RU2390079C2 - Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply - Google Patents

Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply Download PDF

Info

Publication number
RU2390079C2
RU2390079C2 RU2008116173/09A RU2008116173A RU2390079C2 RU 2390079 C2 RU2390079 C2 RU 2390079C2 RU 2008116173/09 A RU2008116173/09 A RU 2008116173/09A RU 2008116173 A RU2008116173 A RU 2008116173A RU 2390079 C2 RU2390079 C2 RU 2390079C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrochemical
current
anode
power supply
sources
Prior art date
Application number
RU2008116173/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008116173A (en
Inventor
Михаил Георгиевич Серопян (RU)
Михаил Георгиевич Серопян
Original Assignee
АКВА ГмбХ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by АКВА ГмбХ filed Critical АКВА ГмбХ
Priority to RU2008116173/09A priority Critical patent/RU2390079C2/en
Publication of RU2008116173A publication Critical patent/RU2008116173A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2390079C2 publication Critical patent/RU2390079C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Hybrid Cells (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: current is extracted by frequency pulses provided that specific impedance of each anode of elements in electrochemical sources of current makes not more than 1.87 Ohm·cm2. Source of electric power supply is used for method of special frequency extraction of electric energy with application of anode of electrochemical source elements with specific impedance of not more than 1.87 Ohm·cm2, comprising electrochemical source of current filled with solution of electrolyte and DC-DC converter, specified by the fact that DC-DC converter comprises transformer, primary circuit of which consists of electrochemical source of current, parallel circuit (shunt) and switching element with control device, and secondary circuit consists of inductive accumulator of energy, capacitor-accumulator and consumer.
EFFECT: compact and light source of electric power supply with required power and capacity on the basis of various electrochemical elements, improved characteristics of power and increased current capacitance.
9 cl, 1 tbl, 4 ex

Description

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.The use of electrochemical cells for the production of power supplies is widely known. In particular, for portable power supplies, air-metal elements that use metal anodes, gas diffusion cathodes, and an electrolyte solution are widely used. Examples of anode metal are magnesium, zinc and aluminum. As an electrolyte solution, we are talking mainly about aqueous alkaline solutions or sodium chloride solutions.

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.For the mobile use of such power sources, the weight and size of the power sources and their consumables play an important role. Since the required power characteristics of power sources are set before application, a compact design with low weight is achieved only by optimizing the efficiency of power sources. Factors that limit the performance of electrochemical cells include, among others, the formation of reaction products, insufficient gas diffusion, and insufficient surface activity. For this reason, various studies have so far been conducted to improve portable power sources by changing the design and chemical composition of electrode materials.

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.US 6127061 describes the improvement of the specific power of air-metal elements using a special air cathode containing a catalytic layer made of a mixture of carbon particles, hydrophobic particles, metal hydroxide and material from particles with a large surface. An electrically conductive structure is applied to it, on which, in turn, an air-permeable and waterproof layer is applied.

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.US Pat. No. 5,004,654 discloses an aluminum-air cell whose anode material is doped with magnesium and / or calcium, and tin is present in the electrolyte and / or anode material. US Pat. No. 5,360,680 describes an ergonomic design of air-metal elements as mechanically rechargeable power sources, as well as various anode materials, in particular activated zinc in suspension. Particular attention is paid to the use in electric vehicles and the characteristics required in connection with this are high current density, high battery capacity and high maximum power.

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.Patent EP 1843418 A1 describes an electrochemical voltage / power supply, in particular a fuel cell or a battery in which seawater and / or an alkali solution of an anode suitable for use in an electrochemical air-metal cell and a gas diffusion or air cathode are used as an electrolyte, having at least one hydrophobic layer. In this case, the battery case has a space bounded by one or more hydraulically impermeable partitions, into which air or oxygen is supplied through at least one opening. At least one of the hydraulically impervious partitions inside the battery is formed by a cathode or a hydrophobic layer of the cathode. The intermediate space is at least partially filled with an electrolyte, in particular seawater, an aqueous salt solution or alkali solutions.

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.The invention presented in claim 1 is based on the problem of improving the characteristics of electric power and capacity of a power source for a given design of the electrochemical current source used in it.

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.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a power source associated with a consumer; figure 2 is an equivalent circuit of the resistance of the anode; figure 3 - dependence of resistivity on current density in constant current mode; figure 4 - typical curves of the differential capacitance of metals.

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·см2. 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.The problem of improving the characteristics of the electric power and capacity of the power source for a given design of the electrochemical current source used in it is solved by the method of selecting current from the electrochemical current source according to claim 1, which describes a method of selecting current from all types of electrochemical current sources, characterized in that that the current is selected due to the frequency pulses, provided that the specific impedance of each anode of the electrochemical elements is It does not exceed 1.87 Ohm · cm 2 . This method serves as the basis for determining the optimal parameters for circuit components. Optimization of a specific power source occurs according to one or more criteria for solving specific consumer problems. For example, the optimization of a DC-DC converter for an air-metal element is carried out according to the consumption of the anode metal, provided that the output power of the power source is not less than the installed power. By changing the frequency of the pulses of the RC generator in the control device using an auxiliary resistor (resistor with variable resistance), the dependences of the anode flow rate (in grams per Wh) and the maximum output power on the pulse frequency are experimentally constructed. Both graphs show the frequency at which the flow rate of the metal anode is minimal, provided that the maximum output power of the current source is not lower than the set value. Further, the design parameters of a planar transformer, inductor, etc. are optimized at the obtained frequency.

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.Claim 2 describes the generation of frequency pulses through a switching element with a control device whose advantage is a technically simple design, as well as providing specific impedance according to claim 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).Claim 3 describes a power source for implementing the method according to claims 1 and 2, comprising an electrochemical current source (1) filled with an electrolyte and a direct current converter, characterized in that the direct current converter has a transformer (4) whose primary current circuit consists of an electrochemical current source (1), a parallel circuit (shunt) (2) and a switching element with a control device (3), and the secondary circuit consists of an inductive storage device (5), a storage capacitor (6) and a consumer body (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).Due to the design of the power source according to the invention (Fig. 1), which works on the principle according to items 1 and 2, an improvement in the power characteristic is achieved for all types of electrochemical current sources. In most species, capacity increases further. This is achieved by optimizing the frequency pulse generated by the switching element with the control device (3) from the electrochemical element (1) to the transformer (4), followed by the accumulation of energy in the drive (5) and its transmission to the consumer (7).

Тем самым за счет изобретения реализуется более компактный и облегченный источник электропитания требуемой мощности и емкости на базе различных электрохимических источников тока.Thus, due to the invention, a more compact and lightweight power source of the required power and capacity based on various electrochemical current sources is realized.

Особые преимущества разработок изобретений отражены в указанных ниже пунктах.Particular advantages of inventions are reflected in the following paragraphs.

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.Claim 4 illustrates an optimized application of a switching element with a control device capable of delivering specific frequency pulses to a transformer. An example of this node in a DC-DC converter is described below: a switching element may be a group of transistors. The control device itself can consist, among other things, of a controller (microcircuit) with the necessary adjustments, a start-up circuit, a feedback system that regulates pulse and pause times within a period depending on the load power, microcircuits to reduce losses and buffer circuits to reduce the switching time of the above transistors.

Пункт 5 формулы изобретения описывает преимущественное применение планарного трансформатора в качестве трансформатора в преобразователе постоянного тока. Преимущества вытекают из следующих особых свойств планарного трансформатора:Claim 5 describes the preferred use of a planar transformer as a transformer in a DC / DC converter. Advantages result from the following specific properties of a planar transformer:

- улучшенная взаимная индукция в планарном трансформаторе повышает КПД DC-DC преобразователя;- improved mutual induction in a planar transformer increases the efficiency of the DC-DC converter;

- габаритные размеры DC-DC преобразователя при использовании планарного трансформатора существенно меньше;- the overall dimensions of the DC-DC converter when using a planar transformer is significantly smaller;

- серийное изготовление планарного трансформатора для данного DC-DC преобразователя более проще и технологически надежнее по сравнению с обычными типами.- serial production of a planar transformer for a given DC-DC converter is more simple and technologically more reliable than conventional types.

В пункте 6 формулы изобретения представлены преимущественные параметры для оптимального согласования элементов конструкции схемы отбора тока с электрохимическим источником тока.In paragraph 6 of the claims, advantageous parameters are presented for optimal coordination of structural elements of the current extraction circuit with an electrochemical current source.

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.The performance of the electrochemical current source, especially suitable for portable power sources, is the metal-air element presented in paragraph 7 of the claims, which provides separate storage of the electrolyte from the battery and delivery to the place of operation.

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.Another advantageous development of the invention is the use of magnesium as an anode material as described in claim 8, which provides lower weight with good power characteristics of the electrochemical cell.

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.The type of cell with sodium chloride as an electrolyte specified in claim 9 of the claims has a decisive advantage in that the end user will have to handle non-hazardous consumables and not alkaline solutions that require special precautions. In addition, the disposal of waste products in this case is environmentally friendly.

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).An example of the construction of the invention is shown in figure 1, the principle of which is described below in more detail. The necessary technical result of the improved electrical characteristics of the power source is achieved through the use of an electrochemical current source (1), which is connected to a planar transformer (4) through a switching element with a control device (3). In addition, a parallel circuit (shunt) (2) with a capacitor CSh is connected to the electrochemical current source. The secondary winding of the planar transformer (4) is connected to the inductive storage (5), the storage capacitor (6) and the load resistance (consumer) (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.The power source operates as follows. When the contact is closed by the control device (3), a current flows, consisting of the sum of the current of the electrochemical current source (1) and the current of the parallel circuit (2) of the capacitance CSh. Energy is collected in the inductor (5) and flows through the capacitor-drive (6) to the consumer (7). The time of the disconnected state is determined by the minimum time of transfer of energy stored in the inductive storage (5) to the consumer (7). The maximum power transmission efficiency is achieved by reducing the input resistance of the current converter below 1 mOM.

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=RA+Rк+Rэ), причем сопротивление анода можно изобразить упрощенно как цепь согласно фиг.2 (Rэ = сопротивление электролита, RD = удельное сопротивление двойного слоя, CD,s = удельная дифференциальная емкость двойного слоя).For example, a metal-air element with a magnesium anode, a gas diffusion cathode, and an electrolyte from an aqueous solution of sodium chloride serves as an electrochemical current source. The internal resistance R of the electrochemical cell is the sum of the resistances of the anode, cathode, and electrolyte (R = R A + Rк + Re), moreover, the resistance of the anode can be simplified as a circuit according to FIG. 2 (Re = electrolyte resistance, R D = double layer specific resistance , C D, s = specific differential capacity of the double layer).

Ниже исследуется анодный компонент суммарного внутреннего сопротивления электрохимического источника тока в двух функциональных видах: режиме постоянного тока и режиме частотного отбора энергии.Below we study the anode component of the total internal resistance of the electrochemical current source in two functional forms: constant current mode and frequency energy selection mode.

В режиме постоянного тока электрохимического элемента сопротивление двойного электрического слоя RD определяет общее сопротивление RA. Компонент RD 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 RD от плотности тока.In the constant current mode of the electrochemical cell, the resistance of the double electric layer R D determines the total resistance R A. The component R D decreases with increasing current density due to an increase in the concentration of reaction elements in the double electric layer and a change in the activation energy caused by a potential jump in the dense part of the double layer. Figure 3 shows the dependence of the resistivity R D on the current density.

В режиме частотного отбора энергии анодное сопротивление Ra определяется импедансомIn the frequency selection mode, the anode resistance Ra is determined by the impedance

R=1/2π·C·f,R = 1 / 2π · C · f,

С = дифференциальная емкость двойного слояC = differential capacity of the double layer

f = частота.f = frequency.

Емкость двойного электрического тока зависит в данном случае от потенциала анода.The capacity of the double electric current in this case depends on the potential of the anode.

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 C5H11OH на фоне с 0,1 N растворов поверхностно неактивных электролитов (Фрумкин А.Н. «Потенциалы нулевого заряда». Наука, 1979, 1982).Figure 4 shows typical curves of the differential capacitances of various metals in a 0.1 M solution (1 = Hg, 2 = Bi, 3 = Pb, 4 = Sn, 5 = Cd, 6 = In, 7 = In + Ga, 8 = Ga) and C 5 H 11 OH in the background with 0.1 N solutions of surface inactive electrolytes (Frumkin AN "Zero-charge potentials". Nauka, 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·см2. 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·см2, причем Ra образует приблизительно 2,5% суммарного внутреннего сопротивления.In the range of negative potential of surface inactive electrolytes, the value of the differential capacitance of the double electric layer for all metals is 17 μF / cm 2 . That is, under a certain mode of energy release frequency, the total resistance of the anode can be reduced so that the internal resistance of the electrochemical cell approaches the resistance of the electrolyte. At a frequency of about 100 kHz, the specific impedance of the anode reaches 0.09 Ohm · cm 2 . The specific resistance of the electrolyte at an interelectrode distance of 0.5 cm and an operating temperature of 60-70 ° C is 2.5-3 Ohm · cm 2 . The specific resistance of modern diffusion cathodes at the same temperature is 0.8-1.0 Ohm · cm 2 . Thus, for the total internal resistance of the electrochemical cell in the frequency mode of 100 kHz (in the case of maximum values for Re and Rк), a value of about 4.1 Ohm · cm 2 is obtained, and Ra forms approximately 2.5% of the total internal resistance.

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.In the constant current mode of the electrochemical cell, the Ra component at a current density of 50-100 mA / cm 2 , which is practiced, is 6 Ohm · cm 2 (see FIG. 3). Accordingly, the total specific internal resistance reaches about 10 Ohm · cm 2 , which is 2.5 times higher than in the frequency mode. Ra forms about 60% of the total resistance.

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).The increase in power compared to the direct current mode of energy release is determined by the minimum value of the intervals between pulses, which is limited by the time of transmission of energy stored in the storage element to the consumer. A parallel circuit with capacities from CSh = 0.5 · (CD, s · S) to 5 · (CD, s · S) (where S = anode area and CD, s = specific differential capacitance of the anode) is selected so that for disconnecting the electrochemical current source from the converter, the anode potential would not decrease more into a negative one, since the specific capacitance at higher negative potential values is higher, especially during the adsorption of organic substances (see Fig. 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 Сш=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 Rвн=18 мОм, ток=50 А.As a practical example of the above embodiment, a metal-air element was used, whose magnesium anode had an area of 280 cm 2 and a gas diffusion cathode - 240 cm 2 . The interelectrode distance was 0.5 cm. An aqueous solution of sodium chloride served as the electrolyte. The metal-air element had an open circuit voltage of 1.74 V. A converter was made including a shunt capacitance C w = 10500 μF, a key element with a control unit (switching element with a control device), a planar transformer with a storage element and a storage capacitor in the secondary circuit. The power supply, consisting of the above element and the converter, provided an output voltage of 12 V. The input resistance of the converter was 1 mOhm. The element in constant current mode gave a maximum power of 42 W at a voltage of 0.84 V on it at a temperature of 50 ° C. The current density was 197 mA / cm 2 . After 40 minutes of operation, the voltage on the element decreased to 0.75 V, after which operation was stopped, since the interelectrode space was filled with reaction products. In the constant current mode of operation of the element, the internal resistance was R ext = 18 mOhm, current = 50 A.

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 ΣRвн элемента составило 13 мОм. По оценке в постоянно-токовом режиме сумма ΣRвн элемента=18 мОм. Тем самым уменьшение сопротивления составило 5 мОм.After working in constant current mode, a converter was connected to the element. The converter output had an output voltage of 12.05 V, a load current of 3.5 A and a power of 41.2 watts. The converter was tested before the experiment: the efficiency at an input voltage of 0.9 V and power from 45-60 W was 0.8. Losses in the converter amounted to 11.5 watts. Losses in the connecting wires were 1.5 watts. Consequently, ≈54.2 W was applied to the input of the converter. The current element in this case was 58 A. The current voltage - 0.93 V. Based ΣR corolla element was 13 milliohms. According to the ever-current-mode element amount ΣR ext = 18 milliohms. Thus, the decrease in resistance was 5 mOhm.

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.Next, the converter was tuned to a frequency of 77000 Hz. The internal resistance of the element decreased insignificantly - from 13 MΩ to 12.5 MΩ, however, the metal consumption decreased by almost 10%. When operating in the 27 kHz mode, the flow rate was 1.62 A · h / g. When operating in the 77 kHz mode, the flow rate was 1.78 A · h / g. The voltage on the element during operation in the frequency sampling modes did not decrease, and the interelectrode space was not clogged by the reaction products.

Сравнительный анализ.Comparative analysis.

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».The advantages achieved using the above technology are manifested when comparing the prototype “akwa MB 12/40”, developed using the method according to this application with the products manufactured by MVIT, Moscow, Russia on a commercial basis, the products “MVIT 4-800 PS” and “MVIT 2- 400 PS ".

В настоящий момент заявителем подготовлено серийное производство автономных, экологически чистых, компактных, работающих на соленой воде источников электропитания с использованием изобретения.Currently, the applicant has prepared mass production of autonomous, environmentally friendly, compact, salt water-powered power sources using the invention.

а) Максимальная характеристика мощности и габариты.a) Maximum power characteristic and dimensions.

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,Comparison of the maximum power characteristics shows that the power source created using the invention in its power corresponds to "MVIT 4-800 PS". At the same time, the dimensions of MVIT exceed the dimensions of akwa by more than four times. Weight comparison provides akwa with similar benefits. Dry-charged weight (storage and transportation) of MVIT is more than five times greater, operational weight is more than four times that of akwa,

б) Мощность (емкость) запасного картриджаb) Power (capacity) of the spare cartridge

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.Comparison of the spare cartridge power shows that the “akwa MB 12/40” power of 480 W · h exceeds the power of “MVIT 2-400 PS” by 80 Wh At the same time, the akwa replacement cartridge consists of only two anodes with a weight of 0.338 kg, while the MVIT cartridge consists of 4 anodes, with a total weight of 0.480 kg. This means that the efficiency of metal use is at least 1.7 times greater.

Запасной картридж akwa обеспечивает среди прочего следующие применения:The akwa replacement cartridge provides, among other things, the following applications:

- электропитание лампы накаливания (энергосберегающей) (12 В, 12 Вт) продолжительностью до 40 часов- power supply of an incandescent lamp (energy-saving) (12 V, 12 W) for up to 40 hours

- электропитание телевизора (12 В) продолжительностью до 25 часов- TV power supply (12 V) for up to 25 hours

- электропитание походного холодильника (35 Вт) продолжительностью до 40 часов- power supply of the traveling refrigerator (35 W) for up to 40 hours

- до 7 зарядок ноутбука (4800 мА·ч)- up to 7 laptop charges (4800 mAh)

- до 25 зарядок сотового телефона, цифровой фотокамеры, раций, приемников GPS, радиоустройств и переносных плееров CD/DVD;- Up to 25 charges of a cell phone, digital camera, walkie-talkies, GPS receivers, radio devices and portable CD / DVD players;

- зарядку автомобильной аккумуляторной батареи (55 А·ч).- Charging the car battery (55 Ah).

В нижеследующей таблице сравниваются характеристики различных источников электропитания.The following table compares the characteristics of various power supplies.

ТаблицаTable МВИТ 4-800 ПСMVIT 4-800 PS АКВА® MB 12/40AQUA ® MB 12/40 МВИТ 2-400 ПСMVIT 2-400 PS Номинальное напряжение, [В]Rated voltage [V] 1212 1212 1212 Макс. мощность, [Вт]Max. Power, W] 4040 4040 2121 Номинальная мощность на картридж, [Вт·ч]Rated power per cartridge, [W · h] 800800 480480 400400 Мин. температура окружающей среды, [°С]Min ambient temperature [° C] -20-twenty -25-25 -20-twenty Вес в сухозаряженном состоянии, [кг]Dry weight, [kg] 5,45,4 1one 33 Вес в эксплуатации, [кг]Weight in operation, [kg] макс. 11,4Max. 11,4 макс. 2,6Max. 2.6 макс. 6Max. 6 Вес одного запасного картриджа, [кг]Weight of one spare cartridge, [kg] 0,960.96 0,3380.338 0,480.48 Габариты (Д/Ш/В), [мм]Dimensions (L / W / H), [mm] 250/420/220250/420/220 190/100/225190/100/225 250/230/220250/230/220 Концентрация соленой воды, [г/л]The concentration of salt water, [g / l] 100-150100-150 Срок хранения в сухозаряженном состоянииDry Shelf Life мин. 10 летmin 10 years Гарантированный срок службыGuaranteed Service Life мин. 3000 часовmin 3000 hours

Claims (9)

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·см2.1. A method of special frequency selection of electrical energy from all types of electrochemical current sources, characterized in that the current is selected by frequency pulses, provided that the specific impedance of each anode of the elements of electrochemical current sources is not more than 1.87 Ohm · cm 2 . 2. Способ по п.1, характеризуемый тем, что частотные импульсы генерируются коммутирующим элементом с устройством управления.2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency pulses are generated by a switching element with a control device. 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·см2, 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).3. A power source for implementing a method of special frequency selection of electrical energy from all types of electrochemical current sources, in which current is sampled by frequency pulses, provided that the specific impedance of each anode of the elements of electrochemical current sources is not more than 1.87 Ohm · cm 2 containing an electrochemical current source filled with electrolyte (1) and a DC-DC converter, characterized in that the DC-DC converter contains a transformer whose primary circuit consists of: namic power source (1), a parallel circuit (shunt) (2) and the switching element to the control device (3) and the secondary circuit - from the inductive energy storage device (5), capacitor storage (6) and the consumer (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).4. The power source according to claim 3, characterized in that the switching element with the control device (3) is configured to transmit optimized frequency pulses through the transformer (4), which are used for energy storage in the inductive storage device (5). 5. Источник электропитания по п.3 или 4, характеризуемый тем, что DC-DC-преобразователь имеет планарный трансформатор (4).5. The power supply according to claim 3 or 4, characterized in that the DC-DC converter has a planar transformer (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).6. The power source according to claim 5, characterized in that the ratio of the capacitance of the parallel circuit (CSh) to the area (S) and the specific differential capacitance (CD, s) of the anode is from CSh = 0.5 · (CD, s · S) up to 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.7. The power supply according to claim 6, characterized in that the electrochemical current source (1) has a metal anode and a gas diffusion cathode. 8. Источник электропитания по п.6, характеризуемый тем, что в качестве раствора электролита используется водный раствор хлорида натрия.8. The power supply according to claim 6, characterized in that an aqueous solution of sodium chloride is used as the electrolyte solution. 9. Источник электропитания по п.7, характеризуемый тем, что анод состоит из магния. 9. The power supply according to claim 7, characterized in that the anode consists of magnesium.
RU2008116173/09A 2008-04-25 2008-04-25 Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply RU2390079C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008116173/09A RU2390079C2 (en) 2008-04-25 2008-04-25 Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008116173/09A RU2390079C2 (en) 2008-04-25 2008-04-25 Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008116173A RU2008116173A (en) 2009-10-27
RU2390079C2 true RU2390079C2 (en) 2010-05-20

Family

ID=41352744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008116173/09A RU2390079C2 (en) 2008-04-25 2008-04-25 Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2390079C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU172180U1 (en) * 2016-05-12 2017-06-30 Юрий Пантелеевич Лепеха POWER SUPPLY

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU172180U1 (en) * 2016-05-12 2017-06-30 Юрий Пантелеевич Лепеха POWER SUPPLY

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008116173A (en) 2009-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6811903B2 (en) Electrochemical cell recharging system
KR100897945B1 (en) Electric double layer capacitor
MX2012001775A (en) Porous carbon oxide nanocomposite electrodes for high energy density supercapacitors.
CA2380945A1 (en) Hybrid battery configuration
KR102420563B1 (en) metal anode battery
KR20100033409A (en) Air battery system and methods for using and controlling air
WO2007075416A1 (en) Third electrode frame structure and method related thereto
SE446489B (en) ENDED, RECHARGEABLE BATTERY WITH NEGATIVE LANTANNICKEL HYDRADE ELECTRODE AND POSITIVE METAL OXIDE ELECTRODE
EP3397794A1 (en) System and method for generating gaseous hydrogen on demand
JP2653415B2 (en) Battery provided with gas diffusion electrode and method for charging and discharging the same
WO2004102699A3 (en) Alkaline cell with copper oxide cathode
EP1218958A1 (en) An energy system for delivering intermittent pulses
CN114141981B (en) Positive electrode plate and preparation method and application thereof
RU2390079C2 (en) Method for special extraction of electric energy from all types of electrochemical sources of current with help of frequency pulses and its application in sources of power supply
US10573945B2 (en) Metal-air fuel cell
CN103531854A (en) Novel power supply with comprehensive performances of supercapacitor and zinc-silver battery
US20020119369A1 (en) Electrical power generator
JP2006114486A (en) Fuel cell power supply system
KR101835403B1 (en) Cell combined metal-air cell and fuel cell and long-period driving battery system using the same
WO2003088374A2 (en) Asymmetric supercapacitor device with extended capability
AU2017381393A1 (en) Metal-air fuel cell
ES2373210T3 (en) PROCEDURE FOR THE POWER OUTLET OF ELECTROCHEMICAL BATTERIES THROUGH FREQUENCY IMPULSES AND THEIR USE IN A POWER SOURCE.
CN108470966B (en) Emergency power bank
KR20160150158A (en) ELECTROLYTE SOLUTION FOR Ni-Zn FLOW BATTERY AND Ni-Zn FLOW BATTERY COMPRISING THE SAME
CN209515870U (en) A kind of chargeable zinc sky liquid stream monocell

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110426