Электрохимический преобразователь
Изобретение относится к электрохимическому преобразователю, предназначенному для превращения механической, тепловой или световой энергии в электричество с помощью обратимых электрохимических реакций, идущих на поверхности инертных электродов. Согласно изобретению устройство содержит заполненный хлором и хлороводородом сосуд (1) со средством (2) для механического или конвективно-теплового перемешивания, соединенный каналами (4, 5) с прижатым к электродам (7, 8) капиллярным носителем (6), пропитанным водным электролитом (9). Из-за перемешивания газов в сосуде (1) и расслоения в каналах (4, 5) в электролите возникает устойчивый градиент концентраций хлора и хлороводорода между анодом (7) и катодом (8), в результате чего появляется выходное напряжение. Техническим результатом является высокая эффективность преобразования механической, тепловой или световой энергии в электричество и дешевизна устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение предназначено для превращения механической, тепловой или световой энергии в электричество посредством электрохимических реакций. Может применяться в различных устройствах, потребляющих электрический ток.
Известно несколько способов получения электричества. Основным из них является использование электрических машин, вырабатывающих ток в результате взаимодействия проводников с магнитным полем. Также широко применяются первичные и вторичные химические источники тока, у которых при работе изменяются как электроды, так и электролит [1].
Электроды менее популярных топливных элементов инертны, но здесь требуется непрерывная подводка топлива и окислителя. В качестве топлива чаще всего используется водород. Из возможных окислителей в разное время были изучены кислород, перекись водорода, азотная кислота, бром и хлор [2]. Самым эффективным, как и следовало ожидать, оказался топливный элемент, использующий пару водород-хлор. Хотя методов компактного и безопасного хранения водорода и хлора пока не разработано, данный вариант до сих пор вызывает интерес [3, 4].
Наиболее близким к представленному ниже устройству можно считать топливный элемент, у которого имеются такие же конструктивные признаки, и присутствуют те же вещества, а именно нерастворимые электроды, водный электролит, хлор и хлористый водород [5].
Существенное отличие всех топливных элементов - подводка топлива и окислителя - не всегда является приемлемым. Кроме того, пока нет вариантов этого устройства, достойных массового производства.
Оказалось, что можно создать непрерывно работающий источник тока, имеющий некоторое сходство с топливным элементом, но вместо окислителя и топлива использующий механическую, тепловую или световую энергию.
Конструкция такого преобразователя представлена в разрезе на фиг.1. В заполненном смесью хлора и хлороводорода сосуде 1 имеется средство для перемешивания 2. Последнее может быть механическим или конвективным с источником тепла. В частности, возможен нагрев с помощью светового или теплового излучения, для проникновения которого у стенки есть прозрачный участок 3. Сосуд 1 имеет отверстия сверху и снизу, переходящие в газовые каналы 4 и 5 соответственно. Последние закрыты капиллярным носителем 6, прижатым в верхнем канале к аноду 7, а в нижнем - к катоду 8. Капиллярный носитель пропитан содержащим хлор и хлороводород водным электролитом, избыток которого находится в полости 9.
Устройство функционирует следующим образом. В точках контакта электролита с анодом и катодом протекает обратимая реакция:
В сосуде 1 хлор и хлороводород вследствие непрерывного перемешивания имеют неизменные парциальные давления по всему объему. Однако из-за разной плотности хлор в канале 4 опускается, а хлороводород в канале 5 поднимается к капиллярному носителю 6. Так как содержание растворенного в жидкости газа прямо пропорционально парциальному давлению, максимум концентрации хлора в электролите оказывается около анода, а хлороводорода - около катода. Это приводит в результате реакции (1) к появлению между анодом и катодом разности потенциалов, вычисляемой по формуле Нернста. В преобразованном для нашего случая виде, где напряжение Δφ получается в милливольтах, она выглядит так:
CA и CK соответствуют концентрациям обозначенных в скобках веществ в электролите около анода и катода соответственно. Поскольку вблизи анода больше хлора, а вблизи катода больше хлороводорода, поставляющего ионы хлора, то оба слагаемых в формуле (2) имеют положительные значения.
При подключении нагрузки реакция (1) на аноде протекает в сторону превращения нейтрального хлора в его отрицательные ионы. Получающийся хлороводород улетучивается в канал 4 и поднимается в сосуд 1. На катоде реакция (1) идет влево с образованием из ионов хлора нейтральных молекул, которые выделяются в форме газа в канал 5 и опускаются в сосуд 1.
Корпус опытной ячейки был выполнен из фторопласта. Для электродов использовался графит. Циркуляция газовой смеси осуществлялась с помощью железного стерженька в пластиковой оболочке, раскручиваемого внешними магнитами на вращающемся кронштейне (лабораторная магнитная мешалка).
На фиг.2 приведена экспериментальная нагрузочная характеристика - зависимость напряжения U(B) от плотности тока J (мА/см2) на поверхности электродов. В противовес скромному напряжению преобразователь выдает значительные плотности тока.
Тот факт, что в объекте изобретения отсутствуют явные энергетические потери, дает основание надеяться на высокую эффективность преобразования механической, тепловой или световой энергии в электричество. Кроме того, устройство отличается низкой стоимостью, поскольку не содержит редких или драгоценных материалов, и не требует дорогостоящих технологических процессов при изготовлении.
Источники информации
1. В.Р.Варламов. Современные источники питания. Справочник. 2-е изд., исп. и доп. - М.: ДМК Пресс, 2001 г.
2. В.Фильштих. Топливные элементы. Перевод с немецкого под ред. В.С.Багоцкого. - М., Мир, 1968 г.
3. Патент США №5041197 от 20.08.1991.
4. Патент РФ №2336606 от 08.05.2007.
5. Патент Великобритании №934145 от 29.09.1959.
1. Электрохимический преобразователь, включающий в себя инертные анод и катод в контакте с водным электролитом, способным соприкасаться с хлором и хлороводородом, отличающийся тем, что электролитом пропитан неэлектропроводный капиллярный носитель, примыкающий к аноду и катоду, и имеется средство для перемешивания газов, расположенное в содержащем хлор и хлороводород сосуде, верхнее отверстие которого соединено газовым каналом с участком капиллярного носителя, примыкающим к аноду, а нижнее - с участком капиллярного носителя, примыкающим к катоду.
2. Электрохимический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что средство для перемешивания газов имеет подвижные элементы.
3. Электрохимический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что средство для перемешивания газов имеет более высокую температуру, чем окружающие конструктивные элементы.
