2.
На фиг.4 показан общий вид батареи.
На фиг.5 показан вид сверху батареи состоящей из двух ХИТ.
В корпусе 1 ХИТ из полимерного материала, например, полиэтилена со стороны катодов имеются по два ряда воздухозаборных отверстий 2 и одно сливное отверстие 3 излишка электролита,
заклеиваемых пленкой 4 при изготовлении, удаляемой перед включением ХИТ на разряд, два катода 5, рамки 6 между катодами и стенками корпуса, аноды 7, обернутые электролитоносителем 8 и сепаратором 9. На крышке 10 смонтированы токовыводы 11, а в заливочное отверстие 12 ввернута пробка 13, имеющая центральный канал 14 заклеенный пленкой 15. Между крышкой и анодами в корпус посажен распределительный короб 16, имеющий заливочные отверстия разного диаметра 17. Одна треть электролита заливается до уровня 18.
При сборке батареи, ХИТ, входящие в ее состав свариваются швами 19 и 19А и коммутируются проводом 20. Дуга полимерного прутка, концы которого образуют сварные швы 19, является ручкой 21 батареи.
Полезная модель предназначена для ответственного питания средств навигационной обстановки с заливкой электролитом на береговых станциях, причем воздухозаборные и сливное отверстие, как и у прототипа, при сборке заклеены пленкой, снимаемой при включении на разряд.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в форме полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленной полезной модели критерию «уровень полезной модели» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительных от прототипа заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники, Следовательно, полезная модель соответствует уровню «полезная модель».
Пример практической реализации. Были собраны по 3 батареи «Штиль», состоящие из ХИТ полезной модели и прототипа.
Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице. Как видно из таблицы, длительность разряда полезной модели превысила длительность разряда с ХИТ-прототипом на 25,6%. Также возросло напряжение. Можно сделать вывод о том, что заявленная полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она свидетельствует критерию «промышленная применимость».
Таблица
Испытания батареи «Штиль» из 2-х воздушно-цинковых ХИТ
Сопротивление разряда - 3 Ом
Конечное напряжение - 1,8 В
Скважность: разряд - 0,5 сек, перерыв - 0,5 сек.
ХИТ в батарее
Время работы батареи, час
Напряжение, В
Начальное
Через 450 часов работы
Через 900 часов работы
Прототип
1334
1,35
1,16
1,11
Полезная модель
1676
1,38
1,20
1,17