способ специального отбора электрической энергии со всех типов электрохимических источников тока с помощью частотных импульсов и его применение в источниках электропитания

Формула изобретения

1. Способ специального частотного отбора электрической энергии со всех типов электрохимических источников тока, характеризуемый тем, что отбор тока осуществляется частотными импульсами при условии, что удельный импеданс каждого анода элементов электрохимических источников тока составляет не более 1,87 Ом·см² .

2. Способ по п.1, характеризуемый тем, что частотные импульсы генерируются коммутирующим элементом с устройством управления.

3. Источник электропитания для реализации способа специального частотного отбора электрической энергии со всех типов электрохимических источников тока, в котором отбор тока осуществляется частотными импульсами при условии, что удельный импеданс каждого анода элементов электрохимических источников тока составляет не более 1,87 Ом·см ², содержащий наполненный электролитом электрохимический источник тока (1) и преобразователь DC-DC, характеризуемый тем, что преобразователь DC-DC содержит трансформатор, чья первичная цепь состоит из: электрохимического источника тока (1), параллельной цепи (шунта) (2) и коммутирующего элемента с устройством управления (3), а вторичная цепь - из индуктивного накопителя энергии (5), конденсатора-накопителя (6) и потребителя (7).

4. Источник электропитания по п.3, характеризуемый тем, что коммутирующий элемент с устройством управления (3) выполнен с возможностью передачи через трансформатор (4) оптимизированных частотных импульсов, идущих на накопление энергии в индуктивном накопителе (5).

5. Источник электропитания по п.3 или 4, характеризуемый тем, что DC-DC-преобразователь имеет планарный трансформатор (4).

6. Источник электропитания по п.5, характеризуемый тем, что соотношение емкости параллельной цепи (CSh) к площади (S) и удельной дифференциальной емкости (CD, s) анода составляет от CSh=0,5·(CD, s·S) до CSh=5·(CD, s·S).

7. Источник электропитания по п.6, характеризуемый тем, что электрохимический источник тока (1) имеет металлический анод и газовый диффузионный катод.

8. Источник электропитания по п.6, характеризуемый тем, что в качестве раствора электролита используется водный раствор хлорида натрия.

9. Источник электропитания по п.7, характеризуемый тем, что анод состоит из магния.

Описание изобретения к патенту

Применение электрохимических элементов для производства источников электропитания широко известно. В частности, для переносных источников электропитания широкое применение находят воздушно-металлические элементы, в которых используются металлические аноды, газовые диффузионные катоды и раствор электролита. Примером анодного металла служат магний, цинк и алюминий. В качестве раствора электролита речь идет преимущественно о водных щелочных растворах или растворах хлорида натрия.

Для мобильного применения подобных источников электропитания важную роль играют вес и размеры источников электропитания и их расходных материалов. Так как необходимые мощностные характеристики источников электропитания задаются еще до применения, компактная конструкция с небольшим весом достигается лишь за счет оптимизации эффективности источников электропитания. Факторами ограничения производительности электрохимических элементов являются, среди прочих, образование продуктов реакции, недостаточная газовая диффузия и недостаточная поверхностная активность. По этой причине до сих пор проводились различные исследования по совершенствованию переносных источников электропитания за счет изменения конструкции и химического состава электродных материалов.

Патент US 6127061 описывает улучшение удельной мощности воздушно-металлических элементов с помощью особого воздушного катода, содержащего каталитический слой, выполненный из смеси частиц углерода, гидрофобных частиц, гидроокиси металла и материала из частиц с большой поверхностью. На него наносится электрически проводимая структура, на которую, в свою очередь, наносится воздушно-проницаемый и водонепроницаемый слой.

В патенте US 5004654 представлен алюминиево-воздушный элемент, анодный материал которого легирован магнием и/или кальцием, а в электролите и/или анодном материале присутствует олово. Патент US 5360680 описывает эргономичную конструкцию из воздушно-металлических элементов как механически повторно заряжаемых источников электропитания, а также различные анодные материалы, в частности активированный цинк во взвешенном состоянии. Особое внимание при этом уделяется применению в электромобилях и требуемым в связи с этим характеристикам высокой плотности тока, высокой емкости аккумулятора и высокой максимальной мощности.

Патент ЕР 1843418 А1 описывает электрохимический источник напряжения/электропитания, в частности топливный элемент или батарею, в которой в качестве электролита используется морская вода и/или раствор щелочи анода, пригодного для использования в электрохимическом воздушно-металлическом элементе, и газового диффузионного или воздушного катода, имеющего, как минимум, один гидрофобный слой. Корпус батареи при этом имеет ограниченное одной или несколькими гидронепроницаемыми перегородками пространство, в которое как минимум через одно отверстие подводится воздух или кислород. По крайней мере, одна из гидронепроницаемых перегородок внутри батареи образуется катодом или гидрофобным слоем катода. Промежуточное пространство хотя бы частично заполняемое электролитом, в частности морской водой, водным раствором соли или растворами щелочи.

В основе изобретения, представленного в п.1 формулы, лежит проблема усовершенствования характеристики электрической мощности и емкости источника электропитания при заданной конструкции используемого в нем электрохимического источника тока.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен источник электропитания, связанный с потребителем; на фиг.2 - эквивалентная схема сопротивления анода; на фиг.3 - зависимость удельного сопротивления от плотности тока в режиме постоянного тока; на фиг.4 - типичные кривые дифференциальной емкости металлов.

Проблема усовершенствования характеристики электрической мощности и емкости источника электропитания при заданной конструкции используемого в нем электрохимического источника тока решается за счет способа отбора тока от электрохимического источника тока согласно п.1 формулы изобретения, который описывает способ отбора тока от всех видов электрохимических источников тока, характеризуемый тем, что отбор тока осуществляется за счет частотных импульсов при условии, что удельный импеданс каждого анода электрохимических элементов составляет не более 1,87 Ом·см ². Этот способ служит основой для определения оптимальных параметров для компонентов схемы. Оптимизация определенного источника электропитания происходит по одному или нескольким критериям для решения конкретных потребительских задач. Например, оптимизация преобразователя постоянного тока для воздушно-металлического элемента осуществляется по расходу металла анода при условии, что выходная мощность источника электропитания не менее установленной мощности. За счет изменения частоты импульсов RC-генератора в устройстве управления с помощью вспомогательного резистора (резистора с переменным сопротивлением) экспериментально строятся зависимости расхода анода (в граммах на Вт·ч) и выходной максимальной мощности от частоты импульсов. По обоим графикам находится частота, при которой расход металлического анода минимален при условии, что максимальная выходная мощность источника тока не ниже установленной. Далее оптимизируются при полученной частоте конструктивные параметры планарного трансформатора, дросселя и т.д.

Пункт 2 формулы изобретения описывает генерирование частотных импульсов через коммутирующий элемент с устройством управления, чье преимущество состоит в технически простой конструкции, а также обеспечении удельного импеданса согласно п.1.

Пункт 3 формулы изобретения описывает источник электропитания для реализации способа согласно п.п.1 и 2, содержащий заполненный электролитом электрохимический источник тока (1) и преобразователь постоянного тока, характеризуемый тем, что преобразователь постоянного тока имеет трансформатор (4), чья цепь первичного тока состоит из электрохимического источника тока (1), параллельной цепи (шунта) (2) и коммутирующего элемента с устройством управления (3), а вторичная цепь состоит из индуктивного накопителя (5), конденсатора-накопителя (6) и потребителя (7).

За счет конструкции источника питания согласно изобретению (фиг.1), работающего по принципу согласно п.п.1 и 2, на всех видах электрохимических источников тока достигается улучшение характеристики мощности. У большинства видов дополнительно увеличивается емкость. Это достигается с помощью оптимизации частотного импульса, генерируемого коммутирующим элементом с устройством управления (3) с электрохимического элемента (1) на трансформатор (4) с последующим накоплением энергии в накопителе (5) и ее передачи потребителю (7).

Тем самым за счет изобретения реализуется более компактный и облегченный источник электропитания требуемой мощности и емкости на базе различных электрохимических источников тока.

Особые преимущества разработок изобретений отражены в указанных ниже пунктах.

В п.4 формулы изобретения отображено оптимизированное применение коммутирующего элемента с устройством управления, способным выдавать на трансформатор конкретные частотные импульсы. Пример данного узла в DC-DC преобразователе описывается ниже: коммутирующим элементом может являться группа транзисторов. Само устройство управления может состоять, среди прочего, из контроллера (микросхема) с необходимыми регулировками, схемы пуска, системы обратной связи, регулирующей времена импульса и паузы внутри периода в зависимости от мощности нагрузки, микросхем для снижения потерь и буферных схем для сокращения времени переключения вышеуказанных транзисторов.

Пункт 5 формулы изобретения описывает преимущественное применение планарного трансформатора в качестве трансформатора в преобразователе постоянного тока. Преимущества вытекают из следующих особых свойств планарного трансформатора:

- улучшенная взаимная индукция в планарном трансформаторе повышает КПД DC-DC преобразователя;

- габаритные размеры DC-DC преобразователя при использовании планарного трансформатора существенно меньше;

- серийное изготовление планарного трансформатора для данного DC-DC преобразователя более проще и технологически надежнее по сравнению с обычными типами.

В пункте 6 формулы изобретения представлены преимущественные параметры для оптимального согласования элементов конструкции схемы отбора тока с электрохимическим источником тока.

Исполнением электрохимического источника тока, особо пригодным для переносных источников питания, является представленный в п.7 формулы изобретения металловоздушный элемент, обеспечивающий раздельное хранение электролита от батареи и доставку к месту эксплуатации.

Другой преимущественной разработкой изобретения является описанное в п.8 формулы изобретения применение магния в качестве анодного материала, что обеспечивает меньший вес при хороших мощностных характеристиках электрохимического элемента.

Указанный в п.9 формулы изобретения вид элемента с хлоридом натрия в качестве электролита имеет решающее преимущество в том, что конечному пользователю придется обращаться с не опасным расходным материалом, а не с щелочными растворами, требующими особых мер предосторожности. Кроме того, утилизация продуктов отхода в данном случае экологически чиста.

Пример конструкции изобретения изображен на фиг.1, принцип действия которого описывается ниже более детально. Необходимый технический результат улучшенной электрической характеристики источника питания достигается за счет применения электрохимического источника тока (1), который через коммутирующий элемент с устройством управления (3) соединен с планарным трансформатором (4). Кроме того, к электрохимическому источнику тока подсоединена параллельная цепь (шунт) (2) с конденсатором емкости CSh. Вторичная обмотка планарного трансформатора (4) соединена с индуктивным накопителем (5), конденсатором-накопителем (6) и сопротивлением нагрузки (потребителем) (7).

Источник электропитания работает следующим образом. При замыкании контакта устройством управления (3) течет ток, складывающийся из суммы тока электрохимического источника тока (1) и тока параллельной цепи (2) емкости CSh. Энергия собирается в дросселе (5) и течет через конденсатор-накопитель (6) к потребителю (7). Время отключенного состояния определяется минимальным временем передачи энергии, накопленной в индуктивном накопителе (5), потребителю (7). Максимальный КПД передачи электроэнергии достигается с помощью снижения входного сопротивления преобразователя тока ниже 1 мОМ.

Например, в качестве электрохимического источника тока служит металловоздушный элемент с магниевым анодом, газовым диффузионным катодом и электролитом из водного раствора хлорида натрия. Внутреннее сопротивление R электрохимического элемента складывается из суммы сопротивлений анода, катода и электролита (R=R_A+Rк+Rэ), причем сопротивление анода можно изобразить упрощенно как цепь согласно фиг.2 (Rэ = сопротивление электролита, R_D = удельное сопротивление двойного слоя, C_D,s = удельная дифференциальная емкость двойного слоя).

Ниже исследуется анодный компонент суммарного внутреннего сопротивления электрохимического источника тока в двух функциональных видах: режиме постоянного тока и режиме частотного отбора энергии.

В режиме постоянного тока электрохимического элемента сопротивление двойного электрического слоя R_D определяет общее сопротивление R_A. Компонент R_D с ростом плотности тока снижается из-за увеличения концентрации элементов реакции в двойном электрическом слое и изменения энергии активирования, вызванного скачком потенциала в плотной части двойного слоя. На фиг.3 изображена зависимость удельного сопротивления R_D от плотности тока.

В режиме частотного отбора энергии анодное сопротивление Ra определяется импедансом

R=1/2 ·C·f,

С = дифференциальная емкость двойного слоя

f = частота.

Емкость двойного электрического тока зависит в данном случае от потенциала анода.

На фиг.4 показаны типичные кривые дифференциальных емкостей различных металлов в растворе 0,1 М (1=Hg, 2=Bi, 3=Pb, 4=Sn, 5=Cd, 6=In, 7=In+Ga, 8=Ga) и C₅H₁₁ OH на фоне с 0,1 N растворов поверхностно неактивных электролитов (Фрумкин А.Н. «Потенциалы нулевого заряда». Наука, 1979, 1982).

В диапазоне отрицательного потенциала поверхностно неактивных электролитов значение дифференциальной емкости двойного электрического слоя для всех металлов составляет 17 мкF/см². То есть при определенном режиме частоты выделения энергии полное сопротивление анода можно снизить так, что внутреннее сопротивление электрохимического элемента приблизится к сопротивлению электролита. При частоте примерно 100 кГц удельное полное сопротивление анода достигает 0,09 Ом·см² . Удельное сопротивление электролита при межэлектродном расстоянии 0,5 см и рабочей температуре 60-70°С составляет 2,5-3 Ом·см ². Удельное сопротивление современных диффузионных катодов составляет при той же температуре 0,8-1,0 Ом·см² . Тем самым для суммарного внутреннего сопротивления электрохимического элемента в режиме частоты 100 кГц (в случае максимальных значений для Rэ и Rк) результируется значение примерно 4,1 Ом·см ², причем Ra образует приблизительно 2,5% суммарного внутреннего сопротивления.

В режиме постоянного тока электрохимического элемента компонент Ra при плотности тока в 50-100 мА/см² , что реализуемо на практике, составляет 6 Ом·см² (см. фиг.3). Соответственно суммарное удельное внутреннее сопротивление достигает около 10 Ом·см², что в 2,5 раза выше, чем в режиме частоты. Ra при этом образует приблизительно 60% общего сопротивления.

Увеличение мощности по сравнению с режимом постоянного тока выделения энергии определяется минимальным значением интервалов между импульсами, которое ограничено временем передачи накопленной в накопительном элементе энергии потребителю. Параллельная цепь с емкостью от CSh=0,5·(CD,s·S) до 5·(CD,s·S) (где S = площадь анода и CD,s = удельная дифференциальная емкость анода) выбирается таким образом, чтобы при отключении электрохимического источника тока от преобразователя потенциал анода не снижался бы более в отрицательный, так как удельная емкость при менее отрицательных значениях потенциала выше, особенно при адсорбции органических веществ (см. фиг.4).

Как практический пример вышеописанного исполнения использовался металловоздушный элемент, чей анод из магния имел площадь 280 см², а газовый диффузионный катод - 240 см². Межэлектродное расстояние составляло 0,5 см. В качестве электролита служил водный раствор хлорида натрия. Металловоздушный элемент имел напряжение разомкнутой цепи 1,74 В. Был изготовлен преобразователь, включающий шунтирующую емкость С_ш=10500 мкF, ключевой элемент с блоком управления (коммутирующий элемент с устройством управления), планарный трансформатор с накопительным элементом и конденсатором-накопителем во вторичной цепи. Источник электропитания, состоящий из вышеуказанных элемента и преобразователя, обеспечивал выходное напряжение 12 В. Входное сопротивление преобразователя составляло 1 мОм. Элемент в постоянно-токовом режиме дал максимальную мощность 42 Вт при напряжении 0,84 В на нем при температуре 50°С. Плотность тока составила 197 мА/см². После 40 минут работы напряжение на элементе снизилось до 0,75 В, после чего работа была прекращена, так как межэлектродное пространство было заполнено продуктами реакции. В постоянно-токовом режиме работы элемента внутреннее сопротивление составило R_вн=18 мОм, ток=50 А.

После работы в постоянно-токовом режиме к элементу был подключен преобразователь. На выходе преобразователя имелось выходное напряжение 12,05 В, ток нагрузки 3,5 А и мощность 41,2 Вт. Преобразователь до эксперимента был тестирован: КПД при входном напряжении 0,9 В и мощности от 45-60 Вт составил 0,8. Потери в преобразователе составили 11,5 Вт. Потери в соединительных проводах составили 1,5 Вт. Следовательно, на вход преобразователя было подано 54,2 Вт. Ток элемента в этом случае составил 58 А. Действующее напряжение - 0,93 В. Из расчета R_вн элемента составило 13 мОм. По оценке в постоянно-токовом режиме сумма R_вн элемента=18 мОм. Тем самым уменьшение сопротивления составило 5 мОм.

Далее преобразователь был настроен на частоту 77000 Гц. Внутреннее сопротивление элемента снизилось несущественно - с 13 МОм до 12,5 МОм, однако расход металла снизился почти на 10%. При работе в режиме 27 кГц расход составил 1,62 А·ч/г. При работе в режиме 77 кГц расход составил 1,78 А·ч/г. Напряжение на элементе во время работы в режимах частотного отбора не снижалось, а межэлектродное пространство не забивалось продуктами реакции.

Сравнительный анализ.

Достигнутые с помощью вышеуказанной технологии преимущества проявляются при сравнении прототипа «akwa MB 12/40», разработанного с применением способа согласно данной заявке с производимыми МВИТ, г.Москва, Россия на коммерческой основе продуктами «МВИТ 4-800 ПС» и «МВИТ 2-400 ПС».

В настоящий момент заявителем подготовлено серийное производство автономных, экологически чистых, компактных, работающих на соленой воде источников электропитания с использованием изобретения.

а) Максимальная характеристика мощности и габариты.

Сравнение максимальной характеристики мощности показывает, что источник питания, созданный с использованием изобретения, по своей мощности соответствует «МВИТ 4-800 ПС». При этом габариты МВИТ превосходят габариты akwa более чем в четыре раза. Сравнение по весу предоставляет akwa аналогичные преимущества. Вес в сухозаряженном состоянии (хранение и транспортировка) МВИТ больше, чем в пять раз, эксплуатационный вес более чем в четыре раза превосходит аналогичный вес akwa,

б) Мощность (емкость) запасного картриджа

Сравнение мощности запасного картриджа показывает, что мощность «akwa MB 12/40» 480 Вт·ч превышает мощность «МВИТ 2-400 ПС» на 80 Вт·ч. При этом запасной картридж akwa состоит всего из двух анодов при весе в 0,338 кг, в то время как картридж МВИТ - из 4-х анодов, общим весом в 0,480 кг. Это означает, что эффективность использования металла больше, как минимум в 1,7 раза.

Запасной картридж akwa обеспечивает среди прочего следующие применения:

- электропитание лампы накаливания (энергосберегающей) (12 В, 12 Вт) продолжительностью до 40 часов

- электропитание телевизора (12 В) продолжительностью до 25 часов

- электропитание походного холодильника (35 Вт) продолжительностью до 40 часов

- до 7 зарядок ноутбука (4800 мА·ч)

- до 25 зарядок сотового телефона, цифровой фотокамеры, раций, приемников GPS, радиоустройств и переносных плееров CD/DVD;

- зарядку автомобильной аккумуляторной батареи (55 А·ч).

В нижеследующей таблице сравниваются характеристики различных источников электропитания.

Таблица
	МВИТ 4-800 ПС	АКВА® MB 12/40	МВИТ 2-400 ПС
Номинальное напряжение, [В]	12	12	12
Макс. мощность, [Вт]	40	40	21
Номинальная мощность на картридж, [Вт·ч]	800	480	400
Мин. температура окружающей среды, [°С]	-20	-25	-20
Вес в сухозаряженном состоянии, [кг]	5,4	1	3
Вес в эксплуатации, [кг]	макс. 11,4	макс. 2,6	макс. 6
Вес одного запасного картриджа, [кг]	0,96	0,338	0,48
Габариты (Д/Ш/В), [мм]	250/420/220	190/100/225	250/230/220
Концентрация соленой воды, [г/л]	100-150
Срок хранения в сухозаряженном состоянии	мин. 10 лет
Гарантированный срок службы	мин. 3000 часов