Водородно-кислородный элемент

 

Изобретение относится к электротехнике, касающейся источников тока с водным электролитом. Техническим результатом изобретения является накопление энергии за счет разложения молекул воды. Элемент содержит два электрода и электролит, помещенные в корпус из диэлектрика. Водородный электрод выполнен из спаянных серебра и палладия, кислородный - из спаянных серебра и натрия. Электролит из раствора углекислой соли натрия омывает поверхность палладия водородного электрода и поверхность серебра кислородного электрода. Поверхность натрия отделена от электролита серебром, а от воздуха - диэлектриком корпуса. 1 ил.

Водородно-кислородный элемент /ВКЭ/ относится к химическим источникам тока многоразового пользования Уровень техники Аналогами изобретения служат кислотные и щелочные аккумуляторы. Прототипом служит водородно-кислородный топливный элемент. Электролит - 30 - 40% раствор гидроокиси калия. Электроды - инертные пористые, активированные катализатором цилиндры из угля. Водород подается под давлением, а кислород диффундирует из воздуха или из баллона. ЭДС = 1,23 В. КПД до 70%.

Сущность изобретения ВКЭ решает задачу разложения молекул воды на ионы H⁺ и OH^- при нормальной температуре в водном растворе углекислой соли натрия внедрением атомарного водорода и кислорода в материал катода - палладий с образованием гидрида палладия и анода с образованием окиси серебра. Заряд элемента происходит за счет энергии контактной разности внешних потенциалов /КРП/ между палладием и натрием, равной 2,7 В или от внешнего источника постоянного тока 1,7 В. Разряд идет, как в водородно-кислородном топливном элементе.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

На схематическом чертеже изображен разрез ВКЭ. Он помещен в корпус из диэлектрика /1/ с биметаллическим водородным электродом /2/ из серебра /3/ и палладия /4/, спаянных друг с другом, кислородным биметаллическим электродом /5/ из серебра /6/ и натрия /7/, спаянных друг с другом. Натрий изолирован от воздуха диэлектриком корпуса /1/, а от электролита - серебром /6/. Электролит /8/ из водного раствора углекислой соли натрия смывает поверхность палладия /4/ и поверхность серебра /3/ кислородного электрода /5/. Замыкание при зарядке - электрод /9/, при разрядке - электрод /10/.

Работа ВКЭ.

Заряд элемента происходит после включения электронопровода в положение /9/. На крайних металлах - палладии и натрии появляется напряжение 2,7 В. Работа выхода электронов становится одинаковой = 3,75 В, а у поверхности металлов разноименные заряды: минус - у палладия и плюс - у натрия. Электрон с натрия переходит к палладию и занимает свободный энергетический уровень на его электронной оболочке, превращая атом палладия в отрицательный ион. Атом натрия превращается в положительный ион. Это же самое произошло бы и при включении к электродам внешнего источника тока.

Разрыв диполя воды на ионы H⁺ и OH^-.

Это становится возможным, если в растворе имеются гидратированные ионы кислоты и щелочи, т. е. CO⁼₃ · 2H⁺₂O^- и Na^-·OH≈H⁺. На катоде образуется двойной слой Na⁺·OH^-≈H⁺·Pd^-. Для дегидратации диполя воды от иона натрия нужна энергия 25 ккал или чуть больше 1 В. Ион натрия притягивает полюс диполя OH^- и отталкивает полюс H⁺. Палладий минус притягивает полюс H⁺ и отталкивает полюс диполя OH^-. Суммарный результат: разрыв диполя воды на ионы и образование щелочи Na⁺OH^- в растворе и гидрида - на электроде Pd^-H⁺. При этом заряды обеих нейтрализуются. Атомарный водород очень активен, образует с палладием гидрид, а не молекулярный водород с другим атомом. Движение протона к неподвижному минус заряду сопровождается затратой энергии, т.е. Pd^-H⁺ охлаждается за счет поглощения энергии из вне. Движение протона в раствор от минус заряда - энергия выделяется, т.е. происходит нагрев спая электрода. На разрыв диполя воды идет энергия 13,35 ккал или 0,6 В. На аноде одновременно идет реакция: CO⁼₃ ·2H⁺OH^-·2Ag⁺ Движение минус заряда к плюс заряду - энергия выделяется и внутренний спай серебро - натрий нагревается, разность температур внутренних контактов дает ток от натрия - серебра к палладию - серебру. Разрыв диполя воды у анода точно такой же, как и у катода, только в анодном пространстве образуется кислота H₂CO₃, а на аноде - окись серебра. Нейтральная щелочь соединяется с углекислотой, образует соль и воду и выделяет 27,3 ккал тепла или 1,23 В электрической энергии - это напряжение разложения воды. Энергия уходит на разрыв щелочи и кислоты на гидратированные ионы. У нейтральных металлов палладия и натрия снова появляется КРП=2,7 В и процесс повторяется. Для разрыва молекулы воды на ионы H⁺ и OH^- газообразные требуется энергия = 383 ккал (см. Б.В.Некрасов "Основы общей химии", том 1, стр. 187), а для разрыва в водном растворе соли всего 13,5 ккал или 0,6 В. Поэтому разложение (разрыв) диполей воды на ионы H⁺ и OH^- идет при нормальной температуре.

Разряд элемента Разряд происходит после включения электронопровода в положение /10/. КРП у крайних членов электроцепи серебро - серебро равно нулю. Возникает разность потенциалов между гидридом палладия и оксидом серебра. Происходит нейтрализация ионов H⁺ и OH^- в воду, а в растворе остается углекислота. Электрон по внешней цепи идет на теперь уже катод и ионизирует кислород. Гидрированный ион натрия (два иона) нейтрализуется с двузарядным ионом кислорода и образует молекулу воды и два иона щелочи. Спай между палладием и серебром нагревается, а между натрием и серебром охлаждается. Ток идет от анода к катоду.

Экономическая эффективность: ЭДС = 1,3 В. КПД = 83%. Нет поляризации. Нет выделения газов. Не нужны газовые баллоны.

Применение: от электромобиля до спутника.

Формула изобретения

Водородно-кислородный элемент, состоящий из двух электродов и электролита, помещенных в корпусе из диэлектрика, отличающийся тем, что имеет водородный электрод из спаянных серебра и палладия и кислородный электрод из спаянных серебра и натрия, электролит из водного раствора углекислой соли натрия омывает поверхность палладия водородного электрода и поверхность серебра кислородного электрода, поверхность натрия кислородного электрода отделена от электролита серебром, а от воздуха - диэлектриком корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1