Паливний елемент, працюючий на сірководні, – хімічне джерело струму

Винахід відноситься до техніки перетворення хімічної енергії в електричну і може бути використаний в електричних пристроях(ЕХП) різного призначення, наприклад в електричних генераторах струм у (ЕГС), паливних елементах (ПЕ). На сьогоднішній час великого розвитку досягли ЕХС та ПЕ, які використовують активні речовини: у якості окислювача - кисень або повітря, а у якості відновлення (палива) - водень, гідразін, аміак, вуглеводні, окис вуглецю, спирти, альдегіди [1,2,3]. Розроблені газові ПЕ з твердооксидними електролітами, в якості струмотворчої реакції окислення природнього газу повітрям з високим коефіцієнтом корисної дії (ККД) близько 70%. Існуючі газорідинні ПЕ, які складаються з вугільного платинованого повітряного електроду, паливного електроду та паливноелектролітної суміші (6Н сірчана кислота і метанол), мають декілька недоліків, а саме таких як наявність корозійно активного кислотного електроліту та обмежений температурний діапазон через велику летючість метанолу [4]. З відомих прототипів найбільш близькими за сукупністю істотних ознаків є газорідинні ПЕ, які складаються з: [2] - пористий металевий позитивний електрод, негативний металевий електрод, який покритий шаром шороховатого платинового нікелю і суміш лугу з жидким паливом, в якості якого можуть використовуватися гідразін, метанол, формальдегід [5] та [3] - позитивний газодифузний вугільний електрод з гідрофобізірованим запорним шаром, в якості каталізатору рідинного негативного електроду - метал гр упи платина, паладій, родій, золото, срібло, нікель; в якості паливно-електролітної суміші - використовується суміш гліцерину, води та гідроокису калію [6]. Недоліками цих ПЕ є нестабільність електричних характеристик через отруєння позитивного електроду продуктами реакцій, а також до недоліків можна віднести достатньо високу ціну палива, яке використовується і яке повинно спеціально виготовлятися (з витратами енергії та коштів) і відсутні в природі у вигляді покладу корисних копалин. Ціль винаходу є створення газорідинного ПЕ, який працює на новому виді палива - сірководні, який має покращену електричну та економічну характеристику і розширену функціональну можливість у використанні морській та підводній техніці. Ціль досягається шляхом створення газорідинного ПЕ, який має позитивний газодифузний вуглецевий, платиновий або скелетно - срібляний електрод, негативний вуглецевий металізований або оксидний електрод з каталізатором та паливноелектролітну суміш, яка має в собі сірководень. В якості каталізатора використовуються елементи групи, в склад якої входить платина, паладій, іридій, осмій, рутеній, родій, золото, магній, алюміній, тітан, кремній, германій, оксиди, карбіди, сульфіди і карбонати металів, а в якості паливноелектролітної суміші розчин сірководню та солей, які розчиняються у воді, в тому числі морська вода, або газовизний сірководень, який пропускається через каталітичний шар, який знаходиться в середовищі електроліту у наступному співвідношенні компонентів мас. %: Сірководень 0,3-90,0 Вода (у тому числі морська) 1,0-99,9 Натрія хлорид 0,1-45,0 Натрія сульфат 0,1-45,0 Калія хлорид 0,1-40,0 Калія сульфат 0,1-30,0 Магнія хлорид 0,1-45,0 Магнія сульфа т 0,1-45,0 Натрія карбонат 0,01-10,0 Новим, у пред'явленому ПЕ, є: використання в якості відновника (палива) сірководню, в якості електроліту морської води, в якості електродів - вуглецю в різних алотропних модифікаціях з каталізатором - металом платинової групи, золотом, оксидами, карбідами, сульфидами та карбонатами металів. Порівняльний аналіз з прототипами показав, що цей винахід має наявність нових складових - палива сірководню, електролітної суміші - морська вода та електродів з каталізатором, підібраних для цього виду палива. Таким чином, запропонований ПЕ відповідає критерію винаходу "новизна". В науковій та реферативній літературі нами не знайдені публікації по використанню в якості палива в ЕХГ (ПЕ) сірководню в електроліті морській воді, що дозволяє зробити висновок про відповідність критерію "винахідницький рівень". На мал.1 схематично показано пропонуємий ПЕ. ПЕ, який має вигляд: корпус 1 з пористими мембранами; 2 заповнений електролітною сумішшю. В середині корпусу розміщується позитивний електрод 3; та негативний паливний електрод 4 з струмовідводами 5 (-) і 6 (+). В процесі роботи ПЕ на позитивному електроді протікає відновлення кисню за реакцією O 2 + 2H2 O + 4 e ® 4OH Е0=0,401в На негативному електроді сірководень окислюється з утворенням різних аніонів за реакцією: H2 S(г ) + 4H2 O - 8 e = SO 2- + 10H + 4 або: 5HS - - 8e = S 2 - + 5H + 5 S 24 S 23 4HS - 6e = 3HS - 4e = + 4H + + 3H Е0=0,311в Е0=0,003в + Е0=0,033в Е0=0,097в Сумарна хімічна реакція H2 S(г ) + 2O 2 (г ) = H2 SO 4 (± 8e ) Електрорухаюча сила (Е.Р.С.) системи Е=Еокислювача-Е відновлююч а=0,401-0,311=0,09в і в разі протікання інших реакцій може мінятися в інтервалі від 0,09 до 0,371в, але у кожному разі Е е.р.с.>О, що підтверджує електрохімічну дійсність роботи цього елементу. Концентрація солей в електроліті визначалась максимальним наближенням розчину до морської води з тим, щоб забезпечити максимальну працездатність ПЕ у реальних умовах та зменшити витрати на виробництво електроенергії. Мінімальний вміст сірководню в паливно-електролітній суміші визначалось розчинністю H2S у водно-сольових розчинах. В якості позитивного електроду використовуються різні модифікації вуглецевих електродів з гідрофобізірованим запорним шаром, які достатньо добре розроблені на сьогоднішній час для процесів відновлення 02 в ПЕ, які дозволяють забезпечити стабільність характеристик ПЕ та інертні у морській воді. Негативний електрод виконується з углероду різних алотропних форм (в залежності від призначення устрою) з каталізатором, обраним з груп: 1 - Pt, Pd, Rh, Ir, Os, Ru; 2 - Au, Ag, Cu; 3 - Mg, Al, Cd; 4 - Si, Ti, Ge; 5 - Mo, W, V; їх оксидів, карбідів, сульфідів та карбонатів. Каталізатори обрані за критеріями достатньої активності та стійкості при умовах праці ПЕ. Каталізатор використовується у вигляді металу або його сполук і наноситься на електрод хімічним або електрохімічним осадженням, напилом або у суміші з струмопровідним зв'язуючим. Нанесені на графіт сплави металів з алюмінієм обробляють лугом для отримання пористої структури каталізатора. Приготовані таким методом електроди, володіють високою удельной поверхнею та достатньою активністю у реакціях окислення сірководню. Досліджені характеристики експериментального зразка заявленого ПЕ. В якості позитивного електроду використано електропровідний графіт з гідро- та електроізольованим сталевим струмовідводом. В якості негативного електроду використано електропровідний графіт з нанесеним на нього шаром каталізатора з гідро- та електроізольованим сталевим струмовідводом. В якості паливно-електролітної суміші використано розчин складу мас,%: сірководню 0,378; морської солі 3,50 %; вода 64,622. Елементарний осередок ПЕ такої конструкції дав напруження 0,368в, розрядний струм 15мА/см 2. ККД ПЕ » 77%. Удельная енергія заявленого ПЕ оцінюється в 50-100Вт ч/кг в залежності від виконання та використовуємих каталізаторів і конструкційних матеріалів. Батарея з 9 елементарних осередків ПЕ давала напруження 3,61в і розрядний струм 250мА/см 2. Експериментальний зразок випробувався у нормальних умовах, з пониженням температури удільні потужні характеристики ПЕ зростають. Список літератури. 1. Вирипаєв В.М. Хімічні джерела струму "Ви ща школа", М., 1990р 2. Хомма Токуя, Elec. Rev. 2001, 86, №7, с.14-20 3. Йосиока Хироси, Elec. Rev. 2001, 86, №7, c.21-24 4. Заявка Японії, №43-20727, кл.57АО, 1968 5. Заявка Японії, №43-20729, кл. 57АО, 1968 6. Патент Російської Федерації, RU, 2044371, С1, 6Н01М8/08 // Н01М 4/90.