Конденсатор с двойным электрическим слоем

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов. Конденсатор содержит корпус, внутри которого между токоведущими пластинами, соединенными с токовыводами конденсатора, размещен по меньшей мере один пакет из n накопительных секций, каждая из которых включает обкладку и два пропитанных электролитом пористых электрода, разделенных сепаратором, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций, боковой внутренний изолятор, размещенный между накопительными секциями и корпусом, и торцевой внутренний изолятор, размещенный между токоведущими пластинами и силовыми плитами, и отличается тем, что токоведущие пластины механически контактируют непосредственно с электродами крайних накопительных секций, а каждая из обкладок, количество которых равно n-1, механически контактирует непосредственно с двумя электродами расположенных рядом накопительных секций, причем полости между выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов заполнены диэлектрическим материалом общего для всех накопительных секций изолятора, образующего с боковым изолятором, прилегающим к внутренней поверхности корпуса, неразъемное соединение. Изобретение позволяет повысить технологичность конструкции конденсатора, обеспечить надежную герметизацию его внутренней полости в целом и каждой накопительной секции в отдельности, уменьшить внутреннее сопротивление и повысить удельные энергетические параметры конденсатора, а также уменьшить его материалоемкость. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности - к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем (КДЭС), содержащий корпус, внутри которого между токосъемниками, выполненными в виде пластин, размещены накопительные секции, каждая из которых включает пропитанные электролитом пористые электроды, разделенные ионопроводящим сепаратором, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие накопительные секции, и внутренние изоляторы (патент РФ 2036523, МПК Н 01 G 9/00, 1995).

К недостаткам конденсатора относится наличие двух токосъемных пластин для каждой накопительной секции. При такой конструкции электрический контакт между накопительными секциями осуществляется по поверхностям соседних пластин, что является причиной увеличения внутреннего сопротивления конденсатора. Наличие большого количества пластин приводит к увеличению веса конденсатора и снижению его удельных параметров, в частности энергии и емкости на единицу веса и объема.

Известен также КДЭС (заявка РСТ 92/12521, МПК Н 01 G 9/00, 1992), содержащий корпус, внутри которого размещен снабженный изоляторами и внутренними токоведущими пластинами пакет накопительных секций, установленных друг на друга и сжатых между силовыми плитами, закрывающими корпус с торцов. Каждая накопительная секция имеет пропитанные электролитом два твердых пористых электрода, разделенных сепаратором также пропитанным электролитом, и две обкладки из пластичного металлического листа. Сепаратор снабжен неразъемной опорной рамкой из диэлектрического материала, с которой герметично соединены кромки обкладок.

К недостаткам конденсатора относится наличие двух обкладок в каждой секции, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления конденсатора, а также то, что при большом количестве накопительных секций (десятки, сотни) данная конструкция является нетехнологичной. Это объясняется тем, что для изготовления отдельной накопительной секции требуется нанесение клея герметика на поверхностные кромки сепаратора и профилированную кромку обкладки, заправка электролитом каждой накопительной секции через технологические отверстия, затем удаление избытка электролита и заделка отверстий.

Пакет накопительных секций в известном КДЭС устанавливается между внутренними токоведущими пластинами. Возникающее при этом дополнительное контактное сопротивление также является причиной увеличения общего внутреннего сопротивления конденсатора.

Задачей изобретения является повышение удельных энергетических параметров конденсатора и технологичности его конструкции.

Поставленная задача решается путем того, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем корпус, внутри которого между токоведущими пластинами, соединенными с токовыводами конденсатора, размещен по меньшей мере один пакет из n накопительных секций, каждая из которых включает обкладку и два пропитанных электролитом пористых электрода, разделенных сепаратором, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций, боковой внутренний изолятор, размещенный между накопительными секциями и корпусом, и торцевой внутренний изолятор, размещенный между токоведущими пластинами и силовыми плитами, согласно изобретению токоведущие пластины механически контактируют непосредственно с электродами крайних накопительных секций, а каждая из обкладок, количество которых равно n-1, механически контактирует непосредственно с двумя электродами расположенных рядом накопительных секций, причем полости между выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов заполнены диэлектрическим материалом общего для всех накопительных секций изолятора, образующего с боковым изолятором, прилегающим к внутренней поверхности корпуса, неразъемное соединение.

При изготовлении конденсатора сначала осуществляется заполнение диэлектрическим материалом упомянутых выше полостей между выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов для формирования изолятора, прилегающего непосредственно к накопительным секциям, а затем - формирование изолятора, прилегающего к внутренней поверхности корпуса.

Такая конструкция обеспечивает уменьшение внутреннего сопротивления и надежную герметизацию внутренней полости конденсатора в целом и каждой накопительной секции в отдельности.

Токоведущие пластины целесообразно выполнять из металлического листа толщиной 0,1-3 мм, непроницаемого для электролита и инертного к нему, а обкладки - из металлической фольги толщиной 1-150 мкм, также непроницаемой для электролита и инертной к нему. Для изготовления токоведущих пластин и обкладок могут быть использованы железо, никель, титан или их сплавы.

Сепараторы могут включать по меньшей мере один слой пористой бумаги, имеющий толщину 10-200 мкм и состоящий из химически инертных к электролиту волокон (стекло, полипропилен, асбест) и связующего.

Электроды могут быть выполнены из углеродсодержащего материала (активированный уголь, сажа, графит) с удельной поверхностью 1-3000 м²/г, а в качестве электролита целесообразно использовать водный раствор щелочи (например, КОН, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH) или смеси щелочей с концентрацией 5-60 масс.%.

Электролит может дополнительно содержать карбонат по меньшей мере одной щелочи, использованной для его приготовления, в концентрации 0,01-15 масс.%.

Целесообразно, чтобы объемное содержание электролита в каждой накопительной секции составляло 50-99% от суммарного объема пор электродов и сепараторов.

Края токоведущих пластин, обкладок и сепараторов могут выступать за поверхность электродов на высоту 0,5-15 мм, при этом отношение высоты выступающих краев упомянутых элементов к толщине электродов, как правило, составляет 1-100.

Электроды, сепараторы, токоведущие пластины и обкладки обычно имеют форму дисков, причем диаметры сепараторов, токоведущих пластин и обкладок в 1,01-1,2 раза больше диаметров электродов.

Для заполнения полостей, образованных выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов, и для выполнения бокового изолятора, прилегающего к внутренней поверхности корпуса, может быть использован компаунд, включающий эпоксидную смолу, пластификатор и отвердитель. Целесообразно дополнительно включать в состав компаунда наполнитель, представляющий собой порошок окисла металла, например кремния или алюминия или их смеси, имеющий частицы со средним размером, составляющим 0,001-0,5 толщины электрода.

Содержание наполнителя в компаунде, заполняющем полости, образованные выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов, может быть в 1-10 раз меньше содержания наполнителя в компаунде, из которого выполнен боковой изолятор, прилегающий к внутренней поверхности корпуса.

Выполнение пакетов накопительных секций, токоведущих пластин, обкладок и изоляторов в соответствии с приведенными выше данными позволяет получать конденсаторы различной емкости, типоразмеров и функционального назначения, имеющие высокие эксплуатационные показатели, невысокую стоимость и являющиеся технологичными в изготовлении.

На фиг. 1 представлена структура пакета накопительных секций предлагаемого конденсатора.

На фиг.2 - КДЭС с одним пакетом из двух накопительных секций.

Конденсатор содержит цилиндрический корпус 1, силовые плиты 2, приваренные к корпусу, положительный и отрицательный токовыводы 3, 4, токоведущие пластины 5, торцевые внутренние изоляторы 6, расположенные между силовыми плитами и токоведущими пластинами, накопительные секции, каждая из которых содержит два пропитанных электролитом пористых электрода 7, 8, разделенных ионопроводящим сепаратором 9. Сепаратор может содержать один, два или более слоев 10, 11 пористой бумаги. Между накопительными секциями расположены обкладки 12. Полости между выступающими за поверхность электродов на высоту h краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов заполнены диэлектрическим материалом общего для всех накопительных секций изолятора 13, образующего с боковым изолятором 14, прилегающим к внутренней поверхности корпуса, неразъемное соединение. Целесообразно, чтобы отношение высоты h упомянутых выше краев к толщине l электродов было в пределах от 1 до 100.

Конденсатор работает следующим образом.

При заряде ток протекает от положительного токовывода 3 к токоведущей пластине 5, которая распределяет ток равномерно по габаритной поверхности контактирующего с ней положительного электрода 8 крайней накопительной секции. Внутри положительного пористого электрода на границе контакта углеродного материала и электролита электронные носители тока замещаются на ионные. При этом происходит заряд емкости двойного электрического слоя (ДЭС) на границе контакта. Аналогичный заряд ДЭС происходит в отрицательном электроде 7 накопительной секции, где носители тока меняются с ионных на электронные. Сепаратор 9 препятствует прямому переносу электронного тока с одного электрода на другой в пределах одной накопительной секции. Электронный ток снимается с отрицательного электрода 7 на прилегающую обкладку 12, передается на положительный электрод 8 соседней накопительной секции и т. д. до съема тока второй токосъемной пластиной 5 и отрицательным токовыводом 4.

При разряде токи меняют направление на противоположное.

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, внутри которого между токоведущими пластинами, соединенными с токовыводами конденсатора, размещен по меньшей мере один пакет из "n" накопительных секций, каждая из которых включает обкладку и два пропитанных электролитом пористых электрода, разделенных сепаратором, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций, боковой внутренний изолятор, размещенный между накопительными секциями и корпусом, и торцевой внутренний изолятор, размещенный между токоведущими пластинами и силовыми плитами, отличающийся тем, что токоведущие пластины механически контактируют непосредственно с электродами крайних накопительных секций, а каждая из обкладок механически контактирует непосредственно с двумя электродами, расположенных рядом накопительных секций, причем полости между выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов заполнены диэлектрическим материалом? образующим с боковым изолятором, прилегающим к внутренней поверхности корпуса, неразъемное соединение.

2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что токоведущие пластины выполнены из металлического листа толщиной 0,1-3 мм, непроницаемого для электролита и инертного к нему.

3. Конденсатор по одному из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждая из обкладок, выполнена из металлической фольги толщиной 1-150 мкм, непроницаемой для электролита и инертной к нему.

4. Конденсатор по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что сепараторы включают, по меньшей мере один слой пористой бумаги, имеющий толщину 10-200 мкм и состоящий из химически инертных к электролиту волокон и связующего.

5. Конденсатор по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что электроды выполнены из углеродсодержащего материала с удельной поверхностью 1-3000 м²/г.

6. Конденсатор по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор щелочи или смеси щелочей с концентрацией 5-60 мас. %.

7. Конденсатор по п. 6, отличающийся тем, что электролит дополнительно содержит карбонат по меньшей мере одной щелочи, использованной для его приготовления, в концентрации 0,01-15 мас. %.

8. Конденсатор по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что объемное содержание электролита в каждой накопительной секции составляет 50-99% от суммарного объема пор электродов и сепараторов.

9. Конденсатор по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что края токоведущих пластин, обкладок и сепараторов выступают за поверхность электродов на высоту 0,5-15 мм.

10. Конденсатор по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что отношение высоты выступающих за поверхность электродов краев токоведущих пластин, обкладок и сепараторов к толщине электродов составляет 1-100.

11. Конденсатор по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что электроды, сепараторы, токоведущие пластины и обкладки имеют форму дисков, причем диаметры сепараторов, пластин и токоведущих обкладок в 1,01-1,2 раза больше диаметров электродов.

12. Конденсатор по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что для заполнения полостей, образованных выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов, и для выполнения бокового изолятора, прилегающего к внутренней поверхности корпуса, использован компаунд, включающий эпоксидную смолу, пластификатор и отвердитель.

13. Конденсатор по п. 12, отличающийся тем, что в состав компаунда дополнительно введен наполнитель, представляющий собой порошок окисла металла, например кремния или алюминия или их смеси, имеющий частицы со средним размером, составляющим 0,001-0,5 толщины электрода.

14. Конденсатор по п. 13, отличающийся тем, что содержание наполнителя в компаунде, заполняющем полости, образованные выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов, в 1-10 раз меньше содержания наполнителя в компаунде, из которого выполнен боковой изолятор, прилегающий к внутренней поверхности корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2