СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР С ИНДИКАТОРОМ СТЕПЕНИ ЗАРЯЖЕННОСТИ

Заявляемая полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при изготовлении и эксплуатации свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, а также при их обслуживании для восстановления работоспособности.
Из уровня техники известен индикатор состояния заряженности аккумуляторной батареи, выполненный отдельно от аккумуляторной батареи и содержащий корпус и устройство индикации в виде прозрачного цилиндра с индикаторным глазком и шариком-поплавком (Патент на полезную модель РФ №92743, МПК Н01М 10/42, дата подачи заявки 03.11.2009, опубл. 27.03.2010, «Индикатор состояния заряженности аккумуляторной батареи»). При погружении индикатора в электролит шарик - поплавок всплывает, когда электролит достигнет заданной плотности (в зависимости от состава электролита). Эта величина соответствует минимальной степени заряженности аккумулятора в пусковом режиме или минимальной предельно-допустимой степени заряженности при разряде аккумулятора. Индикатор выполнен отдельно от крышки аккумулятора, он может быть перемещен и установлен в любой из банок аккумуляторной батареи. Тем самым создается возможность получать информацию о состоянии заряженности каждого из аккумуляторов батареи и выявлять «отстающие» банки аккумуляторной батареи по плотности и уровню электролита. Но такой способ оценки состояния приемлем только для аккумуляторов обслуживаемого типа, где есть вывинчивающиеся пробки и существует возможность помещения данного индикатора внутрь корпуса.
Главный недостаток данного индикатора - невозможность получения текущей информации о заряженности аккумуляторной батареи (АКБ) с загущенным электролитом на основе двуокиси кремния (GEL-электролит), т.к. в данной АКБ отсутствует электролит в жидком состоянии, что ограничивает ее эффективную эксплуатацию и снижает возможность контроля ее состояния. Кроме того, современные необслуживаемые аккумуляторные батареи используют глухие крышки, с полным отсутствием пробок и возможность контроля состояния электролита, способом прямого контакта с ним, полностью отсутствует.
Из уровня техники также известен индикатор состояния заряженности аккумуляторной батареи, встроенный в одну из ее банок, имеющий в основном устройство индикации поплавкового типа в виде шарика-поплавка, являющегося датчиком информации, размещенном над пластинами контрольной банки аккумуляторной батареи (Аккумуляторные батареи. Краткий справочник Н.И.Курзуков, В.М.Ягнятинский, 2008, ISBN: 978-5-9698-0236-0,88). Принцип действия известного индикатора основан на измерении показаний плотности электролита при минимально допустимой заряженности батареи (примерно 65% от номинального значения емкости).
Недостатком такого индикатора является фиксация только факта - «батарея заряжена» (при пуске в работу) или «батарея разряжена» (при эксплуатации в момент начала разрядки батарей) по показаниям только одной, «контрольной» банки аккумуляторной батареи. При зарядке батареи от 65 до 100% от номинального значения емкости индикатор свои показания не меняет и, тем самым, не позволяет оценивать текущее состояние заряженности батареи. Другим недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает контроль состояния заряженности батареи в целом, т.к. плотность электролита измеряется только в одной банке аккумуляторной батареи, имеющей встроенный индикатор. Кроме того, данный индикатор применяется только в АКБ с жидким электролитом. Это решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели, принимается за прототип.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является разработка и создание аккумулятора или аккумуляторной свинцово-кислотной батареи, использующей гелеобразный электролит, обладающий свойством изменения окраски в зависимости от степени заряженности аккумуляторной батареи и, как следствие, от плотности серной кислоты, входящей в состав геля. Данный результат представляет особый интерес для визуализации и индикации степени заряженности аккумуляторных батарей с загущенным электролитом в прозрачном корпусе. С помощью предлагаемого технического решения, в режиме прямого визуального наблюдения, можно непрерывно следить за степенью заряженности/разряженности в каждой аккумуляторной ячейке (банке), динамикой заряда-разряда в процессе эксплуатации и в соответствии с инструкцией по эксплуатации аккумулятора, своевременно ставить аккумулятор на подзарядку, что приведет к повышению срока службы аккумулятора. Кроме того, цветовое отличие оного или нескольких аккумуляторов, работающих в одном блоке, от основной группы, может говорить о выходе их из строя. АКБ с GEL-электролитом, используются как стационарные накопители энергии в аварийных и бесперебойных источниках питания. В данных источниках, батареи набираются в группы количеством от 2 до 190 штук, и визуальный контроль больших группа батарей позволит быстро и достоверно определить текущее состояние каждой.
2
Технический результат достигается решением технической задачи по созданию свинцово-кислотного аккумулятора с индикатором степени заряженности электролита, состоящего из корпуса, крышки, блока положительных и отрицательных пластин с выводами клемм наружу, сепараторов и сернокислого электролита, характеризующегося тем, что сернокислый электролит представляет собой сернокислый гелеобразный электролит на основе двуокиси кремния SiO и он дополнительно содержит добавку кислотно-основного индикатора бромтимолового синего водорастворимого, а корпус аккумулятора изготовлен из прозрачного материала.
Совокупность таких признаков как добавка к электролиту и наличие прозрачного корпуса аккумулятора обеспечивает индикацию степени заряженности аккумулятора за счет цветовой визуализацией электролита с возможностью проверки на месте состояния аккумулятора.
При этом, применительно к настоящей заявке, под аккумулятором понимается аккумулятор, состоящий из одного корпуса или аккумуляторная батарея (АКБ), включающая корпус, разделенный на отдельные герметичные ячейки-секции (банки). Существо полезной модели при этом не меняется.
Кроме того, свинцово-кислотный аккумулятор характеризуется тем, что прозрачный корпус аккумулятора выполнен из прозрачного и ударопрочного ABS (АБС) - пластика (акрилонитрилбутадиеновый пластик).
Пластик является продуктом привитой сополимеризации стирола с акрилонитрилом й бутадиеновым каучуком. Сочетание акрилонитрильных и бутадиеновых звеньев с фрагментами стирола обеспечивает АБС-пластику эластичность и необходимую ударопрочность, что делает его одним из самых востребованных пластиков для производства сложных формованных изделий с высокой степенью прочности, в том числе корпусов и крышек для аккумуляторных батарей.
Кроме того, свинцово-кислотный аккумулятор характеризуется тем, что каждый оттенок цвета электролита соответствует определенному значению плотности электролита (массовой доле серной кислоты в массе геля), проклассифицирован и зафиксирован в виде соответствующего цветового кода. Это позволяет использовать таблицу «Плотность электролита - Цвет электролита» для практического применения, в том числе, например, путем наклеивания ее на каждый аккумулятор или приведения таблицы в инструкции по эксплуатации.
Изготовление индустриальных АКБ в прозрачных корпусах широко применяется у большинства мировых производителей (см. рис. 3.)
Известны более 30 кислотно-основных индикаторов, которые рекомендованы для кислотно-основного визуального определения среды в нейтральной области (рН 6-7,6) (Лурье Ю.Ю. "Справочник по аналитической химии. М,; Химия, 1989. с. 190  196). Данные индикаторы широко распространены в различных областях науки и техники. Так, например, патент №2109280 Мозоляко Л.М. «Индикаторный раствор для оперативного контроля кислотности холодильных масел» относится к аналитической химии, в частности, к способам визуального контролям с использованием смешенного индикатора в составе бромтимолового синего и может быть использован для оперативного контроля кислотности холодильных масел, в том числе полиолэфирных или полиалкиленгликолевых масел. В патенте №2601336 СУН Сюедун «Датчики обезвоживания, содержащие буферизованные чернила на основе полимера» в качестве рН-чувствительного красителя применен бромтимоловый синий в однокомпонентном составе.
Индикатор - вещество, позволяющее следить за составом среды или за протеканием химической реакции. Одни из самых распространенных - кислотно-основные индикаторы, которые изменяют цвет в зависимости от содержания в растворе кислоты. Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде индикатор имеет разное строение молекул, что приводит к изменению спектра поглощения раствора.
Заявителем проведена исследовательская работа по подбору кислотно - основного индикатора применительно к аккумуляторным батареям.
Индикатор бромтимоловый синий водорастворимый был выбран заявителем в качестве добавки для сернокислого гелеобразного электролита, применяемого для аккумуляторной батареи и традиционно включающего серную кислоту, дистиллированную воду и оксид кремния.
Как было подтверждено экспериментально заявителем, выбор добавки для кислотно-основного индикатора бромтимолового синего водорастворимого был обусловлен наибольшей чувствительностью перехода его окраски от желтой через розовую к фиолетовой в необходимом диапазоне рН 5,8-7,6, характерном для электролита в состоянии, близком к разряженному. Данное свойство интересно тем, что чем более разряжен аккумулятор, тем меньше плотность электролита и соответственно меньше кислотность раствора, тем более желтый цвет приобретает раствор. При высокой плотности электролита на полностью заряженной батарее цвет электролита приобретает фиолетовую окраску. Таким образом, по интенсивности окраски электролита можно судить о степени заряженности/ разряженности герметичной аккумуляторной батареи с GEL-электролитом, плотность электролита в которой не представляется возможным замерить (см. фиг. 1). Таким образом, поскольку известные данные по индикации применены в новом качестве, ранее не описанном в литературе, результаты исследования заявителем являются предметом настоящей полезной модели и представляют особый интерес при наличии возможности визуализации цвета электролита внутри корпуса, например, в прозрачном моноблоке аккумуляторной батареи.
Существо полезной модели поясняется на прилагаемых фигурах (1, 2), где:
Фиг. 1. Фото экспериментальных данных по окраске индикатора бромтимолового синего (трифенилметановый краситель, 3',3'-дибромтимолсульфофталеин) в электролите различной плотности, соответствующем различной степени заряженности аккумуляторной батареи.
Фиг. 2. Шкала окраски индикатора бромтимолового синего (трифенилметановый краситель, 3',3'-дибромтимолсульфофталеин) в электролите различной плотности, соответствующем различной степени заряженности аккумулятора.
Фиг. 3. Пример стационарных свинцово-кислотных АКБ в прозрачных корпусах.
Информация, представленная на Фиг. 1 подтверждает результаты исследовательской работы заявителя.
Информация на Фиг. 2 представлена в виде таблицы, на которой каждому цвету электролита соответствует значение его плотности и, соответственно, степени заряженности аккумулятора. Каждый оттенок цвета электролита проклассифицирован и зафиксирован в виде соответствующего цветового кода.
Информация на рис. 1 взятая из Интернета, подтверждает мнение заявителя о широком использовании аккумуляторов с прозрачными корпусами.
Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:
.
Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшается при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора:
,
p
где ΔC - степень разряженности аккумулятора, %;
3
р
2
Р и Р - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см;
25
3
Р - измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см.
4
3
В процессе своей работы аккумуляторная батарея постоянно заряжается и разряжается. В процессе разряда батареи часть серной кислоты в электролите затрачивается на образование сульфата свинца PbSO и одновременно образуется вода, плотность электролита уменьшается. При заряде аккумулятора происходит распад сульфата свинца и воды в электролите. Образуется серная кислота, плотность электролита увеличивается. По мере изменения плотности электролита в процессе заряда-разряда цвет гель электролита с добавкой рН-индикатора меняется, в зависимости от содержания в смеси протонов водорода. При плотности электролита 1.25-1.27 г/см, индикатор придает ему розовый цвет. Полностью разряженная батарея будет иметь желтый окрас, при перезаряде цвет индикатора будет приобретать фиолетовый окрас. При этом распределение окраски внутри аккумулятора происходит неравномерно, индивидуально в каждой из ячеек, в зависимости от приближенности к пластинам, и наглядно демонстрирует принцип работы аккумуляторной батареи и распределение плотности кислоты по ее объему.
Заявителю неизвестна совокупность описанных в полезной модели существенных признаков, использованных в аналогичном изделии (аккумулятора) каких-либо производителей, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Заявляемые существенные признаки полезной модели, предопределяющие получение указанного технического результата, по мнению заявителя явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «изобретательский уровень», требуемому от изобретений. Однако такой вывод может оказаться спорным в отношении этого критерия, поэтому подается заявка на полезную модель. Лишь с публикацией заявляемой полезной модели, могут появиться мнения специалистов из области производства АКБ, о якобы очевидности такого решения. Однако технико-экономическое обоснование, приведенное далее в описании, показывает, что если бы такое решение было очевидно для таких специалистов, то подобные АКБ давно бы появились на мировом рынке.
Полезная модель отвечает критерию «промышленная применимость», т.к. экспериментально подтверждены возможности индикации электролита с заявляемыми признаками.
Технико-экономическое обоснование и преимущества:
2
Растущий спрос на альтернативные источники энергии, введение нормативной базы и ужесточения требований к энергобезопасности и энергонезависимости государственных инфраструктурных проектов требуют вывода на рынок современных накопителей энергии, какими являются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, изготовленные с применением загущенного гелеобразного электролита на основе двуокиси кремния SiO - GEL Battery. На крупных предприятиях, количество данных батарей, находящихся в одновременной эксплуатации, может достигать нескольких сотен; Для своевременного обслуживания, диагностики состояния и замены аккумуляторов, необходимо затрачивать значительное время и иметь штат квалифицированных сотрудников и необходимое оборудование, либо передавать данный вид деятельности на аутсорсинг. Данное техническое решение позволяет, без больших временных и финансовых затрат на привлечение специалистов, путем визуального осмотра, оценивать состояние аккумуляторов и работоспособность всей системы энергоснабжения, находящихся в эксплуатации. Экономический эффект от использования АКБ с данным способом индикации эквивалентен затратам организации на диагностику и обслуживание.