Конденсатор с двойным электрическим слоем с изоляторами и силовой плитой

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления конденсаторов с высокой емкостью, использующих энергию двойного электрического слоя (ДЭС). Техническим результатом изобретения является повышение удельных характеристик конденсатора с ДЭС и увеличение его срока службы. Положительный электрод конденсатора, обложенный пористыми сепараторами, расположен в пазу гибкой рамки прямоугольной формы Т-образного профиля, который выполнен по середине ее верхней части, на рамке также имеются два сквозных отверстия для отвода генерируемых газов и для выхода ушка положительного электрода. Изолятор для конденсатора с ДЭС выполнен из пластины прямоугольной формы с рамкой, расположенной к ней перпендикулярно и выступающей с одной или двух сторон, а силовая плита по внешнему периметру снабжена рамкой с отбортовкой. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления конденсаторов с высокой емкостью, использующих энергию двойного электрического слоя (ДЭС). Конденсаторы с ДЭС нашли применение в качестве резервных источников питания в системах, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией, таких как вычислительная техника, аппараты связи, станки с ЧПУ, для питания электродвигателей инвалидных колясок, для электростартерного запуска двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Известен конденсатор с ДЭС, принятый за аналог (см. заявку WO 99/24996, опубл. 20.05.99, МПК: H 01 G 9/155), содержащий размещенные в корпусе отрицательный электрод из углеродного материала, токоотводы, положительный электрод из диоксида свинца, сепараторы, разделяющие электроды. Электролит из водных растворов неорганических кислот и их смесей. Хотя разбиение одного отрицательного электрода на два электрода половинной толщины обеспечивает практически двукратное уменьшение омических потерь энергии при достаточно больших плотностях тока, однако получаемые удельные характеристики являются недостаточными.

Известна принятая за аналог силовая плита для конденсатора с ДЭС (см. описание к заявке WO 99/31688, опубл. 24.06.99, МПК: H 01 G 9/155), выполненная из листовой стали толщиной 3 мм и вместе с жестко закрепленными боковинами толщиной 0,3 мм образующая каркас для удержания конденсатора в обжатом состоянии. Недостатком силовой плиты является недостаточная жесткость и, как следствие, возникновение перекоса конденсатора с ДЭС при освобождении его из прижимного устройства и при дальнейшей эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является конденсатор с ДЭС (см. заявку WO 99/31688, опубл. 24.06.99, МПК: Н 01 G 9/155), расположенный в корпусе из силовых плит и включающий, по крайней мере, одну или n накопительных секций, содержащих обложенный с двух сторон пористыми сепараторами положительный электрод, выполненный в виде пластины прямоугольной формы, состоящей из решетки, внутрь ячеек которой впрессована пастообразная активная масса, и размещенный между двумя отрицательными электродами, расположенными в свою очередь между препятствующими электрическому замыканию электродов изоляторами в виде пластин, между токоотводами с защитным слоем из графитовой фольги и при этом два отрицательных электрода накоротко замкнуты между собой. Отрицательный электрод выполнен из пористого углеродного материала, положительный электрод - из материала, включающего активную свинцовую массу, впрессованную в решетку из сплава 95% свинца и 5% сурьмы. Токоотводы имеют с одной стороны защитный слой, выполненный из графитовой фольги и пропитанный кислотостойким полимером, а с другой стороны - изолятор, препятствующий электрическому замыканию электродов конденсатора. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Конденсатор с ДЭС подвергнут обжатию между силовыми плитами каркаса. Благодаря обжатию конденсатора уменьшаются омические потери, предотвращается нагрев конденсатора, а значит, увеличивается КПД устройства в целом. Однако при обжатии генерируемые при заряде и перезаряде газы не могут с достаточной скоростью транспортироваться к противоэлектродам для регенерации в результате затопления пор отрицательного и положительного электродов, также образующиеся газы увеличивают омическое сопротивление, так как препятствуют прохождению ионов, и создают давление внутри конденсатора. Кроме того, излишки электролита, образованные в результате обжатия, вытекая, приводят к уменьшению емкости конденсатора, повреждают металлические поверхности токоотводов конденсатора, могут привести к замыканию, присутствие вытекшего электролита может привести к повреждению внешней изоляции, к преждевременному выходу из строя конденсатора с ДЭС.

Известны изоляторы для конденсатора с ДЭС в виде прямоугольных пластин и герметика, составляющие при этом герметичную оболочку конденсатора с ДЭС (см. описание к заявке WO 99/31688, опубл. 24.06.99, МПК: Н 01 G 9/155). Хотя описанные изоляторы препятствуют электрическому замыканию электродов, однако не обеспечивают надежную герметизацию от вытекающего при сжатии электролита металлических поверхностей токоотводов по периметру, а значит, не предотвращают от замыкания и преждевременного выхода из строя.

Известна силовая плита для конденсатора с ДЭС (см. описание к патенту RU №2041516, опубл. 09.08.95 в Бюл. №22, МПК: Н 01 G 9/00), выполненная из листового металла в виде полой оболочки, внутренний объем которой заполнен ребрами жесткости в виде набора пластин, плоскость которых расположена вдоль направления сжатия конденсатора и неразъемно соединенных с оболочкой. Хотя описанная конструкции силовой плиты является жесткой, она не способна амортизировать возникающие перекосы обжатого конденсатора с ДЭС при освобождении его из прижимного устройства и при дальнейшей эксплуатации, также конструкция силовой плиты является металлоемкой и имеет сложную технологию изготовления.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является повышение удельных характеристик конденсатора с ДЭС и увеличение его срока службы.

Технический результат заключается в создании конденсатора с ДЭС со сроком службы не менее 10 лет и ресурсом более 10000 циклов, с сокращением времени заряда более чем в два раза, в технологичности и удобстве при сборке и эксплуатации, при его утилизации.

Для этого конденсатор с ДЭС, состоящий из, по крайней мере, одной или n накопительных секций, каждая из которых включает обложенный с двух сторон пористыми сепараторами положительный электрод, выполненный в виде пластины прямоугольной формы, состоящей из решетки, внутрь ячеек которой впрессована пастообразная активная масса, расположенный между двумя отрицательными электродами, размещенными между изоляторами в форме прямоугольных пластин, с внутренней стороны которых расположены металлические токоотводы с защитным слоем из графитовой фольги, а с внешней стороны конденсатор поджат силовыми плитами, при этом положительный электрод, обложенный пористыми сепараторами, расположен в пазу гибкой рамки прямоугольной формы Т-образного профиля, внутренний периметр которой образован верхней частью полки буквы «Т» Т-образного профиля и которая имеет отверстие с гнездом для фильтра и отверстие в виде щели, а изоляторы выполнены коробчатого типа. Конденсатор с ДЭС заключен в каркас, состоящий из двух боковин, соединяющих расположенные в торце силовые плиты, а гибкая рамка изготовлена из упругого кислотостойкого материала, например ПВХ, кроме того, пастообразная активная масса состоит из двуокиси свинца, наполненного полипропиленовым волокном, отрицательный электрод выполнен из активированной углеродной ткани типа «Бусофит» с удельной внутренней поверхностью 1200 м²/г и с поверхностной плотностью 140±20 г/см², пористые сепараторы изготовлены из ультратонкого стекловолокна с объемной пористостью до 97%, с размерами пор 7-10 мкм, с суммарной толщиной 0,7-1 мм, защитный слой из графитовой фольги содержит церезин с добавкой 5% канифоли (мас.%), в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты плотностью 1,3-1,4 г/см³, при этом внутри изолятора установлен металлический токоотвод с помощью клея расплава, например сополимер винилацетата с полипропиленом. Элементы каркаса изготовлены из листовой стали толщиной 0,8 мм.

Изолятор, состоящий из пластины прямоугольной формы, дополнительно содержит расположенную по ее периметру и перпендикулярную к ней прямоугольную рамку, выступающую с одной стороны, образуя изолятор коробчатого типа прямоугольной формы швеллерного сечения, или соответственно выступающую с двух сторон, образуя изолятор двустороннего коробчатого типа прямоугольной формы двутаврового сечения, при этом изолятор выполнен с выемкой или щелью в прямоугольной рамке или с двумя выемками или щелями, расположенными с разных сторон прямоугольной пластины изолятора и разнесенными по разным углам прямоугольной рамки. При этом выемка или паз изолятора в месте выхода ушка металлического токоотвода заполнены защитным слоем с помощью клея расплава, по углам пластины прямоугольной формы выходят за периметр прямоугольной рамки, образуя установочные упоры, прямоугольная рамка выступает за полки буквы «Т» Т-образного профиля гибкой рамки, при этом она ниже или вровень с внешним периметром гибкой рамки, внутри каждой накопительной секции образуется свободный герметичный объем. Изоляторы изготовлены из полистирола ГОСТ 28250-89Е.

Силовая плита из металлического листа с неразъемными соединенными ребрами жесткости дополнительно включает рамку с отбортовкой по внешнему периметру и пластину, расположенные в одной плоскости с одинаковым зазором по внутреннему периметру рамки с отбортовкой, при этом со стороны отбортовки рамка и пластина неразъемно соединены между собой ребрами жесткости, причем ребра жесткости закреплены вдоль основания в виде чередующихся плоских и в виде П-образного профиля полосок и соединены между собой сваркой.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематично изображена конструкция конденсатора с ДЭС (одна накопительная секция);

на фиг.2 изображено поперечное сечение размещенного в корпусе конденсатора с ДЭС;

на фиг.3 схематично изображена конструкция конденсаторов с ДЭС из n=3 накопительных секций;

на фиг.4 - вид сверху на промежуточный изолятор.

Конденсатор с ДЭС состоит из, по крайней мере, одной или n накопительных секций, каждая из которых состоит из обложенного с двух сторон пористыми сепараторами 1 положительного электрода 2, выполненного в виде пластины прямоугольной формы и расположенного в пазу 3 гибкой рамки 4 между двумя отрицательными электродами 5, и все это вместе расположено между изоляторами 6 коробчатого типа. При этом к внутренней стороне изоляторов 6 крепятся металлические токоотводы 7 с защитным слоем 8. Конденсатор с ДЭС установлен в каркас из двух силовых плит 9, соединенных двумя боковинами 10, и помещен в корпус 11 (см. фиг.2).

Гибкая рамка 4 представляет собой прямоугольную рамку Т-образного профиля, внутренний периметр которой образован верхней частью полки буквы «Т» Т-образного профиля и по середине которой по периметру расположен паз 3 для размещения в нем положительного электрода 2. Внешний периметр гибкой рамки 4 соответственно образован концом ножки буквы «Т» Т-образного профиля, при этом ножка буквы «Т» образует выступающую кромку гибкой рамки 4. Гибкая рамка 4 в верхней части имеет два сквозных отверстия: отверстие 12 по центру для отвода генерируемых газов с гнездом 13, в которое вставлен фильтр 14, и второе отверстие 15 ближе к углу в виде щели для выхода ушка 16 положительного электрода 2.

Положительный электрод 2 выполнен в виде решетки толщиной 1,3 мм из токоведущей основы, выполненной из сплава, содержащего 97,5-98% свинца и 2-2,5% сурьмы, внутрь ячеек которой впрессована пастообразная активная масса, состоящая из двуокиси свинца, наполненного полипропиленовым волокном. Отрицательный электрод 5 выполнен из 10 слоев активированной углеродной ткани типа «Бусофит» с удельной внутренней поверхностью 1200 м²/г и с поверхностной плотностью 140±20 г/см². Пористый сепаратор 1 с суммарной толщиной 0,7-1 мм изготовлен из ультратонкого стекловолокна и представляет собой высокопористую пластину с объемной пористостью до 97%, с размерами пор 7-10 мкм, имеющую низкое электрическое сопротивление (до 0,01 Ом/см³) и химически стойкую к раствору серной кислоты, с высокими капиллярными свойствами. Токоотводы 7 из жести ЭЖК-0,22 (ГОСТ 13345-82). Защитный слой 8 - из графитовой фольги, пропитанной кислотостойким материалом, например церезин, с добавкой 5% канифоли (мас.%), гибкая рамка 4 - литьевым методом из упругого кислотостойкого материала, например ПВХ. Фильтр 14 - из гидрофобного несжимаемого полимерного материала. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты плотностью 1,3-1,4 г/см³.

Изолятор 6 швеллерного сечения с выемкой 17 для выхода ушка 18 токоотвода 7. Для конденсаторов с ДЭС из n=2 и более накопительных секций используется также промежуточный изолятор 19 коробчатого типа прямоугольной формы двутаврового сечения (см. фиг.3). Изолятор 6 коробчатого типа швеллерного сечения состоит из прямоугольной пластины и перпендикулярной к ней, выступающей с одной стороны, прямоугольной рамки 21, расположенной по ее периметру. Промежуточный изолятор 19 двустороннего коробчатого типа состоит из прямоугольной пластины и перпендикулярной к ней, выступающей с двух сторон, прямоугольной рамки 22, расположенной по ее периметру. Прямоугольные рамки 21 и 22 соответственно изоляторов 6 и 19 выступают за полки буквы «Т» Т-образного профиля гибкой рамки 4, но при этом они ниже или вровень с внешним периметром гибкой рамки 4. Выемка 17 для изолятора 6 выполнена в рамке 21, а для промежуточного изолятора 19 в рамке 22 выполнены две выемки 17 для двух выходов ушек 18 токоотводов 7 соседних накопительных секций и расположены с разных сторон прямоугольной пластины изолятора 19 и разнесены по разным углам прямоугольной рамки 22. По углам прямоугольные пластины изоляторов 6 и 19 (см. фиг.2 верхний вырыв и фиг.4) выходят за периметр прямоугольной рамки, образуя установочные упоры 23.

Изолятор 6 и промежуточный изолятор 19 изготовлены пресс-литьевым методом из ударопрочного токонепроводящего материала, например полистирола ГОСТ 28250-89Е.

Жидкий раствор электролита находится в порах положительного 2 и отрицательных 5 электродов, пористых сепараторов 1 и в свободном объеме 20 внутри между изоляторами 6 и 19.

Силовые плиты 9 (см. фиг.1 и 2 вырыв снизу) имеют прямоугольную форму и состоят из рамки 24 с отбортовкой 25 по внешнему периметру и пластины 26, которая расположена в одной плоскости с плоскостью рамки 24 и с одинаковым зазором 27 по внутреннему периметру рамки 24, образуя плоскость поджатия. Со стороны отбортовки 25 рамка 24 и пластина 26 жестко соединены между собой расположенными вдоль основания чередующимися ребрами жесткости 28 и 29 соответственно в виде полосок и в виде П-образного профиля, которые усиливают конструкцию силовой плиты 9.

Элементы каркаса - силовые плиты 9 и боковины 10 изготовлены из листовой стали толщиной 0,8 мм и жестко соединены между собой сваркой.

Порядок сборки. На прямоугольную пластину изолятора 6 с помощью кислотостойкого клея расплава - сополимера винилацетата с полипропиленом, укладывается отрицательный электрод 5, отдельно выдержанный в электролите и отжатый, далее заключенный в гибкую рамку 4, в паз 3, и изолированный с двух сторон сепараторами 1 положительный электрод 2, отдельно выдержанный в электролите, затем второй отрицательный электрод 5 и защитный слой 8 с токоотводом 7, закрепленный в изоляторе 6. Собранную накопительную секцию (или несколько накопительных секций, собранных аналогично) устанавливают между силовыми плитами 9 в прижимное устройство, подвергают сжатию до 10-15 кгС/см², при этом излишки электролита вытекают, и, не вынимая собранный конденсатор с ДЭС, приваривают к силовым плитам 9 боковины 10, затем вынимают и вставляют плотно фильтр 14 в гнездо 13. При обжатии собранного конденсатора с ДЭС торцы 30 и 31 изоляторов 6 и 19 герметично соединяются с кромками гибких рамок 4, полностью предотвращая возможность вытекания электролита и, образуя полость, внутренний объем которой заполнен электролитом.

На первом этапе в корпус 11 из полипропилена вставляется конденсатор с ДЭС с каркасом и по плечики заливается неэлектропроводным герметиком, например эпоксидным компаундом ЗК-ЭЛ/3 ТУ2257-336-07500935-200. После полимеризации герметика заливают конденсатор с ДЭС сверху и, пока герметик не полимеризовался, вставляют в него вдоль продольной оси батареи над гнездами 13 газоотвод 32, выполненный из пластика, например полистирола, в поперечном сечении П-образной формы с отверстием для установки штуцера 33 из пластика, для централизованного отвода образующихся газов.

Наличие сепаратора 1 из высокопористой пластины (объемная пористость до 97%) с высокими капиллярными свойствами улучшает транспортировку с достаточной скоростью к противоэлектродам генерируемых при заряде и перезаряде газов, не препятствуя прохождению ионов. Наличие отверстия 12 с гнездом 13 и фильтром 14 препятствует накоплению генерируемых газов и созданию избыточного давления. Благодаря обжатию обеспечивается также герметичность изоляции положительного электрода 2 по периметру в пазу 3 и в отверстии 15. Использование коробчатых изоляторов 6 и 19 вместе с гибкой рамкой 4 обеспечивает надежность герметизации металлических токоотводов 7 без угрозы замыкания и повреждения их металлических поверхностей.

Пример конкретного выполнения.

Был изготовлен конденсатор с ДЭС БКДТ-25-34 размером 385×220×176 мм из n=68 соединенных последовательно одинаковых накопительных секций. В результате испытаний были получены следующие технические характеристики:

1) максимальное рабочее напряжение, В - 68;

2) энергоемкость, Вт·ч - 300;

3) удельная энергоемкость, Вт·ч/кг - 25-30;

4) внутреннее сопротивление, мОм - 150;

5) максимальный ток разряда, А - 70;

6) время заряда, мин - 20-30;

7) количество циклов, более - 10000;

8) температурный диапазон эксплуатации, °С - (-50 - +60).

Таким образом, изготовленные согласно предложенному изобретению конденсаторы с ДЭС с изоляторами и силовыми плитами имеют повышенные эксплуатационные характеристики - срок службы не менее 10 лет и ресурс более 10000 циклов, время заряда сокращается более чем в два раза, достигается защита от преждевременного выхода из строя и поломок, увеличиваются удельные характеристики. Использование гибкой рамки 4 предотвращает вытекание электролита и позволяет использовать его в любом положении. Заявляемый конденсатор с ДЭС с изоляторами и силовыми плитами позволяет производить последовательные и параллельные соединения множества элементов без перекосов и создавать на его базе различные батареи конденсаторов с ДЭС.

Образцы конденсатора с ДЭС находятся на стадии промышленной эксплуатации.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, состоящий из одной или n накопительных секций, каждая из которых содержит обложенный с двух сторон пористыми сепараторами положительный электрод, выполненный в виде пластины прямоугольной формы, состоящей из решетки, внутрь ячеек которой впрессована пастообразная активная масса, который расположен между двумя отрицательными электродами и изоляторами в форме прямоугольных пластин, с внутренней стороны которых имеются металлические токоотводы с защитным слоем из графита и из силовых плит, обжимающих конденсатор с внешней стороны, отличающийся тем, что положительный электрод установлен в пазу гибкой прямоугольной рамки Т-образного профиля, который выполнен посередине ее верхней части, где также имеются два сквозных отверстия, одно по центру с гнездом для фильтра для отвода генерируемых газов, а второе в виде щели для выхода ушка положительного электрода, при этом гибкая рамка расположена между изоляторами, которые выполнены в виде прямоугольной пластины с перпендикулярной к ней и выступающей с одной или двух сторон прямоугольной рамки, расположенной по ее периметру.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что заключен в каркас, состоящий из двух боковин, соединяющих расположенные в торце силовые плиты.

3. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что гибкая рамка изготовлена из упругого кислотостойкого материала, например ПВХ.

4. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что пастообразная активная масса состоит из двуокиси свинца, наполненного полипропиленовым волокном.

5. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что отрицательный электрод выполнен из активированной углеродной ткани типа «Бусофит» с удельной внутренней поверхностью 1200 м²/г и с поверхностной плотностью 140±20 г/см².

6. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что пористые сепараторы изготовлены из ультратонкого стекловолокна с объемной пористостью до 97%, с размерами пор 7-10 мкм, с суммарной толщиной 0,7-1 мм.

7. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что защитный слой из графитовой фольги содержит церезин с добавкой канифоли в количестве 5 мас.%.

8. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты плотностью 1,3-1,4 г/см³.

9. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что металлический токоотвод внутри изолятора установлен с помощью клея-расплава.

10. Конденсатор по п.9, отличающийся тем, что в качестве клея-расплава используется сополимер винилацетата с полипропиленом.

11. Конденсатор по п.2, отличающийся тем, что элементы каркаса изготовлены из листовой стали толщиной 0,8 мм.

12. Изолятор для конденсатора с двойным электрическим слоем по п.1, выполненный из пластины прямоугольной формы, с внутренней стороны которой расположены металлические токоотводы с защитным слоем из графитовой фольги, отличающийся тем, что пластина дополнительно содержит расположенную по ее периметру и перпендикулярную к ней прямоугольную рамку, выступающую с одной или с двух сторон и образующую швеллерное или двутавровое сечение, при этом в прямоугольной рамке выполнена выемка или щель, или две выемки или щели, расположенные с разных сторон прямоугольной пластины изолятора и разнесенные по разным углам прямоугольной рамки.

13. Изолятор по п.12, отличающийся тем, что выемка или щель изолятора в месте выхода ушка металлического токоотвода заполнены защитным слоем клея-расплава.

14. Изолятор по п.12, отличающийся тем, что по углам пластина прямоугольной формы выходит за периметр прямоугольной рамки, образуя установочные упоры.

15. Изолятор по п.12, отличающийся тем, что торцы изоляторов герметично соединяются с гибкой рамкой.

16. Изолятор по п.12, отличающийся тем, что внутри каждой накопительной секции конденсатора образуется свободный герметичный объем.

17. Изолятор по п.12, отличающийся тем, что изготовлен из полистирола ГОСТ 28250-89Е.

18. Силовая плита для конденсатора с двойным электрическим слоем по п.1, выполненная в виде прямоугольной металлической пластины с ребрами жесткости, отличающаяся тем, что плита по внешнему периметру снабжена рамкой с отбортовкой, при этом со стороны отбортовки рамка и пластина неразъемно соединены между собой расположенными вдоль основания чередующимися ребрами жесткости.

19. Силовая плита по п.18, отличающаяся тем, что ребра жесткости выполнены в виде чередующихся плоских и в виде П-образного профиля полосок и соединены между собой сваркой.