TW201906297A

TW201906297A - 摩擦起電的電荷採集裝置

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Publication number: TW201906297A
Application number: TW107122630A
Authority: TW
Inventors: 史蒂芬Ｄ沃勒; 查爾斯瑞思尼克; 安東尼柏恩; 休Ｌ薩瑟蘭; 瑪拉帕Ｇ拉堅德瑞
Original assignee: 英商立可行有限公司
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2019-02-01
Also published as: CN111095771A; WO2019002878A3; KR20200027958A; GB2563942A; EP3646458A2; WO2019002878A2; GB2563942B; US11533001B2; US20200252005A1; GB201710562D0; JP2020526159A

Abstract

一種用於採集和儲存在行進中交通工具之外表面上產生的摩擦起電的電荷的裝置，其特徵在於包含： l 一超級電容器，其包含：含奈米碳的電極；一離子液體電解質；和至少一個離子滲透多孔膜； l 至少一個第一元件，暴露於作用在其上之空氣動力引起的摩擦力且使電荷積聚在其上，並連接到一極性的至少一個電極； l 至少一個第二元件，其具有低於該電荷收集元件之靜電位，並連接到具有另一極性的至少一個電極； l 一電壓修正或阻抗轉換電路，配置在該第一及/或第二元件與該超級電容器之間； l 將該裝置連接到需要電力之操作組件的裝置以及 l 一控制器，用於管理該裝置的性能且在能量採集與能量利用模式之間切換。該裝置特別用於部署在飛機機翼中以利用產生在其上之摩擦起電的電荷。

Description

摩擦起電的電荷採集裝置

發明領域本發明有關於一種適用於從作用在行進中交通工具外部的空氣動力產生之摩擦力中採集摩擦起電之電荷的裝置。

發明背景 US2015061375教示一種能量採集構件，其被設計與配置成響應於高度或擾流的變化而採集由飛機機翼上之壓力轉換器產生的電能。US20120274144中採用了類似的方法。

US20060061107揭露一種使用一由流體物質，例如衝擊在其上之空氣驅動的渦輪機的行進中交通工具的能量回收系統。

US7592783教示一種用於飛機的摩擦起電採集器，其中能量儲存在未特別指定的電容器中，該電容器似乎不是超級電容器。

在US20150180376和US20140338458中教示摩擦起電採集的其他方法。

我們現在設計了一種系統，其由於使用下文提到的輕型超級電容器而係先前技術的改進；尤其是在功率重量比方面。

發明概要依據本發明，提供一種用於採集和儲存在行進中交通工具之外表面上產生的摩擦起電的電荷的裝置，特徵在於包含： · 一超級電容器，其包含：含奈米碳的電極；一離子液體電解質；和至少一個離子滲透多孔膜； · 至少一個第一元件，暴露於作用在其上之空氣動力引起的摩擦力且使電荷積聚在其上，並連接到一極性的至少一個電極； · 至少一個第二元件，其具有低於該電荷收集元件之靜電位，並連接到具有另一極性的至少一個電極； · 一電壓修正或阻抗轉換電路，配置在該第一及/或第二元件與該超級電容器之間； · 將該裝置連接到需要電力之操作組件的裝置以及 · 一控制器，用於管理該裝置的性能且在能量採集與能量利用模式之間切換。

較佳實施例之詳細說明在一個實施方式中，裝置設計成附接至或與一行進中交通工具的外部本體板製作成一體；例如任何能夠快速移動的交通工具，包括汽車、卡車、電車、火車、鐵路車輛、飛機、直升機、船或潛艇的一外表面。在另一個實施方式中，該表面是飛機機翼的本體板的整體或一部分。在另一個實施方式中，表面是這些交通工具之一的一個或多個具空氣動力形狀的本體板。在又一個實施方式中，空氣動力引起的摩擦力由於本體板移動通過一廣布的流體介質，諸如水或特別是空氣而產生。這些力例如可能由於流體特徵的變化而產生；例如，由當地天氣條件決定的空氣特徵。適當地，摩擦起電的電荷本質上是靜電的。

在本發明的一個實施方式中，超級電容器的含奈米碳電極包含陽極和陰極表面，其基本上由塗覆有一包含包括奈米碳組分的碳帶電元件之層的薄柔性片（例如鋁，銀或銅箔）形式的導電金屬集電器組成。在另一個實施方式中，這些陽極和陰極表面中的至少一些設置在同一片材的相對側上。合適地，這些帶電元件中的至少一些是平均最長尺寸小於10微米的碳粒子。較佳地，這些粒子呈現中孔洞，中孔的尺寸範圍為2-50奈米。在另一個實施方式中，碳帶電元件可以補充賦予最終超級電容器一定程度的擬電容行為之材料的奈米粒子，例如，金屬的鹽、氫氧化物和氧化物，金屬諸如為鋰或具有一種以上氧化態的過渡金屬，包括鎳、錳、釕、鉍、鎢或鉬。

在一實施方式中，該層包含嵌入聚合物黏合劑基質中的碳粒子，其特徵為粒子與黏合劑的重量比為0.2：1至20：1。在另一實施方式中，黏合劑是導電的。在又一實施方式中，碳粒子包括石墨烯粒子；再一實施方式它們包括奈米碳管。在一個較佳的實施方式中，石墨烯和奈米碳管可任由選擇地與存在的活性碳一起使用。在另一個合適的實施方式中，碳粒子包含這三種組分的混合物，其中活性碳，奈米碳管和石墨烯的重量比為0.5-2000：0.5-100：1；較佳0.5-1500：0.5-80：1。

活性碳一詞是指任何高純度的無定形碳，其表面積通常大於500m² /g^-1 ，較佳1500-2500m² /g，且其平均粒度小於1微米。這些材料很容易從許多商業來源獲得。所用的奈米碳管典型具有2-500微米（較佳100-300微米）的平均長度和100-150奈米的平均直徑。奈米管可以是單壁或多壁的或兩者的混合物。

石墨烯一詞是指碳的同素異形體，其粒子在結構上基本上是二維的。在極端情況下，這些粒子包含具有石墨結構的單原子層小板，對於本發明的目的而言，此一組分可包含少量逐個堆疊的這種小板，例如，1至20個較佳為1至10個小板。在一個實施方式中，這些小板是非氧化形式。在另一個實施方式中，以穿透電子顯微術測量，小板獨立地具有1至4000奈米，較佳20至3000或10至2000奈米的平均尺寸。可以使用任何已知的方法來製造這種材料也由商業途徑取得；例如，英國的Thomas Swann Limited，名為Elicarb^® 。

在另一個實施方式中，碳帶電載體元件進一步可包含至多20％，較佳1至20％重量的導電碳。合適地，此導電碳包含具有多晶結構且表面積在1至500m² g^-1 範圍內的高導電非石墨碳。在一個實施方式中，其為碳黑；例如，在鋰離子電池中曾被使用作導電添加劑的那些材料之一（例如TimcalSuperC65^® 及/或Timcal SuperC45）。

在一個實施方式中，在本發明方法被實施後，電極中的殘留水分應小於100ppm；較佳小於50ppm。

在又一個實施方式中，含碳陽極和陰極彼此不對稱；換言之，它們具有不同的厚度-例如不同厚度的層。

轉而論及導電黏合劑，其適當地包含一種或多種導電聚合物，且較佳選自纖維素衍生物，聚合物彈性體或其混合物。在一個實施方式中，纖維素衍生物是羧烷基纖維素，例如羧甲基纖維素。在另一個實施方式中，彈性體是苯乙烯-丁二烯橡膠或具有同等性質的材料。

合適地，複合層中各種組分的總帶電荷表面積＞250m² g^-1 ，較佳＞260m² g^-1 。

在另一個實施方式中，電極是自支電極，其不使用金屬集電器且其特徵在於包含剛性或機械彈性的導電片，導電片基本上由具有以重量計75-90％之活性碳和以重量計5-25％均勻分散在以重量計5-15％之聚合物黏合劑中的導電碳所組成的含奈米碳基質所組成。合適的這種片材的密度大於0.4克/立方公分，平均重量電容超過100法拉/克以及當在鈕扣電池中測量時等效串連電阻（ESR）小於30歐姆。

轉而論及離子液體電解質，這適當地包含一有機離子鹽，其在低於100℃下熔融且較佳在環境溫度或低於環境溫度下熔融。在另一個實施方式中，其為包含一或多種離子液體的混合物，該混合物在25℃下的黏度為10-80厘泊；較佳20至50厘泊。在又一個實施方式中，電解質是至少兩種組分的共熔或近共熔混合物，其中一種組分是離子液體。合適地，這些混合物的熔點低於100℃，較佳低於50℃；更佳低於300℃。共熔行為兩種或更多種組分的混合物的眾所周知特性，其熔點在特定組成範圍內相對於基於拉午耳定律可預期者顯著降低。因此，「共熔或近共熔混合物」一詞應理解為包含依據本發明其熔點顯示出此一降低的任何組分的混合物；實際共熔點具有大於50％，較佳大於90％之降低者是最佳的。在特別較佳的實施方式中，共熔組合物本身使用作電解質。在另一個實施方式中，所使用的至少一種離子液體具有大於3伏的電位窗。

在一個實施方式中，所用的電解質是混合物，例如，共熔或近共熔混合物，其包含US5827602或WO2011/100232中描述的至少一種離子液體，讀者可參見其完整列表。在另一個實施方式中，混合物由至少兩種該離子液體的混合物組成。

合適地，所用的離子液體或使用在電解質中的離子液體之一是烷基或取代烷基吡啶鎓，噠嗪鎓，嘧啶鎓，吡嗪鎓，咪唑鎓，哌啶鎓，吡咯烷鎓，吡唑鎓，三唑鎓，噁唑鎓，三唑鎓或氮雜環庚烷鎓陽離子的季鹽。在這樣的情況下，較佳地與每個陽離子相關的相反陰離子是大的、多原子的且具有超過50或100埃的凡得瓦體積（參見例如US 5827602，其提供了預期係在我們的發明範圍內的說明性實例）。亦屬較佳者是陰離子被選擇為使得其相對於陽離子不對稱，確保液體中的離子不易緊密堆積且促成結晶。在一個實施方式中，相反陰離子選自於由四氟硼酸鹽，六氟磷酸鹽，二氰亞胺，雙（氟磺醯基）醯亞胺（FSI），雙（三氟甲基磺醯基）醯亞胺（TFSI）或雙（全氟C₂ -C₄ 烷基磺醯基）醯亞胺，例如雙（全氟乙基磺醯基）醯亞胺陰離子或其類似物所組成之群組。在另一個較佳的實施方式中，離子液體選自這些陰離子的C₁ -C₄ 烷基取代的咪唑鎓，哌啶鎓或吡咯烷鎓鹽，其中陽離子和陰離子的任何排列被設想為本文所揭露者。從此一列表中，以下雙成分系統係較佳者：哌啶鎓鹽和咪唑鎓鹽；哌啶鎓鹽和吡咯烷鹽以及咪唑鎓鹽和吡咯烷鎓鹽。在一可供選擇的實施方式中，二元系統可包含（a）哌啶鎓鹽和上述陰離子之一的任一取代之龐大季銨鹽；例如，其中烷基或烷氧基部分獨立地具有一個、兩個、三個或四個碳原子的三烷基（烷氧基烷基）銨鹽或（b）一個或多個以WO2011/100232為示範的氮雜環庚烷鎓鹽。在上文提到的所有情況中，所使用的鹽應較佳各自具有大於3伏的電位窗和低於30℃的熔點。

可以使用的電解質的具體非限制性實例包括衍生自以下陽離子的鹽或鹽的混合物；1-乙基-3-甲基咪唑鎓（EMIM），1-丁基-3-甲基咪唑鎓（BMIM），1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓，1-甲基-1-丁基吡咯烷鎓及以上提到的陰離子。在一個實施方式中，電解質是這些陽離子的一種或多種四氟硼酸鹽。在另一個實施方式中，其為本方法步驟（a）中使用的相同鹽。

在另一個實施方式中，離子液體是季銨陽離子的鹽，諸如N，N-二乙基-N-甲基-N-2-甲氧基乙基）銨（DEME）及其同系物。

合適地，離子液體的水含量少於100ppm，較佳少於50ppm。

位於相鄰陽極與陰極之間的電解質中的離子滲透膜適當地由聚合物或類似的多孔材料製成。

本發明的裝置包括第一和第二元件，它們附接至超級電容器並提供電位差源以為充電目的之用。此一電位差產生自在表面本身上形成的摩擦起電電荷或被吸引到其上的帶電粒子。在一個實施方式中，第二元件是位於交通工具內的不帶電接地組件。其例如可為交通工具不受靜電荷積累的一結構部分。在另一個實施方式中，第二元件可附接到交通工具的外部區域或與交通工具的外部區域製成一體，該外部區域相對於第一元件得到很少或沒有摩擦起電的電荷或者聚集相反極性的摩擦起電電荷。當裝置使用在飛機上時，裝置本身可以合適地位於其機翼內，且第一元件可任由選擇地附接到位於其上的習用靜電消散銷。在此一情況下，第二元件可以位於不同位置，例如在機身或機艙內部。

在一個實施方式中，第一元件包含在交通工具的一個或多個外部本體板具有不同粗糙度的區域，以便促進摩擦起電荷的積累。在這個意義上，該裝置違反了此種電荷的積累被認為要積極阻攔的傳統觀念。在另一個實施方式中，第一元件包含一個或多個介電板或塗覆區域，附接至裝置的外表面或與裝置的外表面整合成一體，且具有附接至或嵌入其中的採集電極。在一個實施方式中，這些板或塗層包含能夠承受裝置的操作溫度範圍的塑膠或介電複合材料。

在一個實施方式中，交通工具設置有一個或多個本裝置，每個裝置可包含多個第一和第二元件及/或多個串聯或並聯連接的超級電容器，以提供一相當大的電能庫，可用於依需要提供操作能量或功率。

裝置進一步包括電壓修正或阻抗轉換電路，設置在第一及/或第二元件與超級電容器之間，設計成將由第一和第二元件產生的高電壓，通常約為數千伏特數量級，降抵至允許超級電容器有效充電的水平。在一個實施方式中，此一電路是DC-DC轉換器，其中相關的能量被儲存在變壓器或電感器中的磁場中並從其釋放。

控制器適當地是微處理器或等效電路，其允許自動地或藉使用者輸入來管理超級電容器的性能。在一個實施方式中，它允許裝置在能量採集與能量利用模式之間切換。在另一個實施方式中，其進一步包括以下項目中的一些或全部；用於顯示超級電容器電量狀態的儀表或類似顯示器；溫度監測器和警報器，以便在裝置故障或出現安全問題時通知使用者。在另一個實施方式中，該裝置進一步包括保護電路以保護超級電容器免受電壓突波-例如在電暴或雷擊期間產生的電壓突波。在一個實施方式中，至少該超級電容器將被容納在密封容器中，該容器是電絕緣的、不易燃的，由耐極端溫度（高和低）的材料製成，且其另外包含惰性氣體如氮氣的覆蓋層，以盡量減少火災風險。該裝置可進一步包含由超級電容器供電的加熱器或加熱電路，以將超級電容器保持在其最佳性能溫度範圍內。此一電路可以由控制器響應於位於交通工具外部的溫度或壓力傳感器的輸入來控制。在又一個實施方式中，裝置可以設置有導線、電刷或類似物，以將過量的靜電荷排出到經過的介質。

當需求相對較低時，本發明的裝置可使用作主要能源；例如，向操作元件諸如交通工具的控制導航或通信系統供電。或者，它們可能存在作為備用設備，在緊急情況下提供可取用的電力。該裝置本身可進一步包括一個或多個鋰離子電池，其可以依需要由超級電容器充電；例如，當交通工具不在使用時。在一個實施方式中，至少超級電容器和控制器包含在典型的「黑盒子」記錄裝置內，使其能夠為遇險信標供電比目前可能為長的時間。

本發明現在藉由以下實例說明。

圖1示意性地繪示飛機1的機翼，在其上表面上具有多個充電表面2（例如，包含介電塗層的區域），其相對於1的其餘部分是粗糙的，並且能夠採集在高空大氣中遇到的帶電粒子。圖2繪示沿著包含X-X'之平面的1的剖視圖，其顯示在1內設置由彈性複合材料（例如網狀物強化工程塑膠）製成的密封盒3，其填充有氮氣和任由選擇的阻燃化學品。3藉由電纜4和5分別連接到例如2中的電極和飛機機身內部的未充電結構構件（未示於圖）。圖3繪示3的內部，其中4和5的另一端在連接到降壓DC-DC轉換器7之前由抗突波電路6橋接，且超級電容器組8包含多個串聯配置具有含奈米碳之陽極和陰極、如上述類型的離子液體電解質及設置在陽極和陰極之間的離子滲透介電膜的超級電容器單元。陽極和陰極分別附接到8上的端子9和10上，端子9和10又連接到7和11。微處理器11可操作地橋接9和10並進一步連接到飛機的「線傳飛控」系統（未示於圖），於該處被配置為在飛機主電池故障時提供備用電源。

1‧‧‧飛機

2‧‧‧充電表面

3‧‧‧密封盒

4‧‧‧電纜

5‧‧‧電纜

6‧‧‧抗突波電路

7‧‧‧降壓DC-DC轉換器

8‧‧‧超級電容器組

9‧‧‧端子

10‧‧‧端子

11‧‧‧微處理器

圖1繪示飛機的機翼，在其上表面上具有多個充電表面；圖2繪示圖1之機翼的剖視圖；以及圖3繪示一由彈性複合材料製成的盒子，其可連接到充電表面。

Claims

一種用於採集和儲存在行進中交通工具之外表面上產生的摩擦起電的電荷的裝置，其包含： l 一超級電容器，其包含：含奈米碳的電極；一離子液體電解質；和至少一個離子滲透多孔膜； l 至少一個第一元件，其暴露於作用在其上之空氣動力引起的摩擦力且使電荷積聚在其上，並連接到一極性的至少一個電極； l 至少一個第二元件，其具有低於電荷收集元件之靜電位，並連接到具有另一極性的至少一個電極； l 一電壓修正或阻抗轉換電路，其配置在該第一及/或第二元件與該超級電容器之間； l 將該裝置連接到需要電力之操作組件的裝置；以及 l 一控制器，其用於管理該裝置的性能且在能量採集與能量利用模式之間切換。
如請求項1的裝置，其中電壓修正裝置是降壓DC-DC轉換器。
如請求項1或2的裝置，其中該交通工具是飛機，且該第一和第二元件是其機翼具有不同充電程度或極性的不同表面區域。
如請求項3的裝置，其中該第一元件連接到該機翼上的靜電消散銷。
如請求項3的裝置，其中該不同表面區域具有不同空氣動力粗糙度。
如請求項3至5中任一項的裝置，其中多個裝置附接到該機翼或與該機翼製成一體。
如請求項1至6中任一項的裝置，其中該控制器適於提供電力給該交通工具的控制、導航或通信系統中的一或多者。
如請求項1至7中任一項的裝置，其進一步包括加熱器或加熱電路，以將該超級電容器維持在最佳操作溫度範圍內。
如請求項1至8中任一項的裝置，其進一步包括保護電路，以減輕電壓突波的影響。
如請求項1至9中任一項的裝置，其中該裝置的組件係容納在一包含惰性氣體覆蓋層的不易燃、機械彈性及熱彈性的容器內。
如請求項1至10中任一項的裝置，其進一步包括至少一個鋰離子電池。
如請求項1至11中任一項的裝置，其進一步包括至少一個在該外表面上的靜電放電器。
如請求項1至12中任一項的裝置的用途，用於從行進中的交通工具採集摩擦起電的電荷，以便至少部分地為該交通工具的移動或組件提供動力。
一種飛機機翼或交通工具本體板，其包括一個或多個如請求項1至12中任一項的裝置。
如請求項14的飛機機翼或交通工具本體板，其中該裝置係與其製成一體。