Конденсатор подвійного електричного шару

1. Конденсатор подвійного електричного шару, що містить корпус, струмовиводи з кінцевими частинами, електроди, іонопровідний сепаратор і електроліт, який відрізняється тим, що струмовиводи виконано складеними і нерознімними, при 3 нанесення захисного покриття або захист будьяким іншим способом тої частини колектора струму і струмовиводу, яка піддається дії електроліту. При використанні деяких органічних електролітів найбільш придатним металом для струмовиводів з погляду хімічної стійкості і низької вартості є алюміній. Крім того, струмовиводи повинні виконуватися з металу з малим питомим опором, вони повинні мінімально збільшувати внутрішній опір конденсатора і не обмежувати розрядну потужність конденсатора, оскільки амплітуда розрядних струмів може досягати сотень і навіть тисяч ампер. Крім того, струмовиводи повинні мати низький контактний опір при з'єднанні окремих конденсаторів в батареї. Відомо конденсатор подвійного електричного шару, що містить корпус, всередині якого між силовими пластинами і торцевими струмознімними пластинами, з'єднаними із зовнішніми різнополярними струмовиводами, розміщені пакети, які установлені один на другому в почерговій полярності і складаються з плоских накопичувальних секцій, кожна з яких має два пористі електронно-провідні електроди, просочені електролітом і розділені електронно-ізолювальним іонопровідним сепаратором, тонколистові електронно-провідні обкладки, що прилягають до електродів, торцеві внутрішні ізолятори, розміщені між торцевими струмознімними пластинами і силовими пластинами, проміжні струмознімні пластини, установлені між пакетами і з'єднані з торцевими струмоведучими пластинами відповідної полярності комутуючими струмоведучими перемичками [заявка WO 92/12521, H01G9/00, 1992]. Недоліками відомого конденсатора є висока імовірність перегріву комутуючих перемичок і, як наслідок, вихід конденсатора з ладу, що обумовлене складною формою і високим опором комутуючих перемичок. Відомо також конденсатор подвійного електричного шару, що містить корпус, силові пластини, які закривають корпус з торців, і торцеві струмознімні пластини, що з'єднані із зовнішніми різнополярними струмовиводами, і пакети, які установлені в корпусі один на другий в почерговій полярності і які складаються з плоских накопичувальних секцій, кожна з яких має два пористі електроди, розділені сепаратором і просочені електролітом, тонколистові обкладки, що прилягають до електродів, торцеві внутрішні ізолятори, розміщені між торцевими струмознімними пластинами і силовими пластинами, проміжні струмознімні пластини, установлені між пакетами і з'єднані з торцевими струмоведучими пластинами відповідної полярності комутуючими струмоведучими перемичками. Кожна комутуюча перемичка виконана в вигляді плоскої шини з Г-подібними деталями, прикріпленими до її кінців і нерознімно і з'єднаними встик з торцевими поверхнями струмознімних пластин, причому струмознімні пластини в кожній утвореній парі з'єднані одна з одною щонайменше двома перемичками [RU №2237307, H01G9/00, H01G9/016, Опубл. 27.09.2004]. Недоліком зазначеного конденсатора є низька розрядна потужність, а також складність конструк 56117 4 ції, що спричиняє підвищення його вартості і зниження надійності. Відомо конденсатор подвійного електричного шару, що містить корпус, струмовиводи, позитивний і негативний електроди з високою питомою поверхнею, сепаратор і електроліт [Patent US №6602742, H01L21/335, Aug.5, 2003]. Такий конденсатор має обмеження по зніманню великого струмового навантаження через конструкцію струмовиводів. Це обумовлено тим, що оксидний шар на поверхні алюмінієвих струмовиводів при з'єднанні окремих конденсаторів в батарею створює додатковий опір у ланцюгу розряду і, тим самим, обмежує розрядну потужність конденсатора. Найближчим до корисної моделі, що заявляється, є конденсатор подвійного електричного шару, що містить корпус, алюмінієві струмовиводи, позитивний і негативний електроди з високою питомою поверхнею, іонопровідний сепаратор і електроліт [Patent US 2008/0151472, Н01G9/004, Jun.26, 2008]. Такий конденсатор, як і попередній аналог, має обмеження по відбору великих струмів через конструкцію струмовиводів. Це обумовлено тим, що оксидний шар на поверхні алюмінієвих струмовиводів при з'єднанні окремих конденсаторів в батарею створює додатковий опір в ланцюга розряду і, тим самим, обмежує розрядну потужність конденсатора. В основу корисної моделі поставлено задачу збільшення розрядної потужності конденсатора подвійного шару шляхом зниження величини додаткового електричного опору в розрядному ланцюгу за рахунок конструкції струмовиводів. Поставлену задачу вирішують тим, що в конденсаторі подвійного електричного шару, який містить корпус, струмовиводи з кінцевими частинами, електроди, іонопровідний сепаратор і електроліт, згідно з корисною моделлю, струмовиводи виконано складеними і не рознімними, при цьому кінцеві частини струмовиводів виконані з металу або сплаву з низьким контактним опором, що не перевищує 100мкОм на 1см2. Кінцеві частини струмовиводів можуть бути виконані з металу або сплаву металів з групи, яка включає олово, нікель, цинк, мідь, срібло, золото, паладій, платину, іридій. Кінцеві частини струмовиводів можуть бути виконані з алюмінію і покриті шаром металу або сплаву металів з групи, яка включає олово, нікель, цинк, мідь, срібло, золото, паладій, платину, іридій. Виконання струмовиводів складеними і не рознімними дозволяє зменшити втрати в ланцюгу заряду/розряду і, таким чином, збільшити розрядну потужність конденсатора і/або батареї, зібраної з таких конденсаторів. Виконання кінцевих частин струмовиводів з металу або сплаву з низьким контактним опором, що не перевищує 100мкОм на 1см2, дозволяє зменшити додатковий контактний опір в ланцюгу розряду і, тим самим, збільшити розрядну потужність конденсатора. 5 Покриття кінцевих частин алюмінієвих струмовиводів шаром металу або шаром сплавів металів з групи, яка включає олово, нікель, цинк, мідь, срібло, золото, паладій, платину, іридій, дозволяє зменшити додатковий контактний опір в ланцюгу заряду/розряду, зменшити опір струмовиводів шляхом зменшення довжини їх непокритих алюмінієвих частин і, тим самим, збільшити розрядну потужність конденсатора. Корисна модель пояснюється рисунками. На Фіг.1 зображено поздовжній розріз конденсатора подвійного електричного шару, в якому кінцеві частини струмовиводів виконані з металу або сплаву з високою електропровідністю і низьким контактним опором; на Фіг.2 - поздовжній розріз конденсатора подвійного електричного шару, в якому кінцеві частини алюмінієвих струмовиводів покриті шаром металу або сплаву з низьким контактним опором; на Фіг.3 - конденсатор подвійного електричного шару в аксонометрії; на Фіг.4 - графіки зміни струмів батареї конденсаторів подвійного шару з механічним з'єднанням алюмінієвих контактів конденсаторів при збиранні їх в батарею, розраховану на 15В, і акумулятора при випробуваннях під час пуску автомобільного двигуна (максимальне значення струму батареї конденсаторів - 340А, максимальне значення струму акумулятора - 140А, час пуску двигуна 1,2с); на Фіг.5 - графіки зміни струмів конденсаторів подвійного електричного шару, з'єднаних в батарею спаюванням мідних покриттів контактів конденсаторів, і акумулятора при випробуваннях під час пуску автомобільного двигуна (максимальне значення струму батареї конденсаторів - 510А, максимальне значення струму акумулятора 100А, час пуску двигуна 1,2с). Крива 10 на Фіг.4 і Фіг.5 описує зміну струму конденсаторної батареї, крива 11 - зміну струму акумулятора. Конденсатор подвійного електричного шару містить корпус 1, алюмінієві струмовиводи 2 і 3, кінцеві частини 4, 5 струмовиводів, іонопровідний сепаратор 6, електроліт 7, електроди 8 і 9. Струмовиводи 2, 3 виконано складеними і не рознімними. Кінцеві частини 4, 5 струмовиводів виконані з металу або сплаву з низьким контактним опором, що не перевищує 100мкОм на 1см2. Кінцеві частини 4, 5 струмовиводів можуть бути виконані з металу або сплаву металів з групи, яка включає олово, нікель, цинк, мідь, срібло, золото, паладій, платину, іридій, чи виконані з алюмінію і покриті шаром металу або сплаву металів з групи, яка включає олово, нікель, цинк, мідь, срібло, золото, паладій, платину, іридій. Конденсатор функціонує наступним чином. При зарядці і розрядці струм протікає через кінцеві частини струмовиводів 4 і 5, алюмінієві струмовиводи 2 і 3, електроди 8 і 9. Електричний заряд накопичується в порах на міжфазній поверхні між 56117 6 матеріалом електродів 8, 9 і електролітом 7. Електроди 8, 9 накопичують електричну енергію по механізму утворення подвійного електричного шару. В процесі накопичення енергії подвійним електричним шаром на електродній стороні межі розподілу електрод/електроліт формується надлишок або недостача електронів. На електролітній стороні межі розподілу електрод/електроліт формується шар позитивних або негативних іонів. Напруга на межі розділу між електродами 8, 9 і електролітом 7 збільшується з акумулюванням заряду,який потім може віддаватися в зовнішній ланцюг під час розряду конденсатора. Розрядний струм, що протікає через струмовиводи 2 і 3, може досягати сотень ампер, а в режимі використання в пристроях контактного зварювання - декількох тисяч ампер. Конструкція струмовиводів, що заявляється, є оптимальною з погляду забезпечення нормального теплового режиму роботи елементів конденсатора і не вносить обмеження в розрядну потужність конденсатора. Кінцеві частини можуть бути нерознімно зв'язані із струмовиводами методами контактного або ультразвукового зварювання чи покриті металом з групи, яка включає олово, мідь, срібло, золото, паладій, платину, іридій, за допомогою хімічного, електрохімічного осадження або газодинамічним напиленням. Приклад Здатність конденсатора віддавати велику потужність на навантаження перевіряли натурними випробуваннями при електростартерному пуску автомобільного двигуна. Для цього була виготовлена перша батарея конденсаторів, яка складалася з шести механічно послідовно з'єднаних однакових одиничних конденсаторів, виготовлених за прототипом, і друга батарея з конденсаторів, виконана за технічним рішенням, що заявляється, зі з'єднанням конденсаторів в батарею пайкою струмовиводів. Батарея конденсаторів виконувала функції накопичення енергії при пуску автомобільного двигуна стартером. Батарею підключали паралельно акумулятору. Ємність одиничного конденсатора становила 360 Фарад, ємність батареї з шести конденсаторів, включених послідовно, - 60 Фарад. Внутрішній опір кожного конденсатора 0,6мОм. Початковий пусковий струм акумулятора без підключеного паралельно йому конденсатора при пуску двигуна становив 320А. Запуск продовжувався 2,5с. Проводили перевірку в двох режимах: при механічному з'єднанні алюмінієвих струмовиводів конденсаторів, покритих, як завжди, шаром оксиду алюмінію, і при спайці мідних покриттів контактів конденсаторів за технічним рішенням, що пропонується. Результати наведені в таблиці. При механічному з'єднанні алюмінієвих контактів конденсаторів пусковий струм конденсаторів дорівнює 340А, струм акумулятора - 140А, а сумарний струм дорівнює 480А. 7 56117 8 Механічне з'єднання алюмінієвих контактів конден- Спайка мідних покриттів контактів конденсаторів за саторів за прототипом (батарея №1) технічним рішенням, що пропонується (батарея №2) Початковий пусковий Початковий пусковий Початковий пуско- струм акумулятора Початковий пуско- струм акумулятора (з Сумарний Сумарний вий струм батареї (з паралельно підквий струм батареї паралельно підклюструм струм конденсаторів люченим конденсаконденсаторів ченим конденсатотором) ром) 340А 140А 480А 510А 100А 610А При механічному з'єднанні алюмінієвих струмовиводів конденсаторів розрядний струм конденсатора обмежував контактний опір у точках притиску алюмінієвих контактів, величина якого для шести послідовно включених конденсаторів становила 1,8мОм. Після заміни механічного з'єднання контактів конденсаторів на спайку мідних покриттів струмовиводів конденсаторів пусковий струм конденсаторів дорівнював 510А, струм акумулятора - 100А, а сумарний струм - 610А. Як результат, збільшився загальний пусковий струм з 480А до 610А і перерозподілилися струми акумулятора і конденса торів - струм акумулятора зменшився з 140А до 100А, а струм конденсаторів збільшився з 340А до 510А. Таким чином, зросла потужність і енергія запуску стартера і зменшилось струмове навантаження на акумулятор, що зменшило руйнівну дію високих пускових струмів на його пластини. Це значно полегшало пусковий режим для автомобільного акумулятора і значною мірою збільшило ресурс його роботи. Крім того, можна застосовувати для запуску акумулятор меншої ємності, оскільки ємність стартера акумулятора вибирають, виходячи з величини струму стартера. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 56117 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601