Электрохимический преобразователь энергии

 

Использование: устройство для преобразования химической энергии в электрическую, такие как редокс-элементы, топливные элементы с жидкими реагентами, электролизеры. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, разнополярные электроды, размещенные в камерах с жидкими реагентами и разделенные гидрофильной пористой металлической фольгой, которая может быть выполнена из никеля толщиной 20-200 мкм, пористостью 20-60% и размером пор 1-20 мкм. Это обеспечивает повышенный ресурс и высокие электрические характеристики. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрохимических преобразователях, например редокс-элементы, топливные элементы (ТЭ) с жидкими реагентами, электролизеры и т.п.

Известен электрохимический преобразователь энергии, выполненный в виде ТЭ с жидкими реагентами. На аноде используется смесь метанола с электролитом, на катоде - смесь пероксида водорода с электролитом. Анодная и катодная полости ТЭ разделены ионообменной мембраной, предотвращающей смешение реагентов и саморазряд [1].

Недостаток указанного преобразователя связан с малой прочностью мембраны и низкой электропроводимостью, что снижает ресурс и его характеристики.

Из известных электрохимических преобразователей наиболее близким по совокупности существенных признаков является редокс-элемент, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды с камерами жидких реагентов, разделенных друг от друга катионообменной мембраной [2].

В качестве реагентов используются растворы электролита, содержащие ионы железа и хрома с изменяемой валентностью. Недостаток этого известного преобразователя связан с низкой электропроводимостью мембраны, что повышает внутреннее сопротивление и снижает электрические характеристики преобразователя. Кроме того, в процессе эксплуатации мембрана подвергается деструкции, которая приводит к ее разрушению, смешению реагентов и выходу преобразователя из строя.

Задачей данного изобретения является создание электрохимического преобразователя, обладающего повышенным ресурсом и улучшенными электрическими характеристиками.

Указанный результат достигается тем, что в известном электрохимическом преобразователе в качестве разделительной мембраны использована гидрофильная пористая металлическая фольга, стойкая при рабочих условиях преобразователя. Указанная фольга, смоченная жидкостью, будет обеспечивать беспрепятственный перенос ионов, участвующих в электрохимической реакции, и надежное разделение реагентов, предотвращая их смешение. Механическая прочность фольги и стойкость при рабочих условиях повышает надежность функционирования преобразователя. Применение фольги в щелочных электролизерах, обычно использующих асбестовые или ионообменные мембраны, обеспечивает взрывобезопасность эксплуатации за счет надежного разделения продуктов разложения электролита - водорода и кислорода.

Целесообразно мембрану выполнить из фольги толщиной 20-200 мкм, пористостью 20-60% и размером пор 1-20 мкм.

Пористую фольгу толщиной менее 20 мкм трудно изготовить технологически и она обладает недостаточной механической прочностью. Применение фольги толщиной более 200 мкм нецелесообразно, поскольку увеличение толщины не влияет на достижение технического результата, однако снижает удельные электрические характеристики за счет увеличения массы и габаритов преобразователя.

Диапазоны пористости и размеров пор используемой металлической фольги диктуются внутренним электрическим сопротивлением и надежностью разделения реагентов друг от друга.

Минимальные размеры пор и пористости определяются допустимой величиной внутреннего сопротивления преобразователя. При пористости менее 20% и размере пор менее 1 мкм мембрана будет обладать пониженной ионопроводимостью, что в свою очередь повышает внутреннее сопротивление и снижает удельные характеристики преобразователя.

Мембрана пористостью более 60% обладает недостаточной механической прочностью, а мембрана с размером пор более 20 мкм не будет являться надежным барьером для смешения реагентов, что может привести к саморазряду, а в некоторых случаях, например для электролизера - к аварийной ситуации со взрывом.

Целесообразно металлическую фольгу выполнить из никеля. Производство пористой никелевой фольги с требуемыми параметрами освоено в электрической промышленности и не требует дополнительных затрат и разработки технологического процесса и оборудования. Никель является стойким для условий работы электрохимических преобразователей.

Приведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с признаками, совпадающими с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения.

Установлено, что заявленное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники для специалиста в данной области, т.е. оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена конструктивная схема заявляемого электрохимического преобразователя.

Преобразователь содержит корпус 1, положительный 2 и отрицательный 3 электроды, камеру с положительным реагентом 4, камеру 5 с отрицательным реагентом, разделительную мембрану 6, внешнюю нагрузку 7.

Работа преобразователя описана ниже на примере ТЭ с метанолом в качестве топлива и пероксидом водорода в качестве окислителя. Указанные реагенты растворены в щелочном электролите и находятся в соответствующих камерах.

Преобразователь работает следующим образом. При замыкании внешней нагрузки 7 в камере 5 происходит окисление метанола на поверхности электрода 3, сопровождаемое сорбцией водорода на поверхности анода и освобождением электрона во внешнюю цепь. На катоде 2 происходит восстановление кислорода, выделяющегося из пероксида с образованием гидроксильного иона и присоединением электрона из внешней цепи. Образующиеся гидроксильные ионы диффундируют через мембрану к аноду, где они объединяются с ионом водорода, образуя воду. Наличие мембраны препятствует диффузии реагентов к противоположным электродам, предотвращая саморазряд и снижение эффективности преобразователя, а также отравление электродов с падением характеристик.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Электрохимический преобразователь энергии, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды с камерами жидких реагентов, мембрану, отделяющую реагенты друг от друга, отличающийся тем, что в качестве разделительной мемебраны используется гидрофильная пористая металлическая фольга.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что фольга имеет толщину 20 200 мкм, пористость 20 60% и размер пор 1 20 мкм.

3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что металлическая фольга выполнена из никеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1