Патент на изобретение №2399110

(54) ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ СОРБЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электролитическим конденсаторам. Техническим результатом изобретения является поглощение вредных веществ. Согласно изобретению электролитический конденсатор включает в себя воздухонепроницаемый корпус, электроды, погруженные в электролитический раствор, электрические контакты, соединенные с электродами, и приспособление для сорбции вредных веществ, состоящее из полимерного кожуха, проницаемого для упомянутых вредных веществ, но непроницаемого для электролита, и содержащего один или более газопоглощающих материалов для сорбции упомянутых вредных веществ. 26 з.п. ф-лы, 6 ил.

Настоящее изобретение относится к электролитическим конденсаторам, содержащим приспособление, способное сорбировать вредные вещества, образуемые такими конденсаторами во время их функционирования.

Известные электролитические конденсаторы, например суперконденсаторы ЭКДЭС (электрохимический конденсатор с двойным электрическим слоем), по существу, состоят из воздухонепроницаемого корпуса, в котором располагаются электроды, обычно образованные из металлических листов, при этом электроды погружены в особые электролитические растворы. Корпус также содержит элементы с газопоглощающим действием для сорбции вредных веществ и электрические контакты, связывающие упомянутые электроды с внешней стороной конденсатора.

Что касается электролитических растворов, то они обычно образованы из растворителя и ионной соли. В случае ЭКДЭС, например, в качестве растворителей зачастую используют ацетонитрил и пропиленкарбонат, в то время как в качестве соли зачастую используют тетрафторборат тетраэтиламмония.

Во время функционирования конденсатора данные растворы могут образовывать вредные вещества, зачастую в газообразной форме, которые могут повредить конденсаторы даже неремонтопригодным образом; еще один возможный источник вредных газов может быть обусловлен десорбцией из некоторых материалов, используемых внутри конденсатора.

В число наиболее вредных газообразных веществ входят диоксид углерода, оксид углерода и водород; в то же время вода, которая является еще одним особенно вредным веществом, обычно присутствует внутри электролитического раствора в жидкой форме.

Проблема сорбции вредных веществ внутри конденсаторов может быть разрешена в результате добавления одного или более сорбирующих элементов, смешанных с электролитическим раствором, или посредством несмешиваемых сорбирующих систем. Использование смешиваемых с электролитом материалов с газопоглощающим действием можно реализовать при помощи жидких сорбентов: такой тип решения описывается в патентной заявке PCT/IT2006/000349 на имя заявителя. Второй вариант реализации предписывает использование твердых сорбентов, добавляемых к электролиту, что описывается в документе JP 03-292712, где на листы после их пропитывания электролитическим раствором наносят добавку, включающую дисперсный материал платины, палладия или их сплавов; однако данные листы могут иметь очень малую толщину, в частности меньшую, чем 10 микрометров (мкм), вследствие чего они могут быть повреждены содержащимися в таком дисперсном материале частицами из-за их относительно большого диаметра, что в результате приводит к риску возникновения случайных коротких замыканий внутри конденсатора.

Система, использующая сорбенты газов, расположенные в ограниченных областях конденсатора, описана в патентной заявке JP 2003-197487. В данном случае сорбирующий материал используют в форме листов, выполненных из полимерного материала, такого как полипропилен, являющегося носителем сорбирующего материала, при этом такие листы находятся в непосредственном контакте с электролитическим раствором.

Данные типы решения ограничены тем, что сорбирующий материал, в дополнение к выполнению своей функции сорбирования вредных веществ, образовавшихся внутри конденсатора, должен быть совместимым с электролитом, т.е. он должен быть совершенно инертным по отношению к нему для того, чтобы предотвратить возникновение угрозы для своих характеристик сорбирования или, что еще хуже, высвобождение химических веществ, вредных для правильного функционирования конденсатора, вследствие реакции с электролитом; например, возможное разложение сорбента газа может изменить электрическую проводимость электролита. Такая химическая совместимость должна быть обеспечена для сорбента даже после того, как сорбент выполнил свою функцию путем связывания с вредными веществами.

В своем первом аспекте настоящее изобретение относится к электролитическому конденсатору, способному преодолеть проблемы, все еще существующие в современном уровне техники, и, в частности, заключается в электролитическом конденсаторе, включающем в себя воздухонепроницаемый корпус, содержащий электролитический раствор, в который погружены электроды, электрические контакты, соединенные с электродами, и при этом в упомянутом корпусе присутствует приспособление для сорбции вредных веществ, отличающемся тем, что упомянутое приспособление для сорбции вредных веществ состоит из полимерного кожуха, проницаемого для упомянутых вредных веществ, но непроницаемого для электролита, и содержащего один или более газопоглощающих материалов для сорбции упомянутых вредных веществ.

Изобретение будет проиллюстрировано со ссылкой на следующие далее чертежи, на которых:

фиг.1 – в поперечном сечении демонстрирует приспособление для сорбции вредных веществ в электролитических конденсаторах согласно настоящему изобретению;

фиг.2 – демонстрирует еще один вариант реализации приспособления для сорбции вредных веществ в электролитических конденсаторах по изобретению;

фиг.3 – демонстрирует вид в поперечном сечении электролитического конденсатора, включающего в себя проницаемый полимерный кожух, содержащий газопоглощающие материалы;

фиг.4 – демонстрирует альтернативный вариант реализации электролитического конденсатора, продемонстрированного на фиг.3;

фиг.5 – демонстрирует вид в поперечном сечении электролитического конденсатора с другой геометрией, включающего в себя проницаемый полимерный кожух, содержащий газопоглощающие материалы; и

фиг.6 – демонстрирует вид в поперечном сечении предпочтительного варианта реализации электролитического конденсатора, продемонстрированного на фиг.5.

Размер и соотношение размеров различных элементов, продемонстрированных на чертежах, не являются правильными, будучи измененными для того, чтобы облегчить понимание тех же самых чертежей.

Фиг.1 в поперечном сечении демонстрирует приспособление 10 для сорбции вредных веществ, причем это приспособление включает в себя два полимерных листа 11 и 12, сваренных друг с другом по своему периметру с образованием, таким образом, полости 13, содержащей порошки 14 одного или более газопоглощающих материалов. По меньшей мере один, а предпочтительно – оба материала, образующих полимерные листы 11 и 12, являются проницаемыми для вредных веществ, но непроницаемыми для электролита, таким образом оказывая защитное действие по отношению к газопоглощающему материалу; это делает возможным свободный выбор газопоглощающего материала вне зависимости от типа электролита, используемого внутри конденсатора.

Толщина полимерных листов 11 и 12 является очень важным параметром для изобретения, поскольку необходимо, чтобы эти листы были тонкими для того, чтобы сделать возможным эффективное проникновение вредных веществ, но в то же самое время они должны быть достаточно толстыми во избежание разрыва и последующей утечки газопоглощающего материала. В результате данных противоположных требований было обнаружено, что толщина полимерных листов подходящим образом находится в диапазоне от 2 до 50 мкм, а предпочтительно – от 5 до 15 мкм; в предпочтительном варианте реализации оба полимерных листа имеют одинаковую толщину.

Само собой разумеется, что приспособление для сорбции вредных веществ со структурой, эквивалентной той, что описывается со ссылкой на фиг.1, также можно было бы получить и при использовании одного полимерного листа, сложенного сам на себя по одной линии сгиба с образованием одной стороны приспособления и сваренного по другой кромке или другим кромкам с образованием замкнутой полости, аналогичной полости 13; данная компоновка также удовлетворяет описанным ранее предпочтительным вариантам выбора, заключающимся в наличии у листов 11 и 12 одних и тех же толщины и характеристик проницаемости.

В том случае, когда газопоглощающая система установлена вдоль одной из внутренних стенок электролитического конденсатора, для листа, находящегося в контакте с такой стенкой, можно будет использовать большую толщину, поскольку вдоль поверхности контакта между газопоглощающей системой и стенкой конденсатора проникновения вредных веществ не происходит.

Газопоглощающие материалы, содержащиеся в полимерном кожухе, предпочтительно находятся в форме порошков, при этом размер зерен составляет меньше чем 60 мкм; возможно также, чтобы газопоглощающий материал использовался в форме гранул, выполненных только из спрессованных порошков. Такое решение является подходящим для использования тогда, когда в электролитический конденсатор необходимо ввести большее количество газопоглощающего материала.

Фиг.2 демонстрирует систему 20 для сорбции вредных веществ, в которой два различных газопоглощающих материала, 22 и 22′, введены в форме гранул, заключенных в цилиндрический кожух 21, выполненный из полимерного материала, проницаемого для вредных веществ.

Газопоглощающие материалы в проницаемых полимерных кожухах, используемые в других областях применения и в других сферах, известны и описываются, например, в патентах США 4830643, США 5743942 и США 6428612.

Что касается материалов, образующих проницаемый полимерный кожух, то изобретатели обнаружили то, что подходящими материалами для реализации изобретения являются политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полиолефины. Что касается полиолефинов, то предпочтительным является полиэтилен, в частности полиэтилен низкой плотности (ПЭНП).

Газопоглощающие материалы, используемые в приспособлении, согласно изобретению относятся к различным типам в зависимости от тех вредных веществ, которые подлежат удалению из внутреннего пространства конденсатора; природу данных веществ можно установить для любого типа конденсатора, посредством предварительных испытаний, проводимых для анализа газа, выделяющегося во время функционирования различных типов конденсаторов, без какого-либо приспособления для удаления газов.

Когда вредным веществом является водород, то можно использовать неиспаряющиеся сплавы-газопоглотители (геттеры), в частности сплавы циркония-ванадия-железа, описанные в патенте США 4312669 и продаваемые заявителем под наименованием St 707, или сплавы циркония-кобальта-редких земель, описанные в патенте США 5961750 и продаваемые заявителем под наименованием St 787; также можно использовать и ненасыщенные органические соединения (возможно, вместе с катализаторами гидрирования), цеолиты с серебряным покрытием или углеродные нанотрубки; наконец, можно использовать материалы, которые вступают в реакцию с водородом с образованием воды, такими как оксид палладия (PdO) или оксид кобальта(II,III) (Co₃O₄), в комбинации с сорбентами Н₂О.

В том случае, если вредным веществом является Н₂О, то тогда в качестве газопоглощающего материала можно использовать оксиды щелочноземельных металлов (предпочтительным является оксид кальция), оксид бора или цеолиты.

В том случае, если вредным веществом является диоксид углерода СО₂, то тогда подходящими газопоглощающими материалами являются гидроксид лития, гидроксиды щелочноземельных металлов или соли лития, такие как LiXO_y, где Х выбран из циркония, железа, никеля, титана и кремния, а у находится в диапазоне от 2 до 4.

В том случае, если вредным веществом является монооксид углерода СО, то тогда можно использовать оксид кобальта (II,III) (Co₃O₄), оксид меди (II) (CuO) или перманганат калия (KMnO₄), предпочтительно вместе с сорбентом СО₂.

Приспособление для сорбции вредных веществ, предназначенное для использования в электролитических конденсаторах по настоящему изобретению, также может включать в себя более чем один газопоглощающий материал, в зависимости от тех вредных веществ, которые требуется удалить из конденсатора. Например, в конденсаторах, где растворителем является ацетонитрил, в основном происходит образование водорода, вследствие чего рекомендуется использовать композицию, содержащую больше газопоглощающего материала для такого газа, в то время как в том случае, когда растворителем является пропиленкарбонат, необходимо использовать большее количество порошка, сорбирующего СО и СО₂.

Электролитические конденсаторы по настоящему изобретению можно изготавливать путем размещения содержащего газопоглощающий материал проницаемого кожуха вдоль одной стороны электролитического конденсатора, в области конденсатора, свободной от электродов, как это продемонстрировано, например, на фиг.3. В данном случае конструкция электролитического конденсатора 30 включает в себя множество плоских электродов (только два самых внешних, 32 и 32′, показаны на чертеже для того, чтобы не ухудшить его удобочитаемость) в форме параллельных металлических пластин, погруженных в электролитический раствор (не показан). Проницаемый полимерный кожух 33, содержащий газопоглощающий материал для сорбции вредных газов, расположен на одной стороне данного конденсатора. Электрические контакты 34 и 34′ связывают электроды с внешней стороной воздухонепроницаемого корпуса 31 электролитического конденсатора.

Фиг.3 демонстрирует предпочтительный вариант реализации электролитического конденсатора 30; альтернативные и совершенно эквивалентные варианты реализации предписывают использование одного или более проницаемых полимерных кожухов, расположенных вдоль частей внутренних стенок воздухонепроницаемого корпуса электролитического конденсатора.

Фиг.4 демонстрирует электролитический конденсатор 40, подобный описанному со ссылкой на фиг.3 (элементы на фиг.4, имеющие те же самые номера позиций, что и на фиг.3, представляют собой то же самое, что и описывалось ранее), но там в конструкцию конденсатора добавлена часть 43, предназначенная содержать газопоглощающее приспособление 45 для сорбции вредных веществ. Фактически часть 43, содержащая упомянутое газопоглощающее приспособление, образует часть воздухонепроницаемого корпуса электролитического конденсатора, свободную от его элементов (электродов, контактов), но сообщающуюся по одной стороне с внутренним пространством электролитического конденсатора. Если проницаемый полимерный кожух не занимает весь доступный объем части 43, то тогда часть данного объема заполняется электролитом.

В альтернативном варианте проницаемый кожух, содержащий газопоглощающий материал, можно вставлять в центральную часть электролитического конденсатора, как это продемонстрировано, например, на фиг.5. В данном случае конденсатор 50 имеет цилиндрическую геометрию и при этом продемонстрирован его вид в осевом поперечном сечении. Конденсатор включает в себя воздухонепроницаемый корпус 51, содержащий внутри себя электроды 52 в форме тонких листов, скрученных с образованием спирали, вид которой в поперечном сечении представлен параллельными вертикальными линиями, расположенными близко друг от друга, погруженными в жидкий электролит (не показан); электрические контакты 54, 54′ связывают электроды с внешней стороной воздухонепроницаемого корпуса (на фиг.5 для ясности контакты вычерчены в виде отдельных элементов по отношению к электродам). Приспособление для сорбции вредных веществ 55, состоящее из содержащего газопоглощающий материал проницаемого полимерного кожуха, расположено в центральной части этого конденсатора.

Еще один предпочтительный вариант реализации изобретения продемонстрирован на фиг.6. В данном случае электролитический конденсатор 60 все еще имеет цилиндрическую геометрию и содержит внутри себя электроды в форме спиральной катушки 62. Воздухонепроницаемый корпус 61 в своей нижней части имеет часть 63, которая служит для вмещения приспособления 65 для сорбции вредных веществ, опять-таки в форме содержащего газопоглощающий материал проницаемого полимерного кожуха. Такой вариант реализации является особенно выгодным вследствие, так как отсутствуют какие-либо конкретные геометрические ограничения, обусловленные близостью приспособления для сорбции вредных веществ к электрическим контактам.

В вариантах реализации, продемонстрированных на фиг.4 и 6, между областью, вмещающей проницаемый полимерный кожух, и электродами рекомендуется добавлять разделительную решетку (не показана) для того, чтобы предотвратить повреждение полимерного кожуха данными электродами, что могло бы вызвать утечку содержащегося в нем газопоглощающего материала. Такая решетка должна быть электрически изолирующей, поскольку при нахождении в контакте с различными электродами она не должна приводить к коротким замыканиям между ними.

Формула изобретения

1. Электролитический конденсатор (30; 40; 50; 60), включающий в себя воздухонепроницаемый корпус (31; 51; 61), электроды (32, 32; 52; 62), погруженные в электролитический раствор, электрические контакты (34, 34; 54, 54), соединенные с электродами, и приспособление (10; 20; 33; 45; 55; 65) для сорбции вредных веществ, отличающийся тем, что упомянутое приспособление для сорбции вредных веществ состоит из полимерного кожуха (21), проницаемого для упомянутых вредных веществ, но непроницаемого для электролита и содержащего один или более газопоглощающих материалов (14; 22, 22) для сорбции упомянутых вредных веществ.

2. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутый проницаемый полимерный кожух состоит из двух сваренных полимерных листов (11, 12).

3. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутый проницаемый полимерный кожух состоит из одного полимерного листа, сложенного сам на себя по одной линии сгиба с образованием одной стороны приспособления и сваренного по другой(им) кромке или кромкам с образованием замкнутой полости.

4. Электролитический конденсатор по п.2 или 3, в котором толщина упомянутых полимерных листов находится в диапазоне от 2 до 50 мкм.

5. Электролитический конденсатор по п.4, в котором упомянутая толщина находится в диапазоне от 5 до 15 мкм.

6. Электролитический конденсатор по п.2, в котором упомянутые полимерные листы имеют одинаковую толщину.

7. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые газопоглощающие материалы находятся в форме порошков с размером зерна, меньшим, чем 60 мкм.

8. Электролитический конденсатор по п.7, в котором упомянутые порошки спрессованы с образованием гранул.

9. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутый полимерный кожух (21) имеет цилиндрическую форму.

10. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутый проницаемый полимерный кожух выполнен из полиолефина.

11. Электролитический конденсатор по п.10, в котором упомянутый полиолефин представляет собой полиэтилен низкой плотности (ПЭНП).

12. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутый проницаемый полимерный кожух выполнен из политетрафторэтилена (ПТФЭ).

13. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают водород, а упомянутый газопоглощающий материал включает неиспаряющиеся сплавы-газопоглотители.

14. Электролитический конденсатор по п.13, в котором упомянутые неиспаряющиеся сплавы-газопоглотители включают сплавы циркония-ванадия-железа или сплавы циркония-кобальта-редких земель.

15. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают водород, а упомянутый газопоглощающий материал включает ненасыщенные органические соединения.

16. Электролитический конденсатор по п.15, дополнительно содержащий катализатор гидрирования.

17. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают водород, а упомянутый газопоглощающий материал включает углеродные нанотрубки или цеолиты с серебряным покрытием.

18. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают водород, а упомянутый газопоглощающий материал включает одно или более соединений из числа оксида палладия или оксида кобальта (II, III).

19. Электролитический конденсатор по п.18, в котором упомянутый газопоглощающий материал использован совместно с газопоглощающим материалом для удаления H₂O.

20. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают H₂O, а упомянутый газопоглощающий материал включает одно или более из следующих соединений: оксиды щелочноземельных металлов, оксид бора или цеолиты.

21. Электролитический конденсатор по п.20, в котором упомянутый оксид щелочноземельного металла представляет собой оксид кальция.

22. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают CO₂, а упомянутый газопоглощающий материал включает одно или более из следующих соединений: гидроксид лития, гидроксиды щелочноземельных металлов или соли лития формулы LiXO_y, где X выбран из циркония, железа, никеля, титана и кремния, а у находится в диапазоне от 2 до 4.

23. Электролитический конденсатор по п.1, в котором упомянутые вредные вещества включают СО, а упомянутый газопоглощающий материал включает одно или более из следующих соединений: оксид кобальта (II, III), оксид меди (II), перманганат калия.

24. Электролитический конденсатор по п.23, в котором упомянутый газопоглощающий материал использован совместно с газопоглощающим материалом для удаления CO₂.

25. Электролитический конденсатор по п.1, включающий в себя один или более полимерных кожухов, содержащих газопоглощающие материалы, и упомянутые полимерные кожухи расположены вдоль одной или более частей внутренних стенок воздухонепроницаемого корпуса.

26. Электролитический конденсатор по п.1, в котором часть воздухонепроницаемого корпуса предназначена для вмещения упомянутого полимерного кожуха, содержащего газопоглощающий материал.

27. Электролитический конденсатор по п.26, в котором упомянутая часть для вмещения полимерного кожуха, содержащего газопоглощающий материал, отделена от остальной части электролитического конденсатора электрически изолирующей решеткой.

РИСУНКИ