Химический источник тока с реакционно формирующимся электролитом
CHEMICAL CURRENT SOURCE WITH AN ELECTROLYTE FORMING AS A RESULT OF A REACTION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, преобразующим химическую энергию в электрическую, и предназначено для применения в качестве источника питания различных устройств кратковременного и импульсного действия в наземной, авиационной и космической технике.
Известен химический источник тока (ХИТ) с реакционно формирующимся электролитом, содержащий герметичный корпус, в котором размещены электродные камеры: анодная с жидким анодным веществом, катодная с жидким катодным веществом, сепаратор в виде капиллярной структуры из электроизоляционного материала, например керамики, в которой находится твердый электролит, являющийся химическим соединением или смесью соединений анодного и катодного веществ, а также близлежащие к нему слои анодного и катодного веществ (см. Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Химические источники тока с реакционно формирующимся электролитом. - М.: Изд-во МАИ, 2013, с. 158-161). Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является патент RU 2585275, Н01М 6/18 (2006.01), Н01М 10/36 (2010.01).
Катодные вещества данных ХИТ (S, Se, Те и др.) являются более плотными, чем анодные (Li, Na). Поэтому в наземных условиях катодная камера, изготовленная из электропроводного материала, располагается в нижней части корпуса, а анодная камера, изготовленная из электроизоляционного материала, например керамики, вставлена внутрь катодной камеры. Сепаратор герметично соединен с анодной камерой и вместе с ней погружен в жидкое катодное вещество.
Поскольку продуктом электрохимической реакции является то же химическое соединение (смесь соединений), которое образует электролит, толщина последнего при разряде элемента и вследствие возможного саморазряда увеличивается. Поддержание очень малой толщины электролита (от нескольких нанометров до нескольких микрометров), обеспечивающее его достаточно низкое омическое сопротивление и высокую плотность разрядного тока, может обеспечиваться только растворением части электролита в электродах. Электролиты данных ХИТ преимущественно растворяются в катодных веществах. Кроме того, твердый электролит проводит в основном по катионам анодного вещества, поэтому его толщина в большей степени растет со стороны катода. Оба этих фактора, действуя вместе, приводят к увеличению объема катода и уменьшению объема анода. В результате возникает перепад давления на твердом электролите, который, будучи весьма тонким и мало прочным, может легко ломаться в порах сепаратора и элемент может выйти из строя.
Под действием перепада давления электролит относительно сепаратора или анодная камера с сепаратором относительно катодной камеры должны перемещаться вверх, что привело бы к механической разгрузке электролита и сохранению его целостности. Однако вследствие адгезии твердого электролита к стенкам капилляров сепаратора он не может свободно перемещаться относительно сепаратора. Свободное перемещение вверх сепаратора вместе с анодной камерой также затруднено из-за трения стенок анодной и катодной камер друг относительно друга.
В прототипе предлагаемого изобретения эта проблема решена размещением анодной камеры с сепаратором внутри катодной камеры с зазором, обеспечивающим их свободное перемещение друг относительно друга. Благодаря этому исключается поломка твердого электролита и, соответственно, повышается время разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки.
Однако ХИТ, выполненный в соответствии с указанным изобретением, имеет существенный недостаток. Он может быть использован только в стационарных наземных условиях при вертикальной ориентировке продольной оси. При значительном изменении пространственного положения, а также при наличии инерционных нагрузок (перегрузки, тряска, вибрации) жидкие электродные вещества могут выливаться из электродных камер. Относительное положение стенок камер будет нарушено, возникнет трение между ними, приводящее к торможению их движения друг относительно друга, соответственно, повышению давления на электролит, уменьшению времени разряда на заданную нагрузку или вообще выходу его из строя. В условиях невесомости (в космосе) данная конструкция вообще не способна обеспечить достаточно длительный разряд, так как в отсутствие веса электродные вещества электродных камер и инертный газ займут неопределенное пространственное положение друг относительно друга.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение времени разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки при работе в любых пространственных положениях, действии перегрузок на Земле и околоземном пространстве, при эксплуатации в невесомости (авиация и космонавтика).
Техническим результатом является сохранение работоспособности ХИТ при разряде на внешнюю нагрузку в указанных условиях.
Поставленная цель достигается тем, что в ХИТ с реакционно формирующимся электролитом, содержащем анодную и выполненную из электропроводного материала катодную камеры с жидкими электродными веществами, разделяющий анодную и катодную камеры сепаратор с твердым электролитом в виде химического соединения или смеси соединений анодного и катодного веществ и близлежащими к электролиту слоями анодного и катодного веществ, при этом свободное пространство внутри корпуса заполнено инертным газом, в отличие от известных решений анодная камера выполнена из электропроводного материала, электродные камеры герметично соединены друг с другом через изолятор, сепаратор соединен с изолятором или изолятор выполнен как единое целое с сепаратором, электродные камеры заполнены капиллярно-пористыми структурами из электропроводного материала, смачиваемыми электродными веществами, например металлического или графитового войлока, электродные вещества размещены в порах соответствующих капиллярно-пористых структур, причем до начала разряда катодное вещество занимает только часть катодной капиллярно-пористой структуры, прилегающую к сепаратору, а объем пор свободной части этой структуры не меньше объема анодного вещества, и ХИТ дополнительно содержит перепускное устройство для выравнивания давления газа между электродными камерами, выполненное в виде трубки из электроизоляционного материала, например керамики, соединяющей газовые полости анодной и катодной камер. Трубка перепускного устройства может быть размещена внутри ХИТ или обходить его снаружи.
Размещение электродных веществ в смачиваемых ими капиллярно-пористых структурах и наличие свободного объема в капиллярно-пористой структуре катодной камеры позволяет избежать:
1) механического разрушения твердого электролита, так как по мере увеличения объема катодной смеси в процессе разряда она будет непрерывно перетекать в свободный объем пор катодной капиллярно-пористой структуры. При этом возрастающее в катоде и уменьшающееся в аноде давление газа будет непрерывно выравниваться благодаря перетеканию газа из катода через перепускное устройство в анод;
2) влияния гравитационных и инерционных сил на эксплуатационные характеристики ХИТ, так как жидкие электродные вещества удерживаются в порах капиллярными силами, которые при малых размерах пор превышают гравитационные и инерционные силы, возникающие при любых перегрузках. Невесомость также не будет влиять на работоспособность ХИТ, так как все элементы конструкции фиксированы друг относительно друга, что исключает неопределенность их взаимного положения.
На чертеже показана схема предлагаемой конструкции ХИТ. Жидкое анодное вещество 1 размещено в анодной камере 2 из электропроводного материала в порах смачиваемой им анодной капиллярной структуры 3 и перед началом разряда ХИТ занимает весь их объем. Жидкое катодное вещество 4 размещено в катодной камере 5 в порах смачиваемой им катодной капиллярной структуры 6 и перед началом разряда ХИТ занимает только ее часть, прилегающую к сепаратору, при этом объем пор свободной части катодной капиллярно-пористой структуры не меньше объема анодного вещества. Твердый электролит 7, являющийся химическим соединением или смесью соединений анодного и катодного веществ, размещен в порах сепаратора 8, также выполненного в виде капиллярно-пористой структуры из электроизоляционного материала, например керамики. Анодная и катодная камеры герметично соединены друг с другом через изолятор 9. Сепаратор, разделяя анод и катод, присоединен к изолятору или выполнен как единое целое с ним. Все свободное пространство внутри ХИТ заполнено инертным газом.
Внутри ХИТ помещено перепускное устройство 10 для выравнивания давления газа между электродами в виде трубки из электроизоляционного материала, например керамики, соединяющее друг с другом свободные от электродных веществ полости электродных камер. Анодный 11 и катодный 12 токосъемники присоединены к соответствующим электродным камерам снаружи.
Если катодное вещество не обладает электронной проводимостью, например сера, то в катод может добавляться вещество, являющееся электронным проводником, например мелкодисперсный графит. В катод также может быть добавлен посторонний электролит, проводящий по катионам анодного вещества.
В данной конструкции необходимость отдельного герметичного корпуса отпадает, так как функции корпуса выполняют электродные камеры.
Химический источник тока работает следующим образом.
При разряде ХИТ образуется продукт электрохимической реакции, составляющий сам твердый электролит, поэтому толщина электролита увеличивается. Поскольку электролит проводит преимущественно по катионам анодного вещества, то это увеличение происходит в основном со стороны катода. Часть электролита растворяется в электродных веществах, причем также преимущественно в катоде. В силу двух указанных причин объем катода увеличивается, а объем анода уменьшается. Вследствие этого со стороны катода увеличивается давление на сепаратор и твердый электролит. Одновременно давление газа в катоде увеличивается, а в аноде уменьшается. Под действием перепада давления избыточная часть катодной смеси перетекает в свободное пространство катодной капиллярно-пористой структуры, а избыточный газ через перепускное устройство перетекает из катодной камеры в анодную. В результате, перепад давления на электролит, а также сепаратор снижается. Поскольку процессы образования и растворения электролита и выравнивания давлений на электролит происходят во времени непрерывно, то твердый электролит всегда будет механически разгружен и избежит поломки.
Соответственно будет обеспечена стабильность работы и увеличение времени разряда при заданном режиме нагрузки ХИТ. Благодаря размещению электродных веществ в смачиваемых ими капиллярно-пористых структурах электродных камер ХИТ будет сохранять работоспособность в любом пространственном положении, а также при действии перегрузок, так как при выборе капиллярной структуры с достаточно малыми размерами пор капиллярные силы многократно превышают гравитационные и инерционные силы. ХИТ также может эксплуатироваться в условиях невесомости, например в космосе, так как для его работы сила тяжести не требуется.