Паливний елемент

Пропонований винахід відноситься до електротехніки, зокрема до джерел живлення - паливних елементів і може бути використане, наприклад у пристроях автономного електроживлення, акумуляторах. Відомі паливні елементи, складаються з пористих електродів в оболонці - анода, катода, мембрани й електроліту (іонного провідника між ними). Основна відмінність ПЭ від гальванічних елементів полягає в тім, що в них використовуються електроди, що не витрачаються, тому вони можуть працювати тривалий час. Реагенти в ПЭ надходять під час роботи, а не закладаються заздалегідь. Найбільш освоєні паливні елементи працюючі на водні і кисні. У пористих електродах здійснюється контакт газу (реагенту), електроліту (іонного провідника) і електронного провідника . При цьому виробляється електрична енергія [1 Лаврус B.C. Джерела енергії. К.: НиТ, 1997.]. До недоліків даного елемента відноситься необхідність застосування чистого водню, складність, великі габарити і вага. Дослідники давно навчилися одержувати електроенергію з вугіль водневих паливних елементів. Але це досягнення виявилося в кінцевому рахунку марним: вироблення електроенергії в таких елементах неодмінно супроводжувалася утворенням вуглецевих мас, що руйнували джерело харчування. У Пенсільванському університеті вперше змогли знайти речовини й умови, при яких елемент мало забруднюється вуглецем. Анод пристрою був виготовлений з оригінального мідного сплаву - замість традиційного цирконію. У результаті елемент четверо доби генерував потужність 100Вт при температурі реакції 700°С. У статті, опублікованої в журналі "Nature" (у номері від 16 березня 2002 року), керівник розробки професор Раймон Горте) доводить, що їх установка здатна витиснути водневі паливні елементи і працювати на доступних і недорогих вуглеводнях, наприклад, на метані і бутані. Ця установка що складається з пористих твердих електродів в оболонці - анода, катода, мембрани, іонного провідника (електроліту) між ними і систем підведення палива на один електрод і окислювача на інший, а також системи для видалення продуктів реакції обрана як прототип. [2 Лаврус B.C. Джерела енергії. К.: Нит, 1997]. У більшості випадків для прискорення хімічної реакції використовуються каталізатори. Зовнішнім електричним ланцюгом паливний елемент з'єднаний з навантаженням, що споживає електроенергію. Недоліком відомих пристроїв є забруднення електродів, низька питома ємність і енергія відомих паливних елементів. В основу винаходу поставлена задача зменшення забруднення електродів і підвищення ефективності роботи паливних елементів. Створення промислових паливних елементів із прямим перетворенням будь-якого виду палива - безпосередньо в електричну енергію. Технічний результат, що може бути отриманий при здійсненні винаходу полягає в підвищенні ефективності роботи, питомої ємності і енергії і відповідно зменшенні розмірів і ваги, спрощенні конструкції, застосуванні недефіцитних матеріалів. Поставлена задача зважується за рахунок того, що пористі електроди виконані з рідкого чи розплавленого матеріалу, що містить піну пара вуглеводнів і газів з каталізатором і оболонками, мембрану, електроліт і магніти на корпусі. Наприклад, паливний елемент в якому електрод виконаний з розплаву олова, оболонка виконана з пористого металу й одночасно є мембраною, а електропровідна рідина містить провідні частки і волокна. Паливний елемент виконаний з можливістю циркуляції електроліту за рахунок сил виникаючих при взаємодії струмів, що протікають в електроліті з магнітними полями магнітів і мікро вибухів. Паливний елемент працює в такий спосіб. Кисень і водень, метанол чи нафта подаються в розплав при температурі 700°С, і барботують через розплав. При цьому вони утворять з розплавом піну і, спливають в оболонці як у гейзері і виробляють струм. Утворяться пористі електроди, що мають високо розвиту поверхню (до 100м2/г). У пористому електроді здійснюється контакт газу (реагенту), електроліту (іонного провідника) і електронного провідника. При тому самому струмі можна знизити щільність струму і поляризацію. За рахунок сил виникаючих при взаємодії струмів, що протікають в електроліті з магнітними полями магнітів відбувається перемішування електроліту. Рідкий, поновлюваний електрод з піною не може засмітитися. Вуглець на стінках оболонки легко відновлюється при продувці киснем і виникаючими при цьому мікро вибухами і кавітацією. У паливних елементах з лужним електролітом (звичайно це концентровані гідроксиди натрію чи калію) протікають хімічні реакції. Водень проходить через анод і реагує в присутності каталізатора з наявними в електроліті іонами гідроксилу (ОН- ) з утворенням води й електрона: H2 + 2OH- ® 2H2 O + 2e - . На катоді кисень вступає в реакцію з водою, що міститься в електроліті, і електронами з зовнішнього ланцюга. У послідовних стадіях реакцій утворяться іони гідроксилу. Результуючу реакцію на катоді можна записати у виді: 1 O 2 + H 2 O + 2e - ® 2 OH - . 2 Потік електронів і іонів підтримує баланс заряду і речовини в електроліті. Вода, що утвориться в результаті реакції, частково розбавляє електроліт. У будь-якому паливному елементі частина енергії хімічної реакції перетворюється в тепло. Потік електронів у зовнішньому ланцюзі являє собою постійний струм, що використовується для здійснення роботи. У паливних елементах, що працюють при температурах 650-700°С застосовується електроліт з розплаву карбонату літію і натрію (Li2СО3+Nа2СО3). Реакція, що протікає на аноді: H 2 + -2eCO2 + H 2 O, CO + - 2e 2CO 2 на катоді: 2CO2 + O 2 + 4e У паливних елементах може відбуватися пряме електро окислювання метанолу: СН3ОН+Н2O-6е СO2+6Н+ Як навантаження можуть бути використані різні пристрої, що вимагають для свого функціонування постійної напруги.