(21), (22) Заявка: 2004118643/09, 22.06.2004
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
22.06.2004
(45) Опубликовано: 20.09.2005
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
RU 2183877 C1, 20.06.2002. RU 2140681 C1, 27.10.1999. SU 1075318 A, 23.02.1984. RU 2140680 C1, 27.10.1999. RU 2180144 C1, 27.02.2002. US 6643119 A, 04.11.2003. US 4697224 A, 29.09.1987. US 5986876 A, 16.11.1999. WO 01/13388 A1, 22.02.2001.
Адрес для переписки:
105554, Москва, ул. Первомайская, 66, кв.135, пат.пов.Т.К. Широковой, рег.№ 361
|
(72) Автор(ы):
Разумов С.Н. (RU), Варакин И.Н. (RU), Менухов В.В. (RU), Самитин В.В. (RU), Степанов А.Б. (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Разумов Сергей Николаевич (RU)
|
(54) БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области электротехники, касается особенностей конструктивного выполнения электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем и может быть использовано для создания устройств, применяемых в транспортных средствах для обеспечения запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также для комплектования энергетических блоков, работающих длительное время в буферном режиме. Сущность изобретения состоит в следующем. Батарея электрохимических конденсаторов включает корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по меньшей мере, два электрических конденсатора, каждый из которых также содержит корпус, водный электролит, два электрода по крайней мере, один из которых является неполяризуемым, а другой – поляризуемым и выполнен в основном из активированного углеродного материала. При этом согласно изобретению батарея снабжена устройством сжатия конденсаторов, которые расположены в один или несколько рядов, а корпус каждого из конденсаторов имеет призматическую форму и выполнен из полимерного материала. Причем неполяризуемый электрод каждого конденсатора содержит в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита. Предложен также способ использования охарактеризованной выше батареи электрохимических конденсаторов. Технический результат – увеличение удельной энергии батареи, повышение ее надежности при эксплуатации, а также обеспечение выравнивания напряжения конденсаторов в батарее и, как следствие, – обеспечение повышенного самозаряда батареи. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл. 
Изобретение относится к области электротехники, конкретнее к электрохимическим конденсаторам (конденсаторам с двойным электрическим слоем) и к батарее на их основе, а также к способу ее использования.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в транспортных средствах для обеспечения запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также для комплектования энергетических блоков, работающих длительное время в буферном режиме.
На современном уровне развития техники уже известны конденсаторы и батареи на их основе, накапливающие энергию в двойном электрическом слое, образующемся на границе электронного проводника и электролита.
В качестве активного материала поляризуемого электрода таких конденсаторов используются, как правило, активированные углеродные материалы, а электролитом служат растворы на основе водных или органических растворителей.
th International seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices”, Deerfield Beach, Florida, 1993), US Patent №5986876, 1999/.
Из отдельных конденсаторов могут быть собраны батареи на различные напряжения, которые находят применения в различных областях техники. Благодаря достаточно высокой удельной энергии, малому внутреннему сопротивлению и слабой его зависимости от температуры такие батареи могут успешно использовать для запуска ДВС.
Способ использования известной конструкции, включающий заряд и разряд конденсаторов батареи, является прототипом заявляемого способа.
Известная батарея биполярной конструкции с рабочим напряжением 16 В или 30 В состоит из последовательно и параллельно соединенных конденсаторов, в которых оба электрода являются поляризуемыми и выполненными из активированного углеродного материала, электролитом служит раствор щелочи.
Недостатками такой батареи являются:
– невысокая удельная энергия, не выше 0.4 Втч/кг (0.9 Втч/л).
– низкая надежность при эксплуатации, обусловленная применением биполярной конструкции и большого количества конденсаторов, герметизация которых трудно осуществима из-за большого периметра уплотнения;
– обеспечение выравнивания напряжения конденсаторов в батарее достигается с помощью внешней пассивной цепи, что приводит к повышенному саморазряду батареи.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание конструкции, исключающей вышеуказанные недостатки.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием батареи электрохимических конденсаторов, включающей корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по крайней мере два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит корпус, водный электролит, два электрода, по крайней мере один из которых является поляризуемым и выполнен в основном из активированного углеродного материала, которая согласно изобретению снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом конденсаторы расположены в один или несколько рядов, а корпус конденсаторов имеет призматическую форму и выполнен из полимерного материала, при этом второй электрод каждого конденсатора выполнен неполяризуемым и содержащим в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита.
Изобретение характеризуется также тем, что устройство сжатия конденсаторов включает хомут, скрепляющий конденсаторы, пружину и по крайней мере одну пластину, контактирующую с пружиной и корпусом по крайней мере одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.
Это обеспечивает хороший контакт активного электродного материала с коллектором тока.
Выполнение хомута, скрепляющего конденсаторы из металла или полимерного материала, а корпус батареи из полимерного материала или из металла с защитным покрытием позволяет …обеспечить надежное механическое закрепление конденсаторов в батарею и обеспечить защиту хомута от коррозии.
Для упрощения конструкции и уменьшения ее веса хомут, скрепляющий конденсаторы, является по существу корпусом батареи.
Соединение расположенных в один или несколько рядов конденсаторов электрически последовательно или соединение в каждом ряду конденсаторов электрически последовательно, а ряды конденсаторов соединены параллельно, позволяет при необходимости либо увеличить напряжение батареи, либо емкость при сохранении запасенной энергии.
Изобретение характеризуется также тем, что каждый конденсатор имеет водный щелочной электролит и не поляризуемый электрод, содержащий в основном гидроксиды никеля.
Благодаря применению неполяризуемого электрода такой конденсатор превосходит по своим удельным характеристикам конденсатор с двумя поляризуемыми электродами. Рабочее напряжение конденсатора в батарее электрохимических конденсаторов, содержащей водный электролит, определяется напряжением разложения водного электролита. Величина этого напряжения обусловлена не только термодинамической величиной разложения воды, но и кинетической величиной перенапряжения разложения электролита, которая ощутимо зависит от температуры. Поэтому рабочее напряжение конденсаторов, а следовательно, и батареи также зависит от температуры. Например, электрохимический конденсатор с щелочным электролитом и неполяризуемым электродом из гидроксидов никеля при температуре от 0 до 60°С может заряжаться до максимального рабочего напряжения 1,6 В, а при температуре от минус 15 до минус 50°С – до напряжения 2,0 В. При этом батарея, содержащая, например, 10 последовательно соединенных конденсаторов при температуре от 0 до 60°С имеет максимальное рабочее напряжение 16 В, а при температуре от минус 15 до минус 50°С рабочее напряжение составляет 20 В, а батарея из 20 последовательно соединенных конденсаторов при температуре от 0 до 60°С имеет максимальное рабочее напряжение 32 В, а при температуре от минус 15 до минус 50°С максимальное рабочее напряжение составляет 40 В. Более высокое рабочее напряжение позволяет запасать большую энергию конденсатора, а следовательно, и батареи электрохимических конденсаторов, при этом максимальное рабочее напряжение рассчитывают по полученной эмпирически формуле UT=U50(1+0,005(Т-50)), где
Uт – максимальное зарядное напряжение при данной температуре,
U50 – максимальное зарядное напряжение при температуре плюс 50°С,
Т – температура в градусах Цельсия.
Предлагаемая батарея электрохимических конденсаторов обладает свойством самовыравнивания элементов по напряжению. При возрастании напряжения в конденсаторах возникает возможность протекания электрохимических процессов с участием водного электролита и образования на электродах водорода и кислорода, что приводит к возрастанию токов утечки и выравниванию элементов по напряжению. Данное явление позволяет избежать применения в батарее электрохимических конденсаторов внешней электронной системы выравнивания конденсаторов.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа использования батареи электрохимических конденсаторов включающего заряд и разряд конденсаторов батареи, в котором согласно изобретению батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.
Сущность предлагаемого изобретения описана в нижеследующем описании конструкции батареи электрохимических конденсаторов и способа ее использования и чертежами, где
на фиг.1 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в один ряд, вид сбоку;
на фиг.2 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в один ряд, вид сверху;
на фиг.3 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в два ряда вид сбоку;
на фиг.4 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в два ряда, вид сверху;
на фиг.5 приведен график, показывающий, как выравниваются напряжения на элементах в составе модуля из примера 7 при возрастании напряжения от 39 до 45 В.
Каждый конденсатор в батарее содержит призматический корпус 1 из полимерного материала, водный, например, щелочной электролит, поляризуемый электрод, выполненный в основном из активированного углеродного материала и неполяризуемый электрод, содержащий в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита, например, содержащий в основном гидроксиды никеля.
Батарея электрохимических конденсаторов содержит корпус 2, 3 положительный 4 и отрицательный 5 токоотводы, по крайней мере два электрически соединенных конденсатора с помощью перемычек 6, расположенных в один или несколько рядов. Например, в каждом ряду конденсаторы электрически могут быть соединены последовательно, а ряды конденсаторов соединены параллельно.
Устройство сжатия конденсаторов включает хомут 7, скрепляющий конденсаторы, пружину 8 и по крайней мере одну пластину 9, контактирующую с пружиной и корпусом 1, по крайней мере одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.
При этом хомут 7 может быть выполнен из металла или полимерного материала, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.
В зависимости от технологической необходимости хомут 7, скрепляющий конденсаторы, может являться по существу корпусом батареи.
Работу батареи осуществляют следующим образом.
Подключают батарею к источнику электропитания и заряжают ее до напряжения, которое рассчитывается с учетом окружающей температуры по уравнению UT=U50(1+0,005(T-50)), где
Uт – максимальное зарядное напряжение при данной температуре,
U50 – максимальное зарядное напряжение при температуре плюс 50°С,
Т – температура в градусах Цельсия.
При длительной эксплуатации батареи, например, в буферном режиме величину зарядного напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.
Рассмотрим несколько примеров выполнения предлагаемой конструкции батареи.
Пример 1. Батарея электрохимических конденсаторов состоит из 10 конденсаторов, содержащих водный электролит на основе гидроксида калия (плотностью 1,3 г/см3). Поляризуемый электрод толщиной 300 мкм выполнен из материала на основе активированного углеродного порошка.
Неполяризуемый фольговый электрод в качестве активного материала содержит гидроксид никеля и имеет толщину 100-120 мкм. Емкость конденсатора составляет 2900 Ф, а внутреннее сопротивление при комнатной температуре – 0.3 мОм.
Каждый конденсатор имеет призматическую конструкцию с габаритными размерами 60×25×126 мм.
Десять последовательно соединенных с помощью медных никелированных перемычек конденсаторов скреплены хомутом из полимерного материала, соединенным с пластинчатой пружиной и полимерный вкладыш для равномерного распределения давления по стенке конденсатора.
Корпус батареи изготовлен из металла с защитным покрытием, а крышка из полимерного материала. Токоотводы батареи выведены наверх через его крышку. Характеристики батареи в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.
Пример 2. В отличие от примера 1 батарея электрохимических конденсаторов состоит из элементов с емкостью 6000 Ф и внутренним сопротивлением 0.3 мОм.
Каждый конденсатор содержит поляризуемый электрод толщиной 600 мкм, выполненный из материала на основе активированной углеродной ткани.
Не поляризуемый электрод в качестве активного материала содержит – гидроксид никеля и имеет спеченную конструкцию и толщину 300 мкм.
Конденсатор имеет призматическую конструкцию с габаритными размерами 83.5×31.5×148 мм.
В отличие от примера 1 десять последовательно соединенных конденсатора скреплены металлическим бандажом, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала. Характеристики батареи в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.
Пример 3. В отличие от примера 2 батарея состоит из 20 конденсаторов, которые расположены в два ряда, при этом в каждом ряду 10 конденсаторов электрически соединены последовательно, а ряды – соединены параллельно.
Характеристики модуля в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.

Пример 4. В отличие от примера 1 батарея состоит из 20 последовательно соединенных конденсаторов, расположенных в два ряда.
Характеристики батареи электрохимических конденсаторов в сравнении с прототипом представлены в таблице 2.
Пример 5. В отличие от примера 2 батарея состоит из 20 последовательно соединенных конденсаторов, расположенных в два ряда. Характеристики батареи в сравнении с прототипом представлены в таблице 2.
Пример 6. В отличие от примера 5 батарея электрохимических конденсаторов состоит из конденсаторов с емкостью 10000 Ф, внутренним сопротивлением 0.3 мОм и габаритными размерами 83.5×31.5×208. Характеристики батареи электрохимических конденсаторов в сравнении с прототипом представлены в таблице 2.
Пример 7. В отличие от примера 2 батарея электрохимических конденсаторов состоит из 30 последовательно соединенных конденсаторов, расположенных в два ряда по 15 элементов. Хомут в данной батарее являет одновременно корпусом конденсаторов, а корпус батареи изготовлен из металла.
Характеристики батареи электрохимических конденсаторов в сравнении с прототипом представлены в таблице 3.


Как видно из таблиц, удельная мощность описанных в примерах батарей не уступает удельной мощности прототипа, а удельная энергия существенно превышает удельную энергию прототипа.
Повышение максимального напряжения при отрицательных температурах позволяет запасать значительно большую энергию по сравнению, например, с комнатной температурой.
При работе батареи, например, в буферном режиме, когда величину зарядного напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи, можно избежать применения в батареи внешней электронной системы выравнивания конденсаторов.
Формула изобретения
1. Батарея электрохимических конденсаторов, которая включает корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит водный электролит, два электрода, по крайней мере, один из которых является поляризуемым и выполнен в основном из активированного углеродного материала, отличающаяся тем, что она снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом конденсаторы расположены в один или несколько рядов, а корпус конденсаторов имеет призматическую форму и выполнен из полимерного материала, при этом второй электрод каждого конденсатора выполнен неполяризуемым, содержащим в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита.
2. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что устройство сжатия конденсаторов включает хомут, скрепляющий конденсаторы, пружину и, по крайней мере, одну пластину, контактирующую с пружиной и корпусом, по крайней мере, одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.
3. Батарея электрохимических конденсаторов по п.2, отличающаяся тем, что хомут, скрепляющий конденсаторы, выполнен из металла или полимерного материала, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.
4. Батарея электрохимических конденсаторов по п.2 или 3, отличающаяся тем, что хомут, скрепляющий конденсаторы, является, по существу, корпусом батареи.
5. Батарея электрохимических конденсаторов п.1, отличающаяся тем, что расположенные в один или несколько рядов конденсаторы соединены электрически последовательно.
6. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1 или 5, отличающаяся тем, что в каждом ряду конденсаторы электрически соединены последовательно, а ряды конденсаторов соединены параллельно.
7. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что каждый конденсатор имеет водный щелочной электролит и неполяризуемый электрод, содержащий в основном гидроксиды никеля.
8. Способ использования батареи электрохимических конденсаторов, включающий заряд и разряд конденсаторов батареи, отличающийся тем, что батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.
9. Способ использования батареи электрохимических конденсаторов по п.8, отличающийся тем, что максимальное рабочее напряжение выбирают равным UT=U50 (1+0,005(Т-50)), где UT – максимальное зарядное напряжение при данной температуре, U50 – максимальное зарядное напряжение при температуре 50°С, Т – температура в градусах Цельсия.
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 23.06.2009
Извещение опубликовано: 10.06.2010 БИ: 16/2010
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.06.2010
Извещение опубликовано: 10.06.2010 БИ: 16/2010
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
(73) Патентообладатель(и):
Разумов Сергей Николаевич
(73) Патентообладатель:
Томащук Кирилл Юрьевич
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 10.06.2010 № РД0065739
Извещение опубликовано: 20.07.2010 БИ: 20/2010
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
(73) Патентообладатель(и):
Томащук Кирилл Юрьевич
(73) Патентообладатель:
Юниверсал Ресурсиз АГ (CH)
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 20.07.2010 № РД0067470
Извещение опубликовано: 27.08.2010 БИ: 24/2010
|