СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА С ОБЩИМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
METHOD FOR FORMATION OF MULTI-ELEMENT ELECTROCHEMICAL POWER SOURCES WITH COMMON ELECTROLYTE

Данное техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей первичных и вторичных химических источников тока, включая металловоздушные источники тока.
Из научно-технической и патентной литературы известно, что из-за наличия паразитных связей между элементами химических источников тока, размещенных в общем электролите, разработчики аккумуляторных батарей и металловоздушных источников тока вынуждены размещать элементы химических источников тока в отдельных секциях для разделения связей по электролиту. Суть формирования батарей химических источников тока (ХИТ) с повышенным напряжением при классическом подходе сводится к следующим операциям: расположение элементов в изолированных друг от друга емкостях, заполнение каждой емкости электролитом и последовательным соединением соответствующих выводов элементов ХИТ (патенты РФ №2155419, 2230418, Коровин Н. Химические источники тока. МЭИ. Справочник. 2010 г.).
Разделение электролита механическим путем с целью устранения паразитных гальванических токов между элементами связано с усложнением конструкций батарей и ухудшением массогабаритных показателей (патент Р.Ф №-2183371. Кл. Н01М 12/06/).
Патентный поиск, проведенный авторами данной работы, показал отсутствие ближайшего прототипа для предлагаемого изобретения, целью которого является устранение паразитных гальванических связей между элементами ХИТ, размещенных в общем электролите. Для достижения поставленной цели элементы химических источников тока размещают в общей электролитной ванне, в частности в воде морской акватории без перегородок, а для удаления паразитных гальванических связей элементов, возникающих при этом, электрические выходы элементов подключают к конверторам-преобразователям постоянного тока, имеющим гальваническую электронную развязку между выходом и входом
Для повышения электрического напряжения элементы химических источников тока, размещенных в общем электролите, выходы конверторов-преобразователей постоянного тока с электронной гальванической развязкой соединяют последовательно между собой.
Для повышения экономической эффективности при эксплуатации многоэлементных батарей в общей электролитной ванне используется общий катод или анод, при этом к входам конверторов-преобразователей подсоединяются общий электрод (катод или анод) и один из других электродов, а выходы конверторов-преобразователей постоянного тока с электронной гальванической развязкой соединяют последовательно между собой.
По крайней мере, количество преобразователей постоянного тока с электронной гальванической развязкой должно быть равно одному на каждую пару элементов химических источников тока.
В качестве конверторов с гальванической развязкой входов и выходов используют конверторы с трансформаторной или оптоэлектронной развязкой.
Рассмотрим теоретические предпосылки заявляемого способа.
На фиг.1 представлена классическая схема батареи ХИТ, из двух элементов, состоящих из катодов 1, 3 и анодов 2, 4. Элементы разделены механической перегородкой 17 и электрически последовательно соединены между собой. Электрические выходы анода 2 и катода 3 соединены перемычкой 6. Общая нагрузка 5 включена между катодом 1 и анодом 4. В этом случае напряжение на общей нагрузке 5 равно сумме напряжений каждого элемента. На фиг.2 представлена такая же батарея, но без перегородки 17. Между анодом 2 и катодом 3 возникает паразитный ток короткого замыкания, протекающего через электрическую перемычку 6. Суммарное напряжение на общей нагрузке равно напряжению одной пары электродов - между катодом 1 и анодом 4. Поэтому все известные конструкции батарей ХИТ имеют элементы, разделенные механическими перегородками разных конструкций. Поиск малогабаритных конструкций батарей ХИТ для техники морского и подводного базирования и анализ схемы батареи, представленной на фиг.2, привел авторов к мысли заменить механические перегородки электрическими. На фиг.3 представлена схема батареи, которая является иллюстрацией изобретательского замысла авторов. Для устранения паразитных связей в батарее при последовательном соединении элементов, электрические выходы элементов батареи подключают к конверторам-преобразователям постоянного тока с гальванической развязкой между входами и выходами, например, с трансформаторной развязкой (Г.Шрайбер «300 схем источников питания». 2000 г. Книги по электронике и схемотехнике. Каталог файлов - UNITED RADIO CLU.mht). На схеме конверторы-преобразователи постоянного тока - показаны условно. Естественно, что постоянное напряжение преобразуется в переменное посредством электронных ключей 9. Из рассмотрения схемы, представленной на фиг.3, следует, что действительно паразитная связь между анодом 2 и катодом 3 разорвана путем подключения элементов батареи к входам конверторов-преобразователей постоянного тока 7 и 8. Рынок насыщен предложениями конверторов-преобразователей постоянного тока (DC/DC преобразователи), предназначенных для других целей. В нашем случае конверторы-преобразователи постоянного тока с гальванической развязкой между входом и выходом выполняют функцию «электрической перегородки», разрывающей паразитные гальванические связи между элементами, размещенными в общем электролите. Такое техническое решение открывает новые перспективы в разработке разнообразных облегченных конструкций многоэлементных химических источников тока, включая аккумуляторы, так как позволяет применять последовательное соединение элементов, размещенных в общем электролите без механических перегородок, и снимается масса технологических вопросов при конструировании батарей ХИТ.
На фиг.4, 5 представлены схемы формирования батарей, поясняющих дополнительные позиции формулы изобретения. Для экономии для каждой пары элементов, возможно, использовать только один конвертор-преобразователь постоянного тока с гальванической развязкой 7 и стабилизатор напряжения без гальванической развязки 10. (фиг.4) Размещение в общем электролите открывает новые возможности для формирования батареи с одним общим катодом 1 и анодами 2, 4 или с одним общим анодом и разным набором катодов (Фиг.5).
На фиг.6 представлен стенд, разработанный для экспериментального подтверждения теоретических предпосылок предлагаемого способа.
На фиг.6 введены обозначения:
1, 3. Катоды на углеродной основе.
2. 4. Аноды алюминиевые.
5. Нагрузка, состоящая из светодиодов и кулера персонального компьютера.
7. 8. Конверторы-преобразователи постоянного тока с трансформаторной развязкой типа P6CG - 0512Е.
10. 11. Стабилизаторы напряжения типа TPS61200DRC.
12. Емкость с раствором морской соли в водопроводной воде.
13. Плавучая платформа из пенопласта для закрепления электродов.
14. Тумблер.
15. Вибростенд для имитации морских колебаний платформы 13.
После формирования многоэлементной батареи в общем электролите в соответствии со схемой, представленной на фиг.6, были произведены измерения электрического напряжения вольтметром типа В7-58/2 на входах и выходах преобразователей.
Результаты измерений следующие:
Электрические напряжения на входах стабилизаторов 10, 11 - 0,7 В.
Электрические напряжения на входах конверторов - преобразователей постоянного тока с гальванической развязкой 7, 8 - 3,5 В.
Электрические напряжения на выходах конверторов 7, 8 - 7,5 В.
Электрическое напряжение, измеренное на нагрузке 5, подключенной к конверторам 7, 8, соединенных между собой по последовательной схеме - 15 В.
Следует отметить, что при последовательном соединении непосредственно самих элементов батареи суммарное напряжение на батарее оставалось равным 0.7 В, причем такое соединение сопровождалось интенсивным нагревом анодов, электролита и активным газовыделением. Только при использовании, по крайней мере, одного конвертора-преобразователя постоянного тока с трансформаторной развязкой, например, 7 с последовательным соединением его выходов со стабилизатором напряжения без трансформаторной развязки, например, 11 приводило к удвоению напряжения на нагрузке и прекращению нагрева анодов электролита (см. фиг.4).
При замыкании тумблера 14 и соединении элементов согласно схеме, представленной на фиг.5, происходит формирование батареи с общим катодом и разными анодами 2 и 4. Такое соединение не изменяет суммарного напряжения на нагрузке 5 и равно 15 В (фиг.6).
При включении вибростенда 15 шлам более интенсивно опускался на дно резервуара, и происходило движение электролита между электродами. Что способствует активному очищению анодов и, как следствие, более эффективному режиму эксплуатации батареи в открытой морской воде без перегородок между элементами.
Результаты, полученные экспериментальным путем, в полном объеме подтвердили теоретические предпосылки предлагаемого способа формирования многоэлементных химических источников тока в общем электролите.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный способ формирования многоэлементных химических источников тока в общем электролите может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию "промышленная применимость".