Устройство для получения электрической энергии

 

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности, в химических источниках тока. Согласно изобретению устройство содержит электродные пары, каждая из которых выполнена в виде многослойной пластины и состоит из сплошного и газопроницаемого электродов, снабженных коммутацией. Центральная часть пластины образована сплошным электродом, на обе стороны которого нанесены слой полупроводника, образующего выпрямляющий контакт, а газопроницаемый электрод образован слоем полупроводникового катализатора, являющегося токообразующим элементом, и нанесенными на него токопроводящими дорожками. Между пластинами расположены электропроводные дистанционаторы, обеспечивающие последовательную коммутацию сплошного и газопроницаемого электродов соседних пластин и создающие между пластинами зазоры для протекания газовой смеси. Для исключения замыкания в местах электрического контакта дистанционатора, закрепленного на одной стороне пластин, со сплошным электродом в полупроводниковых слоях и газопроницаемом электроде образованы сквозные выемки. В пластинах могут быть выполнены сквозные отверстия, служащие для перепускания части расхода рабочего тела в зазоре между пластинами, а сами пластины могут иметь различную геометрическую форму. Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую и может быть использовано в источниках тока.

Известно устройство для получения электрической энергии, содержащее электродную пару, состоящую из сплошного и газопроницаемого электродов, снабженных коммутацией и отделенных друг от друга слоем полупроводникового материала с дырочной проводимостью, обладающего свойствами катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой рабочей смеси реагентов и продуктов реакции, подаваемой к газопроницаемому электроду (Патент России N 2079934, H 01 M 8/10, 14/00, заявл. 16.03.94).

Недостатки известного устройства заключаются в сложности выбора материала полупроводникового катализатора при одновременном обеспечении оптимальных условий для образования на его поверхности двойного электрического слоя за счет адсорбции реагентов и эффективного протекания каталитической реакции. Так как подобрать такой материал затруднительно, энергетическая эффективность устройства и его КПД снижаются.

Наиболее близким к заявляемому устройству по количеству совпадающих существенных признаков является устройство для получения электрической энергии, содержащее электродную пару, состоящую из снабженных коммутацией сплошного и газопроницаемого электродов, отделенных друг от друга слоем полупроводникового катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой среде смеси реагентов и выпрямляющим контактом, образованным между полупроводниковым катализатором и сплошным электродом, при этом толщина слоя полупроводникового катализатора не превышает значение длины диффузии для неосновных носителей заряда в полупроводниковом материале (Патент России N 2140122, H 01 M 8/10, 14/00, заявл. 22.07.98).

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

Так как выходное напряжение единичной электродной пары ограничено десятыми долями вольта, при значительной площади рабочей поверхности возрастает сила тока, протекающего через электроды. Это вызовет омические потери выходной мощности и потребует увеличения поперечного сечения электродов, что, в свою очередь, ведет к ухудшению весовых характеристик устройства. Для повышения выходного напряжения устройства его целесообразно выполнять в виде сборки последовательно соединенных электродных пар при непосредственном электрическом контакте между газопроницаемым и сплошным электродами соседних пар. Однако при использовании протяженных контактов поверхностей газопроницаемых и сплошных электродов друг с другом уменьшается их рабочая поверхность, ухудшаются условия подвода смеси реагентов и отвода продуктов реакции к поверхности газопроницаемых электродов, возрастает общее гидравлическое сопротивление такой сборки. В результате энергетическая эффективность известного устройства снижается.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности устройства для получения электрической энергии. Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого устройства, заключается в повышении выходного напряжения и выходной мощности.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством для получения электрической энергии, содержащим по меньшей мере одну электродную пару, состоящую из снабженных коммутацией сплошного и газопроницаемого электродов, отделенных друг от друга слоем полупроводникового катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой среде смеси реагентов и выпрямляющим контактом, образованным между полупроводниковым катализатором и сплошным электродом, каждая электродная пара выполнена в виде многослойной пластины, центральная часть которой образована сплошным электродом, полупроводниковый катализатор и газопроницаемый электрод расположены по обе стороны от сплошного электрода, причем участки газопроницаемого электрода, имеющиеся на противоположных сторонах пластины, электрически соединены между собой, пластины расположены с зазором для протекания газовой смеси между ними, а коммутация электродов осуществлена посредством электропроводных дистанционаторов, расположенных между пластинами, при этом в местах электрического контакта дистанционаторов со сплошным электродом в полупроводниковых слоях и газопроницаемом электроде образованы сквозные выемки. Кроме того, в пластинах могут быть выполнены сквозные отверстия, а дистанционаторы могут быть закреплены на одной стороне пластин. Выполнение электродной пары в виде многослойной пластины с центральным слоем в качестве сплошного электрода, окруженного полупроводниковыми слоями с выпрямляющим контактом и наружным газопроницаемым электродом, позволяет изготавливать такие пластины различной геометрической формы, используя сплошной электрод в качестве подложки для нанесения соответствующих покрытий. Использование электропроводных дистанционаторов позволяет набирать пакет из пластин, размещенных с необходимым зазором, с последовательной электрической коммутацией электродов для повышения выходного напряжения. При этом площадь контактов дистанционаторов с электродами составляет незначительную долю площади пластин и практически не влияет на величину общей рабочей поверхности катализатора. Вследствие этого осуществляется эффективный доступ смеси к обеим поверхностям пластин и могут быть обеспечены оптимальные теплогидравлические параметры газового потока для эффективного протекания каталитической реакции.

Предлагаемое устройство для получения электрической энергии показано на следующих чертежах. На фиг. 1 - схема устройства с разрезом одной пластины, на фиг. 2 - виды Б и В фиг. 1, на фиг. 3 и 4 - увеличенные вырывы фиг. 1 и вида Б фиг. 2.

Устройство содержит пакет, состоящий из размещенных друг за другом многослойных пластин, имеющих форму дисков 1 с центральным отверстием. Центральная часть диска является сплошным электродом 2 и окружена слоем полупроводникового катализатора 3. Между этим электродом и катализатором образован выпрямляющий контакт, для создания которого может использоваться промежуточный полупроводниковый слой 4. На поверхности катализатора имеются токопроводящие дорожки ячеистой геометрии, из которых на всей поверхности диска сформирован газопроницаемый электрод 5. С одной стороны диска в газопроницаемом электроде и полупроводниковых слоях имеются три сквозные круглые выемки, через которые с кольцевым зазором относительно слоя катализатора и газопроницаемого электрода выведены наружу три цилиндрических дистанционатора - токовывода 6, впаянные одним торцом в сплошной электрод. Противоположные торцы каждого дистанционатора выступают над поверхностью данного диска на величину газового зазора 7 и контактируют с токопроводящими дорожками соседнего диска, обеспечивая дистанционирование дисков друг от друга и последовательное электрическое соединение электродов. Токопроводящие дорожки расширены в местах их возможного контакта с дистанционаторами до величины диаметра последних. Соединение крайних дисков пакета с электрической нагрузкой 8 обеспечивается с помощью токовыводных клемм 9 и 10, торцевые поверхности которых по форме идентичны соответствующим поверхностям дисков. В одной или обеих клеммах имеются центральные отверстия, соответствующие аналогичным отверстиям в дисках. Пакет дисков может быть размещен в общем корпусе (на чертежах не показан).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Газообразная смесь горючего и окислителя 11 через центральное отверстие в клемме 9 поступает в канал, образованный центральными отверстиями в дисках, из которого растекается в щелевые каналы, образованные зазорами между дисками. Тем самым обеспечивается обтекание смесью всей поверхности дисков, а отработанная смесь по их периферии выходит из устройства. При этом на поверхности полупроводникового катализатора каждого диска протекает реакция каталитического окисления топлива, сопровождающаяся процессами адсорбции реагентов и десорбции газообразных продуктов реакции, вызывающая генерацию неравновесных электронно-дырочных пар в слое полупроводника. В результате разделения электронно-дырочных пар выпрямляющими контактами возникает разность потенциалов между сплошными и газопроницаемым электродами. Электрический ток, переносимый неосновными носителями (электронами в полупроводнике p-типа), собирается с поверхности катализатора токопроводящими дорожками газопроницаемых электродов на обеих сторонах дисков к зонам контакта этих электродов с дистанционаторами, впаянными в соседние диски. Через дистанционаторы ток течет в сплошные электроды и через выпрямляющие контакты, которые пропускают только неосновные носители, в полупроводниковый катализатор. Последовательная коммутация каждого диска в электрической цепи, образованной с помощью дистанционаторов и клемм, приводит к увеличению выходного напряжения на нагрузке.

Пример.

Устройство содержит пакет дисков диаметром 50 мм и толщиной 0,5 мм, с центральным отверстием диаметром 12 мм, изготовленных из металла с низкой работой выхода электронов (например, из титана). На поверхность каждого диска последовательно нанесены каталитическое покрытие толщиной до 1 мкм на основе оксидов переходных металлов (например, NiO) и токопроводящие дорожки из металла с высокой работой выхода (нержавеющая сталь, Ni и т. д.), образующие газопроницаемый электрод с ячеистой поверхностью и с характерным размером ячеек ≈2 мм. При этом между материалом диска и покрытием возникает выпрямляющий контакт (барьер Шоттки). Расстояние между дисками не более 0,5 мм поддерживается тремя дистанционаторами из нержавеющей стали диаметром 2 мм, установленными на одной стороне диска. При рабочей температуре дисков 320^oC и использовании смеси ацетилена с избыточным по отношению к стехиометрии количеством воздуха каждый диск генерирует ток силой более 0,8 A при напряжении около 0,3 В. При количестве дисков в пакете, равном 40 шт., номинальная мощность устройства составляет 10 Вт при выходном напряжении 12 В и КПД преобразования энергии до 20%. Такое устройство может быть использовано в качестве автономного источника электрической и тепловой (до 40 Вт) энергии, например, для автоматических систем сигнализации, контроля, связи и т.п.

Многослойные пластины, представляющие собой электродные пары, могут быть выполнены с различной геометрической формой, определяемой из конкретного назначения устройства и условий его функционирования.

Формула изобретения

1. Устройство для получения электрической энергии, содержащее по меньшей мере одну электродную пару, состоящую из снабженных коммутацией сплошного и газопроницаемого электродов, разделенных друг от друга слоем полупроводникового катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой среде смеси реагентов и выпрямляющим контактом, образованным между катализатором и сплошным электродом, отличающееся тем, что каждая электродная пара выполнена в виде многослойной пластины, центральная часть которой образована сплошным электродом, полупроводниковый катализатор и газопроницаемый электрод расположены по обе стороны от сплошного электрода, причем участки газопроницаемого электрода, имеющиеся на противоположных сторонах пластины, электрически соединены между собой, пластины расположены с зазором для протекания газовой смеси между ними, а коммутация электродов осуществлена посредством электропроводных дистанционаторов, расположенных между пластинами, при этом в местах электрического контакта дистанционаторов со сплошным электродом в полупроводниковых слоях и газопроницаемом электроде образованы сквозные выемки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в пластинах выполнены сквозные отверстия.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дистанционаторы закреплены на одной стороне пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4