FR3065315A1 - ENERGY CONVERTER - Google Patents
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Abstract
Un convertisseur d'énergie (1) comprenant au moins une cellule électrochimique (3) et un organe (5) formant interrupteur. La cellule électrochimique comprend une enceinte (31), deux électrodes (33 ; 35), chacune étant disposée au moins en partie dans l'enceinte, et un électrolyte (37) contenu dans l'enceinte entre les deux électrodes. La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l'électrolyte sont conjointement sélectionnées de sorte que : - chacune des électrodes est chimiquement inerte dans l'électrolyte, et - en l'absence de polarisation externe, les électrodes présentent l'une par rapport à l'autre une différence de potentiel non nulle. L'organe formant interrupteur est relié électriquement entre les deux électrodes. Ledit organe est agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l'effet d'une énergie externe.An energy converter (1) comprising at least one electrochemical cell (3) and a switch member (5). The electrochemical cell comprises an enclosure (31), two electrodes (33; 35), each being disposed at least partially in the enclosure, and an electrolyte (37) contained in the enclosure between the two electrodes. The composition and the structure of each of the two electrodes and the electrolyte are jointly selected so that: - each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte, and - in the absence of external polarization, the electrodes have one with respect to the other a non-zero potential difference. The switch member is electrically connected between the two electrodes. Said member is arranged to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of an external energy.
Description
Titulaire(s) : paris sciences et lettres-quartier LATIN,CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS -.ECOLE SUPERIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES DE LA VILLE DE PARIS, UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE (PARIS 6) .Holder (s): paris sciences et lettres-quartier LATIN, NATIONAL CENTER FOR SCIENTIFIC RESEARCH CNRS -.
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CONVERTISSEUR D'ENERGIE.ENERGY CONVERTER.
©) Un convertisseur d'énergie (1) comprenant au moins une cellule électrochimique (3) et un organe (5) formant interrupteur. La cellule électrochimique comprend une enceinte (31), deux électrodes (33; 35), chacune étant disposée au moins en partie dans l'enceinte, et un électrolyte (37) contenu dans l'enceinte entre les deux électrodes. La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l'électrolyte sont conjointement sélectionnées de sorte que:©) An energy converter (1) comprising at least one electrochemical cell (3) and a member (5) forming a switch. The electrochemical cell comprises an enclosure (31), two electrodes (33; 35), each being disposed at least partially in the enclosure, and an electrolyte (37) contained in the enclosure between the two electrodes. The composition and structure of each of the two electrodes and of the electrolyte are jointly selected so that:
- chacune des électrodes est chimiquement inerte dans l'électrolyte, eteach of the electrodes is chemically inert in the electrolyte, and
- en l'absence de polarisation externe, les électrodes présentent l'une par rapport à l'autre une différence de potentiel non nulle.- In the absence of external polarization, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
L'organe formant interrupteur est relié électriquement entre les deux électrodes. Ledit organe est agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l'effet d'une énergie externe.The switch member is electrically connected between the two electrodes. Said member is arranged so as to pass alternately between an open state and a closed state under the effect of external energy.
Convertisseur d’énergieEnergy converter
L’invention relève du domaine de la conversion d’énergie. En particulier, l’invention appartient au domaine de la gestion d’énergie de faible puissance.The invention relates to the field of energy conversion. In particular, the invention belongs to the field of low power energy management.
Classiquement, les accumulateurs, ou batteries, convertissent une énergie stockée sous forme chimique en une énergie électrique. La plupart des accumulateurs forment un système dit faradique. Des réactions d’oxydo-réduction s’effectuent et incluent des échanges de charges entre des électrodes et un électrolyte. Certains de ces accumulateurs peuvent être rechargés par une source externe d’énergie électrique, par exemple par un branchement au secteur via un transformateur, ou bien au moyen d’une source d’énergie mécanique convertie par un alternateur, par exemple activé manuellement. La fourniture d’un courant d’origine externe inverse les réactions chimiques d’oxydo-réduction.Conventionally, accumulators, or batteries, convert energy stored in chemical form into electrical energy. Most accumulators form a so-called faradic system. Redox reactions take place and include charge exchanges between electrodes and an electrolyte. Some of these accumulators can be recharged by an external source of electrical energy, for example by connection to the mains via a transformer, or by means of a mechanical energy source converted by an alternator, for example activated manually. The supply of an external current reverses the chemical redox reactions.
Il existe également des supercondensateurs formés de deux électrodes généralement identiques et séparées par un électrolyte. Les supercondensateurs forment des systèmes dits capacitifs : par application d’une différence de potentiel entre les deux électrodes (lors de la recharge), les anions et les cations de l’électrolyte s’agglutinent respectivement à l’une et l’autre des deux électrodes. Lorsque l’énergie capacitive est libérée (lors de l’utilisation), un courant peut être obtenu en se branchant entre les deux électrodes. Une fois l’énergie capacitive consommée et jusqu’à l’application à nouveau d’une tension de recharge entre les deux électrodes, le supercondensateur devient inactif et inutilisable.There are also supercapacitors formed by two generally identical electrodes and separated by an electrolyte. Supercapacitors form so-called capacitive systems: by applying a potential difference between the two electrodes (during recharging), the anions and cations of the electrolyte agglutinate respectively to one and the other of the two. electrodes. When capacitive energy is released (during use), current can be obtained by plugging in between the two electrodes. Once the capacitive energy has been consumed and until a recharge voltage is applied again between the two electrodes, the supercapacitor becomes inactive and unusable.
Les accumulateurs et les supercondensateurs nécessitent une fourniture d’énergie électrique externe entre chaque utilisation complète de l’énergie préalablement stockée. Les dispositifs ainsi équipés peuvent être considérés autonomes seulement sur des durées limitées.Accumulators and supercapacitors require an external supply of electrical energy between each full use of the previously stored energy. The devices thus equipped can be considered autonomous only for limited periods.
Des dispositifs permettent, dans des conditions de laboratoire, de créer une tension entre deux électrodes mobiles l’une par rapport à l’autre et entre lesquelles une goutte d’eau est piégée. Un tel montage est par exemple décrit dans l’article suivant : Pak and Al, “Electrical power génération by mechanically modulating electrical double loyers”, Nature Communication, 2013. Un tel dispositif est difficile à mettre en œuvre de manière fiable or des conditions d’un laboratoire.Devices allow, under laboratory conditions, to create a voltage between two electrodes movable with respect to each other and between which a drop of water is trapped. Such an arrangement is for example described in the following article: Pak and Al, “Electrical power generation by mechanically modulating electrical double loyers”, Nature Communication, 2013. Such a device is difficult to implement reliably or under certain conditions. 'a laboratory.
Des dispositifs de récupération d’énergie fonctionnant à base d’une déformation de matériau piézoélectrique sont également développés. L’article suivant donne quelques exemples : “A piezoelectric vibration based generatorfor wireless electronics” ; S. Roundy and P. K. Wright ; INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING ; 1131-1142 (2004). La fiabilité dans le temps de tels dispositifs n’est pas entièrement satisfaisante.Energy recovery devices operating on the basis of a deformation of piezoelectric material are also developed. The following article gives some examples: “A piezoelectric vibration based generatorfor wireless electronics”; S. Roundy and P. K. Wright; INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING; 1131-1142 (2004). The reliability over time of such devices is not entirely satisfactory.
L’invention vient améliorer la situation.The invention improves the situation.
La demanderesse propose un convertisseur d’énergie comprenant au moins une cellule électrochimique et un organe formant interrupteur. La cellule électrochimique comprend une enceinte, au moins deux électrodes, chacune des électrodes étant disposée au moins en partie dans l’enceinte, et un électrolyte contenu dans l’enceinte entre les deux électrodes. La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l’électrolyte est conjointement sélectionnées de sorte que :The Applicant proposes an energy converter comprising at least one electrochemical cell and a member forming a switch. The electrochemical cell comprises an enclosure, at least two electrodes, each of the electrodes being arranged at least partially in the enclosure, and an electrolyte contained in the enclosure between the two electrodes. The composition and structure of each of the two electrodes and of the electrolyte are jointly selected so that:
- chacune des électrodes est chimiquement inerte dans l’électrolyte, et- each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte, and
- en l’absence de polarisation externe, les électrodes présentent l’une par rapport à l’autre une différence de potentiel non nulle.- in the absence of external polarization, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
L’organe formant interrupteur étant relié électriquement entre les deux électrodes de la cellule électrochimique, ledit organe étant agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l’effet d’une énergie externe.The switch member being electrically connected between the two electrodes of the electrochemical cell, said member being arranged so as to switch alternately between an open state and a closed state under the effect of external energy.
Un tel convertisseur permet de convertir une énergie externe en une énergie électrique par l’intermédiaire d’une énergie capacitive et de manière sensiblement continue. Le convertisseur ne nécessite pas une alimentation préalable par une source d’énergie électrique externe. L’énergie électrique peut être consommée immédiatement ou stockée pour une utilisation ultérieure.Such a converter makes it possible to convert external energy into electrical energy by means of capacitive energy and in a substantially continuous manner. The converter does not require a prior supply by an external electrical energy source. Electrical energy can be consumed immediately or stored for later use.
En outre, un tel convertisseur peut présenter des formes et dimension variées, ce qui permet de s’adapter à de nombreux usages et conditions, notamment en termes de compacité, fiabilité, type et intensité de l’énergie externe disponible en entrée, et quantité d’énergie à fournir en sortie. Dans des applications relatives aux objets portables, parfois appelés « wearables », le convertisseur peut être agencé pour s’intégrer dans un environnement pour lequel la taille et/ou la masse doivent être particulièrement faibles. L’interrupteur soumis à l’énergie externe peut être déporté et/ou détachable de la cellule électrochimique. La cellule peut présenter une forme sensiblement plate. Plusieurs cellules peuvent être combinées, par exemple en un empilement dans lequel une électrode peut être commune à deux cellules superposées. Aucun mouvement des électrodes l’une par rapport à l’autre n’est nécessaire au fonctionnement, ce qui participe à la fiabilité de la cellule électrochimique. L’absence de réaction chimique volontaire dans l’enceinte permet de conférer à la cellule électrochimique une durée de vie théorique infinie. Ni les électrodes, ni l’électrolyte ne sont consommés. En outre, et par comparaison aux dispositifs de stockage d’énergie connus et de dimensions comparables, l’énergie capacitive stockée dans la cellule électrochimique est faible en quantité et de courte durée : les successions d’ouvertures et de fermetures de l’interrupteur permettent de fournir de manière cumulée une quantité d’énergie d’origine externe substantielle. Ce mode de fonctionnement permet de qualifier l’ensemble du dispositif de convertisseur d’énergie en énergie électrique plutôt que de dispositif de stockage d’énergie. L’énergie entrante prélevée localement active l’organe formant interrupteur. L’organe formant interrupteur est ouvert/fermé de façon répétée. Le convertisseur peut être couplé à un dispositif de stockage d’énergie, par exemple connu en soit, pour consommer l’énergie externe lorsqu’elle est disponible et restituer l’énergie électrique lorsqu’elle est nécessaire.In addition, such a converter can have various shapes and dimensions, which makes it possible to adapt to many uses and conditions, in particular in terms of compactness, reliability, type and intensity of the external energy available at input, and quantity energy to be output. In applications relating to portable objects, sometimes called "wearables", the converter can be arranged to integrate into an environment for which the size and / or the mass must be particularly small. The switch subjected to external energy can be removed and / or detachable from the electrochemical cell. The cell may have a substantially flat shape. Several cells can be combined, for example in a stack in which an electrode can be common to two superimposed cells. No movement of the electrodes relative to one another is necessary for operation, which contributes to the reliability of the electrochemical cell. The absence of a voluntary chemical reaction in the enclosure allows the electrochemical cell to be given an infinite theoretical lifespan. Neither the electrodes nor the electrolyte are consumed. In addition, and in comparison with known energy storage devices and of comparable dimensions, the capacitive energy stored in the electrochemical cell is low in quantity and of short duration: the successions of openings and closings of the switch allow to provide a cumulative amount of energy from a substantial external source. This operating mode makes it possible to qualify the entire device for converting energy into electrical energy rather than an energy storage device. The incoming energy taken locally activates the switch member. The switch member is repeatedly opened / closed. The converter can be coupled to an energy storage device, for example known per se, to consume the external energy when it is available and to restore the electric energy when it is necessary.
Selon un second aspect, la demanderesse propose un kit comprenant les éléments suivants :According to a second aspect, the applicant offers a kit comprising the following elements:
- une cellule électrochimique comprenant une enceinte, au moins deux électrodes, chacune des électrodes étant disposée au moins en partie dans l’enceinte, et un électrolyte contenu dans l’enceinte entre les deux électrodes, etan electrochemical cell comprising an enclosure, at least two electrodes, each of the electrodes being arranged at least partially in the enclosure, and an electrolyte contained in the enclosure between the two electrodes, and
- un organe formant interrupteur apte à être relié électriquement entre deux électrodes d’une cellule électrochimique. Ledit organe est agencé de manière à passer alternativement entre un état ouvert et un état fermé sous l’effet d’une énergie externe.- a switch member capable of being electrically connected between two electrodes of an electrochemical cell. Said organ is arranged so as to pass alternately between an open state and a closed state under the effect of external energy.
La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l’électrolyte est conjointement sélectionnées de sorte que :The composition and structure of each of the two electrodes and of the electrolyte are jointly selected so that:
- chacune des électrodes est chimiquement inerte dans l’électrolyte,- each of the electrodes is chemically inert in the electrolyte,
- en l’absence de polarisation externe, les électrodes présentent l’une par rapport à l’autre une différence de potentiel non nulle.- in the absence of external polarization, the electrodes have a non-zero potential difference with respect to each other.
L’organe formant interrupteur étant apte à être relié électriquement entre les deux électrodes de la cellule électrochimique.The switch member being adapted to be electrically connected between the two electrodes of the electrochemical cell.
Le kit peut en outre comprendre un circuit de commande apte à être relié électriquement aux deux électrodes de la cellule électrochimique, le circuit de commande étant agencé de sorte que, une fois relié à la cellule électrochimique, l’énergie capacitive de la cellule électrochimique est convertie en énergie électrique apte à alimenter un dispositif de stockage d’énergie lorsque l’organe formant interrupteur passe à un état fermé.The kit may also include a control circuit capable of being electrically connected to the two electrodes of the electrochemical cell, the control circuit being arranged so that, once connected to the electrochemical cell, the capacitive energy of the electrochemical cell is converted into electrical energy capable of supplying an energy storage device when the switch member goes to a closed state.
Selon un autre aspect, la demanderesse propose un capteur comprenant un convertisseur d’énergie tel que défini dans les présentes. Un tel capteur peut être au moins en partie autonome, c’est-à-dire rendu indépendant d’une alimentation électrique externe. L’énergie nécessaire au fonctionnement du capteur peut être entièrement prélevée de son environnement immédiat sous une forme autre qu’électrique et convertie en énergie électrique par l’intermédiaire du convertisseur. La mise en œuvre d’un convertisseur tel que défini dans les présentes est particulièrement avantageux dans le contexte de capteurs, notamment de petite dimension. De tels capteurs peuvent être disposés aisément dans des emplacements difficiles d’accès. L’installation d’un câblage pour une alimentation électrique du capteur et/ou l’accès en maintenance pour échanger une batterie sont rendus superflus. Dans le cas de capteurs aptes à communiquer des données sans fil (capteurs dits « communicants »), les capteurs peuvent être dépourvus de toute connexion physique externe.According to another aspect, the applicant proposes a sensor comprising an energy converter as defined herein. Such a sensor can be at least partially autonomous, that is to say made independent of an external electrical supply. The energy necessary for the operation of the sensor can be entirely taken from its immediate environment in a form other than electrical and converted into electrical energy via the converter. The implementation of a converter as defined herein is particularly advantageous in the context of sensors, in particular of small size. Such sensors can be easily placed in locations that are difficult to access. The installation of wiring for a sensor power supply and / or maintenance access to replace a battery are made superfluous. In the case of sensors capable of communicating wireless data (so-called “communicating” sensors), the sensors can be devoid of any external physical connection.
Les caractéristiques suivantes peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :The following features can optionally be implemented. They can be implemented independently of each other or in combination with each other:
- La composition et la structure de chacune des deux électrodes et la composition de l’électrolyte sont conjointement sélectionnées de sorte que les ions accumulés à proximité de chacune des deux électrodes sont de signes opposés. Ceci facilite la répartition des anions/cations dans l’électrolyte.- The composition and structure of each of the two electrodes and the composition of the electrolyte are jointly selected so that the ions accumulated near each of the two electrodes are of opposite signs. This facilitates the distribution of anions / cations in the electrolyte.
- L’une au moins des électrodes comprend du métal. Les électrodes en métal sont fiables dans le temps, peuvent subir des déformations tout en restant fonctionnelles et sont peu coûteuses.- At least one of the electrodes includes metal. Metal electrodes are reliable over time, can undergo deformation while remaining functional and are inexpensive.
- L’une au moins des électrodes comprend du métal. La composition du métal et le pH de l’électrolyte sont conjointement sélectionnés de sorte que ladite au moins une électrode présente une couche externe de passivation. La passivation permet de protéger les électrodes des réactions chimiques non souhaitées, notamment par oxydo-réduction.- At least one of the electrodes includes metal. The composition of the metal and the pH of the electrolyte are jointly selected so that said at least one electrode has an external passivation layer. Passivation protects the electrodes from unwanted chemical reactions, in particular by redox.
- L’une au moins des électrodes comprend du carbone poreux. Le carbone poreux présente une bonne stabilité chimique et peut être combiné avec diverse autres électrodes et divers électrolytes.- At least one of the electrodes includes porous carbon. Porous carbon has good chemical stability and can be combined with various other electrodes and various electrolytes.
- La première électrode comprend du carbone poreux. La seconde électrode comprend du zinc, du magnésium ou de l’aluminium. L’électrolyte comprend une solution saline sous forme liquide ou de gel. Les différentes combinaisons testées par la demanderesse ont montré de bonnes performances.- The first electrode includes porous carbon. The second electrode includes zinc, magnesium or aluminum. The electrolyte includes saline in liquid or gel form. The various combinations tested by the applicant have shown good performance.
- La composition et la structure de chacune des deux électrodes et de l’électrolyte, et l’agencement mutuel des électrodes dans l’enceinte, sont conjointement sélectionnés de sorte que, en l’absence de polarisation externe, la charge capacitive entre les deux électrodes dans un régime stable est comprise entre 0,01 et 10 F.cm2. De telles charges peuvent être atteintes avec des structures particulièrement compactes tout en étant suffisantes pour alimenter les objets les moins énergivores.- The composition and structure of each of the two electrodes and of the electrolyte, and the mutual arrangement of the electrodes in the enclosure, are jointly selected so that, in the absence of external polarization, the capacitive charge between the two electrodes in a steady state is between 0.01 and 10 F.cm 2 . Such loads can be achieved with particularly compact structures while being sufficient to supply the least energy-consuming objects.
- Le convertisseur d’énergie comprend en outre :- The energy converter also includes:
- un circuit de commande relié électriquement aux deux électrodes de la cellule électrochimique et incluant l’organe formant interrupteur, et- a control circuit electrically connected to the two electrodes of the electrochemical cell and including the switch member, and
- un dispositif de stockage d’énergie relié électriquement aux deux électrodes par l’intermédiaire du circuit de commande.- an energy storage device electrically connected to the two electrodes via the control circuit.
Le circuit de commande est agencé de sorte que l’énergie capacitive de la cellule électrochimique est convertie en énergie électrique alimentant le dispositif de stockage d’énergie lorsque l’organe formant interrupteur est à l’état fermé. Un tel convertisseur peut ainsi équiper un appareil en le rendant autonome. Il devient inutile de recharger ou de remplacer la batterie.The control circuit is arranged so that the capacitive energy of the electrochemical cell is converted into electrical energy supplying the energy storage device when the switch member is in the closed state. Such a converter can thus equip a device by making it autonomous. There is no need to recharge or replace the battery.
- L’organe formant interrupteur comprend au moins un transistor. Ceci permet d’améliorer la fiabilité en remplaçant au moins en partie des composants mécaniques.- The switch member comprises at least one transistor. This improves reliability by at least partially replacing mechanical components.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics, details and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below, and on analysis of the appended drawings, in which:
- la figure 1 montre un schéma d’un convertisseur selon l’invention,- Figure 1 shows a diagram of a converter according to the invention,
- les figures 2 et 3 montrent chacune un schéma équivalent à un état de fonctionnement d’un convertisseur selon l’invention,- Figures 2 and 3 each show a diagram equivalent to an operating state of a converter according to the invention,
- la figure 4 montre une mesure d’une tension aux bornes d’une résistance de mesure disposée entre les électrodes à la fermeture d’un interrupteur d’un convertisseur selon l’invention, etFIG. 4 shows a measurement of a voltage across a measurement resistor arranged between the electrodes when a switch of a converter according to the invention is closed, and
- la figure 5 montre une mesure d’une tension aux bornes d’une résistance de mesure disposée entre les électrodes d’un convertisseur selon l’invention.- Figure 5 shows a measurement of a voltage across a measurement resistor disposed between the electrodes of a converter according to the invention.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.The drawings and the description below essentially contain elements of a certain nature. They can therefore not only serve to better understand the present invention, but also contribute to its definition, if necessary.
Dans la suite, les termes d’ « échanges volontaires » sont employés à propos d’ions. Par échange volontaire, on entend ici se distinguer de dispositifs connus pour lesquels les phénomènes d’oxydo-réduction et d’électrolyse sont nécessaires, et donc volontaires, pour fournir un courant. Dans le présent contexte, de tels échanges sont en théorie inexistants. En pratique, des défauts ou impuretés peuvent conduire à des échanges involontaires d’ions entre les électrodes et l’électrolyte. De tels échanges sont considérés comme négligeables.In the following, the terms "voluntary exchanges" are used in connection with ions. By voluntary exchange is meant here to be distinguished from known devices for which the oxidation-reduction and electrolysis phenomena are necessary, and therefore voluntary, to supply a current. In the present context, such exchanges are in theory non-existent. In practice, faults or impurities can lead to involuntary ion exchanges between the electrodes and the electrolyte. Such exchanges are considered negligible.
La figure 1 montre un convertisseur 1. Le convertisseur 1 comprend au moins une cellule électrochimique 3 et un organe 5 formant interrupteur.FIG. 1 shows a converter 1. The converter 1 comprises at least one electrochemical cell 3 and a member 5 forming a switch.
La cellule 3 comprend une enceinte 31, ou enveloppe, une première électrode 33, une deuxième électrode 35 et un électrolyte 37.The cell 3 comprises an enclosure 31, or envelope, a first electrode 33, a second electrode 35 and an electrolyte 37.
Chacune des électrodes 33, 35 est disposée au moins en partie dans l’enceinte 31. Dans l’exemple décrit ici, chacune des électrodes 33, 35 est entièrement contenue dans l’enceinte 31. Chacune des électrodes 33, 35 est électriquement reliée à un élément conducteur faisant saillie de l’enceinte 31. Ainsi, les parties faisant saillie de l’enceinte 31 forment des connecteurs, ou bornes, de la cellule 3 par l’intermédiaire desquelles chacune des électrodes 33, 35 peut être électriquement reliée à des éléments externes à la cellule 3. En variante, l’une au moins des électrodes 33, 35 fait saillie de la cellule 3 au travers de l’enceinte 31. Une telle électrode 33, 35 peut être directement reliée à des éléments externes à la cellule 3. L’enceinte 31 présente des propriétés d’étanchéité compatibles avec l’électrolyte 37 et aptes à empêcher sa fuite vers l’extérieur de l’enceinte 3. L’enceinte 31 protège en outre le contenu de la cellule 3 contre l’environnement extérieur de manière à limiter les risques de contamination qui pourrait conduire à des réactions chimiques non souhaitées, en particulier des phénomènes d’oxydation.Each of the electrodes 33, 35 is disposed at least partially in the enclosure 31. In the example described here, each of the electrodes 33, 35 is entirely contained in the enclosure 31. Each of the electrodes 33, 35 is electrically connected to a conductive element protruding from the enclosure 31. Thus, the protruding parts of the enclosure 31 form connectors, or terminals, of the cell 3 by means of which each of the electrodes 33, 35 can be electrically connected to elements external to the cell 3. As a variant, at least one of the electrodes 33, 35 projects from the cell 3 through the enclosure 31. Such an electrode 33, 35 can be directly connected to elements external to the cell 3. The enclosure 31 has sealing properties compatible with the electrolyte 37 and capable of preventing its escape towards the outside of the enclosure 3. The enclosure 31 also protects the contents of the he cell 3 against the external environment so as to limit the risks of contamination which could lead to unwanted chemical reactions, in particular oxidation phenomena.
Dans l’exemple de fonctionnement décrit ensuite, et conformément à ce qui est représenté sur les figures, la première électrode 33 forme une anode 33 tandis que la deuxième électrode 35 forme une cathode 35. En fonctionnement, la cellule 3 est dépourvue d’échange volontaire d’ions entre les électrodes 33, 35 et l’électrolyte 37. Il est précisé que l’emploi des termes « anode » et « cathode » est habituellement réservé aux systèmes faradiques, par exemple dans lesquels l’anode est apte à céder des électrons par réaction chimique avec un substrat tandis la cathode capte des électrons par réaction chimique avec un substrat. Dans le présent contexte, en l’absence de réaction chimique volontaire, les termes « anode » et « cathode » sont utilisés par analogie pour faciliter la distinction entre les deux électrodes 33, 35. Conformément à la figure 1, l’anode 33 libère des électrons dans le circuit tandis que la cathode 35 capte les électrons du circuit.In the operating example described next, and in accordance with what is shown in the figures, the first electrode 33 forms an anode 33 while the second electrode 35 forms a cathode 35. In operation, the cell 3 has no exchange voluntary ion between the electrodes 33, 35 and the electrolyte 37. It is specified that the use of the terms “anode” and “cathode” is usually reserved for faradic systems, for example in which the anode is capable of yielding electrons by chemical reaction with a substrate while the cathode collects electrons by chemical reaction with a substrate. In the present context, in the absence of a voluntary chemical reaction, the terms “anode” and “cathode” are used by analogy to facilitate the distinction between the two electrodes 33, 35. In accordance with FIG. 1, the anode 33 releases electrons in the circuit while the cathode 35 captures the electrons in the circuit.
L’électrolyte 37 est contenu dans l’enceinte 31. L’électrolyte 37 est contenu au moins entre les deux électrodes 33, 35 et au contact de chacune des deux électrodes 33, 35. Dans l’exemple décrit ici, les électrodes 33, 35 baignent dans l’électrolyte 37. En variante, les électrodes 33, 35 peuvent former partie au moins de l’enceinte 31. En variante, une enceinte peut contenir une pluralité de couples d’électrodes. Par exemple, les électrodes peuvent former des parois compartimentant l’intérieur de l’enceinte 31. L’enceinte loge alors une alternance d’anode et de cathode, une électrode pouvant être appariée avec deux électrodes distinctes.The electrolyte 37 is contained in the enclosure 31. The electrolyte 37 is contained at least between the two electrodes 33, 35 and in contact with each of the two electrodes 33, 35. In the example described here, the electrodes 33, 35 are immersed in the electrolyte 37. As a variant, the electrodes 33, 35 can form at least part of the enclosure 31. As a variant, an enclosure can contain a plurality of pairs of electrodes. For example, the electrodes can form walls dividing the interior of the enclosure 31. The enclosure then houses an alternation of anode and cathode, an electrode being able to be paired with two separate electrodes.
La composition et la structure de chacune des deux électrodes 33, 35 et de l’électrolyte 37 sont conjointement sélectionnées de sorte que :The composition and structure of each of the two electrodes 33, 35 and of the electrolyte 37 are jointly selected so that:
- chacune des électrodes 33, 35 est chimiquement inerte dans l’électrolyte 37,each of the electrodes 33, 35 is chemically inert in the electrolyte 37,
- en l’absence de polarisation externe, les électrodes 33, 35 présentent chacune une différence de potentiel non nulle avec l’électrolyte 37, de sorte qu’une accumulation d’ions de l’électrolyte 37 est générée à proximité de chacune des deux électrodes 33, 35, et- in the absence of external polarization, the electrodes 33, 35 each have a non-zero potential difference with the electrolyte 37, so that an accumulation of ions of the electrolyte 37 is generated near each of the two electrodes 33, 35, and
- en l’absence de polarisation externe, les électrodes 33, 35 présentent une différence de potentiel non nulle entre elles, de sorte que l’accumulation d’ions à proximité de chacune des deux électrodes 33, 35 est dissymétrique l’une par rapport à l’autre.- in the absence of external polarization, the electrodes 33, 35 have a non-zero potential difference between them, so that the accumulation of ions near each of the two electrodes 33, 35 is asymmetrical with respect to to the other.
Les électrodes 33, 35 peuvent présenter chacune un potentiel standard apparent, les deux potentiels standards étant différents l’un de l’autre. Ceci correspond notamment à un exemple à deux électrodes métalliques différentes. Les termes de « potentiel standard apparent » sont utilisés par analogie avec les systèmes d’oxydo-réduction. Néanmoins, les réactions d’oxydoréduction sont empêchées dans le convertisseur 1. Les électrodes peuvent présenter, notamment en surface, des sites excédentaires ou déficitaires en charges. Ceci correspond notamment au cas d’une électrode en carbone poreux décrit ci-après.The electrodes 33, 35 may each have an apparent standard potential, the two standard potentials being different from each other. This corresponds in particular to an example with two different metal electrodes. The terms "apparent standard potential" are used by analogy with redox systems. However, redox reactions are prevented in converter 1. The electrodes can have, in particular on the surface, excess sites or deficit in charges. This corresponds in particular to the case of a porous carbon electrode described below.
De telles différences de potentiels sont permises par la sélection de la nature (structure et composition) des électrodes et de l’électrolyte.Such potential differences are allowed by the selection of the nature (structure and composition) of the electrodes and the electrolyte.
Les différences de potentiel des électrodes 33, 35 et de l’électrolyte 37 et l’accumulation des ions (anions ou cations) aux interfaces électrode-électrolyte qui en résulte (phénomènes d’adsorption) permet de former une double couche électrique à la surface de chaque électrode 33, 35 en contact avec l’électrolyte 37. Les ions forment un écran à la surface de l’électrode. Chacune de ces interfaces stocke alors une énergie capacitive. L’asymétrie de l’accumulation entre l’anode 33 et la cathode 35 entraîne un déséquilibre de charge entre les deux électrodes 33, 35. L’électrolyte 37 permet le transport des ions mais pas des électrons. Dans un état ouvert de l’organe formant interrupteur 5, la circulation des charges (les électrons) de l’une à l’autre des électrodes 33, 35 est donc empêchée. Un déséquilibre électrique est volontairement créé.The potential differences of the electrodes 33, 35 and of the electrolyte 37 and the accumulation of ions (anions or cations) at the electrode-electrolyte interfaces which results therefrom (adsorption phenomena) makes it possible to form an electric double layer on the surface. of each electrode 33, 35 in contact with the electrolyte 37. The ions form a screen on the surface of the electrode. Each of these interfaces then stores capacitive energy. The asymmetry of the accumulation between the anode 33 and the cathode 35 causes a charge imbalance between the two electrodes 33, 35. The electrolyte 37 allows the transport of ions but not electrons. In an open state of the switch member 5, the flow of charges (the electrons) from one to the other of the electrodes 33, 35 is therefore prevented. An electrical imbalance is intentionally created.
Dans l’exemple décrit ici, une première des électrodes, ici l’anode 33, comprend un matériau poreux. La porosité permet d’atteindre une grande interface d’adsorption avec l’électrolyte 37 pour un faible volume occupé de l’électrode. Lorsque l’une seulement des deux électrodes est poreuse, une différence de superficie d’interface est créée entre deux électrodes aux formes et dimensions similaires par ailleurs. Ceci participe à l’asymétrie des charges entre les deux pôles de la cellule 3. L’électrode présente par exemple une porosité libre supérieure à 60% en volume. La porosité est mesurée, par exemple, par porosimètre au mercure. La porosité permet en outre de réduire la masse de l’électrode. Dans l’exemple décrit ici, du carbone poreux est utilisé. L’électrode est rendue électriquement conductrice par l’ajout de noir de carbone. Une telle électrode est inerte avec certains au moins des électrolytes utilisés dans les exemples décrits ciaprès, facile à mettre en œuvre et peu coûteuse. Des méthodes de fabrication de telles électrodes sont connues et par exemple décrites dans l’article suivant : Salitra, G., Soffer, A., Eliad, L., Cohen, Y. & Aurbach, D. Carbon électrodes for double-layer capacitors. I. “Relations between ion and pore dimensions”. J. Electrochem. Soc. 147, 2486-2493 (2000).In the example described here, a first of the electrodes, here the anode 33, comprises a porous material. The porosity makes it possible to reach a large adsorption interface with the electrolyte 37 for a small occupied volume of the electrode. When only one of the two electrodes is porous, a difference in interface surface is created between two electrodes with similar shapes and dimensions. This contributes to the asymmetry of the charges between the two poles of cell 3. The electrode, for example, has a free porosity greater than 60% by volume. Porosity is measured, for example, by a mercury porosimeter. The porosity also makes it possible to reduce the mass of the electrode. In the example described here, porous carbon is used. The electrode is made electrically conductive by the addition of carbon black. Such an electrode is inert with at least some of the electrolytes used in the examples described below, easy to use and inexpensive. Methods of manufacturing such electrodes are known and for example described in the following article: Salitra, G., Soffer, A., Eliad, L., Cohen, Y. & Aurbach, D. Carbon electrodes for double-layer capacitors . I. “Relations between ion and pore dimensions”. J. Electrochem. Soc. 147, 2486-2493 (2000).
Dans l’exemple décrit ici, la seconde des électrodes, ici la cathode 35, comprend un métal. La cathode 35 comprend du zinc (Zn). La nature du métal et le pH de l’électrolyte 37 sont conjointement choisis ou ajustés de manière à favoriser la création et/ou la préservation d’une couche externe d’oxyde sur l’électrode. La couche d’oxyde protège l’électrode de l’oxydation, notamment par de l’oxygène. La couche d’oxyde rend et/ou maintient l’électrode chimiquement inerte et insensible aux réactions d’oxydo-réduction dans l’électrolyte (passivation). Dans l’exemple d’une électrode en zinc, le pH de l’électrolyte 57 est choisi de préférence compris entre 9 et 11,25, par exemple environ 10, 7, afin de favoriser l’existence d’une couche d’hydroxyde Zn(OH)2(S) protectrice.In the example described here, the second of the electrodes, here the cathode 35, comprises a metal. The cathode 35 comprises zinc (Zn). The nature of the metal and the pH of the electrolyte 37 are jointly chosen or adjusted so as to favor the creation and / or the preservation of an external oxide layer on the electrode. The oxide layer protects the electrode from oxidation, in particular by oxygen. The oxide layer makes and / or keeps the electrode chemically inert and insensitive to redox reactions in the electrolyte (passivation). In the example of a zinc electrode, the pH of the electrolyte 57 is preferably chosen to be between 9 and 11.25, for example around 10, 7, in order to promote the existence of a hydroxide layer Protective Zn (OH) 2 ( S ).
Le Zinc présente une faible masse, une bonne flexibilité, et est peu coûteux par comparaison avec d’autres métaux. En variante, d’autres métaux peuvent être utilisés, par exemple de l’aluminium (Al) ou du gallium (Ga). Dans ces cas, la composition de l’électrolyte 37, et en particulier son pH, sont adaptés afin de rendre l’électrode chimiquement inerte.Zinc has a low mass, good flexibility, and is inexpensive compared to other metals. Alternatively, other metals can be used, for example aluminum (Al) or gallium (Ga). In these cases, the composition of the electrolyte 37, and in particular its pH, are adapted in order to make the electrode chemically inert.
La composition de l’électrolyte 37 est choisie de manière à permettre la mobilité des ions tout en étant électriquement isolant. Par isolant électrique, on entend ici que la composition de l’électrolyte, la distance inter-électrodes et les tensions de fonctionnement prévues sont compatibles pour éviter l’apparition d’arc électrique entre les deux électrodes (claquage). L’électrolyte 37 peut comprendre un liquide ionique tel qu’une solution aqueuse ou un solvant organique, un gaz ionisé ou tout autre fluide contenant des ions mobiles. Dans les exemples décrits ici, les électrolytes 37 comprennent des solutions de sels ioniques. Tels que NaCl, KC1, KN03, MgCl2. Le pH de la solution peut être ajusté par l’ajout d’un acide ou d’une base. Dans l’exemple d’une anode 33 en carbone poreux et d’une cathode 35 en zinc, un électrolyte 37 comprenant une solution aqueuse avec un sel tel que du chlorure de sodium NaCl et de l’hydroxyde de sodium NaOH peut par exemple être utilisée.The composition of the electrolyte 37 is chosen so as to allow the mobility of the ions while being electrically insulating. By electrical insulator here is meant that the composition of the electrolyte, the inter-electrode distance and the expected operating voltages are compatible to avoid the appearance of an electric arc between the two electrodes (breakdown). The electrolyte 37 may comprise an ionic liquid such as an aqueous solution or an organic solvent, an ionized gas or any other fluid containing mobile ions. In the examples described here, the electrolytes 37 include solutions of ionic salts. Such as NaCl, KC1, KN0 3 , MgCl 2 . The pH of the solution can be adjusted by adding an acid or a base. In the example of an anode 33 of porous carbon and of a cathode 35 of zinc, an electrolyte 37 comprising an aqueous solution with a salt such as sodium chloride NaCl and sodium hydroxide NaOH can for example be used.
L’électrolyte 37 prend ici une forme liquide. En variante, l’électrolyte peut prendre la forme d’un solide, d’un gel, d’un gaz ou même d’un plasma. Une forme solide ou de gel permet de réduire les risques de fuite en cas de défaut d’étanchéité de l’enceinte 3LElectrolyte 37 here takes a liquid form. Alternatively, the electrolyte can take the form of a solid, gel, gas, or even plasma. A solid or gel form reduces the risk of leakage in the event of a leak in the 3L enclosure
Le tableau suivant présente quelques exemples de combinaisons possibles.The following table shows some examples of possible combinations.
L’organe 5 formant interrupteur est relié électriquement entre les deux électrodes 33, 35 de la cellule 3. Ledit organe 5 présente un état ouvert, c’est-à-dire isolant électriquement les électrodes 33, 35 l’une de l’autre, et un état fermé, c’est-à-dire permettant la circulation des charges (les électrons) d’une électrode à l’autre.The member 5 forming a switch is electrically connected between the two electrodes 33, 35 of the cell 3. Said member 5 has an open state, that is to say electrically insulating the electrodes 33, 35 from one another , and a closed state, that is to say allowing the circulation of charges (electrons) from one electrode to another.
Dans un exemple expérimental, l’organe 5 formant interrupteur est commandé par un actionneur piézoélectrique. Ainsi, une fréquence d’ouverture/fermeture peut être choisie avec précision. Par exemple des fréquences comprises entre 0,1 et 10 hertz peuvent être appliquées. L’organe 5 peut comprendre, par exemple, un interrupteur à lame souple («Reed switch»). Un tel interrupteur peut être activé à distance par l’intermédiaire de champs magnétiques. En variante, l’organe 5 peut comprendre un interrupteur bimétal, pouvant être activé par des variations de température. L’organe 5 peut aussi comprendre un transistor. La fonction d’interrupteur peut, par exemple, être assurée par un transistor plutôt que par un interrupteur mécanique. Le transistor passe alternativement d’un état passant à un état bloquant et vice versa sous l’effet d’une stimulation externe. L’organe 5 est adapté en fonction du type d’énergie fournie en entrée du convertisseur 1 et des fréquences de fonctionnement prévues.In an experimental example, the switch member 5 is controlled by a piezoelectric actuator. Thus, an opening / closing frequency can be chosen with precision. For example frequencies between 0.1 and 10 hertz can be applied. The member 5 may include, for example, a flexible reed switch. Such a switch can be activated remotely via magnetic fields. Alternatively, the member 5 may include a bimetal switch, which can be activated by temperature variations. The member 5 can also include a transistor. The switch function can, for example, be provided by a transistor rather than a mechanical switch. The transistor alternately goes from a passing state to a blocking state and vice versa under the effect of external stimulation. The member 5 is adapted as a function of the type of energy supplied at the input of the converter 1 and of the expected operating frequencies.
À l’état ouvert de l’organe 5, le déséquilibre de charges entre les deux électrodes 33, 35 décrit ci-avant est maintenu. De l’énergie capacitive est stockée à l’interface de l’anode 33 avec l’électrolyte 37 et à l’interface de la cathode 35 avec l’électrolyte 37. Le courant circulant dans le circuit est nul. Cet état est équivalent au schéma électrique représenté en figure 2 et à une capacité chargée. Une différence de potentiel peut être mesurée entre les deux électrodes 33, 35, par exemple au moyen d’un voltmètre V. Cette différence de potentiel résulte de la différence de potentiel entre les deux électrodes. La valeur de la différence de potentiel peut être choisie en jouant sur la combinaison de la nature (par exemple la composition) des deux électrodes 33, 35, leur structure (par exemple poreuse ou non), leurs dimensions, leurs positions et orientations mutuelles.In the open state of the member 5, the charge imbalance between the two electrodes 33, 35 described above is maintained. Capacitive energy is stored at the interface of the anode 33 with the electrolyte 37 and at the interface of the cathode 35 with the electrolyte 37. The current flowing in the circuit is zero. This state is equivalent to the electrical diagram shown in Figure 2 and to a charged capacity. A potential difference can be measured between the two electrodes 33, 35, for example by means of a voltmeter V. This potential difference results from the potential difference between the two electrodes. The value of the potential difference can be chosen by playing on the combination of the nature (for example the composition) of the two electrodes 33, 35, their structure (for example porous or not), their dimensions, their positions and mutual orientations.
À la fermeture de l’organe 5 formant interrupteur, les électrodes sont mises en court-circuit. Les doubles couches ioniques aux deux interfaces électrodes-électrolyte se restructurent. Une telle réorganisation ionique est concomitante de la circulation des charges (les électrons) dans le circuit. Par l’effet du rééquilibrage électrique, des électrons se déplacent de l’anode 33 vers la cathode 35. Le courant est non nul. Cet état est équivalent au schéma électrique représenté en figure 3 et à une capacité qui se décharge dans un circuit. La circulation du courant peut être mesurée au moyen d’un voltmètre V et par l’interposition d’une résistance R entre les deux électrodes 33, 35 (loi d’Ohm).When the switch member 5 closes, the electrodes are short-circuited. The double ionic layers at the two electrode-electrolyte interfaces are being restructured. Such an ionic reorganization is concomitant with the circulation of charges (electrons) in the circuit. As a result of the electrical rebalancing, electrons move from the anode 33 to the cathode 35. The current is not zero. This state is equivalent to the electrical diagram represented in figure 3 and to a capacity which is discharged in a circuit. The flow of current can be measured by means of a voltmeter V and by the interposition of a resistance R between the two electrodes 33, 35 (Ohm's law).
Le graphique de la figure 4 représente la tension (en Volts) aux borne d’une résistance de 100 Ohms branchées entre les deux électrodes 33, 35 en fonction du temps (en secondes). Le passage de l’état ouvert à l’état fermé de l’organe 5 formant interrupteur est provoqué une seule fois à l’instant t = 15 secondes. À T = 6 000 secondes, la tension est sensiblement stable à environ 20 mV.The graph in FIG. 4 represents the voltage (in Volts) at the terminals of a 100 Ohm resistor connected between the two electrodes 33, 35 as a function of time (in seconds). The transition from the open state to the closed state of the switch member 5 is caused only once at the time t = 15 seconds. At T = 6000 seconds, the voltage is substantially stable at around 20 mV.
Le graphique de la figure 5 représente la tension (en Volts) aux borne d’une résistance de 100 Ohms branchées entre les deux électrodes 33, 35 en fonction du temps (en secondes). L’organe 5 formant interrupteur passe de l’état ouvert à l’état fermé à une fréquence de 6 hertz, et de l’état fermé à l’état ouvert à une fréquence de 6 hertz (soit un changement d’état dans un sens ou dans l’autre à une fréquence moyenne de 12 hertz). Le cadre référencé 71 correspond à un état ouvert, c’est-à-dire qu’aucun courant ne circule dans le circuit et la différence de potentiel entre les deux électrodes 33, 35 augmente progressivement sous l’effet de la réorganisation des interfaces ioniques, tandis que le cadre référencé 73 correspond à un état fermé, c’est-à-dire qu’un courant circule dans le circuit externe à la cellule 3 et la différence de potentiel entre les deux électrodes 33, 35 diminue progressivement sous l’effet de la réorganisation des interfaces ioniques.The graph in FIG. 5 represents the voltage (in Volts) at the terminals of a 100 Ohm resistor connected between the two electrodes 33, 35 as a function of time (in seconds). The switch member 5 goes from the open state to the closed state at a frequency of 6 hertz, and from the closed state to the open state at a frequency of 6 hertz (i.e. a change of state in a one way or the other at an average frequency of 12 hertz). The frame referenced 71 corresponds to an open state, that is to say that no current flows in the circuit and the potential difference between the two electrodes 33, 35 gradually increases under the effect of the reorganization of the ion interfaces , while the frame referenced 73 corresponds to a closed state, that is to say that a current flows in the circuit external to the cell 3 and the potential difference between the two electrodes 33, 35 gradually decreases under the effect of the reorganization of ionic interfaces.
Le passage de l’état ouvert à l’état fermé de l’organe formant interrupteur 5 génère la création d’un courant. Ainsi, l’énergie externe fournie au convertisseur 1 via l’organe formant interrupteur 5 est convertie en une énergie électrique. L’énergie électrique fournie aux bornes du convertisseur 1, soit aux deux électrodes 33, 35, peut être consommée immédiatement par des éléments électriques adaptés. Cette énergie peut aussi être emmagasinée par un dispositif de stockage tel qu’une batterie ou un supercondensateur. Dans le cas d’un couplage de la cellule avec un dispositif de stockage, le dispositif de stockage est relié aux bornes de la cellule 3 par l’intermédiaire d’un circuit de commande. Le circuit de commande est agencé pour :The transition from the open state to the closed state of the switch member 5 generates the creation of a current. Thus, the external energy supplied to the converter 1 via the switch member 5 is converted into electrical energy. The electrical energy supplied to the terminals of the converter 1, ie to the two electrodes 33, 35, can be consumed immediately by suitable electrical elements. This energy can also be stored by a storage device such as a battery or a supercapacitor. In the case of a coupling of the cell with a storage device, the storage device is connected to the terminals of the cell 3 by means of a control circuit. The control circuit is arranged for:
- permettre la transmission du courant au dispositif de stockage lors des périodes où l’organe 5 formant interrupteur est fermé, et- allow the transmission of current to the storage device during periods when the switch-forming member 5 is closed, and
- interdire le déchargement du dispositif de stockage vers la cellule 3 lorsque l’organe 5 formant interrupteur est ouvert. Le circuit de commande comprend par exemple un montage à diodes. Le circuit peut en outre comprendre un circuit d’optimisation de la tension.- prohibit the unloading of the storage device to the cell 3 when the member 5 forming a switch is open. The control circuit comprises for example a diode assembly. The circuit may further include a voltage optimization circuit.
Un tel convertisseur permet de rendre autonome certains dispositifs consommateurs d’énergie électrique en captant une énergie disponible dans l’environnement immédiat. Une telle énergie externe captée peut être disponible sous la forme de vibrations, de chaleur, de variations de température, de mouvements, de champs magnétiques, des pressions, d’écoulements ou encore de lumière. Le convertisseur fournit en sortie une énergie capacitive plutôt que faradique. Par cet aspect, le convertisseur se différencie des batteries usuelles et peut rappeler les supercondensateurs. Le convertisseur capte l’énergie externe et la transforme en énergie électrique de manière sensiblement continue. Contrairement à un supercondensateur, il n’ a pas besoin d’être mis préalablement sous tension pour fonctionner (ni initialement, ni pour être rechargé). Ceci n’aurait d’ailleurs pas de sens car, dans certains modes de réalisation, le convertisseur ne stocke pas d’énergie au sens usuel du terme (cellule électrochimique et organe interrupteur associé, dépourvue de dispositif de stockage) : l’énergie capacitive est accumulée dans les électrodes seulement de manière transitoire, durant une période d’ouverture de l’interrupteur, c’est-à-dire une durée inversement proportionnelle à la fréquence de changement d’état de l’interrupteur. Le fonctionnement et la structure de tels convertisseurs les rendent plus fiables à l’usage que des dispositifs du domaine piézo-électrique.Such a converter makes it possible to make certain devices consuming electrical energy autonomous by capturing energy available in the immediate environment. Such external energy captured may be available in the form of vibrations, heat, temperature variations, movements, magnetic fields, pressures, flows or even light. The converter provides capacitive rather than faradaic energy as an output. By this aspect, the converter differs from usual batteries and can recall supercapacitors. The converter captures external energy and converts it into electrical energy in a substantially continuous manner. Unlike a supercapacitor, it does not need to be powered up beforehand to operate (neither initially, nor to be recharged). This would also make no sense because, in certain embodiments, the converter does not store energy in the usual sense of the term (electrochemical cell and associated switch member, devoid of storage device): capacitive energy is accumulated in the electrodes only transiently, during a period of opening of the switch, that is to say a duration inversely proportional to the frequency of change of state of the switch. The operation and structure of such converters make them more reliable for use than devices in the piezoelectric field.
La puissance fournie par un tel convertisseur peut être estimée en fonction de l’intensité fournie. La puissance correspond à l’aire sous la courbe de tension lors des phases durant lesquelles l’organe 5 formant interrupteur est dans un état fermé (cadre 73 de la figure 5). La puissance en sortie dépend notamment des dimensions de la cellule et en particulier des surfaces utiles des électrodes et de l’énergie qu’il est possible de capter dans l’environnement. La demanderesse a calculé la puissance fournie par des prototypes et estime que la puissance en fonction de la surface utile est comprise entre 0,01 et 10 mW.cm2, de préférence entre 0,1 et 1 mW.cm2, par exemple environ 0,3 mW.cm2. L’homme du métier comprend notamment que de telle gammes de puissance sont adaptées à l’alimentation de dispositifs électroniques peu énergivores, notamment dans le domaine des objets connectés. Dans de tels cas, et en particulier lorsque de tels dispositifs sont portés par un utilisateur, la chaleur du corps, les vibrations et/ou les mouvements peuvent faire office d’énergie externe pour le convertisseur. L’organe formant interrupteur est adapté en fonction de l’énergie à capter.The power supplied by such a converter can be estimated as a function of the intensity supplied. The power corresponds to the area under the voltage curve during the phases during which the switch-forming member 5 is in a closed state (box 73 of FIG. 5). The power output depends in particular on the dimensions of the cell and in particular on the useful surfaces of the electrodes and on the energy which it is possible to capture in the environment. The applicant has calculated the power supplied by prototypes and estimates that the power as a function of the useful surface is between 0.01 and 10 mW.cm 2 , preferably between 0.1 and 1 mW.cm 2 , for example approximately 0.3 mW.cm 2 . Those skilled in the art notably understand that such power ranges are suitable for supplying energy-efficient electronic devices, in particular in the field of connected objects. In such cases, and in particular when such devices are worn by a user, body heat, vibrations and / or movements can act as external energy for the converter. The switch member is adapted as a function of the energy to be captured.
La nature des électrodes et de l’électrolyte peut être choisie en fonction du type et des propriétés de l’énergie d’origine externe qui peut être captée dans l’environnement du convertisseur. Par exemple, la densité de la charge capacitive maximum de la cellule 3 peut être volontairement bridée de sorte que la quantité d’énergie nécessaire à l’ouverture de l’organe 5 formant interrupteur soit inférieure à la quantité d’énergie reçue par l’organe 5 formant interrupteur.The nature of the electrodes and the electrolyte can be chosen according to the type and properties of the energy of external origin which can be captured in the environment of the converter. For example, the density of the maximum capacitive load of the cell 3 can be deliberately restrained so that the amount of energy required to open the switch member 5 is less than the amount of energy received by the member 5 forming a switch.
Un tel convertisseur peut être fourni en pièces détachées, par exemple sous forme de kit. De préférence, un tel kit comprend au moins la cellule électrochimique 3 et l’organe formant interrupteur 5 aptes à être connectés l’un avec l’autre. Le kit peut en outre comprendre, par exemple, un dispositif de stockage d’énergie et un circuit de commande compatible. Chacun des éléments du kit est apte à être connecté de manière opérationnelle avec les autres éléments.Such a converter can be supplied in spare parts, for example in the form of a kit. Preferably, such a kit comprises at least the electrochemical cell 3 and the switch member 5 able to be connected to each other. The kit may further include, for example, an energy storage device and a compatible control circuit. Each of the elements of the kit is capable of being operatively connected with the other elements.
Un tel convertisseur trouve des applications particulièrement avantageuses dans les domaines de l’électronique portable, des objets connectés (ou IoT pour « Internet of Things »), des capteurs et notamment des réseaux de capteurs autonomes. Un tel convertisseur répond particulièrement bien aux contraintes de miniaturisation, de mobilité et de faibles consommations d’énergie. Le convertisseur peut être combiné avec des moyens de stockage pour une utilisation de l’énergie non synchronisée avec la disponibilité de la source d’énergie locale prélevée dans l’environnement. Dans d’autres cas, les moyens de stockage sont absents : l’énergie prélevée dans l’environnement et convertie est immédiatement consommée. Par exemple dans le cas de capteurs, l’énergie environnementale et le phénomène physique à détecter peuvent avoir une source commune. Un capteur de vibration peut à la fois détecter/mesurer des vibrations tout en se servant de l’énergie mécanique desdites vibrations pour alimenter le capteur via le convertisseur. Des capteurs de présence, de variations de températures, d’humidité ou encore de pression (interfaces tactiles) peuvent par exemple être équipés d’un convertisseur tel que défini dans les présentes.Such a converter finds particularly advantageous applications in the fields of portable electronics, connected objects (or IoT for "Internet of Things"), sensors and in particular autonomous sensor networks. Such a converter responds particularly well to the constraints of miniaturization, mobility and low energy consumption. The converter can be combined with storage means for energy use which is not synchronized with the availability of the local energy source taken from the environment. In other cases, the storage means are absent: the energy taken from the environment and converted is immediately consumed. For example, in the case of sensors, the environmental energy and the physical phenomenon to be detected can have a common source. A vibration sensor can both detect / measure vibrations while using the mechanical energy of said vibrations to power the sensor via the converter. Presence, temperature, humidity or even pressure sensors (tactile interfaces) can for example be fitted with a converter as defined herein.
L’invention ne se limite pas aux exemples de convertisseurs, de kits et de capteurs décrits ciavant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée.The invention is not limited to the examples of converters, kits and sensors described above, only by way of example, but it encompasses all the variants that a person skilled in the art may envisage within the framework of the protection sought. .
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