Електрохімічний пристрій для акумулювання і подання енергії

1. Электрохимическое устройство для аккумулирования и подачи энергии, состоящее из набора электрохимических ячеек и содержащее концевой положительный электрод и концевой отрицательный электрод, разделенные одним или более биполярными промежуточными электродами, каждый из которых имеет положительную сторону и отрицательную сторону, каждая из которых обращена к соответствующим камерам анолита и католита, причем положительная сторона каждого биполярного электрода содержит электропроводную основу, а биполярные электроды отделены друг от друга полупроницаемыми мембранами, средства создания однородной смеси воздуха или кислорода с электролитом для получения дисперсии пузырьков в электролите, средства осуществления циркуляции полученной смеси воздуха или кислорода с электролитом через камеры анолита набора ячеек, и другой электролит, циркулирующий через камеры католита набора ячеек в процессе получения энергии, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что электропроводная основа имеет пористый проводящий поверхностный слой, полуп роницаемые мембраны выполнены в виде катионообменных мембран, а электролит, циркулирующий через камеры католита набора ячеек в процессе получения энергии, представляет собой сульфит, соль ванадия (V21) или соль хрома (Сг2'). 2. Электрохимическое устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что пористый проводящий поверхностный слой на каждой из положительных сторон биполярных электродов выбран из группы, состоящей из частиц углерода, углеродных волокон и полых углеродных стержней, находящихся в тесном контакте друг с другом и с поверхностью ОСНОЕЫ 3. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 2 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что средства создания однородной смеси воздуха или кислорода с электролитом расположены снаружи по отношению к камерам анолита ячейки. 4. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 2 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что средства создания однородной смеси воздуха или кислорода с электролитом расположены внутри каждой камеры анолита ячейки. 5. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 4 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что электролит, циркулирующий в камерах анолита, представляет собой разбавленный раствор щелочи. 6. Электрохимическое устройство по п.5, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что электролит представляет собой гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития и гидроксид аммония. 7. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 4 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, С Os Os О 26465 что электролит, циркулирующий в камерах анолита, представляет собой разбавленный раствор кислоты. 8. Электрохимическое устройство по п.7, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что электролит представляет собой соляную или серную кислоту. 9. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 8, от л и ч а ю щ е е с я тем, что устройство выполнено с возможностью электрического восстановления или химического восполнения. 10. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 9 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что процесс электрического восстановления включает использование средств изменения полярности на положительном и отрицательном электродах и средств подачи напряжения, достаточного для проведения химических реакций в обратном направлении. 11. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 10, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что процесс химического восполнения включает использование средств осуществления циркуляции одного или обоих электролитов из камер анолита и/или камер католита, для получения энергии а течение более продолжительного периода времени, чем может позволить объем лишь камер анолита и/или камер католита. 12. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 1 1 , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что электрохимические ячейки соединены последовательно в электрическом отношении. 13. Электрохимическое устройство по пп. 1 - 12, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что пористый проводящий поверхностный слой на положительной стороне биполярного электрода имеет толщину, по меньшей мере, 2,5 мм. В основу изобретения положена заИзобретение относится к области нодача создания электрохимического уствых электрохимических устройств для ройства для аккумулирования и подачи электрохимического накопления энергии энергии, в котором путем увеличения раи к системам, генерирующим электроэнербочей поверхности электрически перезагию, в которых компенсирующие электроряжаемого биполярного электрода, облахимические реакции протекают на протидающего гидрофобными свойствами, и волежащих положительном и отрицательпрокачиванием сквозь поры гетерогенноном электродах, и энергия аккумулируетго электролита, содержащего жидкую и ся в электролите при зарядном цикле и газообразную (кислород или воздух) сосизвлекается из него при разрядном циктавляющие, достигается экономичное ле. Наиболее близким решением, приня- 10 производство энергии и увеличение значения удельной энергии на единицу объетым за прототип, является предложенная в ма. патенте Великобритании [1] батарея топливных элементов, представляющая собой последовательность наборов, каждый из Поставленная задача решена тем, что которых содержит полупроницаемые мембв настоящем изобретении предложено раны в виде пластин, электродные пласэлектрохимическое устройство для аккутины с пористыми или сетчатыми центмулирования и подачи энергии, состояральными частями и промежуточные рамщее из ряда электрохимических ячеек и ки, вставленные между пластинами. Элесодержащее концевой положительный менты набора скреплены сжатием по пе- 20 электрод и концевой отрицательный электриметру, вдоль которого имеются отверсрод, разделенные одним или более бипотия, ориентированные так, что они обралярными промежуточными электродами, зуют каналы для жидких реагентов, напкаждый из которых имеет положительную равленные перпендикулярно плоскостям сторону и отрицательную сторону, каждая пластин и обеспечивающие приток и отток из которых обращена к соответствующим электролита. Некоторые из промежуточных камерам анолита и католита, причем порамок имеют канавки, соединенные с этиложительная сторона каждого биполярноми отверстиями, по которым параллельно го электрода содержит электропроводную плоскостям электродов может протекать основу, а биполярные электроды отдележидкий реагент, омывая их [1]. 30 ны друг от друга полупроницаемыми мемб 26465 6 Восьмым дополнительным отличном ранами, средства создания однородной является то, что в электрохимическом устсмеси воздуха или кислорода с электроройстве предусмотрена возможность литом для получения дисперсии пузырьэлектрического восстановления иги хиков в электролите, средства осуществления циркуляции полученной смеси элект- 5 мического восполнения. ролита с воздухом или кислородом через Девятым дополнительным отличием явкамеры анолита набора ячеек, и другой ляется то, что процесс электрического электролит, циркулирующий через камевосстановления в электрохимическом устры католита набора ячееек в процессе ройстве включает использование средств получения энергии, причем в данном изоб- 10 изменения полярности на положительных ретении электропроводная основа имеет и отрицательных электродах и средств попористый проводящий поверхностный дачи напряжения, достаточного для прослой, полупроницаемые мембраны выполведения химических реакций в обратном нены в виде катионообменных мембран, а направлении. электролит, циркулирующий через каме- 15 Десятым дополнительным отличием явры католита набора ячеек в процессе поляется то, что процесс химического вослучения энергии, представляет собой сульполнения в электрохимическом устройстфид, соль ванадия (V2+) или соль хрома ве включает использование средств осу2+ (Сг ), которые способны к обратимым ществления циркуляции одного или обоих реакциям окисления-восстановления на 20 электролитов из камер анолита и/или каэлектроде, что делает его электрически мер католита в емкость для хранения перезаряжаемым. электролита, вмещающую объем электролита больший, чем объем соответствуюПервым дополнительным отличием явщих камер анолита и/или камер католита, ляется то, что пористый проводящий поверхностный слой на каждой из положи- 25 для получения энергии в течение более тельных сторон биполярных электродов продолжительного промежутка времени, выбран из группы, состоящей из частиц чем может позволить объем лишь камер углерода, углеродных волокон и полых анолита и/или камер католита. углеродных стержней, находящихся в тесОдиннадцатым дополнительным отлином контакте друг с другом и с поверх- 30 чием является то, что электрохимические ностью основы, а выполнение электрода ячейки соединены последовательно в биполярным уменьшает стоимость набора электрическом отношении. ячеек и увеличивает значение удельной Двенадцатым дополнительным отлиэнергии на единицу объема. чием является то, что пористый проводяВторым дополнительным отличием яв- 35 щий поверхностный слой на положительляется то, что средства создания одноной стороне биполярного электрода имеет родной смеси воздуха или кислорода с толщину по меньшей мере 2,5 мм. электролитом расположены снаружи по В данном изобретении благодаря увеотношению к камерам анолита ячейки. личению рабочей поверхности электрода, Третьим дополнительным отличием 40 достигнутого увеличением пористости является то, что средства создания одноэлектрода и прокачиванием сквозь поры родной смеси воздуха или кислорода с гетерогенного электролита, содержащего электролитом расположены внутри кажжидкую и газообразную (кислород или воздой камеры анолита ячейки. дух) составляющие .обеспечивается эконоЧетвертым дополнительным отличием 45 мичное производство энергии, увеличеявляется то, что электролит, циркулируюние значения удельной энергии на единищий в камерах анолита ячейки, представцу объема и уменьшение проблем, свяляет собой разбавленный раствор щелочи. занных с потерей воды, которые имеют Пятым дополнительным отличием явместо в известных системах. ляется то, что электролит представляет 50 В настоящем изобретении предложесобой гидроксид натрия, гидроксид кано электрохимическое устройство для аклия, гидроксид лития и гидроксид аммокумулирования и подачи энергии, состояния. щее из ряда электрохимических ячеек и содержащее концевой положительный Шестым дополнительным отличием является то, что электролит, ^циркулирую- 55 электрод и концевой отрицательный электщий в камерах анолита, представляет сород, разделенные одним или более бипобой разбавленный раствор кислоты. лярными промежуточными электродами, каждый из которых имеет положительную Седьмым дополнительным отличием сторону и отрицательную сторону, каждая является то, что электролит представляет из которых обращена к соответствующим собой соляную или серную кислоту. 26465 камерам анолита и католита, причем положительная сторона каждого биполярного электрода содержит электропроводную основу, а биполярные электроды отделены друг от друга полупроницаемыми мембранами, средства создания однородной смеси воздуха или кислорода с электролитом для получения дисперсии пузырьков в электролите, средства осуществления циркуляции полученной смеси электролита с воздухом или кислорподом через камеры анолита набора ячеек, и другой электролит, циркулирующий через камеры католита набора ячеек в процессе получения энергии, отличающийся тем.что электропроводная основа имеет пористый проводящий слой, полупроницаемые мембраны выполнены в виде катионообменных мембран, а электролит, циркулирующий через камеры католита набора ячеек в процессе получения энергии, представляет собой сульфид, соль ванадия (V2*) или соль хрома (Сг2+). Средства создания однородной смеси воздуха или кислорода с электролитом могут находиться снаружи или внутри камер анолита ячейки. Скорость потока воздуха или кислорода устанавливают предпочтительно так, чтобы реализовать напряжение на ячейке, близкое к оптимальному, при любом данном токе разряда. Если поток газа слишком велик, электролит будет вытесняться, создавая более высокое внутреннее сопротивление в ячейке; в то же время, если поток газа слишком мал, положительный электрод будет испытывать недостаток окислителя. Типичная скорость потока для использования в данном изобретении составляет от 0,70 до 5 л/мин для кислорода и около 3 л/мин для воздуха. В качестве электролита, циркулирующего через камеры анолита ячейки, можно использовать разбавленный раствор щелочи, например, гидроксид натрия, калия или лития или разбавленный раствор кислоты, например соляной или серной. При работе с использованием кислого электролита, циркулирующего через камеру анолита.обычно достигается более высокое напряжение. Электрохимические реакции Ог в кислой и основной средах качественно различаются. В кислом растворе происходит реакция: + Уравнение 2а: О2 + 4Н + 4е~ - 2Н2О, которая дает электродный потенциал относительно стандартного водородного электрода 1,229 В. В основном растворе идет реакция: Уравнение 2Ь: О, + 2Н.0 + 4е~ = =4ОН 8 которая дает электродный потенциал, составляющий около 0,401 В. Первое химическое уравнение показывает общую реакцию в положительном 5 отделении ячейки в присутствии серной кислоты и при миграции ионов натрия через мембрану с отрицательной стороны к положительной во время разряда. Биполярные электроды отделяются 10 друг от друга и от концевых электродов катионообменной мембраной. Пористая проводящая поверхность на электропроводном субстрате может быть образована, например, частицами углеро15 да, волокнами углерода или полыми углеродными стержнями, находящимися в тесном контакте с субстратом и друг с другом. Эта пористая проводящая поверхность на электроде улавливает кислород 20 из содержащей пузырьки дисперсии воздух/электролит или кислород/электролит, что делает ее пригодной для электрического разряда. Частицы углерода, волокна или полые стержни можно механи25 чески спрессовать для достижения их тесного контакта друг с другом и с электропроводной подложкой, или же соединить их, например, с использованием полимерного материала, который обеспечи30 вает хорошую химическую стойкость, например, такого как Купаг (зарегистрированный товарный знак). Предпочтительно между пористой проводящей поверхностью положительной стороны биполярно35 го электрода и ионообменной мембраной может быть размещен экран, например, из нетканого полипропилена (Pellon cioth). Этот экран служит как для механической поддержки проводящего поверхностного 40 материала, так и для защиты мембраны от разрушения. Пористая проводящая поверхность предпрочтительно имеет толщину в интервале от 2,5 до 25 мм, более предпоч45 тительно в интервале от 5 до 15 мм. Пористость этой пористой проводящей поверхности на электроде предпочтительно находится в интервале от 0,7 до 0,85. Для поверхности, которая образована про50 водящими частицами, пористость будет зависеть не только от размера частиц и объема пор частиц, но также и от плотности упаковки частиц. Электролит циркулирует через каме55 ры католита набора яечеек, которые содержат отрицательный электрод. В системах, которые могут быть как заряжены, так и разряжены, основной химический процесс, протекающий в электрохимичес• ких ячейках, характеризуется химическим 26465 уравнением, в котором реакция протекает в одном направлении при заряжении системы и в противоположном - при отдаче системой энергии. Злектролитом, циркулирующим через камеры католита злектрохимического устройства согласно изобретению, является сульфид, соль ванадия (V2t) или соль хрома (Сгг+). Примерами таких систем являются пара кислород/ сера, которую можно представить еледующим уравнением: Уравнение 3: 5Na2S + 2О2 + 4Н2О Na2S5 + 8NaOH, система кислород/ванадий, которую можно представить следующим уравнением: Уравнение 4: 2VSO4 + Ог + 2H2SO4 s о у о; ® X о: а с If л1 A \ 1 fA A 1 Время, мим. * Разомкнутая цепь Фиг. 4 Упорядник Техред М. Келемеш Коректор А Маковська Замовлення 509 Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл , 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101