Електрохімічний перетворювач енергії (варіанти)

Винахід відноситься до електротехнічної промисловості, а саме - до області виробництва хімічних пристроїв для безпосереднього перетворення хімічної енергії в електричну. Відомі електрохімічні перетворювачі енергії - акумуляторні батареї, що містять оборотно працюючі позитивні і негативні електроди, розділені шаром електроліту. Генерування постійного електричного струму відбувається в результаті протікання на електродах електрохімічних реакцій з перетворенням хімічної енергії в електричну в процесі розряду батареї, а при заряді акумуляторної батареї відбувається зворотний процес перетворення електричної енергії в хімічну (В.Н.Варыпаев, М.А.Дасоян, В.А. Никольский "Химические источники тока". - М.: "Высшая школа", 1990. - С.164-238). Загальним недоліком відомих акумуляторних батарей (свинцевих, срібно-цинкових та ін.) є низькі питомі енергетичні характеристики (кращі срібно-цинкові акумуляторні батареї мають питому енергію 100120Вт×год/кг), крім того високу ціну, малий термін служби, низьку енерговіддачу при низьких зовнішніх температурах. Відомі також електрохімічні перетворювачі (електрохімічні генератори), що генерують електричний струм на основі активних речовин, які надходять до електродів ззовні в міру їхньої витрати при безперервному відводі продуктів реакцій. Швидкість надходження речовин, як і швидкість відводу продуктів реакцій, пропорційні струмовому навантаженню на елемент. Електроди такого перетворювача не змінюють у ході розряду свій хімічний склад і структуру. їхнє призначення - забезпечити протікання струмоутворюючих реакцій із заданою швидкістю, а також служити струмовідводами. Активними речовинами є, як правило, газоподібні чи рідкі відновлювачі й окислювачі, що подаються в зони електрохімічних реакцій. У більшості сучасних електрохімічних генераторів у ролі анодного матеріалу (відновлювача) застосовують газоподібний водень, катодним матеріалом (окислювачем) є атмосферний чи чистий газоподібний кисень. Відома конструкція такого кисень-водневого електрохімічного генератора (В.Н.Варыпаев, М.А. Дасоян, В.А.Никольский "Химические источники тока". - М.: "Высшая школа", 1990. - С.157-161) потужністю 1,4кВт для космічного корабля "Аполлон". До недоліків цього джерела струму можна віднести те, що, незважаючи на те, що питома енергія таких генераторів дуже значна - до 600Вт×год/кг і вище (не вважаючи маси активних матеріалів і устаткування для їхнього збереження), вони мають високу вартість і складні в експлуатації. Крім того, ці електрохімічні генератори є джерелами струму одноразового розряду і не дозволяють регенерувати продукти струмоутворюючих реакцій шляхом заряду перетворювача. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним як прототип для варіантів винаходу, що заявляються, є електрохімічний перетворювач для електродіалізу, що включає діелектричний корпус з камерами, у крайніх з яких розміщені електроди, між якими розташовані катіонообмінні й аніонообмінні мембрани, що чергуються, а також отвори, штуцери і колектори для підведення і відведення електролітів (Федотьев Н.П. и др., Прикладная электрохимия. - Л.: Изд-во "Химия", 1967. - С.438-441). Загальними ознаками варіантів винаходу, що заявляються, і прототипу є наявність діелектричного корпусу з позитивними і негативними електродами, отворами, штуцерами і колекторами для підведення і відведення електролітів. У пристрої - прототипі під час електролізу відбувається головним чином зміна іонного складу рідин, а електродні реакції, що протікають у крайніх порожнинах відіграють допоміжну роль. Процес у такому пристрої є необерненим і, тому, неможлива робота в режимі генерації струму. В основу винаходу поставлена задача удосконалення електрохімічного перетворювача* енергії, у якому шляхом використання струмопровідних мембран, проникних для водню, поділяючих порожнини проточних кислотного і лужного електролітів, забезпечується оборотність електрохімічних реакцій, що дозволяє перетворювати хімічну енергію в електричну і навпаки - електричну енергію в хімічну та за рахунок цього розширюється область його застосування в народному господарстві. Поставлена задача по першому варіанті вирішується тим, що в електрохімічному перетворювачі енергії, який включає діелектричний корпус з позитивними і негативними електродами, отворами, штуцерами і колекторами для підведення і відводу електролітів, відповідно до винаходу, позитивний і негативний електроди виконані у виді струмопровідних проникних для водню мембран, між електродами розташовані порожнини для лужного, сольового і кислотного проточних електролітів, які послідовно чергуються, при цьому порожнини проточних кислотних і лужних електролітів утворені з однієї сторони струмопровідними проникними для водню мембранами, а з іншої сторони - поділяючою їх порожниною проточного сольового електроліту, утвореною ультрапористими мембранами, а між негативним електродом та корпусом і позитивним електродом та корпусом утворені сполучені між собою порожнини, заповнені воднем. Поставлена задача по другому варіанті вирішується тим, що в електрохімічному перетворювачі енергії, що містить діелектричний корпус з позитивними і негативними електродами, отворами, штуцерами і колекторами для підведення і відводу електролітів, відповідно до винаходу, між позитивним і негативним електродами розташовані порожнини для лужного, сольового і кислотного проточних електролітів, що послідовно чергуються, причому порожнини проточних кислотних і лужних електролітів утворені з однієї сторони струмопровідною, проникною для водню мембраною, а з іншої сторони - поділяючою їх порожниною проточного сольового електроліту, утвореною ультрапористими мембранами, а крайні порожнини кислотного і лужного електролітів відділені від електродів порожниною приелектродного непроточного електроліту, причому кожна з порожнин приелектродного непроточного електроліту відділена від прилягаючої до неї порожнини проточного електроліту стр умопровідною мембраною, проникною для водню. Винахід представлений у виді двох те хнічних рішень однакового призначення, що забезпечують одержання того ж самого технічного результату і принципово тим самим шляхом, а саме, базуються на одному загальному принципі - на використанні струмопровідних мембран, проникних для водню, що розділяють порожнини проточних електролітів і встановлені між електродами. Отже, група винаходів, що патентується, утворює єдиний винахідницький задум. Поділ проточних лужного та кислотного електролітів з однієї сторони струмопровідною проникною для водню мембраною, а з іншої сторони - проточним сольовим розчином, відділеним від кислотного і лужного електролітів ультрапористими мембранами, забезпечує одержання на електродах різниці потенціалів у випадку використання в ролі активної речовини розчинів лугів та кислот. Напруга виникає внаслідок того, що активність іонів водню в кислотному і лужному електролітах різна, а між електролітами встановлена мембрана, проникна для водню. При подачі напруги на електроди і використанні в ролі електроліту сольового розчину, наявність між електродами струмопровідної мембрани, проникної для водню, забезпечує поділ позитивних і негативних іонів цієї солі й утворення відповідно лугу та кислоти, що дозволяє проводити очищення водяних розчинів від солей. Таким чином, завдяки використанню в запропонованій конструкції електрохімічного перетворювача енергії (по обох варіантах) стр умопровідних мембран, проникних для водню, що розділяють порожнини проточних кислотного і лужного електролітів, у сукупності з іншими відмінними ознаками забезпечується оберненість електрохімічних реакцій, тобто перетворення хімічної енергії в електричну і навпаки, електричної енергії в хімічну. Це дає можливість використовува ти пристрій як генератор струму, а також як очисник водяних розчинів і опріснювач. Перевагою запропонованого електрохімічного перетворювача енергії (в обох варіантах виконання) у порівнянні з відомими акумуляторними батареями й електрохімічними генераторами, полягає в тім, що він має більш високі питомі енергетичні показники - до 130140Вт×год/кг. Крім високої питомої енергії, слід зазначити також можливість регенерації відпрацьованого сольового електроліту до одержання вихідних активних матеріалів (можливість заряду перетворювача, наприклад, під час нічної стоянки автомобіля). Перевагою даного перетворювача при його використанні для очищення й опріснення (наприклад, морської води) є можливість підвищення коефіцієнта корисної дії опріснення за рахунок використання продуктів поділу (кислоти та луги), що утворюються, для генерації електричного струму. За наявними в авторів відомостями запропоновані істотні ознаки, що характеризують сутність винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути запроваджене в області електрохімічних технологій для вдосконалення конструкції електрохімічних перетворювачів енергії, що безпосередньо перетворюють хімічну енергію в електричну і (чи) навпаки - електричну енергію в хімічну енергію активних речовин і може бути використано як джерело енергії для автономних транспортних засобів, наприклад, для електромобілів, а також для очищення й опріснення водяних розчинів. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг.1 схематично показан вертикальний переріз електрохімічного перетворювача енергії по першому варіанті, що працює в режимі джерела струму; на фіг.2 конструкція відводу відпрацьованих електролітів для перетворювача на фіг.1; на фіг.3 - принципова схема електрохімічного перетворювача енергії (перетворювача) по першому варіанті, що працює в режимі джерела струму; на фіг.4, 5, 6 - ліва, середня і права діафрагми збірного корпусу перетворювача по першому варіанті; на фіг.7, 8, 9 - перерізи діафрагм перетворювача по першому варіанті; на фіг.10 - схема вертикального перерізу перетворювача по першому варіанті, що працює в режимі очищення й опріснення води; на фіг.11 розподіл електродних потенціалів по довжині перетворювача по першому варіанті, що працює в режимі джерела струму; на фіг.12 - розподіл електродних потенціалів по довжині перетворювача по першому варіанті, що працює в режимі очищення й опріснення води; на фіг.13 схематично показаний вертикальний переріз перетворювача по другому варіанті виконання, що працює в режимі джерела струму; на фіг.14 - схема вертикального перерізу перетворювача по другому варіанті, що працює в режимі очищення й опріснення води; на фіг.15 - розподіл електродних потенціалів по довжині перетворювача по другому варіанті, що працює в режимі джерела струму; на фі г.16 - розподіл електродних потенціалів по довжині перетворювача по другому варіанті, що працює в режимі очищення й опріснення води. Електрохімічний перетворювач енергії по першому варіанті виконання (фіг.1) містить діелектричний корпус 1 із штуцерами 2, що при роботі в режимі джерела струму служать для підведення лугу, штуцерами 3 для підведення кислоти і штуцерами 4 для відводу відпрацьованого сольового електроліту. Штуцери 2 і 3 приєднані відповідно до колекторів підведення 5 і 6. Штуцери 4 приєднані до колектора відводу 7. З протилежної сторони розташовані штуцери 8 і 9 для відводу відпрацьованих лугу та кислоти і штуцери 10 для підведення сольового електроліту низької концентрації, одержуваного від з'єднання відпрацьованих лугу та кислоти. Штуцери 8, 9 і 10 приєднані відповідно до сполучних колекторів 11, 12, 13, що з'єднані між собою перемичками 14. Можливо інше конструктивне виконання відводу відпрацьованих лугу і кислоти, коли штуцери 8 і 9 (фіг.2) за допомогою перемичок 15 замкнуті безпосередньо на штуцер 10. Усередині корпуса 1 (фіг.1) розміщені позитивний 16 і негативний 17 електроди з полюсними виводами. Електроди 16 і 17 виконані у виді тонких струмопровідних мембран із матеріалу, проникного для водню (наприклад, сплаву на основі нікелю чи палладію). Між позитивним електродом 16 і корпусом 1 розташована порожнина 18, заповнена газоподібним воднем. Камера 18 за допомогою трубопроводу 19 з'єднана з порожниною 20, розташованою між негативним електродом 17 та корпусом 1 і також заповненою газоподібним воднем. При тороїдній конструкції, коли перетворювач має форму замкнутого кільця, камери 18 і 20 можуть бути з'єднані в одну загальну водневу камеру (на кресленні не показано). Між електродами 16 і 17 розташовані порожнини кислотного 21, сольового 22 і лужного 23 проточних електролітів, які послідовно чергуються. У ролі струмоутворюючих матеріалів при роботі перетворювача в режимі джерела струму використовуються проточні розчини кислотного 21 і лужного 23 електролітів, наприклад, сірчаної кислоти [H2SO4 ] і літієвого лугу [LiOH], що утворюють провідний сольовий електроліт Li2SO4. Області кислотного 21 і лужного 23 проточних електролітів розділені з однієї сторони проникною для водню струмопровідною мембраною 24 (наприклад, зі сплаву на основі нікелю або палладія товщиною 0,01мм), а з іншого боку областю проточного сольового електроліту 22, що відділена від електролітів 21 і 23 ультрапористими мембранами 25 (наприклад, з тонких ультрапористих силікатів товщиною 0,1¸0,2мм). Краї електродів 16, 17 та мембран 24, 25 загерметизовані в корпусі 1 перетворювача. Колектори 5, 6, 7 при роботі в режимі джерела струму через трубопроводи 26, 27, 28 (фіг.3) з'єднані з баком 29, що розділений на секції 30, 31, 32 для збереження відповідно лужного, кислотного і сольового електролітів. Система перекачування електролітів складається з вентилів 33, 34, 35, насосу 36 і патрубка 37 для видалення газів із внутрішніх порожнин перетворювача при заповненні його електролітом. Патрубок 37 усередині корпуса 1 сполучається з колектором 13. Корпус 1 перетворювача (фіг.1) конструктивно може бути зібраний з окремих діафрагм, як це представлено на фіг.4¸6. Колектори підведення 5, 6 і відводу 7, а також сполучні колектори 11, 12, 13 можуть проходити усередині корпуса і через систему отворів у діафрагмах сполучатися з порожнинами кислотного, сольового і лужного електролітів. Перерізи діафрагм показані на фіг.7¸9. Діафрагми мають діелектричний корпус 38, усередині якого проходять наскрізні отвори 39, ізольовані від внутрішньої порожнини діафрагми, і наскрізні отвори 40, 41, що сполучаються з внутрішньою порожниною діафрагми. Між діафрагмами розташовані загерметизовані по краях мембрани 24, 25 і електроди 16, 17. Діафрагми трьох типів - ліва (фіг.4, 7), середня (фіг.5, 8) та права (фіг.6, 9) чергуються по довжині корпуса відповідно до чергування порожнин лужного 23, сольового 22 і кислотного 21 електролітів. Усередині діафрагм встановлені вертикальні ребра 42, що фіксують положення мембран 24, 25 при зборці й у процесі роботи перетворювача. На фіг.7¸9 показані поперечні перерізи діафрагм із встановленими в лівій і правій діафрагмах (фіг.7, 9) мембранами. При зборці корпуса отвори 39, 40 утворюють сполучні, підводящі та відводящі колектори, що проходять усередині корпуса перетворювача, а отвір 41 утворює канал для видалення газів при заповненні перетворювача електролітами. Принципова схема перетворювача на фіг.3 відповідає збірній конструкції з діафрагм. Крім показаних на фіг.1, 2 варіантів з'єднання порожнин 21, 22, 23 можливо інше конструктивне виконання цього з'єднання, яке представлене на фіг.10. Схема на фіг.10 відповідає роботі перетворювача в режимі очищення й опріснення води. Порожнини 21, 22, 23 на фіг.10 з'єднані між собою за допомогою отворів у корпусі 1. При цьому порожнини 22 через штуцери 43 приєднані до сполучного колектора 44. На виході колектора 44 мається вентиль 45, що при роботі в режимі джерела струму закритий, а при роботі в режимі пристрою для очищення й опріснення води відкритий і через нього здійснюється відвід очищеної рідини. Підведення водяного розчину, що очищається (чи що опріснюється), наприклад, хлористого натрію [NaCl], здійснюється через колектор 7 (фіг.10). Відвід продуктів поділу здійснюється по трьох колекторах: по колектору 44 - відвід очищеної рідини (зокрема, Н2О), по колектору 5 - відвід лугу, по колектору 6 - відвід кислоти. Інші елементи конструкції на фіг. 10 ті ж, що і на фіг.1. Колектор 44 також, як і колектори 5, 6, 7 на фіг.3, може проходити усередині корпуса перетворювача. При закритому вентилі 45 і при підведенні до колекторів 5 і 6 відповідно LiOH і H2SO4 перетворювач на фіг.10 буде працювати так само, як і за схемою фіг.1, тобто у режимі джерела струму. Перетворювач по другому варіанті виконання містить діелектричний корпус 46 (фіг.13) зі штуцерами 47, що при роботі в режимі джерела струму служать для підведення лугу, штуцерами 48 для підведення кислоти і штуцерами 49 для відводу відпрацьованого сольового електроліту. Штуцери 47 і 48 приєднані відповідно до колекторів підведення 50 і 51. Штуцери 49 приєднані до колектора відводу 52. З протилежної сторони розташовані штуцери 53 і 54 для відводу відпрацьованих лугу і кислоти і штуцери 55 для підведення сольового електроліту низької концентрації, одержуваного від з'єднання відпрацьованих лугу та кислоти. Штуцери 53, 54 і 55 приєднані відповідно до сполучних колекторів 56, 57, 58, що з'єднані між собою перемичками 59. Усередині корпуса 46 розміщені позитивний 60 і негативний 61 електроди з полюсними виводами. Між електродами 60 і 61 розташовані порожнини кислотного 62, сольового 63 та лужного 64 проточних електролітів, що послідовно чергуються. У ролі струмоутворюючих матеріалів при роботі перетворювача в режимі джерела струму використовуються проточні розчини кислотного 62 і лужного 64 електролітів, наприклад, сірчаної кислоти [H2SO4 ] і літієвого лугу [LiOH], що утворюють провідний сольовий електроліт [Li2SO4]. Порожнини кислотного 62 і лужного 64 проточних електролітів розділені з однієї сторони проникною для водню струмопровідною мембраною 65, а з іншого боку - порожниною проточного сольового електроліту 63, що відділена від проточних електролітів 62 і 64 ультрапористими мембранами 66 (наприклад, з тонких ультрапористих силікатів товщиною 0,1-0,2мм). Крайні порожнини проточних кислотного 62 і лужного 64 електролітів відділені від позитивного 60 і негативного 61 електродів порожниною приелектродного непроточного електроліту 67. Кожна з полостей приелектродного непроточного електроліту 67 відділена від прилягаючої до неї порожнини проточного електроліту проникною для водню струмопровідною мембраною 65. У ролі приелектродного непроточного електроліту 67 може використовуватися, наприклад, літієвий луг [LiOH]. Як матеріал для електродів 60, 61 можуть використовуватися, наприклад, нікель або його сплави. Порожнини приелектродних непроточних електролітів 67 мають патрубки 68 для видалення газів при роботі перетворювача. Края електродів 60, 61 і мембран 65, 66 загерметизовані в корпусі 46 перетворювача. Система підведення електролітів, що витрачаються, і відводу відпрацьованого сольового електроліту по другому варіанті та ж, що і по першому варіанті (фіг.3). При монтажу корпуса 46 перетворювача з окремих діафрагм так точно, як і по першому варіанті (фіг.4¸9), порожнини проточних кислотного 62, сольового 63 і лужного 64 електролітів з'єднані з ємностями для збереження даних електролітів за допомогою колекторів підведення і відводу, що є елементами збірного корпуса перетворювача. Як і по першому варіанті, перетворювач по другому варіанті може працювати як у режимі джерела струму, так і в режимі пристрою для очищення й опріснення води, що пояснюється схемою на фіг.14. Відмінність схеми на фіг.14 від схеми на фіг.13 полягає в різному конструктивному виконанні сполучних колекторів 56, 57, 58 на фіг.13. Зокрема, для з'єднання в границях окремої ячейки порожнин 62, 63, 64 на фіг.14 використовуються отвори усередині корпуса 46 перетворювача. При цьому порожнини 63 через штуцери 69 приєднані до сполучного колектора 70. На виході колектора 70 мається вентиль 71. При закритому вентилі 71 і при підведенні до колекторів 50 і 51 відповідно Li ОН і H2SO4 перетворювач на фіг.14 працює як і за схемою на фіг.13 у режимі джерела струму. При відкритому вентилі 71 перетворювач на фіг. 14 працює як пристрій для очищення й опріснення води. При цьому підведення водяного розчину, що очищається (чи що опріснюється), наприклад, NaCl здійснюється через колектор 52 (фіг.14). Відвід продуктів поділу здійснюється по трьох колекторах: по колектору 70 - відвід очищеної рідини, по колектору 50 - відвід лугу, по колектору 51 - відвід кислоти. Інші елементи конструкції на фіг.14 ті ж, що і на фіг.13. Колектор 70 також, як і колектори 50, 51, 52, можуть проходити усередині корпуса 46 перетворювача. Електрохімічний перетворювач енергії по першому варіанті виконання працює у такий спосіб. При використанні перетворювача в режим» акумулятора електричної енергії (фіг.1) активними речовинами, що беруть участь в утворенні електричного струму, є луг 23 і кислота 21, що нейтралізуються в процесі роботи з утворенням розчинного сольового електроліту 22. Робота перетворювача в режимі джерела струму (у режимі розряду) пояснюється на фіг. 11, де на прикладі використання LiOH та H2SO4, показаний розподіл масових потоків електролітів, напрямок руху іонів, електродні реакції та розподіл електродних потенціалів по довжині перетворювача. Напруга на електродах виникає внаслідок розходження активності іонів водню в кислотному 21 і лужному 23 електролітах, розділених струмопровідною мембраною 24, проникною для водню. На границі фазової поверхні кислота 21 - мембрана 24 (фіг.11) відбувається відновлення водню з електродним потенціалом 0,22В (для 20-нормального (20N) розчину H2SO4): (1) 2H+ + 2e- ® H2 /0,22 В / Водень, що утворився, розчиняється в матеріалі мембрани 24 і дифундує через матеріал мембрани до поверхні розділу мембрана 24 - луг 23. На границі фазової поверхні мембрана - луг 23 водень окислюється і виходить у розчин лугу 23 у виді іона Н + з електродним потенціалом /-0,84 В/ для 20-нормального (20N) розчину LiOH, де нейтралізується іоном гідроксилу OH з утворенням Н 2О: (2) H2 + 2OH - - 2e- ® 2H2 O / - 0,84В / Надлишковий позитивний заряд порожнини 23 у виді іонів з порожнини 23 перетікає через ультрапористу мембрану 25 у порожнину сольового електроліту 22. Надлишковий негативний заряд порожнини 21 (що утворився в процесі відновлення водню) у виді іонів SO4-2 з порожнини 21 через ультрапористу мембрану 25 також перетікає у порожнину сольового електроліту 22. У результаті в порожнині 22 утворюється нейтральна сіль Li 2SO4, Сумарне рівняння реакції, що протікає в даному процесі, буде: 2LiOH+H2SO4=Li2SO4+2Н2О. (3) Особливим випадком є процеси, що протікають у крайових електродних порожнинах. На границі фазової поверхні кислота 21 - позитивний електрод 16 електродна реакція й електродні потенціали ті ж самі, що і на границі кислота 21 - мембрана 24. Водень, відновлений біля позитивного електроду 16, розчиняється в матеріалі електрода 16 і проходить скрізь матеріал електроду в порожнину 18. З порожнини 18 по трубопроводу 19 водень передається в порожнину 20 і далі через матеріал негативного електроду 17 дифундує до поверхні розділу електрод 17 - луг 23. На границі негативний електрод 17 - луг 23 електродна реакція й електродні потенціали ті ж самі, що і на границі мембрана 24 - луг 23. Електрорушійна сила одної ячейки при відсутності стр уму в ланцюзі для 20-нормальних (20N) розчинів лугу та кислоти буде дорівнювати різниці електродних потенціалів між сусідніми водень-провідними мембранами 0,22В-/-0,84В/=1,06В. При наявності струму в ланцюзі перетворювача концентрація лужного і кислотного проточних електролітів по напрямку їхнього руху буде зменшуватися від 20N на вході до 0,05N на ви ході, а сольового електроліту від 0,05N на вході до 20N на виході. Відповідно різниця електродних потенціалів по довжині проточної частини буде також зменшуватися від 1,06В при 20-нормальних електролітах до 0,8В при 0,05-нормальних електролітах (при малій концентрації електродний потенціал на границі кислота 21 - мембрана 24 дорівнює нулю, а на границі мембрана 24 - луг 23 дорівнює - 0,8 В). Відповідно до цього напруга на електродах перетворювача буде дорівнювати: U=0,8n-IR/B/ (4) де n - кількість послідовна з'єднаних ячейок; І - струм перетворювача; R - внутрішній опір. Густина струм у по напрямку руху електролітів буде падаючої і відповідати розподілу електродних потенціалів. У режимі заряду перетворювача потоки електролітів LiOH, H2SO4, Li2SO4 проходять у зворотних напрямках у порівнянні з зазначеними на фіг.1, 11, а на електроди подається зустрічна напруга, що перевищує електрорушійну силу розімкнутого ланцюга. Тоді всі процеси й електродні реакції протікають у зворотному напрямку, що призводить до розкладання Li2SO4, на луг [LiOH] та кислоту [H2SO4]. Електроліти, що беруть участь у стр умоутворюючи х процесах, підбирають з вимог максимальних розчинностей кислот, лугів і утворених ними солей у всьому діапазоні робочих концентрацій, максимальної електропровідності, а також з умови незмерзаємості електролітів у робочому діапазоні температур. При використанні перетворювача в ролі пристрою для очищення й опріснення води (фіг.10) електродні реакції протікають аналогічно режиму заряду перетворювача при його роботі в ролі електричного акумулятора. На фіг.12 на прикладі очищення води від NaCl показаний розподіл електродних потенціалів і електродні реакції по довжині перетворювача. Позначення на фіг.12 відповідають позначенням на фіг.10. При подачі напруги на електроди 16 і 17 перетворювача (фіг. 12) іони Na+ та СГ з порожнини 22 через ультрапористі мембрани 25 перетікають в області 23 і 21, утворюючи в цих областях відповідно луг [NaOH] та кислоту [НСІ]. На границі фазової поверхні луг 23 - мембрана 24 відбувається відновлення водню з води з електродним потенціалом - 0,8В. Електродна реакція на границі луг 23 - мембрана 24 така: (5) 2H2 O + 2e - ® H2 + 2OH- / - 0,8В / Водень, що утворився, розчиняється в матеріалі мембрани 24 і дифундує через матеріал мембрани до поверхні розділу мембрана 24 - кислота 21. На границі фазової поверхні мембрана 24 - кислота 21 водень окислюється і виходить в область 21 у виді іона Н + (електродний потенціал переходу Н 2 у Н+ у кислоті дорівнює нулю). Електродна реакція на границі мембрана 24 - кислота 21: (6) H2 - 2e- ® 2H+ Різниця електродних потенціалів між сусідніми водень-проникними мембранами складає 0,8В. Напруга, що прикладається до сусідніх мембран (до одної ячейки) при роботі перетворювача, повинна бути вище, ніж 0,8В на величину падіння напруги на внутрішньому опорі ячейки. Процеси, що протікають у крайових електродних порожнинах, ті ж самі, що й у режимі заряду перетворювача за схемою на фіг.11. Водень, відновлений на границі електрод 17 - луг 23 (фіг.12), розчиняється в матеріалі електрода 17 і проникає через матеріал електрода в порожнину 20, а далі по трубопроводу 19 він передається в порожнину 18. З порожнини 18 водень через матеріал позитивного електрода 16 дифундує до поверхні розділу електрод 16 - кислота 21. На границі електрод 16 - кислота 21 електродна реакція та ж, що і на границі мембрана 24 кислота 21. Концентрація сольового розчину NaCl у порожнині 22 по напрямку руху буде зменшуватися і на виході порожнини 22 при відповідному співвідношенні швидкості потоку і струму перетворювача буде виходити кінцевий продукт - очищена вода. Основна частина води через штуцери 43 буде надходити до сполучного колектора 44, а інша частина через отвори в корпусі перетворювача буде надходити в порожнині 21 і 23 для утворення там розчинів кислоти НС1 і лугу NaOH. Електрохімічний перетворювач енергії по другому варіанті виконання працює у такий спосіб. Активними речовинами, що забезпечують окислювально-відновні процеси при роботі перетворювача в режимі джерела струму (фіг.13), так само, як і по першому варіанті, є луг 64 і кислота 62, що нейтралізуються в процесі роботи з утворенням розчинного сольового електроліту 63. Робота перетворювача в режимі джерела струму (у режимі розряду), пояснюється на фіг.15, де на прикладі використання LiOH і H2SO4 показаний розподіл масових потоків електролітів, напрямок руху іонів, електродні реакції і розподіл електродних потенціалів по довжині перетворювача. Так само, як і по першому варіанті, напруга на електродах виникає внаслідок розходження активності іонів водню в кислому 62 і лужному 64 електролітах, розділених струмопровідною водень-проникною мембраною 65. На границі фазової поверхні кислота 62 мембрана 65 (фіг.15) відбувається відновлення водню з електродним потенціалом /0,22В/ для 20-нормального (20N) розчину H2SO4, згідно з реакцією (1). Водень, що утворився, розчинюється в матеріалі мембрани 65 і дифундує через матеріал мембрани до поверхні розділу мембрана 65 - луг 64. На границі фазової поверхні мембрана 65 - луг 64 водень окислюється і виходить у розчин лугу 64 у виді іона ЬҐ з електродним потенціалом /-0,84В/ для 20-нормального (20N) розчину LiOH, де нейтралізується іонами гідроксилу [ОН-] з утворенням Н 2О, згідно з формулою (2). Надлишковий позитивний заряд порожнини 64 у виді іонів Li+ з порожнини 64 перетікає через ультрапористу мембрану 66 у порожнину сольового електроліту 63. Надлишковий негативний заряд порожнини 62 (що утворюється в процесі відновлення водню) у виді іонів SO4- з порожнини 62 через ультрапористу мембрану 66 перетікає також у порожнину сольового електроліту 63. У результаті в порожнині 63 утворюється нейтральна сіль Lі2SO4. С умарне рівняння реакції відповідає формулі (3). Описані вище процеси ті ж самі, що і по першому варіанті. Відмінність між першим і другим варіантами полягає в процесах, що протікають у крайових електродних порожнинах. По другому варіанті водень, відновлюваний з води на позитивному електроді 60 (фіг.15), виділяється у виді газу й іде з порожнини 67 через патрубок 68 (фіг.13). Недостатня кількість водню в порожнині 67 біля позитивного електрода компенсується дифузією водню в цю порожнину через крайню водень-провідну мембрану 65. Таким чином, електроліт 67 біля позитивного електрода не витрачається. На негативному електроді 61 (фіг.15) відбувається окислювання кисню з виділенням його у виді газу через патрубок 68 (фіг.13). При цьому на сусідній до негативного електрода мембрані 65 відбувається відновлення водню з передачею його через цю мембрану в лужну порожнину 64. Це обумовлює, з одного боку, зустрічну (E = 1,22В ) різницю потенціалів розкладання води H 2 O , а, з іншого боку, витрата води на електроліз у порожнині приелектродного електроліту 67 біля негативного електрода 61. Електродні реакції на границях фазових поверхонь у крайових електродних порожнинах зазначені на фіг.15. При роботі перетворювача в режимі джерела струму (у режимі розряду) концентрація лужних і кислотних потоків по напрямку їхнього руху зменшується від 20N на вході до 0,05N на виході, а сольового електроліту зростає відповідно від 0,05N до 20N. Відповідно різниця електродних потенціалів по довжині проточної частини буде також зменшуватися від 1,06 В при 20-нормальних (20N) електролітах до 0,8В при 0,05-нормальних (0,05N) електролітах (так само, як і по першому варіанті). Відповідно до цього напруга на електродах перетворювача буде дорівнювати: (7) U = 0,8n - IR - EH 2 O /В де n - кількість послідовна з'єднаних ячейок; І - струм перетворювача; R - внутрішній опір; EH 2 O = 1,22В - різниця потенціалів розкладання води. У режимі заряду потоки LiOH, H2SO4 та Li2SO4 проходять у зворотних напрямках, а на полюсні виводи перетворювача подається зустрічна напруга, що перевищує напругу розімкнутого ланцюга. Тоді всі процеси й електродні реакції протікають у зворотному напрямку, що призводить до розкладання нейтральної солі на відповідні луг та кислоту. У зв'язку з тим, що в режимі заряду змінюється напрямок струму в порівнянні з режимом розряду, процеси, що протікають у крайових електродних порожнинах 67, також міняються місцями. У режимі заряду в порожнині 67 біля позитивного електроду 60 відбувається розкладання води з виділенням кисню (як це мало місце біля негативного електроду в режимі розряду), а в порожнині 67 біля негативного електроду 61 відповідно виділяється водень, а електроліт не витрачається. При використанні перетворювача по другому варіанті в ролі пристроя для очищення й опріснення води (фіг.14) електродні реакції протікають аналогічно режиму заряду перетворювача при його роботі в режимі електричного акумулятора. На фіг.16 на прикладі очищення води від NaCI показаний розподіл електродних потенціалів і електродні реакції по довжині перетворювача. Позначення на фіг.16 відповідають позначенням на фіг.14. При подачі напруги на електроди 60 і 61 перетворювача (фіг.16) так само, як і по першому варіанті, іони Na+ та Сl- з порожнини 63 через ультрапористі мембрани 66 перетікають у порожнині 64 і 62, утворюючи в цих порожнинах відповідно луг [NaOH] та кислоту [НСl]. На границі фазової поверхні луг 64 - мембрана 65 відбувається відновлення водню з води з електродним потенціалом /-0,8В/. Електродна реакція на границі луг 64 - мембрана 65 відповідає формулі (5). Водень, що утворився, розчинюється в матеріалі мембрани 65 і дифундує через матеріал мембрани до поверхні розділу мембрана 65 - кислота 62. На границі фазової поверхні мембрана 65 - кислота 62 водень окислюється і виходить в область 62 у виді іона Н + (електродний потенціал переходу Н 2 у Н+ у кислоті дорівнює нулю). Електродна реакція на границі мембрана 65 - кислота 62 відповідає формулі (6). Різниця електродних потенціалів між сусідніми водень-проникними мембранами 65 складає 0,8В. Напруга, що прикладається до сусідніх мембран 65 (до одної ячейки) при роботі перетворювача, повинна бути вище, ніж 0,8В на величину падіння напруги на вн утрішньому опорі ячейки. Описані вище процеси такі ж самі, як і по першому варіанті на фіг.12. Процеси, що протікають у крайових електродних порожнинах 67 (фіг.16), ті ж, що й у режимі заряду перетворювача за схемою на фіг.15. При проходженні струму на негативному електроді 61 (фіг.16) відбувається відновлення водню з води по електродній реакції, згідно з формулою (5). При цьому водень видаляється у виді газу через патрубок 68 (фіг.14). Недостатня кількість водню в порожнині 67 біля негативного електроду компенсується дифузією водню в цю порожнину через крайню водень-провідну мембрану 65. Електродна реакція на границі крайня мембрана 65 - луг 67 біля негативного електроду відповідає формулі (2). Таким чином, електроліт 67 біля негативного електроду не витрачається. На позитивному електроді 60 (фіг.16) відбувається окислювання кисню по електродній реакції: (8) 2OH- - 2e- ® 1/ 2O 2 + H2O /0,38 В / Кисень, що утворився, виділяється у виді газу через патрубок 68 (фіг.14). При цьому на сусідній до позитивного електрода мембрані 65 відбувається відновлення водню з води по електродній реакції, згідно з формулою (5), з передачею водню через цю мембрану в кислотну порожнину 62. Це обумовлює, з одного E = 1,22В боку, зустрічн у різницю потенціалів розкладання води / H 2 O /, а, з іншого боку, витрату води на електроліз у порожнині приелектродного електроліту 67 біля позитивного електроду 60. Так точно, як і по першому варіанті, концентрація сольового розчину [NaCl] у порожнині 63 (фіг.16) по напрямку руху буде зменшуватися, і на виході порожнини 63 при відповідному співвідношенні швидкості потоку і струму перетворювача буде одержуватися кінцевий продукт - очищена вода. Основна частина води через штуцери 69 буде надходити до сполучного колектора 70, а інша частина через отвори в корпусі перетворювача буде надходити в порожнини 62 та 64 для утворення там розчинів кислоти [НСI] та лугу [NaOH].