ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
CHEMICAL SOURCE OF CURRENT

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока.
Изобретение может представлять интерес для различных областей техники, где в электротехнических устройствах для электропитания используются химические источники тока (батареи), и эти устройства постоянно работают по своему функциональному назначению или могут временно находиться, или могут оказаться случайно в экстремальных условиях. При этом под экстремальными условиями понимается воздействие различных негативных факторов, таких как огонь, различные типы излучений: тепловое, электромагнитное и т.п., различные типы механических воздействий, к примеру удар и т.п. Изобретение может представлять интерес при решении вопросов обеспечения безопасности электротехнических устройств от внешних вредных воздействий и вопросов защиты окружающей среды от вредных воздействий со стороны электротехнических устройств.
Под электротехническим устройством понимаются приборы, машины, аппараты, инструменты и другое оборудование, в которых используются химические источники тока (батареи).
В изобретении химический источник тока представляет собой как отдельный гальванический элемент, состоящий из отрицательного коллектора тока, анода, электролита, катода и положительного коллектора тока в указанной последовательности, так и батарею, состоящую из нескольких гальванических элементов с различными вариантами коммутации коллекторов тока, которая может быть как последовательной, так и параллельной. При этом гальванические элементы размещены в корпусе с двумя изолированными друг от друга токовыводами и подсоединены к ним в соответствии с полярностью. При этом одним из токовыводов может быть корпус источника тока, а химический источник тока может быть как первичным, так и вторичным.
Известны различные типы защитных элементов для защиты приборов и устройств от огня, различного типа излучений и других негативных воздействий, выполненных в виде тепловой защиты и экранов /1/ (аналог). Такие защитные элементы являются преградой, которая частично или полностью поглощает различного вида энергию этих воздействий, уменьшая их влияние на внутренние компоненты приборов и устройств. Поглощение энергии защитными элементами приводит к их нагреву, поэтому они выполняются из термостойких материалов. Форма таких защитных элементов определяется возможностью наиболее эффективно противостоять вышеуказанным воздействиям.
-
-5
-4
-3
-2
Известно /2/, что твердотельные источники тока, в которых используются твердые ионные проводники, характеризуются наряду с высокими характеристиками высокой термостойкостью и безопасностью. Эти источники тока содержат твердые ионные проводники с высокой проводимостью ионов F в твердой фазе и в них, при генерации тока протекают только твердофазные процессы: твердофазные токообразующие реакции в аноде и катоде и перенос ионов фтора по твердому электролиту. Безопасность и термическая устойчивость таких источников тока определена тем, что они состоят из термически устойчивых сложных фторидов и работоспособны до 550°С. Более того, при повышении температуры разрядная мощность таких источников тока сильно возрастает, а именно при 25°С - (1-2)10 Вт, при 100°С - (2-3)10 Вт, при 200°С - (5-9)10 Вт, при 300°С - (2-4)10 Вт и при 500°С - (0,5-1) Вт.
Известен наиболее близкий к заявляемому твердотельный химический источник тока, состоящий из корпуса с токовыводами, в котором размещены и подсоединены к токовыводам твердотельные гальванические элементы, состоящие из анода, электролита и катода, и тепловой защиты, снижающей тепловые потери нагретых гальванических элементов, при этом гальванические элементы выполнены на основе твердых ионных проводников с совмещением функции нагревательных элементов /3/ (прототип).
Такой химический источник тока, в котором электрический ток генерируют твердотельные гальванические элементы, выполненные на основе твердых ионных проводников, характеризуется следующими свойствами:
1. Безопасностью, широким рабочим диапазоном температур и низким саморазрядом.
2. Высокой разрядной мощностью, так как твердотельные гальванические элементы выполнены как нагревательные и находятся в нагретом состоянии, а для снижения тепловых потерь нагретых гальванических элементов используется тепловая защита.
Недостатком этого источника тока является то, что он не имеет многофункционального назначения, а его тепловая защита предназначена только для функционирования источника тока.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства многофункционального химического источника тока для электротехнических устройств, в котором источник тока наряду с питанием электротехнического устройства дополнительно полностью или частично защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних негативных воздействий и (или) защищает окружающую среду от негативных воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
Технический результат, достигнутый при использовании заявляемого устройства твердотельного источника тока, заключается в следующем:
Химический источник тока, являясь источником питания электротехнического устройства, дополнительно с электропитанием полностью или частично
- Защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от воздействий в виде огня и (или) теплового излучения и (или) других воздействий, которые могут привести к недопустимому нагреву электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
- Защищает внешнюю среду от огня и (или) теплового излучения, идущих от электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
- Защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних электромагнитных и других излучений и (или) от воздействий подобных излучений на окружающую среду, если источником этих излучений являются электротехническое устройство или его отдельные компоненты.
- Предотвращает полное или частичное разрушение электротехнического устройства или его отдельных компонентов, вызванное внешними воздействиями и (или) частично или полностью предотвращает негативное воздействие на окружающую среду продуктов разрушения электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
Для достижения указанной задачи и технического результата предлагается следующее устройство химического источника тока.
1. Химический источник тока, содержащий корпус, размещенные в нем один или несколько твердотельных гальванических элементов, соединенных между собой и состоящих из анода, электролита и катода на основе твердых ионных проводников, токовыводы для соединения его с электротехническим устройством, согласно изобретению имеет многофункциональное назначение и выполнен в виде преграды, являясь одновременно защитным элементом для полной или частичной защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от внешних воздействий и (или) от воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов на окружающую среду.
Использование в источнике тока твердотельных гальванических элементов, выполненных на основе твердых ионных проводников, позволяет реализовать твердофазные электрохимические процессы в батарее. Подобный химический источник тока является взрыво- и пожаробезопасным, так как он выполнен из термостойких твердых суперионных проводников и все процессы, обеспечивающие разрядные характеристики, протекают в твердых фазах без участия газообразных или жидких компонентов /4/.
Нагрев такого химического источника тока приводит к повышению ионной проводимости твердых ионных проводников и к повышению скорости протекания токообразующих электродных реакций в твердофазном аноде и катоде. В результате этого снижается внутреннее сопротивление твердотельного источника тока и повышается его разрядная мощность, то есть при нагреве твердотельного источника тока полностью сохраняется его работоспособность, более того повышаются его разрядные и энергетические характеристики /3, 4/.
Использование такого химического источника тока как защитного элемента приводит к его многофункциональному назначению в электротехническом оборудовании: наряду с питанием оборудования он частично или полностью поглощает различного вида энергию негативных внешних воздействий, уменьшая их влияние на внутренние компоненты электротехнического устройства, при этом сам сохраняет работоспособность.
Высокая термостойкость батарей позволяет защищать электротехническое устройство или его отдельные компоненты от перегрева. При этом внешние негативные воздействия, которые приводят к такому перегреву, могут иметь различную природу, к примеру повышение температуры электротехнического устройства или его отдельных компонентов из-за воздействия огня и (или) излучений, из-за повышенной температуры окружающей среды, из-за трения и т.п. Поглощение энергии химическим источником тока, выполненным, например, в виде преграды, приводит к его нагреву и, соответственно, защищает от теплового перегрева электротехническое устройство или его отдельные компоненты. При этом сам химический источник тока сохраняет работоспособность, и при нагреве разрядные характеристики повышаются. Форма химического источника тока, выполняющего функцию защитного элемента, определяется возможностью наиболее эффективно поглощать энергию негативных воздействий и противостоять вышеуказанным воздействиям. В таком источнике тока могут быть предприняты дополнительные меры для максимально возможного поглощения энергии негативных воздействий химическим источником тока, выполненным в виде преграды, к примеру материал корпуса, масса корпуса, толщина корпуса и т.п..
В случае, когда электротехническое устройство или его отдельные компоненты сами являются источником негативных воздействий на окружающую среду, химический источник тока, выполненный в виде преграды, аналогично, как и в случае внешних воздействий, поглощает энергию этих негативных внешних воздействий, уменьшая негативное влияние электротехнического устройства или его отдельных компонентов на окружающую среду.
Химический источник тока, выполненный как преграда, может защищать отдельные компоненты электротехнического устройства от негативных воздействий других компонентов этого электротехнического устройства.
Использование твердотельного химического источника тока в качестве защитного элемента и выполнение его в виде преграды приводит к важному практическому результату - многофункциональному применению наряду с выполнением функции источника тока и питанием электротехнического оборудования он защищает электротехническое устройство или его компоненты от внешних негативных воздействий и (или) защищает внешнюю окружающую среду от негативных воздействий электротехнического устройства или его компонентов.
Следует особо подчеркнуть, что одновременно использовать и как источник питания, и как защитный элемент можно только химический источник тока с твердотельными гальваническими элементами, состоящими из анода, электролита и катода на основе твердых ионных проводников. Использование других химических источников тока в качестве защитного элемента в виде преграды для защиты от негативных воздействий, к примеру источников тока с жидким или полимерным электролитом, не позволяет решить поставленную задачу, так как при поглощении энергии негативных воздействий и, соответственно, нагреве такие источники тока разрушаются и для их функционирования их самих нужно защищать от нагрева или охлаждать.
Использование в источнике тока твердотельных гальванических элементов, выполненных на основе твердых ионных проводников, позволяет выполнить батарею в виде многослойной металлокерамической структуры, состоящей из одного или нескольких твердотельных гальванических элементов /3/. При этом каждый гальванический элемент также является спеченной многослойной металлокерамической структурой, состоящей из тонких слоев анода, электролита, катода и металлических анодного и катодного коллекторов. Такое устройство химического источника тока, состоящего из корпуса с токовыводами, в котором размещены и подсоединены к токовыводам один или несколько твердотельных гальванических элементов, соединенных последовательно или (и) параллельно, состоящих из анода, электролита и катода, выполненных на основе твердых ионных проводников, является твердой жесткой и механически прочной конструкцией.
Выполнение устройства такого химического источника тока в виде преграды позволяет реализовать его дополнительное функциональное использование в электротехническом оборудовании в качестве частичной или полной защиты от механических воздействий. При этом в случае разрушения химического источника тока он сохраняет свою взрыво- и пожаробезопасность и не будет являться источником агрессивных жидкостей и газов, так как их не содержит.
2. Для эффективного использования химического источника тока в качестве защитного элемента, выполненного в виде преграды для защиты от негативных воздействий направленного действия, химический источник тока выполняется в виде пластины. В этом случае химический источник тока выполняет функцию экрана и поглощает благодаря своей большой поверхности полностью или частично энергию воздействий направленного действия. В электротехнических устройствах или в его отдельных компонентах источник тока, выполненный как преграда, может быть установлен на корпусе или (и) рядом с корпусом устройства или его отдельных компонентов, а также может быть размещен как преграда в доступных полостях электротехнического устройства для защиты отдельных его компонентов.
Для увеличения поверхности такого экрана можно использовать несколько рядом расположенных химических источников тока, выполненных в виде пластины. Для повышения надежности электрического питания каждый из химических источников тока может быть соединен с электротехническим устройством отдельно. Для повышения мощности электрического питания химические источники могут быть скоммутированы между собой последовательно или (и) параллельно, а затем соединены с электротехническим устройством. В таком химическом источнике тока твердотельные гальванические элементы могут иметь форму пластины и размещаются в корпусе в виде многослойной металлокерамической плоской структуры. В случае технологической целесообразности изготовления твердотельных гальванических элементов в виде дисков с многослойной металлокерамической плоской структурой химический источник тока, выполненный в виде пластины, может содержать один или несколько таких дисков, а в свободном объеме между дисками могут размещаться дополнительные функциональные элементы для повышения эффективности защиты, к примеру, тепловые аккумуляторы или элементы, повышающие механическую прочность пластины.
3. Для эффективного использования химического источника тока как защиты, выполненного в виде преграды от негативных воздействий с различных направлений, химический источник тока выполняется с внутренней полостью, в которой размещается электротехническое устройство или его отдельные компоненты. В этом случае химический источник тока является полной или частичной внешней оболочкой электротехнического устройства или его отдельных компонентов и полностью или частично защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних воздействий и (или) полностью или частично защищает окружающую среду от негативных воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
Выполняя роль защитного элемента, химический источник тока поглощает энергию негативных воздействий. При этом он будет нагреваться, сохраняя свои функции как источника тока.
Выполнение химического источника тока с внутренней полостью, в которой размещается электротехническое устройство, может представлять практический интерес для малогабаритных электротехнических устройств, а также для малогабаритных отдельных компонентов электротехнических устройств, для которых влияние внешних негативных воздействий наиболее опасно или эти компоненты сами являются источником опасных негативных воздействий на окружающую среду.
4. Химический источник тока, как защита от негативных воздействий в случае малогабаритных электротехнических устройств или их отдельных компонентов, может быть выполнен в виде полого цилиндра. В этом случае твердотельные гальванические элементы в виде многослойной металлокерамической кольцевой структуры также могут иметь форму колец и размещаться в корпусе.
5. Для повышения многофункциональности химического источника тока, используемого как защита и выполненного в виде преграды, защищающей электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних воздействий и (или) от воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов на окружающую среду, он может быть выполнен в виде корпуса или части корпуса электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
6. Для защиты от огня химический источник тока, выполненный в виде преграды, полностью или частично предотвращает прямое воздействие огня на электротехническое устройство или его отдельные компоненты. Химический источник тока, выполненный в виде преграды, также может быть защитой от огня окружающей среды в случае, если источником огня является электротехническое устройство или его отдельные компоненты. В этом случае химический источник должен иметь термостойкий корпус, к примеру металлический. Для защиты от огня химический источник тока может быть выполнен в виде пластины, если огонь имеет направленное воздействие, или в виде полной или частичной внешней оболочки электротехнического устройства или его отдельных компонентов, если огонь воздействует с разных направлений. Тепловое излучение также может поглощаться химическим источником тока. Предотвращая воздействие огня, химический источник тока может значительно нагреваться. При этом он выполняет свою основную функцию - питание электрического оборудования или его отдельных компонентов. При повышении температуры химического источника тока его разрядные и энергетические характеристики повышаются. Это обстоятельство может быть использовано, к примеру, в случае пожара от такого химического источника тока может быть осуществлено электропитание мощных исполнительных механизмов для предотвращения аварийной ситуации. Эффективность химического источника тока на основе твердых ионных проводников, как преграды для защиты от огня и теплового излучения, определена высокой теплоемкостью использованных в них материалов и низкой теплопроводностью многослойной металлокерамической структуры гальванических элементов. Для повышения эффективности защиты от огня и теплового излучения в химическом источнике тока, выполненном в виде преграды, дополнительно может быть предусмотрено увеличение его теплоемкости для повышения его эффективности как теплового аккумулятора, к примеру, за счет увеличения массы корпуса и (или) снижение теплопроводности за счет использования дополнительных теплоизоляционных материалов.
Как в случае защиты от теплового излучения, химический источник тока может быть выполнен в виде преграды и защищать от других типов излучений. Имея в своем составе металлические анодные и катодные коллекторы, он может экранировать электромагнитные излучения. Для повышения эффективности защиты от излучений в химическом источнике тока, выполненном в виде преграды, дополнительно могут быть использованы специальные материалы для корпуса, которые поглощают энергию этих излучений. Нагрев корпуса и химического источника в целом вследствие экранирования излучений не приведет к снижению работоспособности источника тока в электротехническом устройстве или в его отдельных компонентах.
7. Химический источник тока, выполненный в виде преграды, может эффективно использоваться не только для защиты от воздействий, которые приводят к недопустимому перегреву электротехнического устройства или его отдельных компонентов, к примеру, при воздействии огня или излучений, но и, обладая механической прочностью, его выполнение в виде преграды позволяет расширить его функциональность и использовать его для защиты от полного или частичного механического разрушения электротехнического устройства или его отдельных компонентов. При этом химический источник тока может защитить как электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних механических воздействий, так и окружающую среду от механических воздействий при разрушении электротехнического устройства или его отдельных компонентов. Это может быть важно для безопасности людей.
Химический источник тока, выполненный в виде преграды, может эффективно использоваться не только для защиты от отдельных видов воздействий, таких как огонь, излучение, механические воздействия, но и для защиты от воздействия нескольких из них или всех одновременно.
На фиг.1 представлена схема устройства химического источника тока многофункционального назначения, выполненного в виде пластины для защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от негативного воздействия направленного действия.
На фиг.2 представлена схема устройства химического источника тока многофункционального назначения, выполненного в виде пластины для защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от негативных воздействий с различных направлений.
На фиг.3 представлена схема устройства химического источника тока многофункционального назначения, выполненного в виде полого цилиндра, для защиты размещенного в цилиндрическом отверстии электротехнического устройства или его отдельных компонентов.
Работоспособность заявляемого устройства химического источника тока состоит в следующем.
Химический источник тока (1) на фиг.1 состоит из корпуса (2) с размещенными в нем несколькими твердотельными гальваническими элементами (3), соединенными между собой и состоящими из анода (4), электролита (5) и катода (6) на основе твердых ионных проводников. Токовыводы (7) предназначены для соединения его с электротехническим устройством (8). Химический источник тока осуществляет требуемое от него электрическое питание и при этом он выполнен в виде преграды, которая защищает от негативных внешних воздействий (9). Защищая от негативных воздействий, химический источник тока поглощает энергию этих воздействий и нагревается. Нагреваясь, химический источник тока продолжает генерировать электрический ток и обеспечивать требуемое от него электропитание. При этом нагрев гальванических элементов на основе твердых ионных проводников приводит к значительному росту ионной проводимости в этих проводниках. Ионная проводимость в каждом гальваническом твердотельном элементе на основе твердых ионных проводников возрастает экспоненциально с повышением температуры, так как она, в основном, определена экспоненциальной температурной зависимостью ионной проводимости твердых ионных проводников (зависимость Аррениуса-Френкеля). При повышении температуры также экспоненциально возрастает скорость электродных токообразующих реакций в твердотельных гальванических элементах. В результате все это приводит к значительному повышению разрядных и энергетических характеристик химического источника тока и высокоэффективному многофункциональному использованию твердотельного химического источника:
(а) Химический источник тока обеспечивает питание электротехнического оборудования.
(б) Химический источник тока, содержащий твердотельные гальванические элементы на основе твердых ионных проводников, является термостойким и пожаровзрывобезопасным, поэтому он будет эффективно выполнять роль преграды, которая защищает от огня или экранирует излучения.
(в) Выполняя роль преграды и поглощая энергию негативных воздействий, химический источник тока нагревается, его разрядно-энергетические характеристики возрастают, в результате чего повышается эффективность использования химического источника тока для питания электротехнического оборудования или его отдельных компонентов в экстремальных условиях.
Аналогично работоспособность заявляемого устройства химического источника тока реализуется для защиты окружающей среды, если источником негативных воздействий (10) является электротехническое устройство (8) (Фиг.1).
Для эффективного использования химического источника тока как защиты от негативных воздействий с различных направлений химический источник тока может выполняться в виде преграды по каждому из направлений (Фиг.2) или иметь цилиндрическую форму с внутренней полостью (Фиг.3). На Фиг.2 и 3 (1) - химический источник тока, (8) - электротехническое устройство, (9) - направление негативного воздействия.
Был испытан химический источник тока, содержащий корпус, размещенные в нем несколько твердотельных гальванических элементов, соединенных между собой и состоящих из анода, электролита и катода на основе твердых ионных проводников, токовыводы для соединения его с электротехническим устройством. При испытании моделировались условия выполнения такого твердотельного химического источника тока в качестве преграды для защиты электротехнического оборудования от интенсивного воздействии огня и теплового излучения при горении дизельного топлива. Химический источник тока состоял из металлического корпуса, в котором были размещены гальванические элементы с параллельной и последовательной коммутацией, в которых согласно /5/ были использованы твердые ионные проводники с кубической структурой фторида свинца и с тисонитной структурой фторида лантана.
В результате была доказана высокая эффективность выполнения заявляемого химического источника тока в виде преграды для защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от воздействия огня и теплового излучения при горении дизельного топлива. Источник тока устойчиво функционировал в очень жестких условиях прямого воздействия интенсивного огня горящего дизельного топлива, обеспечивая свою работоспособность. Зарегистрированный при этом нагрев источника тока составлял 670°С.
Настоящее изобретение касается устройства химического источника тока, которое позволяет реализовать многофункциональное его использование по прямому назначению - как источника тока и по дополнительному назначению - как защитного элемента для полной или частичной защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от внешних негативных воздействий и (или) от негативных воздействий на окружающую среду, если источником таких воздействий является электротехническое устройство или его отдельные компоненты.
Использованная литература
1. Большая энциклопедия, т.50, стр.328, т.60, стр.168, Москва, «Терра», 2006 г.
2. Патент США №6,379,841 B1, H01M 4/58, 30.04.2002.
3. Патент РФ №2313158, H01M 6/18, 10/36, опубл. 20.12.2007 (прототип).
4. А.А.Потанин. Твердотельный химический источник тока на основе ионного проводника типа трифторида лантана. Рос. Хим. Ж. (Ж. Рос. Хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2001, т.XLV, №5-6, стр.63.
5. Патент РФ №2187178, H01M 6/18, 10/36, опубл. 10.08.2002.