Ампульный химический источник тока и способ его сборки

Изобретение относится к области электротехники, а именно к резервному химическому источнику тока ампульного типа, запускаемому в работу при подаче электролита из ампулы в электродный отсек блока электрохимических элементов (ЭХЭ). Ампульный химический источник тока (АХИТ) включает расчетное количество секций ЭХЭ, каждая из которых содержит в корпусе с изоляцией блок электродный и блок электролитный, при этом блок электродный включает расчетное количество секций электродов, каждая из которых состоит из катода, выполненного из углеродсодержащего материала, нанесенного на никелевую сетку, помещенного в чехол из микропористой полипропиленовой пленки, выполняющего функцию основного сепаратора, из анода, выполненного из литиевой ленты, и из электролитного блока, содержащего ампулы, заполненные неводным электролитом на основе тионилхлорида, при этом анод снабжен дополнительным слоем сепаратора из асбестовой бумаги, охватывающей анод с двух сторон с перекрытием по всей площади его поверхности не менее чем на 1 мм, и соединен с локальным токоотводом из никеля, выполненным в виде квадратной площадки, совмещенной с токоотводом, также в каждой секцией электродов размещены электроизоляционные прокладки из слюдинита. Предложенный способ сборки пакета АХИТ включает формирование и соединение положительных и отрицательных токоотводов с соответствующими выходными контактами многоконтактного узла связи. Повышение безопасности и надежности при работе и хранении ампульного химического источника тока при увеличении плотности сборки является техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока ампульного типа (АХИТ), задействуемым при подаче электролита из ампулы в электродный отсек блока электрохимических элементов (ЭХЭ).

Известен в качестве прототипа предлагаемого устройства химический источник тока ампульного типа (АХИТ) (патент РФ №02290723, МПК Н01М 6/10, публ. 27.12.2006 г.), содержащий в корпусе с крышкой, колпаком и перфорированной перегородкой для впуска электролита в электродные блоки, по крайней мере, одну ампулу с электролитом на основе тионилхлорида, расчетное количество электродных блоков ЭХЭ, при этом ампулы выполнены в виде сильфонов с подвижными основаниями и установленными на них элементами вскрытия ампул.

К недостаткам известного АХИТ относится недостаточно высокие пожаро- и взрывобезопасность при работе и хранении, недостаточно высокие простота и плотность сборки, надежность монтажа сборки, что актуально при наличии жестких масс-габаритных ограничений при проектировании АХИТ.

Задачей авторов изобретения является разработка конструкции АХИТ, соответствующей требованиям по пожаро- и взрывобезопасности при работе и хранении, с высокими надежностью и плотностью монтажа сборки.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении пожаро- и взрывобезопасности при работе и хранении, надежности и плотности монтажа сборки.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном АХИТ, включающем расчетное количество секций ЭХЭ, каждая из которых содержит в корпусе, снабженном изоляцией, блок электродный и блок электролитный, при этом блок электродный включает расчетное количество секций электродов, каждая из которых состоит из катода, выполненного из углеродсодержащего материала, нанесенного на никелевую сетку, помещенного в чехол из микропористой полипропиленовой пленки, выполняющей функцию основного сепаратора, и из анода, выполненного из литиевой ленты, электролитный блок содержит ампулу, заполненную неводным электролитом на основе тионилхлорида, элементы вскрытия ампулы, согласно изобретению анод снабжен дополнительным слоем сепаратора, выполненным из асбестовой бумаги, охватывающим анод с двух сторон с перекрытием по всей площади его поверхности не менее чем на 1 мм, и соединен с локальным токоотводом из никеля, выполненным в виде квадратной площадки, совмещенной с токовыводом, между каждой секцией электродов размещены электроизоляционные прокладки из слюдинита, каждая секция электродов имеет индивидуальные положительный и отрицательные контакты, являющиеся токовыводами, которые соединены с соответствующими выходными контактами многоконтактного узла связи, через который происходит передача электроэнергии внешнему потребителю, или с контактами гермовыводов крышки АХИТ, каждая секция электродов ЭХЭ выполнена в виде пакета твердых слоев анода, катода, разделенных двумя слоями сепараторов, примыкающих боковыми поверхностями к друг другу, уложенных на едином основании вдоль продольной оси, ограниченных по четырем углам пакета опорными уголками, каждый пакет помещен в корпус каждой секции электродов, закрытой с торцевых поверхностей крышками с поверхностными слоями электроизоляции, при этом анод выполнен зигзагообразной формы из длинномерной литиевой ленты.

Предлагаемый АХИТ поясняется следующим образом.

На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого АХИТ, где 1 - блок ЭХЭ, 2 - секция ЭХЭ, 3 - защитный колпак крышки, 4 - цилиндрический корпус 5 - крышка, 6 - многоконтактный узел связи (розетка электрического соединителя), 7 - отрицательный контакт; 8 - положительный контакт; 9 - секция электродов ЭХЭ; 10 - блок электролитный.

На фиг. 2 вид (А-А) представлен фрагмент сборки электродов, где аноды 12 (вид Г) выполнены безколлекторными и зигзагообразной формы электроды отрицательные, чередующиеся с катодами 13 (электроды положительные), ограничены по краям опорными уголками 15, 14 - изоляционная прокладка, 16 - корпус.

На фиг. 3, 4 представлена развертка отрицательного электрода и положительный электрод, 17 - сепаратор из асбестовой бумаги, 18 - литиевая лента, 19 - отрицательный токоотвод, 20 - литиевая накладка, 21 - никелевая сетка, 22 - катодная масса, 23 - положительный токоотвод, 24 - сепаратор из микропористой полипропиленовой пленки.

Предлагаемый ампульный химический источник тока (АХИТ) содержит блок ЭХЭ 1, скомпонованный из расчетного количества индивидуальных секций электродов ЭХЭ, каждый из которых содержит катод 13, выполненный из углеродсодержащего материала, нанесенного на никелевую сетку, помещенный в чехол 24 из микропористой полипропиленовой пленки, выполняющей функцию основного сепаратора, и безколлекторный анод 12, выполненный из литиевой пластины (ленты). Анод 12 дополнительно снабжен слоем сепаратора из асбестовой бумаги 17. Сепаратор 17 выполнен охватывающим анод 12 по всей площади поверхности последнего с перекрытием не менее чем на 1 мм для надежного перекрытия и изоляции всех участков анода, что обеспечивает исключение риска коротких замыканий.

Увеличение изоляционной составляющей в цепи ЭХЭ позволяет оптимизировать эффективную толщину безколлекторного анода (экспериментально установлено, что всегда имеет место наличие балластного неработоспособного слоя лития, что ведет к пространственному увеличению масштабов сборки, что особенно характерно при наличии коллектора в традиционных конструкциях АХИТ).

Это позволяет также повысить надежность электроизоляции и уменьшить величину токов утечки и, как следствие, повысить безопасность АХИТ в целом при его хранении и эксплуатации.

Каждый электрод снабжен локальным токоотводом 19, 23 из никеля, а все токоотводы через контакты 7, 8 от каждой секции ЭХЭ подведены к контактам многоконтактного узла связи или контактам гермовыводов крышки АХИТ 6, объединяющей все контакты ЭХЭ, выведенные наружной сборкой на розетку внешнего соединителя АХИТ, куда впоследствие будет подключен потребитель выдаваемой источником электроэнергии.

Применение электрических соединителей, выполненных наружной сборкой, позволяет отстыковывать независимо подключаемые ЭХЭ в случае их неисправности или при необходимости их замены, или дополнения, что повышает безопасность АХИТ в целом.

Все аноды 12 в секции электродов ЭХЭ расположены для экономии пространства в виде «змейки», звенья которой составлены из зигзагообразно уложенных пакета слоев анодов, сепараторов и слоев катодов, установленных между звеньями сепараторов и анодов.

Электродные блоки АХИТ собраны из параллельно установленных индивидуальных секций электродов, электродные блоки подсоединены каждый к индивидуальной ампуле с неводным электролитом на основе тионилхлорида. Между корпусами каждой секции электродов размещены электроизоляционные прокладки из слюдинита.

В предлагаемом АХИТ предусмотрены элементы для вскрытия ампул с электролитом при задействовании АХИТ.

Известен в качестве прототипа способа сборки АХИТ (патент РФ №2507641, МПК Н01М 6/10, публ. 18.07.2012 г.), в котором изготовление источника тока ведут последовательно путем сборки сначала элементов ЭХЭ, состоящих из слоев катода, анода, сепаратора, являющегося изолятором, затем блока электродов ЭХЭ и АХИТ в целом.

К недостаткам аналога относится недостаточно высокие безопасность при работе, недостаточно высокие технологические свойства сборки, плотность сборки, что актуально при наличии жестких масс-габаритных ограничений при проектировании АХИТ.

Задачей авторов предлагаемого способа сборки АХИТ является разработка процесса сборки АХИТ, характеризующегося повышенными безопасностью, плотностью сборки, технологичностью.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа сборки АХИТ, заключается в улучшении технологичности сборки и простоты, в обеспечении требований по масс-габаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки, а также в повышении пожаровзрывобезопасности АХИТ.

Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в отличие от известного способа сборки АХИТ, включающего сборку пакета последовательно расчетного количества параллельно ориентированных слоев катода, сепаратора, выполненного из пористого материала, анода, выполненного из лития, фиксацию пакета сборки и крепление сборки, согласно изобретению предварительно изготавливают плоские катоды с индивидуальными токоотводами из заготовок из углеродсодержащего материала, нанесенного на никелевую сетку, помещенного в чехол из микропористой полипропиленовой пленки, и аноды из длинномерной литиевой пластины, которую укладывают зигзагообразно, таким образом, что каждый катод располагается в полости каждого изгиба совместно согнутых слоев анода со слоем сепаратора, накладок для крепления токоотвода к электродам, слоев основных сепараторов и слоев дополнительных сепараторов из асбестовой бумаги, которые накладывают на каждый анод с двух сторон с перекрытием по всей площади его поверхности не менее чем на 1 мм, затем соединяют анод с локальным токоотводом из никеля, выполненным в виде квадратной площадки, совмещенной с ленточным никелевым токовыводом, между каждой секцией электродов размещают электроизоляционные прокладки из слюдинита, затем всю электродную сборку помещают на единую поверхность и ограничивают по четырем углам опорными уголками, формируют токоотводы и соединяют положительные токоотводы между собой, затем собранный пакет электродов устанавливают в корпус секции электродов, приваривают отрицательные токоотводы к корпусу секции электродов, а положительные токоотводы электродов - к гермовыводу крышки секции электродов, объединяют секции электродов в расчетном количестве с образованием электродного блока АХИТ, затем соединяют электродный блок с электролитным блоком с образованием секции элементов, и окончательно все разнополярные контакты каждой секции элементов соединяют с соответствующими контактами многоконтактного узла связи, или контактами гермовыводов крышки АХИТ. Для исключения аварийной ситуации при превышении давления внутри корпуса АХИТ в крышке выполнен сквозной выпускной газоотводящий клапан 11.

Способ сборки АХИТ начинают с изготовления положительных и отрицательных электродов (катод 13, анод 12) в расчетном количестве, как это показано на фиг. 3, при этом производят вырезку длинномерной литиевой пластины, прессовку токоотвода, установку основного сепаратора для положительного электрода. После этого производят укладку и зигзагообразную формовку отрицательных электродов в специальных уголках, обеспечивающих необходимую устойчивость и точность сборки с одновременной установкой положительных электродов. В ходе сборки каждый катод располагают в полости каждого изгиба совместно согнутых слоев анода, накладок, слоев основных сепараторов и слоев дополнительных сепараторов из асбестовой бумаги, которые накладывают на каждый анод с двух сторон с перекрытием по всей площади его поверхности не менее чем на 1 мм. В полученном пакете электродов выполняют формовку токоотводов и сварку положительных токоотводов между собой. Затем пакет электродов устанавливают в корпус секции электродов, отрицательные токоотводы присоединяют к корпусу, а положительные токоотводы - к гермовыводу крышки. Затем верхнюю и нижнюю крышки корпуса устанавливают в корпус с образованием секции электродов, которые в расчетном количестве соединяют с основанием. В результате операций сборки получают электродный блок АХИТ. Окончательно все разнополярные контакты каждой секции элементов соединяют с соответствующими контактами многоконтактного узла связи или контактами гермовыводов крышки АХИТ.

Наличие жестких масс-габаритных ограничений для предлагаемого АХИТ и необходимость обеспечения высокого уровня разрядных электрических характеристик приводит к необходимости обязательного уплотнения общей конструкции АХИТ, а сборку всех компонентов АХИТ ведут на едином диэлектрическом основании.

Как это показали эксперименты, при использовании предлагаемого АХИТ и способа его сборки достигается новый технический результат, заключающийся в повышении пожаро- и взрывобезопасности при работе и хранении, надежности и плотности монтажа сборки.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый АХИТ реализован на макете, изображенном на фиг. 1.

В условиях данного примера изготовлен макет АХИТ, содержащий электродный блок 1, скомпонованный из расчетного количества индивидуальных секций электродов ЭХЭ (9), каждый из которых содержит углеродный катод 13, выполненный из композиционной сажи, нанесенной на никелевую сетку, помещенный в чехол 24 из микропористой полипропиленовой пленки, выполняющий функцию основного сепаратора, и безколлекторный анод 12, выполненный из литиевой ленты. Анод 12 дополнительно снабжен слоем сепаратора из асбестовой бумаги 17. Сепаратор 17 выполнен охватывающим анод 12 по всей площади поверхности последнего с перекрытием не менее чем на 1 мм для надежного перекрытия всех участков анода.

Способ сборки предлагаемого АХИТ осуществляют изготовлением положительных и отрицательных электродов в расчетном количестве, как это показано на фиг. 2, при этом производят вырезку длинномерной литиевой пластины, накладки, прессовку токоотвода и накладки, установку основного сепаратора для положительного электрода. После этого производится укладка и зигзагообразная формовка отрицательных электродов в специальных уголках и сварка между собой положительных токоотводов.

После проверки электрических параметров пакет электродов устанавливают в корпус секции электродов, осуществляют сварку отрицательных токоотводов к корпусу и положительных токоотводов к лепестку гермовывода крышки корпуса. Затем верхнюю и нижнюю крышки корпуса устанавливают и привариваются к корпусу с образованием секции электродов, которые в расчетном количестве соединяются сваркой с основанием, все разнополярные токоотводы подключают к соответствующим контактам многоконтактного узла связи или к контактам гермовыводов крышки 6. В результате данных операций получают электродный блок АХИТ.

Как это показал пример реализации предлагаемого изобретения, его использование обеспечивает улучшение технологичности и простоты сборки, соответствие требованиям по масс-габаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки, а также повышение пожаровзрывобезопасности АХИТ при работе и хранении и надежности монтажа сборки.

1. Ампульный химический источник тока, включающий расчетное количество секций ЭХЭ, каждая из которых содержит в корпусе, снабженном изоляцией, блок электродный и блок электролитный, при этом блок электродный включает расчетное количество секций электродов, каждая из которых состоит из катода, выполненного из углеродсодержащего материала, нанесенного на никелевую сетку, помещенного в чехол из микропористой полипропиленовой пленки, выполняющего функцию основного сепаратора, и из анода, выполненного из литиевой ленты, электролитный блок содержит ампулы, заполненные неводным электролитом на основе тионилхлорида, элементы вскрытия ампул, отличающийся тем, что анод снабжен дополнительным слоем сепаратора, выполненным из асбестовой бумаги, охватывающим анод с двух сторон с перекрытием по всей площади его поверхности не менее чем на 1 мм, и соединен с локальным токоотводом из никеля, выполненным в виде квадратной площадки, совмещенной с токоотводом, между каждой секцией электродов размещены электроизоляционные прокладки из слюдинита, каждая секция электродов имеет индивидуальные положительный и отрицательные контакты, являющиеся токовыводами, которые соединены с соответствующими контактами многоконтактного узла связи, через который происходит передача электроэнергии внешнему потребителю, или с контактами гермовыводов крышки АХИТ, каждая секция электродов ЭХЭ выполнена в виде пакета твердых слоев анода, катода, разделенных двумя слоями сепараторов, примыкающими боковыми поверхностями к друг другу, уложенных на едином основании вдоль продольной оси, ограниченных по 4 углам пакета опорными уголками, каждый пакет помещен в корпус каждой секции электродов, закрытых с торцевых поверхностей крышками с поверхностными слоями электроизоляции, при этом анод выполнен зигзагообразной формы из длинномерной литиевой ленты.

2. Способ сборки АХИТ по п. 1, включающий сборку пакета последовательно расчетного количества параллельно ориентированных слоев катода, сепаратора, выполненного из пористого материала, анода, выполненного из лития, фиксацию пакета сборки и крепление сборки, отличающийся тем, что предварительно изготавливают плоские катоды с индивидуальными токоотводами из заготовок из углеродсодержащего материала, нанесенного на никелевую сетку, помещенного в чехол из микропористой полипропиленовой пленки, и аноды из длинномерной литиевой пластины, которую укладывают зигзагообразно, таким образом, что каждый катод располагается в полости каждого изгиба анода, накладок, слоев основных сепараторов и слоев дополнительных сепараторов из асбестовой бумаги, которые накладывают на каждый анод с двух сторон с перекрытием по всей площади его поверхности не менее чем на 1 мм, затем соединяют анод с локальным токоотводом из никеля, выполненным в виде квадратной площадки, совмещенной с токовыводом, между каждой секцией электродов размещают электроизоляционные прокладки из слюдинита, затем всю электродную сборку помещают на единую поверхность и ограничивают по углам опорными уголками, формируют токоотводы и сваривают положительные токоотводы между собой, затем собранный пакет электродов устанавливают в корпус секции электродов, отрицательные токоотводы присоединяют к корпусу, положительные токоотводы - к крышке корпуса и положительные токоотводы - к гермовыводу крышки в каждой секции электродов, объединяют секции электродов в расчетном количестве с образованием электродного блока АХИТ, затем соединяют электродный блок электролитным блоком, и окончательно все разнополюсные токовыводы каждой секции электродного блока соединяют с соответствующими выходными контактами многоконтактного узла связи.